Генераторы синусоидальных колебаний



Принцип построения

 

 

Генераторы синусоидальных колебаний преобразуют энергию источника постоянного тока в переменный ток требуемой частоты. Они выполняются на основе усилителей со звеном положительной обратной связи, обеспечивающей устойчивый режим самовозбуждения на требуемой частоте. Структурная схемагенератора синусоидальных колебаний показана на рис. 8.1. Коэффициент усиления усилителя и коэффициент передачи звена обратной связи имеют комплексный характер, т.е. учитывается их зависимость от частоты. Входным сигналом для усилителя в схеме генератора является часть его выходного напряжения, передаваемая звеном положительной обратной связи (|| < 1).

Для работы схемы в режиме генератора необходимо выполнение двух условий.

Первое характеризуется тем, что фазовые сдвиги сигнала, создаваемые усилителем jу и звеном обратной связи jw в сумме должны быть кратными 2p

jу + jw = 2pn,                              (8.1)

где n = 0, 1, 2, 3, … .

Соотношение (8.1) определяет условие баланса фаз в усилителе с положительной обратной связью.

Второе условие находят из выражения

|Ќ||ẁ| ≥ 1,                                     (8.2)

которое в усилителях называют условием самовозбуждения.

Для получения на выходе генератора напряжения синусоидальной формы требуется, чтобы соотношения (8.1) и (8.2) выполнялись только на одной частоте.

Физический смысл неравенства |Ќ||ẁ| > 1 заключается в следующем. Сигнал, усиленный усилителем в |Ќ| раз и ослабленный звеном обратной связи в || раз при выполнении условия (8.1) возникает вновь на входе усилителя в той же фазе, но с большей амплитудой. Равенство |Ќ||ẁ| = 1 означает переход генератора к установившемуся режиму работы, когда по мере увеличения амплитуды колебаний происходит уменьшение коэффициента усиления Ќ усилителя из-за проявления нелинейности характеристик транзисторов при больших амплитудах сигнала. В установившемся режиме сигналы на входе и выходе генератора соответствуют некоторым установившимся значениям благодаря компенсации усилителем ослабления сигнала, создаваемого звеном обратной связи (условие баланса амплитуд).

 

 

LC-генераторы, RC-генераторы

 

 

Генераторы синусоидальных колебаний выполняют с колебательным LC-контуром и частотно-зависимыми RC-цепями. LC-генераторы предназначены для генерирования сигналов высокой частоты (свыше нескольких десятков килогерц), а RC-генераторы используются на низких частотах (вплоть до единиц герц).

Генераторы LC-типа основаны на использовании избирательных LC-усилителей, обладающих узкой полосой пропускания. Условия для генерирования синусоидальных колебаний (8.1) и (8.2) создаются для частоты настройки f0 колебательного контура, когда его сопротивление является чисто активным. Предпосылкой выполнения соотношения (8.1) для частоты f0 служит изменение фазового сдвига jу, вносимого усилителем при отклонении частоты от резонансной, так как сопротивление резонансного контура перестает быть активным и приобретает реактивный (индуктивный или емкостный) характер. Справедливость соотношения (38) для резонансной частоты обусловливается максимальным значением коэффициента усиления на частоте f0.

Схемная реализация LC-генераторов достаточно разнообразна. Они могут отличаться способами включения в усилитель колебательного LC-контура и создания положительной обратной связи. Одна из схем LC-генераторов приведена на рис. 8.2.

Усилительный каскад выполнен на транзисторе VT, включенном по схеме ОЭ. Элементы R1, R2, Rэ, Сэ предназначены для задания режима покоя и температурной стабилизации. Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора через разделительный конденсатор Ср2.

Параметрами колебательного контура являются емкость конденсатора С и индуктивность первичной обмотки w1 трансформатора. Сигнал обратной связи снимается с вторичной обмотки w2, индуктивно связанной с обмоткой w1, и через разделительный конденсатор Ср1 подается на вход транзистора. Необходимая фазировка напряжения обратной связи достигается соответственным подключением концов вторичной обмотки. Соотношение чисел витков первичной и вторичной обмоток w1/w2 >1.

