СХЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
AUTOMATIC SIGNALS AMPLIFICATION CIRCUIT

Область техники
Изобретение относится к области электронных схем общего назначения. Изобретение может быть использовано для регулирования усиления и стабилизации амплитуды синусоидального сигнала, может быть использовано в схемах генерирования электрических и механических колебаний в автогенераторах непосредственно или совместно с использованием схем на активных элементах, а также для автоподстройки фазы в автогенераторах.
Предшествующий уровень техники
Известен способ, описанный в авторском свидетельстве СССР №886207 «Устройство регулирования», приоритет 13.07.1379 г, опубликовано 30.11.1981, МПК(7): H03G 3/20 авторы Г.И. Зайдман, Л.С. Ланцман. Представленное устройство регулирования содержит в дополнительной цепи обратной связи операционного усилителя, включенного по схеме инвертирующего усилителя, управляемое сопротивление. Управляемое сопротивление выполнено в виде двух встречно-параллельно соединенных полевых транзисторов, затворы которых объединены и являются входом управляющего сигнала, а точки соединения стоков и истоков являются соответствующими выводами управляемого сопротивления.
Недостатком данного изобретения является то, что в данном устройстве регулирование усиления осуществляется при помощи внешнего управления.
Известен способ, описанный в патенте US 6647764 B1 (US 6848299 В2) «Кварцевые микровесы с контуром обратной связи автоматической регулировки усиления», МПК(7): G01N 9/00, G01N 11/16, приоритет 21.10.1999 г, опубликован 18.11.2003, авторы Frank Paul (GB), Karl Pavey (GB), Richard С Payne (GB).
Микровесы с кварцевым кристаллом - прибор для выявления и измерения очень малых изменений в массе. Аналитический прибор, такой как микровесы с кварцевым кристаллом, включает в себя пьезоэлектрический сенсор и цепь генератора, связанную с сенсором для генерации на частоте, обусловленной резонансной частотой сенсора, и обеспечивает выходной частотный сигнал на выходе генератора. Цепь генератора включает средства для поддержания постоянного управляющего сигнала на пьезоэлектрический сенсор. Основной постоянный сигнал управления, предпочтительно, поддерживается средствами автоматической регулировки усиления (АРУ) внутри петли обратной связи генератора. Сигнал контроля усиления выгодно используется как индикатор параметра пьезоэлектрического сенсора. Желательно, чтобы сигнал управления сенсором являлся синусоидальным, так как это обеспечивает более высокую точность, чувствительность и стабильность для прибора. Это может быть достигнуто при гарантии, что все элементы в петле обратной связи, обеспечивающие сигнал усиления и ослабления, расположены так, чтобы управлять в линейном режиме.
Недостатком данного патента является то, что в схеме присутствуют выпрямитель, интегратор. В качестве интегратора в цепи обратной связи используется операционный усилитель с емкостью. В результате этого в схеме присутствует некоторая задержка регулирования. Кроме того, схема содержит двуквадрантный умножитель, что несколько усложняет схему.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является простая схема АРУ, приведенная на рисунке 5.7 стр. 86 в книге А. Дж. Пейтон, В. Волш «Аналоговая электроника на ОУ», М.:БИНОМ, 1994., выбранная в качестве прототипа.
Схема автоматической регулировки усиления электрических сигналов содержит усилительный каскад на оперативном усилителе (ОУ) с регулируемым коэффициентом усиления, с источником опорного напряжения, выполненного на стабилитроне с диодом.
Усилитель с автоматической регулировки усиления (АРУ) на базе операционного усилителя автоматически подстраивает коэффициент передачи так, чтобы поддерживать заданное среднее значение выходного переменного напряжения. Усилитель обеспечивает преобразование выходного переменного сигнала в постоянный уровень напряжения при помощи выпрямителя. Выходное напряжение интегратора изменяет коэффициент усиления операционного усилителя до тех пор, пока выходное напряжение преобразователя переменного тока в постоянный не станет равным заданному уровню. Уровень выходного сигнала определяет стабилитрон, выпрямление осуществляется диодом. В качестве интегратора сигнала ошибки используется конденсатор с резистивным делителем. Полевой транзистор выполняет роль переменного сопротивления в цепи обратной связи операционного усилителя. Варьируя постоянной времени интегратора, можно изменять время реакции усилителя с АРУ. Задержка АРУ должна быть достаточно большой, чтобы не вносить искажений на низшей частоте спектра входного сигнала. С другой стороны, время реакции не должно быть слишком длительным, поскольку при этом появляются чрезмерные задержки.
