Rechteckwelle von Komparatordriften und die integrierte Rechteckwelle ergibt keine Dreieckwelle

Ich versuche, einen Funktionsgenerator zu machen.

Der Generator läuft auf 16kHz, die Rails sind +12/-12V für Testzwecke.

Ich erhalte im Grunde eine Sinuswelle mit einem Oszillator, treibe einen Komparator (LM311) mit der Sinuswelle an, um eine Rechteckwelle zu erhalten, und integriere dann die Rechteckwelle, um eine Dreieckwelle zu erhalten.

Das Problem ist, dass die Rechteckwelle zur positiven Schiene driftet und ich nichts in der Nähe einer Dreieckwelle bekomme. Ich habe auch einen TL071 verwendet, der auch nicht funktioniert hat. Unten ist die Schaltung:

Schaltkreis

Das ist das Ergebnis. Blau ist die Sinuswelle, Grün ist die Dreieckswelle und Lila ist die Rechteckwelle:

Ergebnis

Nahaufnahme

Ich möchte, dass der Generator eine variable Frequenz hat.

Es wäre hilfreich, Zeit- und Spannungsskalen für diese Sweeps zu haben. Ich denke, Ihr Dreiecksgenerator könnte viel schneller sein, als Sie denken. Ersetzen Sie vielleicht R6 durch 1M, damit es etwas linearer ist. Ich schätze, dass Ihre Anstiegsrate (Dreiecksrampensteigung) ungefähr 120 kV / s beträgt.
Der 741 ist ein alter Dinosaurier und sollte aus jedem Teile-Toolkit gestrichen werden (und er ist heute nicht wirklich billig). Verwenden Sie mindestens einen TL081 oder LF351 (JFET-Eingangs-Operationsverstärker) oder sogar einen LM358 (es ist ein Dual-Operationsverstärker) oder sein Quad-Äquivalent LM324. Sie sind keine "modernen" Opamps (obwohl die LM358/LM324 heute noch häufig für anspruchslose Anwendungen verwendet werden), aber viel besser als die 741.
Die violette Wellendrift sieht aus wie das, was Sie erhalten, wenn Sie etwas mit einem DC-Offset AC-koppeln. Der Kondensator lädt sich auf die DC-Offsetspannung auf und hebt sie auf, was etwas Zeit in Anspruch nimmt.
Ich werde den Operationsverstärker wechseln. Abgesehen davon, welcher Teil ist der mit DC-Offset und welcher Teil ist der AC-Teil? Wie kann ich dieses Kopplungsproblem lösen? Danke.

Antworten (2)

R6 ist zu klein, es sollte in der Größenordnung von 1M oder 470k liegen.

R3 ist zu groß, machen Sie es ungefähr 4k7. Dieser Widerstand bildet mit dem Eingangswiderstand des Integrators einen Potentialteiler. Wenn der Eingang zum Integrator hoch geht, wirken diese beiden 100k-Widerstände zusammen, um die Eingangsspannung zum Integrator zu halbieren, verglichen mit dem Fall, wenn der Eingang des Integrators niedrig wird, was den Integrator aus dem Gleichgewicht bringt.

Es gibt 3 Faktoren, die die Amplitude der ausgegebenen Dreieckswelle steuern:-

  1. Amplitude des Rechteckwelleneingangs.

  2. Frequenz der Eingangsrechteckwelle. Das heißt, wie lange die Rechteckwelle im High-Zustand bleibt und wie lange sie im Low-Zustand bleibt.

  3. Die Zeitkonstante R4 * C1.

Im Moment ist die Amplitude der Dreieckswelle viel zu groß (der Operationsverstärker sättigt an den Versorgungsschienen). Erhöhen Sie daher die Frequenz der Sinuswelle oder erhöhen Sie die Größe von C1, um die Amplitude der Dreieckswelle auf innerhalb der Versorgung zu bringen Schienen.

