Edukacja w EdW dla szkół i uczelni - wykład 17: Generatory sygnału na wzmacniaczach operacyjnych

Pojęcia wprowadzające

Generatory sygnału 

Generatory sygnałów to obwody, za pomocą których można wygenerować jeden lub więcej elektronicznych przebiegów napięcia przemiennego. Jednakże, aby zakwalifikować się do oznaczenia „generator sygnału”, obwód musi spełniać szereg wymagań. 

• Sygnał musi być generowany całkowicie niezależnie. Oznacza to, że obwód musi uruchamiać się natychmiast po włączeniu napięcia zasilania, bez potrzeby zewnętrznego sygnału sterującego. 
• Generowany sygnał musi mieć charakter okresowy, tj. powtarzać się regularnie w czasie. 
• Wygenerowany sygnał musi zachować jednolity charakter, każdy okres sygnału musi wyglądać identycznie jak poprzedni i następny. 
• Częstotliwość i amplituda sygnału muszą być stałe i mogą zmieniać wartość tylko poprzez świadome działanie.

Kształty przebiegów

W elektronice istnieje oczywiście niezliczona ilość różnych sygnałów, które spełniają powyższe wymagania. Istnieje jednak tylko kilka, które można określić jako sygnały standardowe. Są to:

• przebiegi sinusoidalne,
• przebiegi prostokątne,
• przebiegi trójkątne,
• przebiegi piłokształtne,
• przebiegi schodkowe. 

Dzięki tym pięciu podstawowym kształtom sygnału można rozwiązać niemal każdy analogowy problem elektroniczny. W kolejnych rozdziałach omówimy sposób generowania tych pięciu podstawowych przebiegów za pomocą wzmacniaczy operacyjnych.

Generator przebiegu prostokątnego

Wprowadzenie 

Prostokąt to przebieg, który, jak sama nazwa wskazuje, jest zdefiniowany przez prostokątny kształt.

Sygnał ma zatem tylko dwie wartości, które w większości przypadków nazywane są „L” i „H” (odpowiednio stany niski i wysoki – przyp. tłum.). Sygnał będzie przeskakiwał z „L” do „H” tak szybko, jak to możliwe z określoną częstotliwością, a następnie ponownie z „H” do „L”. 

Przebieg prostokątny jest jednym z najczęściej używanych sygnałów w elektronice. Cała elektronika cyfrowa, od prostego przerzutnika do najbardziej skomplikowanego komputera, działa wyłącznie dzięki istnieniu przebiegu prostokątnego. Prostokąt jest również często potrzebny w elektronice analogowej, nawet jeśli tylko do sterowania innym obwodem, takim jak generator schodkowy lub generator piłokształtny. 

Podstawowy obwód ze wzmacniaczem operacyjnym

Podstawowy obwód prostokątnego generatora napięcia ze wzmacniaczem operacyjnym pokazano na poniższym rysunku. Należy pamiętać, że schemat ten zakłada pojedyncze dodatnie zasilanie +Ub! 

Wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego jest ustawione na napięcie U1 za pomocą dwóch rezystorów R1 i R2 . Wejście odwracające jest podłączone do kondensatora C1, który jest podłączony do masy, a także utrzymuje kontakt z tym, co dzieje się na wyjściu za pomocą rezystora sprzężenia zwrotnego R3. Druga pętla sprzężenia zwrotnego jest zawarta w obwodzie, a mianowicie dioda D1, która w pewnych warunkach podaje wejście nieodwracające z powrotem na wyjście.

Działanie układu

Działanie obwodu omówiono na podstawie wykresów po prawej stronie rysunku. Załóżmy, że obwód jest podłączony do napięcia zasilania. Wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego jest dostosowane do napięcia U1 dzięki dzielnikowi napięcia R1/R2. Kondensator C1 jest całkowicie rozładowany, napięcie na wejściu odwracającym wynosi zero. Napięcie na wejściu nieodwracającym jest bardziej dodatnie niż napięcie wejściu odwracającym, wyjście wzmacniacza operacyjnego przechodzi do napięcia zasilania. Kondensator C1 ładuje się przez rezystor R3 od tego wysokiego napięcia. Napięcie na wejściu odwracającym będzie zatem powoli rosnąć.

Szybkość, z jaką wzrasta to napięcie, zależy od wartości rezystora R3 i kondensatora C1. W czasie t1 kondensator jest naładowany do napięcia U1. Nieco później napięcie na wejściu odwracającym staje się wyższe niż napięcie na wejściu nieodwracającym.

W rezultacie wzmacniacz operacyjny, który działa jako komparator, przełącza się, a na wyjściu pojawia się niskie napięcie. Dioda D1, która do tej pory była zatkana, będzie teraz przewodzić. W końcu katoda staje się bardziej ujemna niż anoda. Wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego jest podłączone przez diodę przewodzącą do niskiego napięcia na wyjściu wzmacniacza. W rezultacie napięcie na wejściu nieodwracającym spada do napięcia U2. Jest ono równe napięciu wyjściowemu wzmacniacza operacyjnego plus napięcie przewodzenia diody D1. 

Naładowany kondensator C1 zostanie teraz rozładowany przez rezystor R3 do niskiego napięcia wyjściowego wzmacniacza operacyjnego. W czasie t2 napięcie na kondensatorze staje się równe napięciu U2. Wejście odwracające staje się bardziej ujemne niż wejście nieodwracające, w wyniku czego wyjście wzmacniacza operacyjnego ponownie staje się równe wartości napięcia zasilania.

Obwód powraca do stanu początkowego. 

Podsumowując

Obwód generuje prostokątny przebieg na wyjściu, jego częstotliwość jest określona przez wartość kondensatora C1 i rezystora R3.

