Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Generator RC z mostkiem Wiena - problem ze stabilizacją ampl

Air99 13 Dec 2006 00:24 5259 11
  • #1
    Air99
    Level 11  
    Witam,
    mam do zaprojektowania w PSpice układ generatora RC z mostkiem Wiena z pętlą ARW na tranzystorze unipolarnym JFET.

    Założeniami projektowymi są:
    - amplituda napięcia wyjściowego - Uwy = 5 [V]
    - regulowana częstotliwość generowanego przebiegu sinusoidalnego w zakresie od 20 [Hz] do 20 [kHz]
    - rezystancja obciążenia Rl ok. 10 [kOhm]
    - współczynnik zawartości harmonicznych w generowanym przebiegu h < 1%
    - zakres pracy temperaturowej układu - T = 0 - 50 [stopni Celsjusza].

    Układ zaprojektowałem i działa w PSpice (poniżej zamieszczam jego schemat z wartościami elementów), ale mam problem z utrzymaniem stałej wartości amplitudy przy zmianie częstotliwości generowanego przebiegu w zakresie jaki podałem w założeniach projektowych układu.

    Zmianę częstotliwości generowanego przebiegu realizuję poprzez zmianę wartości kondensatorów w mostku Wiena w zakresie od 3.3 [uF] - dla f=20 [Hz] do 3.3 [nF] - dla f=20 [kHz].

    Otóż dla częstotliwości f=20 [kHz] generowanego przebiegu otrzymuję amplitudę napięcia wyjściowego równą jak w założeniach projektowych (5 [V]) i z zawartością harmonicznych poniżej 1%, natomiast po zmianie częstotliwości generacji na f=20 [Hz] amplituda wzrasta aż do 8 [V] (harmoniczne - 1.8 %). Gdy dokonam zmiany rezystancji potencjometru (na schemacie jest to R17), czyli zmienię wzmocnienie w ujemnej pętli wzmacniacza, to otrzymam w rezultacie pożądaną wartość amplitudy napięcia. I tu pojawia się zaznaczony problem ze stałością amplitudy przy zmianie częstotliwości. Mogę zmieniać tylko wartości kondensatorów mostka Wiena, czyli zmieniać częstotliwość generowanego przebiegu i nic więcej w układzie, a amplituda przebiegu powinna być podczas tych zmian stała.

    Mam zatem pytanie do szanownej braci elektroników, jak można w tym układzie zapewnić stałość amplitudy generowanego napięcia, przy zmianie częstotliwości, bez konieczności zmiany wzmocnienia w gałęzi aperiodycznej?

    Generator RC z mostkiem Wiena - problem ze stabilizacją ampl

    Za wszelkie uwagi i porady z góry dziękuję. Mam nadzieję, że wystarczająco dobrze i zrozumiale opisałem problem jaki mam z tym układem.

    Pozdrawiam wszystkich serdecznie
    Air99 (Grzechu)
  • #2
    Quarz
    Level 43  
    Witam,
    i nic dziwnego (przynajmniej dla mnie), iż masz poważne kłopoty ze stabilizacją amplitudy w PSpice, czy jakimkolwiek innym programie symulacyjnym, a służącym do symulacji układów liniowych.
    Generator z mostkiem Wiena - Robinsona potrzebuje dwóch sprzężeń zwrotnych z wyjścia wzmacniacza na wejście;
    - dodatniego i selektywnego sprzężenia zwrotnego do wyznaczania wartości generowanej częstotliwości (jedna gałąź mostka),
    - ujemnego oraz nieliniowego i nieselektywnego sprzężenia zwrotnego (druga gałąź mostka), którego zadaniem jest stabilizacja amplitudy generowanego napięcia.
    Dodatkowo wzmocnienie użytego wzmacniacza bez pętli sprzężenia zwrotnego (dodatniego) musi przewyższać wartość tłumienia półmostka selektywnego (warunek amplitudy).
    Zrealizowanie powyższych wymogów w Programie Symulacyjnym najczęściej do prostych i łatwych nie należy (ale w rzeczywistym układzie również), dlatego też nie dziw się, iż masz kłopoty z utrzymaniem stałości amplitudy, ponieważ masz tu do czynienia (po drodze) z układem automatycznej regulacji (układ ARW) i tam szukaj odpowiedzi na Twój problem.
    Dopowiem; stała czasowa układu ujemnego sprzężenia zwrotnego, wyznaczająca wartość tego sprzężenia, musi być właściwie dobrana do wartości najmniejszego generowanego okresu przebiegu.
    Wniosek: wartość C3 jest zdecydowanie za mała, dla 20Hz.