Недостатками прототипа является то, что:
- схема содержит интегратор, в результате этого в схеме присутствует некоторая задержка регулирования;
- в качестве регулируемого сопротивления используется полевой транзистор, поэтому требуется индивидуальная подстройка делителя.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание схемы АРУ, обеспечивающей стабилизацию синусоидального сигнала, значительное снижение задержки регулирования входного сигнала.
Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается том, что усилитель с АРУ выполняет функцию регулировки усиления со стабилизацией амплитуды выходного сигнала, одновременно выполняет функцию снижения задержки регулирования, а также выполняет функцию фазовой автоматической подстройки в автогенераторе. Наличие схемы автоматической регулировки усиления в автогенераторе повышает стабильность частоты, при этом автоматическая фазовая подстройка снижает частотную нестабильность автогенератора.
Технический результат достигается тем, что в схеме автоматической регулировки усиления электрических сигналов, содержащей усилительный каскад на первом ОУ с регулируемым коэффициентом усиления, с источником опорного напряжения, выполненного на первом стабилитроне с первым диодом, согласно изобретению, в схему введены второй источник опорного напряжения, выполненный на втором стабилитроне, втором диоде, при этом анод второго диода соединен с анодом второго стабилитрона, катод второго стабилитрона соединен с анодом первого стабилитрона, катод второго диода соединен с выходом устройства, катод первого стабилитрона соединен с катодом первого диода. Введен усилитель сигнала ошибки, выполненный на втором ОУ, инвертирующий вход которого соединен со вторым выводом третьего резистора и первым выводом четвертого резистора, второй вывод четвертого резистора соединен с общей шиной, первый вывод третьего резистора соединен с выходом второго ОУ. Введен делитель сигнала «ошибки», выполненный на пятом и шестом резисторах, при этом неинвертирующий вход второго ОУ соединен со вторым выводом пятого резистора, первым выводом шестого резистора, второй вывод шестого резистора соединен с общей шиной, первый вывод пятого резистора соединен с катодом второго стабилитрона.
Введена форсирующая емкость на втором конденсаторе, первый вывод которого соединен с катодом второго стабилитрона, а второй вывод второго конденсатора соединен с неинвертирующим входом второго ОУ. Введен ограничительный резистор 6, второй вывод которого соединен с выходом второго ОУ. Введена разделительная емкость на первом конденсаторе, при этом первый вывод первого конденсатора соединен с общей точкой делителя на первом и втором резисторах, второй вывод первого конденсатора соединен с первым выводом ограничительного резистора, при этом величина «суммирующего» сигнала с выхода усилителя сигнала «ошибки» на втором ОУ, подаваемого на вход первого ОУ, к которому подключен резистивный делитель на первом и втором резисторах, определяющий коэффициент усиления первого ОУ, обеспечивает регулирование коэффициента усиления.
Отличительные существенные признаки в совокупности с ограничительными позволяют усилителю с АРУ выполнять функцию регулировки усиления, что обеспечивает стабилизацию амплитуды выходного сигнала. Отсутствие интегратора в схеме АРУ приводит к значительному снижению задержки регулирования. При включении схемы АРУ в автогенератор дополнительной функцией схемы является функция фазовой автоматической подстройки сигнала. Наличие в схеме указанных характеристик приводит к повышению стабильности частоты автогенерации.
Это позволяет решить задачу создания схемы АРУ, обеспечивающей стабилизацию синусоидального сигнала и значительное снижение задержки регулирования входного сигнала.
Краткое описание фигур чертежа
На фигуре представлена электрическая схема заявляемого устройства АРУ.
Варианты осуществления изобретения АРУ содержит:
усилитель регулируемого сигнала на операционном усилителе ОУ 1 с регулируемым коэффициентом усиления,
усилитель сигнала ошибки на операционном усилителе ОУ 2 в цепи обратной связи,
источник опорного напряжения 17 для положительной полуволны сигнала на первом диоде 9 и первом стабилитроне 10;
источник опорного напряжения 18 для отрицательной полуволны сигнала на втором диоде 12 и втором стабилитроне 13;
резистивный делитель на первом 3 и втором 4 резисторах, задающий номинальный коэффициент усиления усилителя на ОУ 1;
резистивный делитель на третьем 7 и четвертом 8 резисторах, задающий коэффициент усиления усилителя сигнала ошибки на ОУ 2;
резистивный делитель на пятом 14 и шестом 15 резисторах сигнала ошибки,
ограничительный резистор 6 сигнала ошибки,
форсирующую емкость 11 сигнала ошибки и разделительная емкость 5 постоянной составляющей сигнала ошибки.
