@ -генератор гармонических колебаний

СВОЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН ЯО 1121955 5 Н 03 В 5/26 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ13.,: ц К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 3 Вай(71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторскийинститут охраны окружающей природнойсреды в угольной промышленности(54)(57) КС-ГЕНЕРАТОР ГАРМОНИЧЕСКИХКОЛЕБАНИЙ, содержащий первый операционный усилитель, к выходу которогоподключен вход частотоэависимого моста Вина, между выходом и инвертирующим входом первого операционного усилителя включен первый терморезистор, а также второй операционныйусилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход - с одним выводом резистора,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения температурнойстабильности амплитуды выходногонапряжения, выход частотозависимогомоста Вина подключен к неинвертирующему входу первого операционногоусилителя, между выходом и инвертирующим входом второго операционногоусилителя включены введенные последовательно соединенные второй и третийтерморезисторы, точка соединениякоторых подключена к инвертирующемувходу первого операционного усилите"ля, а другой вывод резистора подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя.Изобретение относится к радиотех-нике, а именно к устройствам генерирования гармонических колебаний, иможет быть использовано в аппаратуре,предназначенной для точных измерений, для питания неравновесных измерительных мостов и т.д.Целью изобретения является повышение температурной стабильностиамплитуды выходного напряжения.На чертеже представлена структурная электрическая схема КС-генератора гармонических колебаний,КС-генератор гармонических колебаний содержит первьм операционныйусилитель 1,.частотозависимый мост 2Вина, первый терморезистор 3, резистор 4, второй операционный усилитель 5, второй и третий термореэисторы 6 и 7. При этом резистор 4,второй операционный усилитель 5 н второй и третий терморезисторы 6 и 7образуют термоэависимую цепь 8..КС-генератор работает следующимобразом,При известных условиях в КС-генераторе возникают гармонические колебания тока, амплитуда которых первоначально возрастает. Первый терморезистор 3, работающий в инерционнонелинейном режиме, нагревается поддействием тока, температура его увеличивается, а сопротивление уменьшается, в то время как сопротивлениетермозависимой цепи 8 при неизменной З 5температуре термостата, в которыйпомещены все терморезисторы, не изменяется (так как термозависимая цепь8 состаялена таким образом, чтотерморезисторы 6 и 7, входящие в нее,40находятся в линейном режиме, т.е.практически не нагреваются под действием тока, а следовательно, принимают температуру термостата). Изменение сопротивления терморезистора 3 45ведет к тому, что коэффициент передачи цепи, образованной последовательным соединением частотозависимого моста 2 Вина и операционногоусилителя 1, которая в КС-генераторе замкнута сама на себя, уменьшается, что препятствует дальнейшему увеличению амплитуды переменноготока, текущего через терморезистор 3. В результате амплитуда напряжения на выходе КС-генератора не доходит до такого уровня, на которомпоявляются нелинейные искажения, аИтак, при любой температуре Т в установившемся режиме колебаний КС-генератора выполняются два соот- ношения Ы = Н (Т-Т,),К 1+-ь) = 1 К(2) Ю - мощность, выделяемаяна терморезисторе 3при протекании по нему тока;Н - коэффициент теплоотдачи терморезистора 31Т - температура терморезистора 3;К - коэффициент передачичастотозависимогомоста 2 Вина на часгде тоте генерации;К и К - сопротивления соответственно термозависимой цепи 8 и термо.резистора 3. стабилизируется на величине, меньшей этого уровня. Таким образом, при температуре То термоатата на выходе КС-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 КС-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.