@ -генератор гармонических колебаний

 

RC-ГЕНЕРАТОР ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ, содержащий первый операционный усилитель, к выходу которого подключен вход частотозависимого моста Вина, между выходом и инвертирующим входом первого операционного усилителя включен первый терморезистор , а также второй операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход - с одним выводом резистора, отличающийся тем, что, с целью повьшения температурной стабильности амплитуды выходного напряжения, выход частотозависимого моста Вина подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, между выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя включены введенные последовательно соединенные второй и третий терморезисторы, точка соединения (Л которых подключена к инвертирующему с входу первого операционного усилителя , а другой вывод резистора подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя. .:П ;о ел СП

СВОЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1171955 (g))4 Н 03 В 5/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

13,: ц

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3510718/24-09 (22) 05. 11.82 (46) 07.08.85. Бюл. 9.29 (72) Г.А, Прохоров и В,И. Клепиков (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт охраны окружающей природной среды в угольной промышленности (53) 621.373.42 (088.8) (56) Патент Великобритании Ф 1015843, кл. Н 03 В 5/28, 1966.

Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.

Л., "Энергия", 1980, с. 150, рис. 6-17а. (54)(57) Rc-ГенеРАтОР ГАРмОнических

КОЛЕБАНИЙ, содержащий первый операционный усилитель, к выходу которого подключен вход частотоэависимого моста Вина, между выходом и инвертирующим входом первого операционного усилителя включен первый терморезистор, а также второй операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход — с одним выводом резистора, отличающийся тем, что, с целью повышения температурной стабильности амплитуды выходного напряжения, выход частотозависимого моста Вина подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя, между выходом и инвертирующим входом второго операционного усилителя включены введенные последовательно соединенные второй и третий терморезисторы, точка соединения которых подключена к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а другой вывод резистора подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя.

1171955

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к устройствам генерирования гармонических колебаний, и может быть использовано в аппаратуре, предназначенной для точных измерений, для питания неравновесных измерительных мостов и т.д.

Целью изобретения является повышение температурной стабильности амплитуды выходного напряжения.

На чертеже представлена структурная электрическая схема RC-генератора гармонических колебаний.

RC-генератор гармонических колебаний содержит первьм операционный усилитель 1,.частотозависимый мост 2

Вина, первый терморезистор 3, резистор 4, второй операционный усилитель 5, второй и третий термореэисторы 6 и 7. При этом резистор 4,вто- 20 рой операционный усилитель 5 н второй и третий терморезисторы 6 и 7 образуют термоэависимую цепь 8. .RC-генератор работает следующим образом, При известных условиях в RC-генераторе возникают гармонические колебания тока, амплитуда которых первоначально возрастает. Первый терморезистор 3, работающий в инерционно- З0 нелинейном режиме, нагревается под действием тока, температура его увеличивается, а сопротивление уменьшается, в то время как сопротивление термозависимой цепи 8 при неизменной З5 температуре термостата, в который помещены все терморезисторы, не изменяется (так как термозависимая цепь

8 состаялена таким образом, что терморезисторы 6 и 7, входящие в нее,40 находятся в линейном режиме, т.е. практически не нагреваются под действием тока, а следовательно, принимают температуру термостата). Изменение сопротивления терморезистора 3 45 ведет к тому, что коэффициент передачи цепи, образованной последовательным соединением частотозависимого моста 2 Вина и операционного усилителя 1, которая в RC-генера- 50 торе замкнута сама на себя, уменьшается, что препятствует дальнейшему увеличению амплитуды переменного тока, текущего через терморезистор 3. З результате амплитуда напря- 55 жения на выходе RC-генератора не доходит до такого уровня, на котором появляются нелинейные искажения, f

Итак, при любой температуре Т в установившемся режиме колебаний

RC-генератора выполняются два соотношения

w = н (тт©), (2) W — мощность, выделяемая на терморезисторе 3 при протекании по нему тока;

Н вЂ” коэффициент теплоотдачи терморезистора 3;

Т вЂ” температура терморезистора 3;

К, — коэффициент передачи частотозависимого моста 2 Вина на часгде тоте генерации, R u R — сопротивления соотМ 2 ветственно термозависимой цепи 8 и термо. резистора 3. стабилизируется на величине, меньшей этого уровня. Таким образом, при температуре То термоатата на выходе RC-генератора устанавливаются гармонические колебания стабильной амплитуды (или изменяющейся около стабильного среднего значения).

Если температурная чувствительность термореэистора 3 достаточно велика, а прогревается он током достаточно сильно, то и при других температурах термостата, несколько Отличных от Т, также возникают стабильные гармонические колебания со своими стабильными параметрами.

