06 октября 2023 г.
От товарища прилетела просьба сделать ему простой генератор, который бы имитировал работу диодного моста сетевого источника питания. Он ему нужен для отладки алгоритма в микроконтроллере в одном из рабочих проектов. На микроконтроллер должно приходить пульсирующее напряжение с диодного моста, по которому алгоритм определяет переходы сетевого напряжения через ноль. Соответственно, необходимо сделать генератор, формирующий половинки синусоид частотой 100 Гц и амплитудой 3,3 В. Питание однополярное, примерно 12-17 Вольт (литиевый аккумулятор 4S). Несмотря на кажущуюся простоту задачи, на паре транзисторов сделать такой генератор не получится. Конечный вариант растянулся аж на 4 операционных усилителя.
Общий принцип работы генератора следующий - формируется синус частотой 50 Гц, который далее пропускается через детектор, чтобы перевернуть отрицательную полуволну. Для получения синусоидального напряжения есть несколько подходов. Мне нужен был такой, чтобы можно было обойтись без АРУ (который стабилизирует амплитуду), поэтому я выбрал схему формирования синуса из прямоугольного сигнала.
Итоговый вариант схемы такой:
На базе операционного усилителя U1 построен генератор меандра, в обратной связи которого установлена фазосдвигающая цепочка на элементах R1-R3, C2-C4. На выходе ОУ присутствует меандр, но благодаря фильтрующим свойствам фазосдвигающей цепи, на инвертирующем входе получается синус небольшой амплитуды. Он подается на буферный усилитель U2, на выходе которого получается пригодный для дальнейших действий сигнал. Частоту сигнала можно корректировать номиналами фазосдвигающей цепи. Я подстраивал ее изменением номинала резистора R1. Номиналы C2-C4 на схеме указаны 11,5 нФ, но в реальной схеме у меня стоят 10-нанофарадные конденсаторы.
Недостатком такой схемы является то, что амплитуда меандра, а следовательно и выходного сигнала будет зависеть от напряжения питания ОУ. Поэтому оно стабилизировано попавшимся под руку стабилитроном на 6,8В (на схеме не показано). Так как питание однополярное, в схеме есть цепи формирования средней точки (С1, R4, R5) и разделительная емкость C5 на выходе U2.
Два других ОУ U3, U4 представляют собой детектор и заняты переворотом отрицательной полуволны и усилением полуволн до необходимой амплитуды. Здесь есть несколько важных моментов. Из-за того что питание однополярное, синфазное напряжение на входе детектора равно нулю, и входной сигнал колеблется относительно нуля в плюс и в минус. Выбранные ОУ LM324 не допускают напряжение на входе ниже минус 0.3 В относительно нижнего питания. Поэтому амплитуда сигнала на входе детектора искусственно ослаблена до ~100 мВ, а усиление добавлено в самом детекторе. Но для обеспечения нормальной работы детектора источник сигнала должен быть низкоомным, через него будет течь ток отрицательной полуволны (когда активен инвертирующий каскад). Поэтому входной сигнал пропущен через резистивный делитель R8, R9 с достаточно низким выходным сопротивлением (менее 1 кОм), и на детектор снимается только его часть с нижнего плеча. В петли обратных связей неинвертирующего (U3) и инвертирующего (U4) усилителей включены диоды. За счет этого они усиливают только одну полуволну сигнала. Усиления подобраны на реальной схеме так, чтобы полуволны были равны по амплитуде, которая составляет 3,3В.
Конструктивно все собрано на кусочке макетной плате на базе счетверенного ОУ LM324. Остальные детали поверхностного монтажа типоразмера 0805.
Генератор вполне успешно работает и формирует необходимый сигнал заданной частоты и амплитуды.