Если принять индуктивную связь М обмоток w1 и w2 идеальной, то для обеспечения баланса амплитуд необходимо, чтобы коэффициент передачи тока транзистора β в точке покоя удовлетворял соотношению β ≥ w1/w2.

Частота f генерируемых колебаний близка к резонансной частоте колебательного контура

.

Зависимость параметров L и С и параметров транзистора от температуры приводит к температурной зависимости частоты f. В условиях постоянства температуры нестабильность частоты вызвана изменением дифференциальных параметров транзистора от изменения положения точки покоя усилительного каскада.

Нестабильность частоты генераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности df = Df/f *100 %, где Df – абсолютное отклонение частоты от номинального значения  f. Коэффициент относительной нестабильности частоты транзисторных LC-генераторов без принятия специальных добавочных мер стабилизации составляет единицы процента. Наибольшая стабильность частоты с коэффициентом df = (10-3 ¸ 10-5) % достигается при использовании в генераторах кварцевого резонатора.

Генераторы LC-типа реализуют в виде гибридных интегральных микросхем, в которых реактивные элементы L и C применяют в качестве навесных.

Генераторы на частоты ниже нескольких десятков килогерц строят с помощью частотно-зависимых RC-цепей. В качестве усилительного звена обычно используют операционные усилители в интегральном исполнении. Схемы генераторов на ОУ приведены на рис. 8.3.

Принцип работы простейшего RC-генератора синусоидальных колебаний (рис. 8.3, а) заключается в том, что на определенной частоте фазовый сдвиг трех звеньев RC-цепи составляет jw = 180°.


Если такую цепь включить между выходом и инвертирующим входом ОУ, то общий фазовый сдвиг будет равен 360°, т.е. образуется положительная обратная связь. Частоту f0, при которой угол jw = 180°, называют квазирезонансной. С параметрами R и C (R1 = R2 = R3||R0 = R, C1 = C2 = C3 = C) она связана соотношением

.

Такая цепочка ослабляет сигнал в 29 раз, поэтому для создания устойчивых колебаний необходимо, чтобы усилитель имел коэффициент усиления К ≥ 29. Тогда будет выполняться условие баланса амплитуд |Ќ||ẁ| ≥ 1. Эту задачу решают выбором сопротивлений резисторов R0 и Rос (К = Rос/R0 ≥ 29).

Из RC-цепей, не осуществляющих сдвига по фазе передаваемого сигнала на квазирезонансной частоте, наибольшее распространение получила схема моста Вина. Схема генератора синусоидальных колебаний на ОУ с мостом Вина показана на рис. 8.3, б. Звено частотно-зависимой обратной связи C1, R1, C2, R2 (мост Вина) включено между выходом и прямым входом ОУ. Элементы R0 и Rос предназначены для получения требуемого коэффициента усиления усилительного звена.

На частоте генерации f0 коэффициент передачи моста Вина w = 1/3, поэтому самовозбуждение генератора возможно при К > 3. Для неинвертирующего усилителя, который применяется в данной схеме, это соответствует выбору Rос /R0 ≥ 3.

Частота генерации в схеме равна квазирезонансной частоте звена частотно-зависимой цепи (моста Вина) и определяется из соотношения

,

где R1 = R2 = R, C1 = C2 = C.

Необходимая амплитуда колебаний достигается корректировкой сопротивления R0 или Rос в процессе настройки схемы.

Применение ОУ с глубокой отрицательной обратной связью создает высокую стабильность параметров усилительного звена в RC-генераторах. В связи с этим температурная нестабильность частоты генераторов на операционных усилителях определяется преимущественно зависимостью от температуры параметров элементов RC-звена обратной связи. В зависимости от типа используемых элементов в таких генераторах df = ±(0,1 ¸ 0,3) %.

 

 


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1284; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!