Selbst bei einer Änderung an R3, wodurch es 4k7 wird, wird die quadratische positive Auslenkung etwas kleiner sein als ihre negative Auslenkung, was zu einem Versatz der Dreieckswelle vom Mittelboden führt. Um diesen Offset erheblich zu reduzieren, fügen Sie einen kleinen Widerstand (z. B. 100R) zwischen dem 4k7-Widerstand und dem Ausgang des LM311 ein und verbinden Sie den Eingang mit dem Integrator zwischen diesen beiden Widerständen. Dadurch wird die Amplitude des negativen Schwungs der Rechteckwelle verringert und die Dreieckwelle wird zentraler. Sie müssen den Wert dieses zusätzlichen Widerstands anpassen, um seinen optimalen Wert zu finden, um den Dreieckswellen-Offset zu minimieren.

Sie haben vielleicht anhand der 3 oben aufgeführten Amplitudenkontrollfaktoren erkannt, dass die Amplitude der Dreieckswelle mit der Sinuswellenfrequenz variiert. Festwertkomponenten lassen nur einen begrenzten Frequenzbereich für eine Amplitude der Dreieckwelle zwischen sehr klein und einer durch die Versorgungsschienen begrenzten Amplitude zu.

BEARBEITEN

Um die Amplitude der Dreieckswelle zu berechnen:-

Vout = -(Vin * t)/(RC)

Wo:-

Vout = die Amplitude der Dreieckswelle

Vin = die Amplitude der Rechteckwelle

t = die Hälfte der Zeit, in der die Rechteckwelle entweder hoch oder niedrig ist = 1/(4f)

RC = Eingangswiderstand multipliziert mit Rückkopplungskapazität

Die Formel enthält ein negatives Vorzeichen, denn wenn die Eingangsrechteckwelle positiv wird, fällt der Ausgang des Integrators in eine negative Richtung ab.

