Найти в Дзене
Сергей Гайдук

ВСПОМИНАЕМ ИСТОРИЮ! РАЗБИРАЕМСЯ С МОСТОМ ВИНА.

Здравствуйте мои уважаемые читатели!

Мост Вина встречается во многих генераторах низкой частоты.

Очень интересная конструкция, но при всей своей простоте очень капризная… Выполнить перестраиваемый генератор или генератор на одну фиксированную частоту, содержащий в своём составе мост Вина очень просто, только необходимо обойти несколько «подводных камней».

Вот о таких «подводных камнях» я и хочу рассказать моим читателям.

И начнём со схемы моста Вина-Робинсона

-2

Рис. 1. Мост Вина-Робинсона в составе генератора синусоидального сигнала.

Очень простая схема, а почему она называется мостом?

Всё очень просто – перемычка между двумя берегами и называется мостом, иногда, точки подключения моста ( и это правильно! ) называют диагональю моста… Здесь всё просто и понятно

-3

Рис. 2. Мост Вина-Робинсона.

Необходимо особо отметить, что в большей части литературы, рассказывающей об этом устройстве, только левую часть называют «Мост Вина-Робинсона», а правую или упускают, или для упрощения не называю. Беда не большая, но надо не забывать, что левая часть моста, обозначенная ПОС ( на Рис.1 ) мостом не является и представляет собой полосовой фильтр ( ФСЧ ), состоящий из двух фильтров: фильтр нижних частот ( ФНЧ ) – это резистор R2 и конденсатор C1; фильтр верхних частот ( ФВЧ ) – это резистор R1 и конденсатор C2. При определённых соотношениях величин резисторов и конденсаторов срезы частотных характеристик фильтров совпадают и образуют квазирезонансную частоту, которую ( так же ошибочно! ) называют резонансной. Опять же, беда небольшая, к названию «резонансная» все практически привыкли…

Приводить все формулы вывода квазирезонансной частоты я не буду – это утомительное занятие. Ограничусь конечными формулами. Основная формула для определения квазирезонанса выглядит просто

-4

Но и эту формулу постарались упростить

-5

Упростили не только для расчёта, но и для удобства перестройки по частоте – если применить два переменных сдвоенных резистора или блок из двух конденсаторов переменной ёмкости, то очень удобно перестраивать частоту генератора.

Из-за этих формул мне пришлось изрядно потрудиться и «перекопать» большое количество литературы в читалке. На лекции по генератору с мостом Вина-Робинсона на вопрос преподавателя: - всё понятно? Я и задал вопрос: - а почему применять обязательно сдвоенные резисторы, ведь можно изменять только один и частота согласно формуле будет изменяться? Был очень каверзный ответ: - можно! Но вот почему применяют сдвоенный , а не одиночный, Вы в своём реферате мне и ответите! Срок для реферата две недели, плюс его защита на экзамене! «Цена» реферата один балл на экзамене, но в плюс или минус зависит от результата защиты! Желаю удачи!

С этим преподавателем шутки не проходили, и пришлось трудиться, а самое обидное то, что оценки ШЕСТЬ баллов не существует, и в зачетке появилось «ОТЛ»! Зато я выяснил все «подводные камни» в мосте Вина-Робинсона. И вот про них я и расскажу моим читателям.

Первый «подводный камень» - это коэффициент усиления усилителя генератора, охваченного цепью ООС.

Согласно формулам левая часть моста, согласно второй основной формуле, уменьшает сигнал в три раза и усилитель должен иметь коэффициент усиления больше трёх, но насколько больше? Если взять 3,05 раз или даже меньше, запустится генератор или не запустится? Обязательно запустится! До номинального значения амплитуда колебания будут нарастать очень медленно. Разница по времени между Ку= 3,1 и Ку=3,5 составляет 4 раза, а если брать Ку=3,05 и Ку=3,5 то почти в 20 раз. Долго придется ждать при Ку=3,05, а если учесть, что в этот процесс вмешивается ООС, то процесс будет слишком затянут и это будет очень заметно при перестройке частоты.

Надо искать «золотую середину» между скоростью нарастания сигнала и нелинейными искажениями синусоиды. С увеличением Ку сигнал нарастает быстрее, но увеличиваются искажения и существенно!