Когда температура термостата изменяется медленно (что обычно имеет место), то колебания RC-генератора проходят последовательность стабнльных состояний, каждое иэ которых отвечает определенной температуре термостата, причем в каждом из стабильных состояний коэффициент передачи цепи (замкнутой сама на себя) должен быть равен 1, а скорость ,теплообмена терморезистора 3 с термостатом должна быть равна мощности, выделяемой на терморезисторе 3 за счет протекания тока, т.е. должно выполняться уравнение теплового баланса. — =.const

Rg

R) (3) ЬК1 БК27 (4) При постоянном К ин соотношения (2} следует, что при любом Т

ki отношение — устанавливается одним

R и тем же, т.е.

1171955 увеличивается н мощность W,, то так как R, при этом уменьшается, величина U = W-R остается неизменной при условии, что температурный коэффициент „ термоэависимой цепи 8 при номинальной температуре То больше по сравнению с фиксированным температурным коэффициентом о и отношение этих коэффициен"

10 тов находится в соответствии с формулой где SR и 5 R — относительные изменения сопротивлений R и R,, onpe деляемые, как аК = ".

К аКд

R з где dRN и 4К, — изменения Rl и К,.

Отметим, что иэ выражения (4) и из того факта, что ток, текущий через сопротивления R и К, один и тот же (вследствие большого выходного сопротивления операционного усилителя 1), относительные изменения

6 )т и 6 ) напряжений 4, U соответственно на термозависимой цепи 8, термореэисторе 3 и выходе RC-генератора равны между со" бой

Ь тт = 6Б, = 61).

В предлагаемом RC-генераторе сопротивление R зависит от температуры, поэтому с изменением Тт сопротивление К, изменяется (терморезистор, работающий в линейном режиме, принимает температуру термостата),а значит изменяется .и температура Т терморезистора 3. При этом при фиксированном 4Т изменение Ro, а следовательно, и изменение Т определяются только температурным коэффициентом сопротивления R< поэтому изменение разности Т вЂ” Т в выражении (1) при увеличении нли уменьшении Т может быть как положительным, так и отрицательным, т.е. мощность, выделяемая на R может как возрастать, так и уменьшаться в зависимости от величины температурного коэффициента сопротивления R Если, например, при увеличении Т разность Т-То увеличивается, а с ней (5) н т ++ о) 1 И причем (H (2+4 T,) находится в о пределах 0,2-0,6.

Именно при таком соотношении между температурными коэффициентами термозависимой цепи 8 (К,) и термореэистора 3 (Б ) величины 8U,а следовательно, и о 0 оказываются очень малыми. При малых изменениях температуры термостата изменение

2 40 напряжения 0 определяется с точностью до членов второго порядка малости по 4ТО и дТ полным диф ференциалом величины

dU — АТ+ — дТ

< 4 . Ы1а дТ . ЗТ (6) 35

Вид функции 8 (Т) для терморезистора 3 известен

К, -АŠ—, е (7) где А, и B, — коэффициенты, почти

40 не зависящие от температуры и зависящие от "индивидуальности" терморезистора 3.

Поэтому после дифференцирования получаем

glJa-- / — Т (1(Т-То)(- — )) Т- Тд (Я) Но ввиду равенства (4) ЬТ и вТ . между собой связаны

g aT =- — ьТ

Bk о р (9) в где — 2 — температурный коэффициент

51 терморезистора 3 при температуре Т.

Подставляя величину AT взятую из выражения (9), в соотношение (8) и выражая В через величину тем2 а

117 1955 пературного коэффициента термореэнстора 3 при температуре T ((С =

Х )

В

Т т в о получаем

aU = "" Т (Т-Т (С .(аТ (10( а а относительное изменение выходного напряжения записывается

7 тt

ЬU=ЕU,- —, — -" Т, ° (Т-Т )а(,-аjйт„(e) о

< где 3 Т вЂ” относительное изменение о температуры термостата, дТ ю определяемое как Т вЂ”

Отсюда видно, что при выполнении условия о4 4 ((С PT(2,+<>T>) t (13) дрейф амплитуды RC-генератора при изменении температуры среды вблизи номинальной оказывается пренебрежимо малым (равным нулю с точностью до членов второго порядка малости).

Так как . «0, переписываем выра,жение (13) для наглядности в виде

Ф

0(1 .Бт (z-/,,/To)+s -.

-де (aL< — модуль.

Анализируя условие (14), отметим, что при ((((. I То = 2 и о(-1=4 условие (14) выполняется независимо от величины ЗТ, характеризующей режим работы терморезистора. Однако при комнатных температурах необходимая величина /aC. / оказывается слишком малой (0,67/град), тогда

Т-Т

Вводя величину 5 Т и начальТс> ного относительного перегрева терморезистора 3 и преобразуя соответствующим образом выражение в фигурных скобках в формуле (11), пренебрегая при этом членами второго порядка малости, содержащими (ST), получаем как температурный коэффициент термо" резисторов составляет обычно порядка 4Ж/град. Можно ожидать, что при слишком малом температурном коэффициенте e(

10 При комнатных температурах (293+10 К) в случае обычно используемых, в качестве инерционно-нелинейного элемента терморезисторов величина ЬТ(2-(и.Д То) отрицательна. При

t5 этом, если ® Т(2-/g>JT ((1, то

) 1 °

С,(О

При /БТ(2-/оС /То)l — з 1 величина с а отношения необходимая для вы20 OC g полнения условия (14), сильно возрастает. Если же / ST(2-Jg. (То)() 1 то 1, т.е. температурный коэф((а фициент термозависимой цепи 8 (сопротивление R ) должен быть противоположного по сравнению со знака.

Исследован случай, когда при

g< y 47/град величина /f Т(2Зо

-/< /Т„)/ 1 и лежит в пределах 0,2-

0,6. Этот случай наиболее доступен для RC-генераторов, выполненных на основе интегральных микросхем,так как величина перегревао Т и мощность, выделяемая на терморезисторе 3, невелика. Слишком малые перегревы могут привести либо к срыву генерации, либо к нелинейным искажениям, возникающим вследствие увеличения амплитуды колебаний до насыщения".

При больших величинах 5Т на терморезисторе 3 выделяется слишком большая мощность, что также может привести к ухудшению коэффициента нелинейных искажений ввиду того, что изменение температуры, а следовательно, и сопротивления терморезистора

3 может произойти уже в течение одного периода колебаний. Если величина / ф Т(2- of / То)/: выбрана в пределах 0,2-0,6, то для достижения малой температурной нестабильности величина отношения — должна быть выб0 1 сК рана из интервала 1,25-2,5 в соответствии с формулой (14).

Целесообразно выбирать термореэистор 3 и режим его работы не зависимо от требования температурной стабильности, а как и в известном

7 1171955 устройстве, в соответствии с требованиями устойчивости генерации и минимальности нелинейных искажений и фиксировать тип терморезистора 3 (и режим его работы), а значит, и величину a(, в соответствии с этими требованиями. Поэтому для уменьшения температурной нестабильности необходимо увеличивать величину юС, термоэависимой цепи 8. Подбор подходящих терморезисторов может оказаться не всегда возможным и удобным.

Для искусственного увеличения температурного коэффициента термозависимой цепи 8 по сравнению с температурными коэффициентами используемых в ней терморезисторов 6 и

7, работающих в линейном режиме, сопротивление R1 термозависимой

20 цепи 8 как двухполюсника, один иэ полюсов которого соединен с точкой. соединения терморезисторов Ь и 7, а другой — с корпусом, выражается формулой 2S

Аналогичное соотношение имеет мес

15 то и для температурных коэффициентов сопротивления R, „ сопротивления г+ и 2 сопротивлейия г, Г2 д„= д т, + —,,, дй„. (17) (15) 1

У гз

30

Температурный коэффициент сопротивления R, такого двухполюсника 40 больше,чем температурный коэффициент сопротивлений r1 и г, терморезисторов 6 и 7.. Малые изменения gr u g r термозависимых величин г„ и г, вызывают изменение аК1 величины К которое может быть записано в виде полного дифференциала от выражения (16) 50

Состави

Техред

Редактор О. Юрковецкая

Заказ 4914/49

Тираж 872 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва., Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 й

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4 где r — сопротивление терморезис1 тора 6; г, — сопротивление резистора 4;

r, - сопротивление терморезистора 7.

Если r,г, +r,, то формула (15) принимает вид

R =. — д — — (!6)

Д 2

r Г2 ГФ

iiR = . Дт + д Ы г„ +г, (г +г, или, вводя относительные изменения г„" 2 г

Разделив это выражение на выражение (16), находим относительное изменение сопротивления R<

Отсюда видно, что аС больше ed%> и в случае a(2 = о „ величина <„ в зависимости от величины соотногь шения может принимать энаГ1 +Г2 чения в пределах 0(. ò - д- 0C г,т.е. температурный коэффициент используемых терморезисторов 6 и 7 может быть увеличен в два раза, а практически по крайней мере в 1,8 раза, что значительно облегчает подбор терморезисторов и создает возможность их взаимозаменяемости. Таким образом, при уже выбранном типе терморезистора 3, его температурном коэффициенте К, а также величине 5Т которая в соответствии с формулой (1) представляет собой безразмерную комбинацию величин W

Н и То (ЬТ, ), характеризующих

НТ соответственно режим работы термореэистора 3 в RC-генераторе, свойство этого терморезистора, помещенного в заданную среду (его теплообмен со средой), и состояние этой среды, предложенный RC-генератор позволяет уменьшить температурную нестабильность выходного напряжения. тель Н. Матвиенко

С.Мигунова Корректор Л. Бескид