При этом второй резистор 4 резистивного делителя, задающего номинальный коэффициент усиления усилителя на ОУ 1, подключен одним выводом к выходу ОУ 1, другим выводом подключен к инвертирующему входу ОУ 1. Первый резистор 3 одним выводом подключен к инвертирующему входу ОУ 1, другим выводом подключен к общей шине 16. Первый диод 9 подключен анодом к выходу ОУ 1, а катодом подключен к катоду первого стабилитрона 10. Второй диод 12 подключен катодом к выходу ОУ 1, а анодом подключен к аноду второго стабилитрона 13. Анод первого стабилитрона 10 подключен к катоду второго стабилитрона 13. Анод первого стабилитрона 10 и катод второго стабилитрона 13 подключены к первому выводу пятого резистора 14. Второй вывод пятого резистора 14 подключен к первому выводу шестого резистора 15 и к неинвертирующему входу ОУ 2. Второй вывод шестого резистора 15 подключен к общей шине 16. Емкость 11 сигнала ошибки одним выводом подключена к аноду первого стабилитрона 10 с катодом второго стабилитрона 13 и с первым выводом пятого резистора 14, вторым выводом подключена к неинвертирующему входу усилителя сигнала ошибки ОУ2 и ко второму выводу шестого резистора 15. Третий резистор 7 первым выводом подключен к выходу усилителя сигнала ошибки ОУ2, вторым выводом к инвертирующему входу ОУ2 и первому выводу четвертого резистора 8. Второй вывод четвертого резистора 8 подключен к общей шине 16. Ограничительный резистор 6 сигнала ошибки одним выводом подключен к выходу ОУ2 и первому выводу третьего резистора 7, другим выводом подключен к первому выводу разделительной емкости 5 постоянной составляющей сигнала ошибки. Второй вывод разделительной емкости 5 подключен к неинвертирующему входу ОУ 1, который соединен с выводом первого резистора 3 и выводом второго резистора 4.
Схема АРУ работает следующим образом.
Входной синусоидальный сигнал поступает на неинвертирующий вход ОУ1. С выхода ОУ 1 усиленный сигнал поступает на источник опорного напряжения 18 отрицательной полуволны и источник опорного напряжения 17 положительной полуволны.
Источник опорного напряжения 18 выполнен на первом диоде 9 и первом стабилитроне 10. Источник опорного напряжения 17 выполнен на втором диоде 12 и втором стабилитроне 13.
При низком уровне входного сигнала, когда усиленный сигнал на выходе ОУ1 не превышает опорного напряжения, сигнал ошибки отсутствует и сигнал на выходе усилителя сигнала ошибки ОУ 2 равен нулю. В этом случае устанавливается максимальный коэффициент усиления усилителя ОУ 2, который выше номинального и, который определяется делителем, образованным вторым резистором 4 и параллельным соединением первого резистора 3 и цепочки из разделительного конденсатора 5 и ограничительного резистора 6.
Номинал конденсатора 5 выбирается таким образом, чтобы на рабочих частотах емкостное сопротивление конденсатора 5 было значительно ниже сопротивления ограничительного резистора 6. При низком уровне входного сигнала коэффициент усиления усилителя регулируемого сигнала ОУ1 увеличивается и на его выходе уровень сигнала возрастает и начинает превышать значение опорного напряжения на источниках опорного напряжения 17 и 18. На выходе источников опорного напряжения 17 и 18 появляется сигнал ошибки. Сигнал ошибки поступает на делитель на пятом 14 и шестом 15 резисторах сигнала ошибки. С делителя на пятом 14 и шестом 15 резисторах сигнал поступает на неинвертирующий вход усилителя сигнала ошибки ОУ2. Коэффициент усиления усилителя ОУ2 задается резистивным делителем на третьем резисторе 7 и четвертом резисторе 8. Так как в цепи сигнала ошибки отсутствует интегратор, то сигнал ошибки непосредственно, без задержки, поступает на усилитель регулируемого сигнала ОУ1, в результате чего практически отсутствует задержка регулирования, что является техническим результатом изобретения.
Номинальные коэффициенты усиления, задаваемые делителями на резисторах 3, 4 и 7, 8 не должны превышать максимально допустимых для данных ОУ1 и ОУ2 на рабочей частоте. Усиленный сигнал ошибки с выхода ОУ2 поступает через ограничительный резистор 6 и разделительный конденсатор 5 на инвертирующий вход усилителя регулируемого сигнала ОУ1. Выход усилителя ОУ1 одновременно является выходом схемы АРУ. Регулирование амплитуды выходного сигнала осуществляется посредством отрицательной обратной связи через источники опорного напряжения 17 и 18 и усилитель на ОУ 2 сигнала ошибки. Результатом регулирования является стабилизация амплитуды выходного сигнала на уровне, определяемом источниками опорного напряжения 17 и 18, что является техническим результатом изобретения.