Теперь о диапазоне перестройки при изменении номинала сдвоенного резистора в десять раз, частота изменится так же в десять раз. А вот если изменять только один резистор ( по первой формуле ) в десять раз частота изменится только в 6,32 раза при величине переменного резистора 20 кОм и в 3,32 раза при величине переменного резистора 10 кОм.

Много это или мало? Мало, но здесь очень сильно вмешивается коэффициент усиления Ку. При изменении частоты изменяется коэффициент затухания, вносимый мостом. И посчитаем, как он изменяется. Эту формулу очень простую было очень непросто найти среди многих научных работ, а в простых описаниях простых и даже не простых авторов её просто нет от слова совсем!

Вот такая простая формула

-6

Если согласно второй формуле частоты конденсаторы равны и переменные резисторы имеют одинаковую величину, то Ку получается равен трём ( несколько больше трёх ) и при синхронном изменении величины резисторов не требуется изменять Ку.

Теперь посчитаем величину Ку, если изменять один резистор, например, R2 и так же в 10 раз. Конденсаторы не меняем!

-7

При изменении величины резистора R2 в 10 раз необходимо синхронно изменить Ку с 3 до 12.

Теперь посчитаем, как изменится Ку при изменении резистора R1

-8

Теперь Ку изменяется от 3 до 2,1 раза. В этом случае Ку уменьшается, но в меньшей степени.

Какой вывод можно сделать, можно или нельзя изменять частоту одним резистором? Можно!!! Но это вызывает большие трудности в создании ООС – требуется очень широкий диапазон стабильной работы, особенно при регулировке резистором R2. Создать такую ООС можно, но появляется ещё одно препятствие – диапазон перестройки частоты. При регулировке только одним резистором диапазон регулировки существенно меньше…

-9

Рис. 3. Графики влияния резисторов на частоту генерации. Величина переменных резисторов 20 кОм.

Как видно из графиков, перестройка частоты сдвоенным резистором имеет более широкий рабочий диапазон.

И рассматривая график перестройки сдвоенным резистором, можно заметить, что частота изменяется очень нелинейно!!! В чем же причина? Смотрим на формулы, все изменяемые параметры ( величины резисторов и конденсаторов ) в формулах расположены в знаменателе ( это видно не только в данном генераторе, но и во всех RC-генераторах ), теперь вспоминаем график функции К=1/х и видим, что он полностью соответствует графикам на Рис.3.

Вывод: сделать RC-генератор с равномерной шкалой частоты в любительских условиях практически невозможно. График перестройки частоты переменным резистором с линейным изменением сопротивления будут точно соответствовать графику функции К=1/х, а если резистор нелинейный ( группа В ) график не изменится, но шкала на приборе станет меньшей кривизны. Изменять зависимость частоты генератора от угла поворота резистора дополнительно можно изменять при помощи дополнительных резисторов, включаемых последователь, параллельно или последовательно-параллельно каждому переменному резистору. Такая «хитрость» улучшает линейность шкалы, но сужает диапазон перестройки частоты. И здесь также приходится искать «золотую середину».

К сожалению, практически в любых публикациях нет даже попытки, об этом рассказать. О применении нелинейных резисторов так же редко упоминается. В большинстве схем последовательно с переменными резисторами установлены резисторы постоянной величины ( иногда один подстроечный ) и опять же, нет описания для чего они установлены и как выбирать величину этих резисторов. И только у одного автора в описании указано, что эти резисторы выполняют две функции: ограничивают верхний предел перестройки частоты и исключают короткое замыкание каждого резистора, что может вызвать «генерацию» на высоких частотах. И там же автор упомянул про подстроечный резистор в цепи одного их переменных – он предназначен для выравнивания разницы между сдвоенными резисторами и попытку устранения «не идентичности» первого переменного резистора от второго. Разница в не идентичности так же влияет на Ку в пределах 2,8 … 3,2.

Вот такое количество «подводных камней» в такой простой схеме из двух резисторов и двух конденсаторов. Решить такую простую задачу оказывается не так уже и просто…

В схеме на двух транзисторах для одной частоты при однополярном питании возможно, а вот для перестройки частоты при качественной синусоиды уже сложнее…

В любом варианте, для создания качественного генератора, требуется решить несколько проблем, и всегда необходим осциллограф для настройки.

Как решить проблему создания RC-генератора я расскажу в следующем материале.

Пишите, комментируйте, возможно, я что-то упустил. Всегда рад Вашим дополнениям и подсказкам!

Берегите себя, не болейте!!!

Желаю всем чистого неба над головой!!!