    Pozdrawiam
  • #3
    Air99
    Level 11  
    Witam ponownie,
    po zmianie wartości C3 w układzie z 5.1 [nF] (wartość wyliczona dla częstotliwości generacji 20 [kHz] na 5.1 [uF] (wartość dla 20 [Hz]) amplituda napięcia wyjściowego ma już wartość zbliżoną do założonej (różnica wynosi około 0,2 [V]. Czyli wychodzi na to, że zmieniając częstotliwość generowanego przebiegu poprzez zmianę pojemności kondensatorów w gałęzi selektywnej półmostka Wiena, muszę również zmieniać pojemność kondensatora C3 (w prostowniku szczytowym w pętli ARW), aby otrzymać amplitudę na założonym poziomie?

    Pozdrawiam
  • #4
    Quarz
    Level 43  
    Witam,
    Air99 wrote:
    Witam ponownie,
    po zmianie wartości C3 w układzie z 5.1 [nF] (wartość wyliczona dla częstotliwości generacji 20 [kHz] na 5.1 [uF] (wartość dla 20 [Hz]) amplituda napięcia wyjściowego ma już wartość zbliżoną do założonej (różnica wynosi około 0,2 [V].

    Moim zdaniem powinienieś spróbować z pojemnością jeszcze dwa razy większą, czyli 10µF, albo i więcej.

    Air99 wrote:
    Czyli wychodzi na to, że zmieniając częstotliwość generowanego przebiegu poprzez zmianę pojemności kondensatorów w gałęzi selektywnej półmostka Wiena, muszę również zmieniać pojemność kondensatora C3 (w prostowniku szczytowym w pętli ARW), aby otrzymać amplitudę na założonym poziomie?

    To byłoby rozwiązanie optymalne, ale czy konieczne? Sprawdź, a przy okazji i mnie daj sprawdzić (czytaj; prześlij mi, via PW, schemat; plik z rozszerzeniem SCH).
    Według mojej wiedzy i praktyki z tego typu generatorami, to wystarczy to ustawić dla najmniejszej częstotliwości.

    Pozdrawiam
  • #5
    Air99
    Level 11  
    Witam ponownie,
    wysłałem do ciebie wiadomość na Priv.

    A poniżej przedstawiam przebiegi:

    1. dla f=20 [Hz], C3=10 [uF]

    Generator RC z mostkiem Wiena - problem ze stabilizacją ampl

    i tu wszystko jest ok. Amplituda napięcia wyjściowego różni się już o mniej niż 0.2 V od założonej, zmniejszyła się również zawartość harmonicznych w generowanym przebiegu.

    2. dla f=20 [kHz], i ten sam C3=10 [uF]

    Generator RC z mostkiem Wiena - problem ze stabilizacją ampl

    natomiast tu, generowany przebieg jak widać jest zły, następuje jakby ładowanie kondensatora i potem rozładowywanie.

    3. A tak jest gdy: f=20 [kHz], C3=10 [nF]

    Generator RC z mostkiem Wiena - problem ze stabilizacją ampl

    Myślę zatem, że wartość stałej czasowej obwodu złożonego z dzielnika napięcia (R13+R14) i z C3 powinna być zawsze około 10 - krotnie mniejsza od okresu generowanego przebiegu, wówczas generowany przebieg ma odpowiedni kształt i założoną amplitudę.

    Dlatego też C3 powinna się zmieniać razem ze zmianą pojemności kondensatorów w półmostku Wiena, czyli razem ze zmianą częstotliwości generowanego przebiegu, tak aby stała czasowa wspomnianego obwodu była zawsze przynajmniej te 10-razy mniejsza od okresu generowanego przebiegu. Wówczas wszystko jest ok i wszystkie założenia projektowe są spełnione.

