Автогенератор с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи.
Министерство образование и науки Челябинской области
Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение
«Челябинский радиотехнический техникум»
Домашняя контрольная работа
Для студентов заочной формы обучения
По дисциплине: РПДУ
Тема: Автогенераторы. RC-генератор и его параметры.
Выполнил студент группы РЗ-255
_____________________________________
Проверил:Баклага О.А.
Челябинск, 2018
Содержание.
Автогенератор.....................................................................................................3
Синусоидальные генераторы.............................................................................3
Импульсные генераторы.....................................................................................4
RC-генератор........................................................................................................5
Автогенератор с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи..............8
Литература..........................................................................................................12
Автогенератор — электронный генератор с самовозбуждением.
Автогенератор вырабатывает электрические (электромагнитные) колебания, поддерживающиеся подачей по цепи положительной обратной связи части переменного напряжения с выхода автогенератора на его вход. Это будет обеспечено тогда, когда нарастание колебательной энергии будет превосходить потери (когда петлевой коэффициент усиления больше 1). При этом амплитуда начальных колебаний будет нарастать.
Такие системы называют автоколебательными системами или автогенераторами, а генерируемые ими колебания — автоколебаниями. В них генерируются стационарные колебания, частота и форма которых определяются свойствами самой системы.
|
|
|
Автогенераторы применяются, например, в радиопередающих устройствах. См рис.1
Рис.1
Существует 2 режима работы автогенератора: мягкий и жесткий режимы.
Мягкий режим характеризуется безусловным быстрым установлением стационарного режима при включении автогенератора.
Жесткий режим требует дополнительных условий для установления колебаний: либо большой величины коэффициента обратной связи, либо дополнительного внешнего воздействия (накачки)
Технические характеристики.
Основными техническими характеристиками автогенератора являются диапазон рабочих частот, стабильность частоты, мощность на выходе. Из них наиболее важной является допустимая нестабильность частоты автоколебаний. Для целей радиопередачи относительная нестабильность частоты может лежать в интервале 
Синусоидальные генераторы
Общеизвестны две конфигурации. Первая называется генератором с мостом Вина. В этой схеме используются две RC-цепи, одна с последовательными RC
|
|
|
компонентами и одна с параллельными RC-компонентами. Мост Вина часто используется в генераторах звуковых сигналов, так как он может легко настраиваться двухсекционным переменным конденсатором или двухсекционным переменным потенциометром (который для генерации на низких частотах более доступен, чем соответствующий переменный конденсатор).
Вторая общеизвестная конструкция называется генератором с двойным Т-мостом, так как в ней используются две Т-образные RC-цепи, включённые параллельно. Одна цепь является Т-образной R-C-R-цепью, которая действует как фильтр, пропускающий низкие частоты. Вторая цепь является Т-образной C-R-C-цепью, которая действует как фильтр, пропускающий высокие частоты. Вместе эти цепи образуют мост, который настраивается на генерацию требуемой частоты.
Другой общеизвестной разработкой является фазосдвигающий генератор.
Если RC-генераторы используются для производства неискажённой синусоиды, то они обычно требуют устройство некоторого вида для управления амплитудой. Многие разработки просто используют лампочку накаливания или термистор в цепи обратной связи. Эти генераторы используют тот факт, что сопротивление вольфрамовой нити накаливания увеличивается пропорционально её температуре, термистор работает похожим образом. Хорошо действующее ниже точки, при которой нить накала действительно светится, увеличение амплитуды сигнала обратной связи увеличивает ток, протекающий в нити накаливания, тем самым увеличивая сопротивление нити накаливания. Увеличенное сопротивление нити накаливания уменьшает сигнал обратной связи, ограничивая сигнал генератора к линейной области.
|
|
|
Более сложные генераторы измеряют выходной уровень и используют это как обратную связь для управления усилением управляемого напряжением усилителя внутри генератора.
Импульсные генераторы
Существует много устройств, которые не требуют от RC-генераторов производить синусоиду. Наиболее часто применяются генераторы импульсов прямоугольной формы. Мультивибратор является одним из них. Другое схемотехническое решение генератора используется в специализированной интегральной микросхеме 555 timer IC, выпускаемой фирмой Philips. В Советском Союзе идея такого построения генератора импульсного напряжения была реализована в 80-х годах прошлого века в изобретениях по авторским свидетельствам № 1072261[1] и № 1392617[2]. Отличительной особенностью этих генераторов является то, что, в отличие от 555 timer IC, они могут собираться на стандартных микросхемах. Многие несинусоидальные RC-генераторы требуют только одну RC-цепь.
|
|
|
RC-генератор.
RC-генератором называют генератор гармонических колебаний, в котором вместо колебательной системы, содержащей элементы L и С, применяется резистивно-емкостная цепь (RC-цепь), обладающая частотной избирательностью.
Исключение из схемы катушек индуктивности позволяет существенно уменьшить габариты и массу генератора, особенно на низких частотах, так как с понижением частоты резко увеличиваются размеры катушек индуктивности. Важным достоинством RC-генераторов по сравнению с LC-генераторами является возможность их изготовления по интегральной технологии. Однако RC-генераторы имеют низкую стабильность частоты генерируемых колебаний, обусловленную низкой добротностью RC-цепей, а также плохую форму колебаний в силу плохой фильтрации высших гармоник в спектре выходного колебания.
RC-генераторы могут работать в широком диапазоне частот (от долей герца до десятков мегагерц), однако нашли применение в аппаратуре связи и измерительной технике преимущественно на низких частотах.
RC-генератор обычно включает в себя широкополосный усилитель, выполненный на лампе, транзисторе или интегральной схеме и RC-цепь обратной связи, обладающую избирательными свойствами и определяющую частоту колебаний. Усилитель компенсирует потери энергии в пассивных элементах и обеспечивает выполнение амплитудного условия самовозбуждения. Цепь обратной связи обеспечивает выполнение фазового условия самовозбуждения только на одной частоте. По виду цепи обратной связи RC-генераторы делятся на две группы:
1.с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи;
2.со сдвигом фазы в цепи обратной связи на 180.
Для улучшения формы генерируемых колебаний в RC-генераторах применяют элементы, обладающие нелинейностью, которые ограничивают нарастание амплитуды колебаний. Параметры такого элемента изменяются в зависимости от амплитуды колебаний, а не от их мгновенных значений (терморезистор, сопротивление которого зависит от степени нагрева проходящим через него током). При таком ограничении форма колебаний не меняется, они остаются гармоническими и в стационарном режиме.
Рассмотрим оба типа RC-автогенераторов.
Автогенератор со сдвигом фазы на 180 в цепи обратной связи.
Такой автогенератор еще называют автогенератором с трехзвенной цепью RC.
В схемах RC-генераторов со сдвигом фазы в цепи обратной связи на 180 используются усилители, инвертирующие фазу входного напряжения. В качестве такого усилителя может, например, использоваться операционный усилитель с инвертирующим входом, однокаскадный усилитель или многокаскадный усилитель с нечетным числом инвертирующих каскадов.
Для того, чтобы выполнялось уравнение баланса фаз, цепь обратной связи должна обеспечить фазовый сдвиг ОС = 180.
Для обоснования структуры цепи обратной связи воспроизведем фазочастотные характеристики простейших RC-звеньев Рис. 2, 3
Рис. 2 Вариант RC-звена и его ФЧХ
Рис.3 Вариант RC-звена и его ФЧХ
Из графиков видно, что одно простейшее RC-звено вносит сдвиг фаз, не превышающий 90. Поэтому сдвиг по фазе величиной 180 можно осуществить путем каскадного соединения трех элементарных RC-звеньев (рис.4).
Рис. 4 Схемы и ФЧХ трехзвенных RC-цепей
Элементы RC-цепи рассчитываются так, чтобы на частоте генерации получить сдвиг фаз 180. Один из вариантов генератора с трехзвенной цепью RC показан на рисунке 5.
Рис. 5 Генератор с трехзвенной цепью RC
Генератор состоит из резистивного усилителя на транзисторе и цепи обратной связи. Однокаскадный усилитель с общим эмиттером осуществляет сдвиг фазы между напряжением на коллекторе и базе К = 180. Следовательно, для выполнения баланса фаз цепь обратной связи должна обеспечивать на частоте генерируемых колебаний ОС = 180.
Проведем анализ цепи обратной связи, для чего составим систему уравнений по методу контурных токов.
Решая полученную систему относительно коэффициента обратной связи, получим выражение
Из выражения следует, что фазовый сдвиг 180 получается в том случае, когда будет вещественной и отрицательной величиной, т. е.
следовательно, генерация возможна на частоте
Это означает, что для возбуждения автоколебаний коэффициент усилителя должен быть больше 29.