Ustawianie cyklu pracy 

Omawiany obwód generuje przebieg prostokątny, ale stosunek między czasem wysokim i niskim nie jest regulowany. Ten „cykl pracy” jest określany tylko przez stałą czasową ładowania i rozładowywania kondensatora C1. Chociaż te stałe czasowe są takie same, nie oznacza to, że ładowanie i rozładowywanie trwa tyle samo czasu. Jest to konsekwencją różnych charakterystyk ładowania i rozładowywania kondensatora. W rezultacie na wyjściu generowany jest niesymetryczny przebieg prostokątny, napięcie, którego czas „L” nie jest równy czasowi „H”. 

Jednak w wielu zastosowaniach konieczne jest generowanie sygnału prostokątnego o określonym stosunku włączenia do wyłączenia. Podstawowy obwód można łatwo rozszerzyć do wariantu, w którym można regulować ten stosunek czasów włączania do wyłączania.

Sposób, w jaki jest to możliwe, przedstawiono na poniższym rysunku. Kondensator C1 jest teraz ładowany i rozładowywany przez dwa oddzielne rezystory R3+R4 i R5+R6. Diody D2 i D3 zapewniają, że rezystory R3+R4 są używane do ładowania, a rezystory R5+R6 do rozładowywania.

Jeśli napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego jest wysokie, przewodzić będzie tylko dioda D2, co spowoduje zamknięcie obwodu między C1 i R3+R4. Dioda D3 jest zatkana, a rezystory R5+R6 nie są aktywne. Gdy napięcie wyjściowe staje się niskie, dioda D2 wyłącza się, a dioda D3 przewodzi. Następnie kondensator C1 jest rozładowywany przez rezystor R5+R6.

Projektując oba rezystory częściowo w formie potencjometrów, można indywidualnie ustawić czasy ładowania i rozładowania kondensatora C1. W ten sposób możliwe jest wygenerowanie impulsu wyjściowego z regulowanym cyklem pracy.

Zalety i wady układu 

Omawiany układ ma tę zaletę, że jest bardzo prosty i działa bezproblemowo. Ma jednak również kilka wad.

Wartość częstotliwości zależy w dużej mierze od wielkości napięcia zasilania. Im jest ono wyższe, tym szybciej ładuje się kondensator. Jeśli chcesz zaprojektować generator o bardzo stałej częstotliwości, absolutnie konieczne jest zasilanie wzmacniacza operacyjnego z bardzo dobrze stabilizowanego źródła zasilania. 

Powszechnie wiadomo, że wzmacniacze operacyjne nie są demonami prędkości. Każdy wzmacniacz operacyjny ma określoną szybkość narastania, wyrażoną w V/μs. Wielkość ta wskazuje, jak szybko napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego może rosnąć lub opadać. W tym zastosowaniu wielkość ta określa, jak szybko napięcie prostokątne przełącza się z „L” na „H” i z „H” na „L”. Ponieważ ta szybkość narastania jest dość niska w większości wzmacniaczy operacyjnych, nie należy oczekiwać użycia tego obwodu do generowania napięcia prostokątnego o częstotliwości 10 MHz. Dla wielu wzmacniaczy operacyjnych, 100 kHz jest wartością graniczną, przy której można oczekiwać akceptowalnego napięcia wyjściowego. 

Symetryczne zasilanie 

Jeśli wzmacniacz operacyjny jest używany w układzie z zasilaniem symetrycznym, można nieco uprościć obwód. Teoretyczny schemat przedstawiono na poniższym rysunku. Obwód wokół wejścia odwracającego jest identyczny. Jednak wejście nieodwracające jest teraz również objęte rezystancyjnym sprzężeniem zwrotnym między masą a wyjściem. 

Działanie układu jest następujące: po podłączeniu do symetrycznego napięcia zasilania, wejście odwracające będzie miało wartość 0V. W końcu kondensator C1 jest rozładowany. W zależności od polaryzacji napięcia przesunięcia wzmacniacza operacyjnego, wejście nieodwracające będzie nieco bardziej dodatnie lub nieco bardziej ujemne niż 0 V. Tak więc wyjście wzmacniacza operacyjnego jest zablokowane względem jednego z napięć zasilania. W zależności od polaryzacji wyjścia, wejście nieodwracające ustawi się na dodatnie lub ujemne napięcie odniesienia. Wartość tego napięcia jest określana przez stosunek między R2 i R3.

Kondensator C1 ładuje się dodatnio lub rozładowuje ujemnie, ponownie w zależności od polaryzacji wyjścia. Niezależnie od przypadku, po pewnym czasie napięcie na wejściu odwracającym staje się większe lub mniejsze niż napięcie na wejściu nieodwracającym. W rezultacie wyjście wzmacniacza operacyjnego zmienia polaryzację z + na – lub z – na +, a kondensator jest ładowany lub rozładowywany w przeciwnym kierunku. 

Częstotliwość sygnału wyjściowego zależy tylko od wartości elementów pasywnych wokół wzmacniacza operacyjnego i wartości napięcia zasilania. Wyjście dostarcza niesymetryczny przebieg prostokątny, który przeskakuje tam i z powrotem pomiędzy napięciem ujemnym „L” i dodatnim „H”. 

Wadą tego obwodu jest to, że napięcie na kondensatorze będzie zarówno ujemne, jak i dodatnie.

Dlatego nie jest możliwe użycie kondensatora elektrolitycznego. 

Po raz kolejny można zastosować omówioną już zasadę kontrolowania stosunku włączania i wyłączania impulsu wyjściowego. 

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz