Генераторные схемы выдают на выходе периодические сигналы. Они могут преобразовать любой сигнал постоянного тока в сигнал переменного тока с разными частотами в зависимости от его состава. В этой статье мы обсудим генератор моста Вина, его принцип работы, а также модифицированные версии и примеры.
Генератор Венского моста
Генератор моста Вейна представляет собой частотно-ориентированную форму моста Уитстона. В мостовой схеме два плеча содержат только сопротивления, а два других содержат комбинации сопротивления и конденсатора. Одно из плеч мостового генератора состоит из последовательной RC-цепи с другой параллельной RC-цепью, как показано ниже:
Комбинации конденсатора и резистора из двух плеч выглядят как фильтры верхних и нижних частот, как показано на рисунке ниже:
Принцип работы
При применении более низких частот последовательно соединенные конденсаторы имеют очень высокое реактивное сопротивление, поскольку реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте, что определяется формулой:
Из-за очень высокого реактивного сопротивления конденсатор ведет себя как разомкнутая цепь, поэтому выходной сигнал остается нулевым.
При применении более высоких частот оба конденсатора C1 и C2 имеют низкое реактивное сопротивление и действуют как короткое замыкание. В этой ситуации входной сигнал следует по короткозамкнутому пути от C1 и C2, чтобы вернуться к источнику питания. Выходное напряжение и в этом случае остается нулевым.
Однако мы можем выбрать диапазон средних частот между очень высокой и очень низкой частотой, чтобы можно было избежать как обрыва цепи, так и короткого замыкания. Частота среднего уровня, при которой выходное напряжение оказывается максимальным, называется резонансной частотой.
Графическое представление
На резонансной частоте величина выходного напряжения равна почти одной трети входного напряжения. График, построенный между выходным коэффициентом усиления и фазовым сдвигом, иллюстрирует опережение фазы, фазовую задержку и точку резонанса, как показано ниже:
На низких частотах фазовый угол показывает +90 градусов, указывая на опережение фазы между входным и выходным сигналами, а на высоких частотах фазовый угол становится -90 градусов, указывая на наличие задержки фазы между входным и выходным сигналами. Точка средней частоты fr указывает на резонансные частоты, на которых два сигнала находятся в фазе друг с другом.
На низких частотах фазовый угол показывает +90 градусов, указывая на опережение фазы между входным и выходным сигналами, а на высоких частотах фазовый угол становится -90 градусов, указывая на наличие задержки фазы между входным и выходным сигналами. Точка средней частоты fr указывает на резонансные частоты, на которых два сигнала находятся в фазе друг с другом.
Выражение частоты генератора
Резонансная частота рассчитывается ниже:
Для резонансной частоты; R1=R2=R и C1=C2=C:
Генератор моста Вейна с операционным усилителем
Генераторы моста Вейна также могут включать в свою схему операционные усилители. Выводы операционных усилителей подключены к двум точкам генератора моста Вейна, как показано ниже:
Единственным ограничением этой конфигурации является ограничение более высоких частот. Генераторы моста Вейна на базе операционных усилителей должны работать на частоте ниже 1 МГц. Это связано с тем, что мосты Вейна представляют собой низкочастотные генераторы в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.
Пример
Рассмотрим резистор сопротивлением 20 кОм и переменный конденсатор емкостью от 10 до 2000 нф в схеме генератора моста Вейна. Оцените максимальные и минимальные значения частот колебаний.
Частота колебаний определяется выражением:
Для самой низкой частоты fmin;
Для самой высокой частоты fmax:
Заключение
Генератор моста Вейна представляет собой комбинацию фильтров верхних и нижних частот. Он работает на резонансной частоте, при которой выходное напряжение оказывается максимальным. Выше и ниже этой частоты сохраняется нулевой выходной сигнал.