Выходное напряжение генератора обычно снимают с коллектора транзистора. Для получения колебаний гармонической формы в цепь эмиттера включен терморезистор RТ с положительным температурным коэффициентом сопротивления. При увеличении амплитуды колебаний сопротивление RТ возрастает и увеличивается глубина отрицательной обратной связи в усилителе по переменному току, соответственно, падает коэффициент усиления. Когда наступает стационарный режим колебаний (К = 1), усилитель остается линейным и искажения формы коллекторного тока не происходит.
Выходное напряжение генератора обычно снимают с коллектора транзистора. Для получения колебаний гармонической формы в цепь эмиттера включен терморезистор RТ с положительным температурным коэффициентом сопротивления. При увеличении амплитуды колебаний сопротивление RТ возрастает и увеличивается глубина отрицательной обратной связи в усилителе по переменному току, соответственно, падает коэффициент усиления. Когда наступает стационарный режим колебаний (К = 1), усилитель остается линейным и искажения формы коллекторного тока не происходит.
Автогенератор с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи.
Характерной особенностью схем RC-генераторов с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи является использование в них усилителей, не инвертирующих фазу входного сигнала. В качестве такого усилителя может, например, использоваться операционный усилитель с не инвертирующим входом или многокаскадный усилитель с четным числом инвертирующих каскадов. Рассмотрим некоторые возможные варианты цепей обратной связи, обеспечивающих нулевой фазовый сдвиг (рис. 6).
Рис. 6 Варианты цепей ОС, обеспечивающие нулевой фазовый сдвиг
Они состоят из двух звеньев, одно из которых представляет RС-звено с положительным фазовым сдвигом, а второе – с отрицательным сдвигом фазы. В результате сложения ФЧХ на определенной частоте (частоте генерации) можно получить фазовый сдвиг, равный нулю.
На практике наиболее часто в качестве избирательной цепи с нулевым фазовым сдвигом применяют фазобалансный мост, или по-другому мост Вина (рис. 7 в), применение которого показано в схеме RC-генератора с нулевым фазовым сдвигом, выполненного на операционном усилителе (рис. 7).
Рис. 7 RC-генератор с нулевым фазовым сдвигом в цепи ОС
В этой схеме напряжение с выхода усилителя подается на его не инвертирующий вход через цепь обратной связи, образованную элементами моста Вина R1C1 и R 2C2. Резистивная цепочка RRТ образует еще одну обратную связь – отрицательную, которая предназначена для ограничения нарастания амплитуды колебаний и сохранения их гармонической формы. Напряжение отрицательной обратной связи поступает на инвертирующий вход операционного усилителя. Терморезистор RТ должен иметь отрицательный температурный коэффициент сопротивления.
Коэффициент передачи цепи обратной связи
должен быть вещественной и положительной величиной, а это возможно при выполнении равенства
Отсюда определяется частота генерируемых колебаний. Если R1 = R2 =R, C1 = C2 = C, то
При равенстве R1 = R2 = R и C1 = C2 = C коэффициент усиления К > 3.
Частоту колебаний можно изменять путем изменения сопротивлений R или емкостей конденсаторов С, входящих в состав моста Вина, а амплитуда колебаний регулируется сопротивлением R.
Основное преимущество RC-генераторов перед LC-генераторами заключается в том, что первые легче реализовать для низких частот. Например, если в схеме генератора с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи (рис. 8) R1 = R2 = 1 МОм, C1 = C2 = 1 мкФ, то генерируемая частота
Чтобы получить такую же частоту в LC-генераторе, потребовалась бы индуктивность L = 10в16 Гн при С = 1 мкФ, что трудно осуществить.
В RC-генераторах можно, изменяя одновременно величины емкостей С1 и С2, получить более широкий диапазон перестройки частоты, чем это имеет место в LC-генераторах. Для LC-генераторов
К недостаткам RC-генераторов следует отнести тот факт, что на относительно высоких частотах они труднее реализуются, чем LC-генераторы. Действительно, величину емкости нельзя снизить меньше емкости монтажа, а уменьшение сопротивлений резисторов приводит к падению коэффициента усиления, что затрудняет выполнение амплитудного условия самовозбуждения.
Перечисленные достоинства и недостатки RC-генераторов обусловили их применение в низкочастотном диапазоне с большим коэффициентом перекрытия по частоте.
Литература:
Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с.
studfiles.net/preview/5468513/page:2/
ru.wikipedia.org/wiki/RC-генератор
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 669; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!