    Pozdrawiam
  • Helpful post
    #6
    Quarz
    Level 43  
    Witam,
    odpowiedziałem... ale dla tego drugiego przebiegu jakbyś spróbował zarejestrować, nie pierwsze okresy zaraz po załączeniu symulacji, ale np. powyżej dziesiątego i sprawdził oraz porównał ile to jest po kilku tysiącach okresów.

    Pozdrawiam
  • #7
    Air99
    Level 11  
    Witam,

    Niestety zastosowanie przy częstotliwości f= 20 [kHz] takiej samej wartości pojemności kondensatora C3 co przy częstotliwości f=20 [Hz], czyli C3= 10 [uF], powoduje że układ zachowuje się niestabilnie (przebiegi we wcześniejszej mojej odpowiedzi, być może nie zdążyłeś ich zobaczyć jak pisałeś swoją odpowiedź, gdyż ja w tym momencie modyfikowałem swoją - właśnie z tymi przebiegami). Stąd też wynika, że należy równocześnie zmieniać C3 przy zmianach pojemności kondensatorów w półmostku Wiena i wówczas wszystkie założenia jakie zostały przyjęte w tym projekcie są spełnione.

    Zatem myślę, że zastosowanie stałej wartości pojemności C3, wyznaczonej dla najmniejszej częstotliwości generacji, czyli w moim przypadku f= 20 [Hz], jest błędne. Oczywiście mogę się mylić, ale PSpice wyraźnie pokazuje, że nie może być taka sama wartość C3 w całym zakresie zmian częstotliwości generowanego przebiegu, bo wtedy amplituda napięcia jest nie stała przy częstotliwościach innych niż ta dla której została wyznaczona wartość C3.

    Dzięki jednak za pomoc, gdyż naprowadziłeś mnie na to, że C3 była za mała w stosunku do częstotliwości generowanego przebiegu.

    Pozdrawiam
    Air99
  • #8
    Quarz
    Level 43  
    Witam,
    PSpice, to nie panaceum na wszystkie przypadki i należy (a szczególnie w układach generacyjnych) do otrzymywanych wyników podchodzić z rezerwą, a co najważniejsze, to weryfikować je na rzeczywistym modelu.
    Moje doświadczenie w tej materii (a naprawiałem w swojej praktyce kilkanaście różnych modeli generatorów akustycznych z mostkiem Wiena - Robinsona, oraz zaprojektowałem i wykonałem również kilka takich generatorów i to w czasach kiedy PSpice nie było znane) podpowiada mi, iż w tym przypadku wynik symulacji rozmija się z rzeczywistością.
    Uzasadnienie; we wszystkich znanych mi rozwiązaniach fabrycznych (i moich) nie zmienia się stałej czasowej obwodu ujemnego sprzężenia zwrotnego, a amplitda generowanego przebiegu jest utrzymywana na stałym poziomie od najmniejszej wartości (2Hz w przypadku jednego z modeli, a generalnie to od 20Hz) do najwyższej (przeważnie 20kHz, ale również w lampowych i przestrajanych podwójnym i sprzęgniętym kondensatorem zmiennym; do 200kHz).
    Oczywiście zmiana zakresu odbywa się co dekadę częstotliwości generowanej.

    Proponuję, byś zapaznał się ze schematami takich generatorów produkowanych fabrycznie, a znajdziesz tam "kopalnię" rozwiązań układu ujemnego sprzężenia zwrotnego.

    P. S. Niestety, ale moja wersja PSpice nie chce "łyknąć" otrzymanego od Ciebie schematu tego generatora wprost.
    Jak znajdę chwilę czasu, to postaram się go zmodyfikować do mojej wersji PSpice.

    Pozdrawiam
  • #9
    Air99
    Level 11  
    Witam po raz kolejny,

    Zgadzam się z tym, że PSPice nie jest wystarczająco miarodajny i to co działa symulacyjnie, wymaga w rzeczywistych układach pewnych modyfikacji.

