RC-генераторы

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.

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°.

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.

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 неинвертирующим входом или многокаскадный усилитель с четным числом инвертирующих каскадов.

Задача стабилизации частоты автогенераторов

Стабильность частоты автогенератора является одной из важнейших его характеристик, которая в значительной степени определяет надежность работы системы связи. В частности, высокая степень постоянства частоты обеспечивает возможность вхождения в связь без предварительного поиска корреспондента и ведение связи без подстройки.

Для обеспечения требуемой стабильности частоты необходимо применять комплекс специальных мер, направленных на ослабление влияния дестабилизирующих факторов на частоту колебаний автогенераторов:

- параметрическая стабилизация – выбор схемы автогенератора и расчет элементов, позволяющих стабилизировать режимы работы транзистора (лампы);

- термостабилизация – выбор элементов автогенератора с малыми температурными изменениями параметров; помещение колебательной системы или автогенератора в целом в термостат и т. д.;

- термокомпенсация – выбор элементов L и С, имеющих температурные коэффициенты противоположных знаков и взаимно компенсирующимися отклонениями DL и DС; при термокомпенсации вводится температурный коэффициент частоты α_f = -0.5(α_L - α_C), определяемый через температурные коэффициенты индуктивности aL и емкости aС. Если элементы контура L и С выбраны так, что у них aL и aС равны по величине и противоположны по знаку, то af = 0, т. е. исключается влияние температуры на частоту генерируемых колебаний;

- кварцевая стабилизация частоты, основанная на использовании высокодобротных кварцевых резонаторов, что позволяет обеспечить долговременную стабильность частоты порядка 10-6. При этом генераторы, содержащие в своем составе кварцевый резонатор выделяются в отдельную группу кварцевых генераторов;

- стабилизация напряжения источников питания;

- автоматическая стабилизация рабочего режима активных приборов, преследующая цель уменьшить влияние разброса параметров активных приборов на стабильность частоты;

- применение специальных схем автогенераторов, позволяющих уменьшить влияние нестабильности нагрузки на частоту генерируемых колебаний, например, двухконтурные генераторы с электронной связью между контурами. Принцип их работы прост. Задающий частоту генератор собран на внутренней (входной) части электронного прибора, затем эти колебания усиливаются и выделяются внешним (выходным) колебательным контуром, настроенным на частоту внутреннего. Этим обеспечивается электронная связь между контурами и исключается влияние внешнего контура на частоту генерируемых колебаний внутренним контуром.

Для формирования периодических прямоугольных импульсов используются генераторы – мультивибраторы. Мультивибратор может быть реализован на дискретных элементах (транзисторах), на логических цифровых элементах, выполнен как специализированная микросхема.

Для формирования импульсов в диапазоне частот от инфранизких (доли Герца) до сотен килогерц можно использовать схему на операционном усилителе. Основой схемы является триггер Шмитта. Схема мультивибратора на операционном усилителе и осциллограммы напряжений приведены на рисунке:

До включения напряжения питания напряжение на конденсаторе равно нулю. В момент включения питания на выходе операционного усилителя напряжение изменится скачком из-за того, что коэффициент усиления схемы очень большой (практически близкий к коэффициенту усиления ОУ, т.е. 104..106, а на входе реального ОУ существует напряжение смещения. Допустим, что знак выходного напряжения смещения в момент включения положительный, а его величина равна +UВЫХ max. В то же время напряжение на не инвертирующем входе станет равным +bUВЫХ max, где b=R1/(R3+R1). Т.о. потенциал на

конденсаторе будет отрицательным относительно потенциала неминвертирующего входа.

Такое положение вещей соответствует свойствам ОУ: знаки потенциалов инвертирующего входа и выхода различны, тогда как знаки потенциалов не инвертирующего входа и выхода одинаковые.

Конденсатор через резистор R начнет заряжаться с постоянной времени t=R2C, а напряжение на нем будет стремиться к +UВЫХ max. Когда напряжение на конденсаторе превысит по модулю напряжение на не инвертирующем входе, потенциал на нем станет положительным относительно потенциала на не инвертирующем входе и напряжение на выходе ОУ скачком инвертируется и станет равным -UВЫХ max.

Теперь на не инвертирующем входе установится напряжение -bUВЫХ max, а конденсатор начнет перезаряжаться, т.е. стремиться при своей зарядке к напряжению -UВЫХ max. После того, как на конденсаторе напряжение по модулю превысит напряжение на не инвертирующем входе, его отрицательный потенциал станет болше, чем на не инвертирующем входе и на выходе напряжение вновь инвертируется и станет +UВЫХ max.

Таким образом на выходе схемы с операционным усилителем, охваченным положительной обратной связью, возникнут периодически повторяющиеся прямоугольные импульсы. длительность импульса tИ:

т.е. длительности положительного и отрицательного импульсов одинаковые. Такой мультивибратор называется симметричным. Период колебаний Т и их частота f рассчитываются по формулам:

Частоту колебаний (длительность импульсов) можно

регулировать как соотношением величин сопротивлений R1 и R3, так и параметрами RC цепочки. Вместе с тем подбором соотношения параметров этих элементов можно изменять порог срабатывания. Уменьшение напряжения bUВЫХ max или RC может привести к нестабильности частоты генерации.

Введение в цепь зарядки конденсатора элемента с односторонней проводимостью, например полупроводникового диода, позволяет создать несимметричный мультивибратор (генератор прямоугольных импульсов с различной длительностью – t+и (для положительной полярности импульса) и -

и t-и (для отрицательной полярности

импульса). Схема такого мультивибратора показана на рисунке:

Зарядка конденсатора через резистор R2 и диод, подключенный p-областью к

выходу, дает длительность импульсов положительной полярности, выражаемую

формулой:

а для импульсов отрицательной полярности зарядка конденсатора происходит

через цепь R1 и диод, подключенный к выходу ОУ n-областью. При этом длительность

импульсов отрицательной полярности определяется из выражения:

Период колебаний теперь будет определяться по формуле:

Дата добавления: 2015-06-04