Тема 3.2 Генератори гармонійних коливань

Генератори гармонійних коливань – це електронні пристрої, які перетворюють енергію постійного струму (енергію джерела живлення) в енергію електромагнітних синусоїдних коливань заданої частоти.

Принцип роботи генераторів коливань базується на реалізації умов самозбудження підсилювача з додатним зворотним зв'язком (ДЗЗ), структурну схему якого показано на рис.3.16.

Рисунок 3.16 – Структурна схема генератора коливань

 

Для комплексних значень вхідних і вихідних напруг підсилювача запишемо: u _вих = К u _вх , а u _вх = u _зв.з = β u _вих , де К, β – комплексні значення коефіцієнта підсилення та передатного коефіцієнта ланки зворотного зв'язку. Як відомо, коефіцієнт підсилення за напругою підсилювача з додатним ЗЗ визначається виразом

К_п = К /(1- Кβ).

Перехід підсилювача в режим генерування коливань (К_п = ∞) забезпечується умовою К∙β = 1   або К ∙ е ^jφ β ^jψ = 1.

Це рівняння називають умовою самозбудженя генератора коливань. Ця умова поділяється на умову балансу амплітуд (Кβ = 1) і на умову балансу фаз (φ = -ψ +2π), які визначають стабільну роботу генератора коливань (рис.3.17).

Генератори гармонійних коливань реалізуються на базі операційних підсилювачів (на частотах не більше 15 МГц) й поділяються за типом частотно-вибірковоїланки, які задають частоту коливань, на LC - і RC – автогенератори. Такі ланки утворюють ДЗЗ, а вланку ВЗЗ вмикають елементи або схеми для забезпечення стабільності амплітуди коливань чи її регулювання.

Рисунок 3.17 – Умови роботи генератора коливань

 

LC - генератори (рис.3.18) містять у ланці ДЗЗ паралельний резонансний контур LC, параметри якого визначають частоту коливань вихідної напруги

f₀ = ω₀ /2 π = 1/2 π √ LC .

Елементи ввімкнуті у ланку ВЗЗ визначають амплітуду коливань, а також забезпечують їх стабільність (терморезистор в схемі рис.3.18,б).

Рисунок 3.18 – Схеми LC- генераторів

 

Практично задану частоту коливань отримують шляхом налаштовування контура в резонанс струмів, який визначається рівністю реактивних провідностей     b_L = b_C , з урахуванням резистивного опору навою R _К : b_L = Х /( R ² _К + Х²_К ), де Х_К  - реактивний опір навою.

RC - генератори (рис.3.19) містять у ланці ДЗЗ частотно - вибіркову ланку R - C (R ₁ , C ₁ , R ₂ , C ₂ ), параметри якої визначають частоту коливань генератора

 f ₀ = ω ₀ /2 π = 1/2 π √ R ₁ R ₂ C ₁ C ₂ .

Зміну частоти або корекцію здійснюють шляхом одночасної зміни параметрів C ₁ і C ₂ чи R ₁ і R ₂.

Передатний коефіцієнт ланки ДЗЗ такого генератора

Рисунок 3.19 – Схеми RC - генераторів

 

Якщо параметри частотно-вибіркової ланки є однаковими (R ₁ = R ₂ , C ₁ = C ₂), тоді передатний коефіцієнт і частота коливань визначаються як

β = 1/3,  f ₀ = ω ₀ /2 π = 1/2 πRC.

Таку частотно-вибіркову ланку називають мостом Віна, а RC- генератори з мостом Віна знайшли широке використання (рис.3.19,б). Такі генератори забезпечують регулювання амплітуди коливань, не порушуючи умови самозбудження. Зазвичай ланка ВЗЗ генератора реалізується як схема регулювання амплітуди.

Стабілізація частоти автогенераторів. Основною характеристикою роботи автогенераторів є стабільність частоти коливань, від якої залежить точність системкерування технологічними процесами. Зміна частоти коливань зумовлюється нестабільністю напруги живлення, зовнішніми факторами (температурою, тиском, вологістю тощо). Ці фактори впливають на зміну ємності (∆С) чи індуктивності (∆ L).

Нестабільність частоти коливань характеризується коефіцієнтом відносної нестабільності ∆ f / f _р (де f _р - робоча частота автогенератора), який визначається через параметри схеми:

- для LC- генераторів ∆ f / f _р = -1/2(∆ L / L +∆С/С);

- для RC- генераторів ∆ f / f _р = -(∆С/С +∆ R / R ).

Для зменшення нестабільності частоти використовують параметричну та кварцеву стабілізацію.

Параметрична стабілізація базується на підборі елементів схеми, які мало чутливі до змін дестабілізуючих факторів. Така стабілізація забезпечує нестабільність частоти 10^-5.

Кварцева стабілізація базується на використанні кварцевих резонаторів, що містять пластину кварца (турмалину), вмонтовану в кварцетримач (рис.3.20,а) і забезпечує нестабільність частоти 10^-8. Відомо, що для мінералу кварца властиве явище п'єзоефекту: при механічній дії на протилежних гранях виникає різниця електричних потенціалів і, навпаки, при дії змінного електричного поля виникають стійкі механічні коливання.

Рисунок 3.20 – Схемне зображення кварцевого резонатора (а)

      та його заступна електрична схема (б)

 

Отже, кварц в залежності від геометричних розмірів і кута зрізу пластини забезпечує стабільну частоту (резонансну частоту) від 1 кГц до 1000 МГц.

Вмикання кварцевого резонатора в електричну схему евівалентно вмиканню резонансного контура (рис.3.20,б), де L_кв , R_кв , C_кв – параметри кварца, С₀ – ємність кварцетримача. Практично С₀ >> С_кв , тому С_екв ≈ С_кв і резонансна частота такого контура, враховуючи, що R_кв має невеликий опір, визначається

f_рез = 1/2 π √ L _кв C _кв .

На рис. 3.21 зображено схему вмикання кварцевого резонатора в міст Віна для стабілізації частоти в RC – генераторі, який практично використовують як кварцевий автогенератор коливань.

Рисунок 3.21 - RC – генератор з кварцевою стабілізацією частоти

 

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: