Лекция 6. Генераторы синусоидальных колебаний

Генераторы синусоидальных колебаний осуществляют преобразование энергии источника постоянного тока в переменный ток требуемой частоты.

Структурная схема

Обычно RC -генератор представляет собой замкнутую систему с положительной обратной связью (рис.6.1), которая содержит: источник питания, фазирующую избирательную RC -цепь, состоящую из конденсаторов и резисторов и определяющую частоту колебаний, активный элемент в виде усилителя, служащий для компенсации потерь в фазирующей цепи, нелинейный элемент, ограничивающий амплитуду колебаний. Звено ПОС обеспечивает устойчивый режим самовозбуждения на требуемой частоте.

Рис. 6,1. Структурная схема

генератора синусоидальных колебаний.

Входным сигналом для усилителя в схеме генератора является часть его выходного напряжения, передаваемая звеном ПОС (β_пос < 1). Для работы схемы в режиме генерации необходимо выполнение двух условий. Первое характеризуется тем, что фазовые сдвиги сигнала, создаваемого усилителем () и звеном ПОС (), в сумме должны быть кратны :

(6.1)

Это соотношение определяет условие баланса фаз. Второе условие находится из выражения:

(6.2)

Для получения на выходе генератора напряжения синусоидальной формы требуется, чтобы соотношения (6.1) и (6.2) выполнялись только при одной частоте.

Физический смысл неравенства заключается в следующем. Сигнал, усиленный усилителем в К раз и ослабленный звеном обратной связи в β раз, при выполнении условия (6.1) возникает вновь на входе усилителя в той же фазе, но с большей амплитудой.

Иными словами, это неравенство определяет необходимое условие для самовозбуждения генератора, когда первоначальные изменения токов и напряжений в схеме усилителя, появившееся после его подключения к источнику питания, вызывают прогрессирующее нарастание амплитуды сигналов соответствующей частоты на входе и выходе усилителя. Равенство соответствует переходу генератора к установившемуся режиму работы, когда по мере увеличения амплитуды колебаний происходит уменьшение коэффициента усиления К усилителя из-за проявления нелинейности характеристик транзистора при больших амплитудах сигналов. В стационарном режиме сигналы на входе и выходе генератора соответствуют некоторым установившимся значениям благодаря компенсации усилителем ослабления сигнала, создаваемого звеном обратной связи (условие баланса амплитуд).

Генератор гармонических (синусоидальных) колебаний строится на основе усилителя, охваченного положительной обратной связью. Колебания возникают при условии выполнения баланса фаз и баланса амплитуд только на одной частоте (в возможно более узком диапазоне). Для упрощения запуска и улучшения формы колебаний вместо резисторов в цепи ООС применяют схему автоматической регулировки усиления (АРУ).

Условие баланса фаз φ _К + φ _β = 0 обеспечивает существование в схеме ПОС.

Условие баланса амплитуд β_ОС • К = 1 требуется для передачи энергии по замкнутому контуру усилитель – цепь ОС без потерь, тогда колебания будут незатухающими

RC -автогенераторы предназначены для работы на инфранизких (от долей герц) и звуковых частотах и в этом диапазоне имеют преимущества перед LC- автогенераторами из-за высокой стабильности частоты генерируемых сигналов, что связано с возможностью применения высокостабильных резисторов и конденсаторов. По сравнению с LC -генераторами RC -генераторы той же выходной мощности имеют меньшие габариты и массу.

Самые разные виды генераторов гармонических колебаний могут быть построены на основе ОУ. Если требуется получить синусоидальное переменное напряжение низких или средних частот, то удобнее всего применить один из вариантов RC-генераторов.

1. Виды частотно-зависимых цепей

В своей основе RC-автогенератор имеет одно- или многокаскадный усилитель и цепь ОС на элементах R и С. Цепь может быть Г-образной или мостовой. На рис.1. приведена схема генератора с трёхзвенной Г-образной (лестничной) цепью. В этой схеме используется инвертирующий усилитель. В усилителе происходит сдвиг по фазе между входным и выходным напряжением на . Для выполнения условия баланса фаз (т. е. чтобы общая ОС была положительной) необходимо, чтобы цепь ОС также обеспечивала фазовый сдвиг .

Рис.6.2. Генератор с трёхзвенной (лестничной) RC-цепью

Выполнение этого условия возможно с помощью трёхзвенной Г-образной RC-цепи, каждое звено которой создает сдвиг фазы на . Если принять: и , то самовозбуждение этого генератора произойдёт на частоте

,

при коэффициенте усиления усилителя .

Возможно использование в этой же схеме RC -цепи “обратного” вида, в которой место включения элементов R и С изменено на противоположное. При тех же значениях R и С самовозбуждение такой схемы произойдёт на частоте

.

Таким образом, для наиболее низких частот предпочтительно использование цепей первого вида, а для высоких частот - “обратных” Г-образных цепей. Для уменьшения шунтирующего влияния Г-образной цепи ОС на выходе RC -генераторов этого вида устанавливается дополнительно эмиттерный повторитель.

На рис.6,3. приведена схема RC -автогенератора с использованием в цепи ОС несимметричного Т-образного моста. При выполнении условий:

; ;

; ;

0,207≤ a ≤0,5; К ≥ 11

самовозбуждение генератора происходит на частоте

.

Рис.6.3а.Генератор с двойным несимметричным Т-образным мостом и регулировкой амплитуды	Рис.6.3 б. АЧХ режекторного фильтра

Наибольшее применение в этих устройствах получила времязадающая цепь на основе моста Вина (рис.6.4.).

Рис.6.4. Простейшая схема генератора с мостом Вина	Рис.6.5. АЧХ моста Вина

Мост Вина, примененный в данном генераторе, обладает на резонансной частоте нулевым фазовым сдвигом, поэтому RC цепь включается в положительную обратную связь.

При выполнении условия в устройстве возникают автоколебания, частота которых определяется формулой:

.

Обычно используются равные сопротивления и ёмкости , а частоту находят из соотношения:

Для выполнения условия баланса амплитуд необходимо обеспечить коэффициент усиления усилителя:

Автоколебания возникают при условии, что коэффициент усиления усилителя больше трех, обычно для запуска генератора применяют цепи АРУ.

.

Дата добавления: 2015-05-06