(3) 6 К= БК 2,(4) При постоянном К ин соотношения (2) следует, что при любом ТК 2.отношение - устанавливается однимКи тем же, т.е. 1171955увеличивается и мощность И то так как В., при этом уменьшается, величина У = И К 2 остается неизменной при условии, что температурный коэффициент к термоэависимой цепи 8 при номинальной температуре То больше по сравнению с фиксированным температурным коэффициентом е и отношение этих коэффициен" 10 тов находится в соответствии сформулойгде 6 В. и б К, - относительные изменения сопротивлений К и К определяемые, какаК ="В.АК 2Кгде Ь Ки 4 К 2 - изменения Ки ВОтметим, что иэ выражения (4) и из того факта, что ток, текущий через сопротивления К и В , один и тот же (вследствие большого выходного сопротивления операционного усилителя 1), относительные изменения ВБ 61.1, и 93 напряжений У, П и 0 соответственно на термозависимой цепи 8, термореэисторе 3 и выходе КС-генератора равны между со" бойЬ Б= 602 = 61.В предлагаемом КС-генераторе сопротивление К, зависит от температуры, поэтому с изменением Тр сопротивление К, изменяется (терморезистор, работающий в линейном режиме, принимает температуру термостата),а значит изменяется и температура Т терморезистора 3. При этом при фиксированном дТр изменение К , а следовательно, и изменение Т определяются только температурным коэффициентом сопротивления К, поэтому изменение разности Т - Тр в выражении (1) при увеличении нли уменьшении Тр может быть как положительным, так и отрицательным, т,е. мощность, выделяемая на В. может как возрастать, так и уменьшаться в зависимости от величины температурного коэффициента сопротивления К. Если, например, при увеличении Тр разность Т-То увеличивается, а с ней(5) нтф 2 о) Ц 1 Ипричем(2+ К Т,) находится вопределах 0,2-0,6.Именно при таком соотношениимежду температурными коэффициентами термозависимой цепи 8 (К,) и термореэистора 3 (В ) величины 8 П ,аследовательно, и об оказываютсяочень малыми. При малых измененияхтемпературы термостата изменение 25 22 о 2 напряжения ц 2 определяется сточностью до членов второго порядка малости по дТр и дТ полным дифференциалом величины 30 дУ- АТ+ - дТ Зо 2 ЬП 2 дТ ЗТ(7) где А, и В 2 - коэффициенты, почти 40 не зависящие от температуры и зависящие от "индивидуальности" терморезистора 3. Поэтому после дифференцирования получаем45 ТО,г ,/Ь 1 (Т-То)С - )1 аТ-ВТа 8) Но ввиду равенства (4) дТ и ьТ.между собой связаны 8 дТ =- - ьТ В 2 о Т 2(9) где - 2 - температурный коэффициент51 терморезистора 3 при температуре Т.Подставляя величину шТ, взятуюиз выражения (9), в соотношение (8)и выражая В через величинуо тем 2 2пературного коэффициента термореэнстора 3 при температуре Т( К =Х )Вополучаем ан- - т. т- яд т, Чт-т с,.1(дт 1 10)о а относительное изменение выходногонапряжения записывается где 3 Т - относительное изменение о температуры термостата,дТю определяемое как 5 Тр -Отсюда видно, что при выполненииусловия ою а 8 т( 2. +(КгТо)+1(13) дрейф амплитуды КС-генератора при изменении температуры среды вблизи номинальной оказывается пренебрежимо малым (равным нулю с точностью до членов второго порядка малости).Так как ц сб, переписываем выра" ,жение (13) для наглядности в видеФ4 ъ 8 Т ( 1 Ы /То)ф 1 де (Ю.( - модуль.Анализируя условие (14), отметим, что при (ес ( То = 2 и ОС,=Фусловие (14) выполняется независимоот величины ЗТ, характеризующейрежим работы терморезистора. Однакопри комнатных температурах необходимая величина /С / оказываетсяслишком малой ( 0,67/град), тогда Т-Т,тВводя величину 5 Т й начальТного относительного перегрева терморезистора 3 и преобразуя соответствующим образом выражение в фигурных скобках в формуле (11), пренебрегая при этом членами второго порядка малости, содержащими (ЗТ), полу- чаем как температурный коэффициент термо" резисторов составляет обычно порядка 4 Х/град. Можно ожидать, что прислишком малом температурном коэффициенте 1 КС-генератор не будетнормально функционировать, т.евырабатывать стабильные и без искажений гармонические колебания.1 О При комнатных температурах(293+10 К) в случае обычно используемых, в качестве инерционно-нелинейного элемента терморезисторов величина ЬТ(2-(Ф.Д То) отрицательна. При 15 этом, еслиТ(2-/Ю. /Тс 1, то) 1Ы,При /Б Т (2-/о Д Т )- з 1 величинастотношения необходимая для вы 0полнения условия (14), сильно возрастает. Если же /5 Т(2-/(/ Т)(1,то в "1, т.е. температурный коэф(афициент термозависимой цепи 8 (сопротивление К ) должен быть противоположного по сравнению со знака.Исследован случай, когда при-/ /Т)/ - 1 и лежит в пределах 0,2-0,6. Этот случай наиболее доступендля КС-генераторов, выполненных .наоснове интегральных микросхем,так екак величина перегревао Т 1 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 о Т 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 терморезистора3 может произойти уже в течение одного периода колебаний. Если величина /Т(2-/0( То)/ выбрана в пределах 0,2-0,6, то для достижения малой температурной нестабильности величина отношения - должна быть выбрана нз интервала 1,25-2,5 в соответствии с формулой (14).Целесообразно выбирать термореэистор 3 и режим его работы не зависимо от требования температурнойстабильности, а как и в известном7 1171955устройстве, в соответствии с требованиями устойчивости генерации иминимальности нелинейных искаженийи фиксировать тип терморезистора 3(и режим его работы), а значит, ивеличину с(. в соответствии с этимитребованиями. Поэтому для уменьшения температурной нестабильностинеобходимо увеличивать величину Ктермоэависимой цепи 8. Подбор подходящих терморезисторов может оказаться не всегда возможным и удобным.Для искусственного увеличениятемпературного коэффициента термозависимой цепи 8 по сравнению стемпературными коэффициентами используемых в ней терморезисторов 6 и7, работающих в линейном режиме,сопротивление К 1 термозависимой20цепи 8 как двухполюсника, один иэполюсов которого соединен с точкойсоединения терморезисторов Ь и 7,а другой - с корпусом, выражаетсяформулой 2 За=ЬЕ, + " Ьг .г +г Аналогичное соотношение имеет мес 15то и для температурных коэффициентовсопротивления К, ф сопротивления г и;К сопротивлейия г,Г 2 дщ д т ф - ,дФ,(15) 1У1 г +г +г2,30 Температурный коэффициент сопротивления К, такого двухполюсника 40 больше,чем температурный коэффициент сопротивлений г и г, терморезисторов 6 и 7 Малые изменения г, и 4 г термозависимых величин г и г, вызывают изменение аК величины К 1 которое может быть записано в виде полного дифференциала от выражения (16) 50СоставиТехред Редактор О. Юрковецкая Заказ 4914/49 Тираж 872 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва., Ж, Раушская наб., д. 4/5 МФилиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4 где г - сопротивление терморезистора 6;г, - сопротивление резистора 4, г, - сопротивление терморезистора 7.Если г г, +г , то формула (15) принимает видК - д -- (16)Ф 2 Г Г 2 ГВдд,= . д, +, ы ф г +г,(г +г,или, вводя относительные измененияф Разделив это выражение на выражение (16), находим относительное изменение сопротивления К Отсюда видно, что ш.больше К 1 зи в случае оИ= Ывеличина а(в зависимости от величины соотногьшения - - может принимать энаГ 2чения в пределах К т- й ю,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 Е , а также величине 5 Т, которая в соответствии с формулой (1) представляет собой безразмерную комбинацию величин М,ИН и Т (ЬТ ", .), характеризующих соответственно режим работы термореэистора 3 в КС-генераторе, свойство этого терморезистора, помещенного в заданную среду (его теплообмен со средой), и состояние этойсреды, предложенный КС-генераторпозволяет уменьшить температурнуюнестабильность выходного напряжения. тель Н. МатвиенкоС.Мигунова Корректор Л. Бескид