    Sprobuję jeszcze przetestować ten układ w Multisimie (Electronic Workbech), tak próbnie, żeby porównać wyniki. Jednak moim głównym celem, przy realizacji projektu, jest przeprowadzenie symulacji tego generatora w PSPice.

    Oczywiście wiem o tym, że przestrajanie takiego układu powinno się jak odbywać jak najprościej, tylko poprzez zmianę albo pojemności (zmiana płynna), albo rezystancji (zmiana skokowa) w półmostku Wiana. Natomiast elementy pętli ARW nie powinny być zmieniane.

    Jeśli możesz to podaj mi kilka linków do rozwiązań fabrycznych takich mostków, bo jakoś nie udało mi się znaleźć. I będę bardzo wdzięczny jeśli przetestujesz ten układ u siebie w PSpice.

    Pozdro
  • #10
    Quarz
    Level 43  
    Witam,
    Air99 wrote:
    Witam po raz kolejny,

    Zgadzam się z tym, że PSPice nie jest wystarczająco miarodajny i to co działa symulacyjnie, wymaga w rzeczywistych układach pewnych modyfikacji.

    Sprobuję jeszcze przetestować ten układ w Multisimie (Electronic Workbech), tak próbnie, żeby porównać wyniki. Jednak moim głównym celem, przy realizacji projektu, jest przeprowadzenie symulacji tego generatora w PSPice.

    Szkoda czasu i atłasu ... moim zdaniem.

    Air99 wrote:
    Oczywiście wiem o tym, że przestrajanie takiego układu powinno się jak odbywać jak najprościej, tylko poprzez zmianę albo pojemności (zmiana płynna), albo rezystancji (zmiana skokowa) w półmostku Wiana. Natomiast elementy pętli ARW nie powinny być zmieniane.

    Należy przestrajać zawsze dwa elementy i to współpbieżnie, a więc albo oba rezystory, albo oba kondensatory w mostku Wiena.

    Air99 wrote:
    Jeśli możesz to podaj mi kilka linków do rozwiązań fabrycznych takich mostków, bo jakoś nie udało mi się znaleźć. I będę bardzo wdzięczny jeśli przetestujesz ten układ u siebie w PSpice.

    pozdrawiam

    Z tym w sieci może być kiepsko, ponieważ DT swoich wyrobów zakłady produkcyjne przeważnie w internecie nie umieszczają.
    Poza tym, to rzeczone schematy generatorów o których napisałem wcześniej, produkowane były na przestrzeni lat ub. w. od 1955r. do 1980r.
    Póżniejszych konstrukcji nie znam. Jednak osobiście do części papierowych dokumentacji mam dostęp, choć nie na codzień.
    Tyle tylko, iż w tym roku nie zamierzam już odwiedzić mojej byłej Firmy gdzie pracowałem do emerytury by porobić kserokopie.

    Również pozdrawiam
  • #11
    Air99
    Level 11  
    Witam,

    przeprowadziłem symulację w Multisimie i uzyskałem prawie identyczne efekty jak w PSpice. Czyli to nie od programu zależy....

    Tak wiem, że należy przestrajać zawsze parę tych samych elementów w mostku Wiena, tylko źle to opisałem we wcześniejszej mojej odpowiedzi.

    A co do schematów, to intensywnie szukałem na sieci, ale niestety nie znalazłem tego czego oczekiwałem, tj. jakichś innych rozwiązań pętli ARW na tranzystorze JFET. Wszędzie praktycznie te same schematy, podstawowe informacje na temat idei działania, itp.

    Mam również kilka książek, ale i w nich nie za wiele jest na temat konkretnych rozwiązań układowych generatorów RC z pętlą ARW właśnie na tranzystorze.

    Poprobuję z pętlą ARW na diodach, może w niej uda mi się uzyskać stałą amplitudę w całym zakresie zmian częstotliwości.

    Pozdrawiam
  • #12
    waqw
    Level 1  
    Witam,czy potrafiłby ktos narysowac taki schemat generatora z mostkiem wiena ale zastapic wo tranzystorami oraz tranzystor fet zamienic na inne elementy ktore beda pelnic funkcje stabilizacji??????