Регулировка фазы выходного сигнала происходит при превышении коэффициента усиления усилителя ОУ1 номинального значения для рабочей частоты синусоидального сигнала, при котором фазовая характеристика данного ОУ нелинейная. Заявляемая схема АРУ может быть использована автономно и в схеме автогенератора. При включении АРУ в схему автогенератора нелинейность фазовой характеристики обуславливает некоторую фазовую автоподстройку сигнала с приближением частоты колебаний к резонансной частоте автогенератора, что является техническим результатом изобретения. С целью снижения нелинейных искажений выходного сигнала заявляемую схему можно использовать совместно с полосовым фильтром на рабочей частоте.
По сравнению с прототипом из цепи обратной связи исключен полевой транзистор, вместо переменного сопротивления в виде полевого транзистора введен неинвертирующий усилитель сигнала ошибки на операционном усилителе, исключен интегратор в виде конденсатора, введен дополнительный источник опорного напряжения в виде диода со стабилитроном для положительной полуволны сигнала, инвертирующий усилитель регулируемого сигнала на операционном усилителе заменен неинвертирующим усилителем на операционном усилителе, дополнительно введены форсирующая емкость сигнала ошибки и емкость, отделяет постоянную составляющую сигнала ошибки, а также ограничительное сопротивление сигнала ошибки.
min
max
Схема АРУ построена таким образом, что малые входные сигналы усиливаются с большим коэффициентом усиления, а большие входные сигналы усиливаются со значительно меньшим коэффициентом усиления. Регулировка усиления осуществляется по сигналу ошибки, поступающему от цепи, содержащей источники опорного напряжения 17 и 18. Каскад 1 с регулируемым коэффициентом усиления построен на базе операционного усилителя в неинвертирующем включении. В данной схеме регулировка коэффициента усиления каскада 1 осуществляется за счет модуляции сигнала на резистивном делителе 3-4 при помощи усиленного сигнала ошибки. Усиленный сигнал ошибки изменяет проводимость резистивного звена 3-4, определяющего коэффициент усиления усилителя 1, выполненного на операционном усилителе (ОУ). В результате коэффициент усиления изменяется в заданных пределах от K до K, которые определяются номиналами резисторов 3,4,6 в цепи обратной связи ОУ 1.
Описанная в прототипе схема АРУ, в которой в качестве управляемого резистора применен полевой транзистор, не обеспечивает необходимых требований по быстродействию регулирования, так как присутствует некоторая задержка регулирования, а также требует индивидуальную подстройку параметров делителя, вследствие возможного разброса параметров полевого транзистора, используемого в качестве регулируемого сопротивления.
В предлагаемом решении применение в качестве управляемого резистора операционного усилителя 1 и дополнительного источника опорного напряжения 18, выполненного на стабилитроне 13 с диодом 12 позволяет выполнять поставленную задачу стабилизации синусоидального сигнала при значительном снижении задержки регулирования входного сигнала, на решение которой направлено заявляемое изобретение.
При сравнении предлагаемого технического решения с прототипом отмечены следующие преимущества:
1. В схеме отсутствует интегратор сигнала «ошибки». Регулирование осуществляется на каждом полупериоде сигнала.
2. За счет регулирования амплитуды каждого полупериода схема практически не имеет задержки регулирования и корректирует даже кратковременные изменения амплитуды входного сигнала.
3. В автогенераторе схема АРУ, кроме регулировки амплитуды, осуществляет также автоматическую регулировку фазы.
Таким образом, изобретение может быть использовано для усиления и стабилизации амплитуды синусоидального сигнала и автоподстройки фазы в автогенераторах. Это повышает технические характеристики и эксплуатационную надежность автогенераторов с частотозадающим резонатором.
Промышленная применимость
Рассмотренный вариант выполнения изобретения может быть реализован на существующей в настоящее время дискретной элементной базе, а также в составе базового матричного кристалла. Это показывает его работоспособность и подтверждает промышленную применимость.
Наиболее эффективно выглядит использование предложенной схемы АРУ в приборах автоматики, авиационной, космической и ракетостроительной промышленности. А также там, где в генераторах на частотозадающем резонаторе предъявляются повышенные требования по частоте.