Der Operationsverstärker 741 ist 53 Jahre alt und hat Probleme mit Frequenzen über 9 kHz. Moderne Operationsverstärker gehen auf mindestens 100 kHz. Bei einem Integrator muss der Widerstand parallel zum Kondensator mindestens das 100-fache des Eingangswiderstands betragen, was mit einem alten 741-Operationsverstärker nicht funktionieren kann.
@Audioguru irgendwelche Vorschläge? TL071 scheint nicht zu funktionieren.
@James Ich habe es geschafft, eine gute Rechteckwelle zu erzeugen, danke, aber ich kann immer noch keine Dreieckswelle erhalten. Ich habe C1 auf 1u und R6 auf 1M erhöht, R3 auf 4,7k und R4 auf 10k reduziert, es passiert immer noch nichts.
@Tombeki Belassen Sie R4 bei 100k, damit der positive Eingang zum Integrator durch seinen Teilereffekt mit R3 (4k7) nicht zu stark reduziert wird. Wenn Sie mir auch die Frequenz der Sinuswelle (Rechteckwelle) mitteilen, kann ich herausfinden, welche Größe der Dreieckswellenamplitude Sie sehen sollten, wenn sie innerhalb der Versorgungsschienen liegen sollte.
@James mathematisch gesehen sollte die Frequenz bei 15,9 kHz liegen. Wenn ich der Simulation einen Frequenzzähler hinzufüge, erhalte ich 1589 Hz. Ich bekomme einen konstanten 1,5-V-Ausgang vom Integrator.
@Tombeki Sie scheinen jetzt sehr unterschiedliche Ergebnisse zu denen auf den Bildern in Ihrer Frage zu erhalten, bevor der Integrator an den Schienen gesättigt zu sein schien, jetzt scheint die Amplitude der Dreieckswelle so klein zu sein, dass Sie sie nicht sehen können , besonders wenn die Frequenz so hoch wie 15,9 kHz ist. Es fällt mir schwer, mit deinen Fortschritten Schritt zu halten. Versuchen Sie, die Größe des Kondensators wieder zu verringern, und prüfen Sie, ob die Dreieckswelle erscheint. Vielleicht haben Sie den Kondensator zu stark vergrößert.
Du hattest Recht, ich habe den Kondensator zu stark erhöht. Das Ändern der Frequenz erzeugt ein unerwünschtes Clipping, ansonsten ist alles in Ordnung :) Ich möchte die Frequenz einstellbar machen, also denke ich, dass ich ein Potentiometer an R6 verwenden kann, um mit der Amplitude des Integrators zu spielen. Abgesehen davon, was halten Sie von einem Tiefpassfilter, um die Dreieckswelle zu erhalten?
@Tombeki Das Anpassen von R6 ändert nur den Offset der Dreieckswelle, nicht ihre Amplitude. Sie könnten mehrere parallele Kondensatoren haben und nur jeweils einen einschalten. Wenn die Frequenz abnimmt und die Dreieckswelle kurz vor dem Clipping steht, schalten Sie einen Kondensator mit höherem Wert ein, und die Amplitude würde auf einen niedrigeren Wert springen. Auf diese Weise hätten Sie mehrere Frequenzbänder mit einem Kondensator für jedes Band. Dies wäre einfach umzusetzen. Wenn Sie eine Rechteckwelle tiefpassfiltern und nur die Grundfrequenz durchlassen, erhalten Sie eine Sinuswelle.
Der Operationsverstärker TL071 hat einen sehr hohen Eingangswiderstand, dann kann der Wert von R6 auf vielleicht 3,3 M erhöht und der Wert von R4 auf 10 k reduziert werden, um eine gute Dreieckswellenform zu erzeugen.
@James Nun, ich verwende diese Methode bereits, um die Frequenz der Sinuswelle zu ändern. Ich befürchte, dass die Verwendung eines anderen Drehschalters einfach unpraktisch ist. Andererseits fällt mir keine andere Möglichkeit ein. Obwohl es eine Zeit für mein Design gab, in der ich einen Tiefpassfilter verwendete und eine Dreieckswelle erhielt! Dass du jetzt sagst, ich würde es nicht verstehen, verwirrt mich. Ich kann einen Link zu einer Frage über das alte Design teilen, wenn Sie es sehen möchten, oder Sie können es einfach unter meinem Profil finden.
@Tombeki Ein einzelner Widerstand in Kombination mit einer einzelnen Kondensatorschaltung, die als Tiefpassfilter konfiguriert ist, kann als Tiefpassfilter bezeichnet werden. Es kann auch als Integrator bezeichnet werden, was in seiner Anwendung in Ihrer Frage von vor ein paar Monaten ein passenderer Name wäre. Das RC-"Filter" integriert also immer noch die Rechteckwelle, es ist nur so, dass ein einpoliger RC-Integrator weniger linear ist als der auf Operationsverstärkern basierende Integrator, den Sie in jüngerer Zeit verwendet haben, insbesondere für Dreieckswellenamplituden, die sich der Amplitude von annähern Rechteckschwingung. (RC Lade-/Entladekurve).
.... erhalten Sie 4-polige 4-Positionsschalter, die für Sie eine Überlegung wert sein könnten.
.... Wenn Sie eine Rechteckwelle mit einem einstufigen RC-Filter tiefpassfiltern (dh integrieren), erhalten Sie eine vernünftige Dreieckwelle, solange Sie die Amplitude der Dreieckwelle im Vergleich zur Amplitude der Rechteckwelle niedrig halten. Wenn Sie versuchen, die Amplitude der Dreieckswelle zu stark zu erhöhen, wird sie verzerrt. Der Weg, die Amplitude niedrig zu halten, besteht darin, eine Frequenz weit über der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters zu haben. Dieser passive RC-Ansatz ist nicht so linear wie die op-amp-basierte Integration. Wenn Sie die Rechteckwelle mit mindestens 3 RC-Stufen filtern, erhalten Sie eine Sinuswelle.

Da der Inhalt des Signals rein Wechselstrom ist, sollten Sie die analogen Stufen kapazitiv koppeln, um das Gleichstromsignal zu eliminieren (möglicherweise müssen Sie einen Gleichstromversatz für den Kondensator bereitstellen, um das Signal zu zentrieren, wenn die Schienen, die Sie haben, nicht einseitig sind).

  • ein Beispiel für einseitig = 0 bis 5 V; Doppelschienen = ±5 V
Es tut mir leid, aber ich bin mit der Kondensatorkopplung und der Eliminierung von "DC" -Konzepten nicht vertraut. Können Sie das bitte näher erläutern? Ich möchte wirklich lernen.
Rechteckwelle von Komparatordriften und die integrierte Rechteckwelle ergibt keine Dreieckwelle
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