Исследование автогенераторов гармонических колебаний

Цель работы:

Изучение принципа работы, основных параметров, условий самовозбуждения RC-автогенераторов гармонических колебаний и их схемной реализации.

10.1. Теоретические сведения.

Автогенераторы гармонических колебаний АГК преобразуют энергию источников питания в энергию незатухающих синусоидальных колебаний на выходе. Они содержат активный элемент АЭ и частотно-избирательный четырехполюсник ЧИЧ. В качестве АЭ а АГК широко используются транзисторы и операционные усилители, а в качестве ЧИЧ в области низких частот (звуковой диапазон) RC-четырехполюсники: мост Вина, трехзвенные RC-цепочки дифференцирующего и интегрирующего типов.

На рис. 10.1. показана структура простейшего автогенератора, который строится по кольцевой схеме с положительной обратной связью ПОС.

Рис. 10.1.

Частота генерируется RC-автогенератором, называется квазирезонансной, так как ЧИЧ на RC-элементах не обладают резонансными

свойствами, как, например, LC-контур.

Коэффициент усиления усилителя, охваченного ПОС, равен

Кuпос = Кu/(1-Кu*Кчич),

где Кu - коэффициент усиления усилителя без ПОС;

Кчич - коэффициент передачи ЧИЧ.

Для того чтобы при подаче на схему автогенератора напряжения питания на его выходе генерировались гармонические колебания, необходимо обеспечить выполнение условий самовозбуждения генератора:

Кu*Кчич > 1;

fu + fчич = 2nN,

где N = 0, 1, 2, 3...

Эти условия означают, что для осуществления незатухающих автоколебаний на выходе необходимо, чтобы потери, вносимые ЧИЧ,

компенсировались усилителем, т.е. выполнялся баланс амплитуд, а

создаваемый усилителем и ЧИЧ в кольцевой схеме суммарный сдвиг

фаз был равен нулю или кратен 2n, т.е. выполнялся баланс фаз.

Условия самовозбуждения должны выполняться лишь на частоте генерируемых колебаний wг = w₀. По принципу построения RC-автогенераторы подразделяются на две основные группы:

· автогенераторы без поворота фазы сигнала в цепи ОС;

· автогенераторы с поворотом фазы сигнала в цепи ОС;

10.1.1. RC-автогенераторы без поворота фазы в цепи ОС.

В данном варианте автогенератора‚ (рис. 10.2.) в качестве ЧИЧ используется мост Вина. Поскольку на частоте квазирезонанса w₀ мост Вина дает сдвиг фаз, равный нулю, то для баланса фаз выход ЧИЧ связан с неинвертирующим входом ОУ. Элементы ООС R1, R2 повышают стабильность работы генератора. Переменный резистор R1 изменяет глубину ООС.

Рис. 10.2.

Основные расчетные соотношения для данной схемы:

fr = f0 = 1/(2n*R*C); Кчич = 1/3; C = 1/(2n*R*fr).

10.1.2. RC-генераторы с поворотом фазы в цепи ОС.

Такой автогенератор (рис. 10.3.) в качестве ЧИЧ содержит 3-звенную RC-цепочку дифференцирующего или интегрирующего типа.

Поскольку ЧИЧ такого типа на частоте квазирезонанса w₀ сдвигает фазу на 180 градусов, генератор содержит однокаскадный усилитель на транзисторе, включенный по схеме с общим эмиттером. Данный усилитель также сдвигает фазу сигнала на 180 градусов. Вход усилителя с помощью ЧИЧ соединен со входом, образуя кольцевую схему с ПОС. Режим работы усилителя по постоянному току обеспечивается делителем R1, R2 и резистором Rэ в эмиттерной цепи транзистора. Одновременно параллельно включенные по переменному току резисторы R1 и R2 образуют третье сопротивление цепочечного ЧИЧ, т.е.

R = R1*R2/(R1 + R2).

При обеспечении коэффициента усиления усилителя Кu > 29 потери в цепочечном четырехполюснике компенсируются, схема самовозбуждается и генерирует синусоидальные колебания с частотой

_

fr = 1/(Ö6*2n*R*C).

Рис. 10.3.

Величина емкости определяется из выражения

С = 1/(Ö6*2n*R*fr).

10.2. Подготовка к работе.

10.2.1. Изучить принцип работы RC-автогенераторов с ЧИЧ различного типа и особенности их схемной реализации.

10.2.2. Для схемы с З-звенным четырехполюсником на транзисторе по заданным преподавателем параметрам схемы произвести расчет резистора в коллекторной цепи R33, и генерируемую частоту (рис. 10.4. Приложение 1).

10.2.3. Для генератора с мостом Вина по заданным преподавателем параметрам схемы рассчитать параметры цепи автоматической регулировки усиления и частоту выходного сигнала генератора (рис. 10.4. Приложение 1).

10.2.4. Нарисовать исследуемые схемы генераторов.

10.2.5. Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.

10.3. План работы.

10.3.1. Соберите схему автогенератора, представленную на рис. 10.4. Приложение 1.

10.3.2. Установить рассчитанное значение резистора R35 и подать на генератор напряжение питания. Снять и зарисовать осциллограмму выходного напряжения и замерить частоты выходного сигнала с помощью частотомера (или по осциллографу).

10.3.3. Изменяя величину резистора R33 оценить влияние его на Форму выходного сигнала и возможность возникновения незатухающих колебаний. Зарисовать полученные осциллограммы. Определить значение RЗЗ, при котором происходит срыв колебаний.

10.3.4. Собрать схему генератора с мостом Вина на ОУ (рис. 10.6. Приложение 1).

10.3.5. Установить рассчитанные значения элементов цепи автоматической регулировки усиления и включить питание схемы. Снять и зарисовать осциллограммы выходного сигнала генератора. Определить с помощью частотомера частоту генерируемых сигналов.

10.3.6. Собрать схему генератора без автоматической регулировки усиления (сопротивление R44 подключить к общему проводу рис. 10.5. Приложение 1).

Снять и зарисовать осциллограммы выходного сигнала и оценить

влияние цепи АРУ на работу генератора.

10.3.7. Сравнить результаты исследований с теоретическими

расчетами и сделать выводы.

10.4. Контрольные вопросы.

10.4.1. Сформулируйте условия самовозбуждения RC-автогенераторов.

10.4.2. Нарисуйте схемы четырехполюсников, используемых в

RC-автогенераторах.

10.4.3. Приведите АЧХ и ФЧХ моста Вина, 3-звенных RC-цепочек дифференцирующего и интегрирующего типов.

10.4.4. Напишите выражения для определения параметров ЧИЧ

названных типов и fr RC-генератора с их использованием.

10.4.5. Как можно повысить стабильность частоты и амплитуды

автогенераторов?

10.4.6. Дайте сравнительную оценку RC-автогенераторов на биполярных транзисторах и ОУ.

11. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N11

Дата добавления: 2015-03-29