Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
АВТОГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
Автогенераторы синусоидальных колебаний по виду элементов, входящих в звенья обратной связи, подразделяются на автогенераторы LC - типа (высокочастотные) и автогенераторы RС-типа ( низкочастотные) Автогенераторы LС-типа. Принцип действия автогенератора LC-типа рассмотрим на примере устройства, схема которого изображена на рис. а. В этом автогенераторе усилитель собран на биполярном транзисторе VT и включен по схеме с общим эмиттером. Звеном обратной связи является резонансный контур включенный в базовую цепь транзистора. Катушка резонансного контура индуктивно связана с катушкой , включенной в коллекторную цепь транзистора. В свою очередь катушка индуктивно связана с , с которой снимается выходное напряжение. Первоначально колебания в автогенераторе возникают Или из-за флуктуаций тока в транзисторе, колебательном контуре или при подаче напряжения питания. По этим причинам появляются слабые Колебания с частотой , которые в отсутствие положительной обратной связи должны были бы прекратиться из-за потерь энергии в Контуре. Но при наличии положительной обратной связи этого не происходит. Действительно, появившееся на контуре напряжение усиливается транзистором. Эти колебания через катушку , индуктивно связанную с катушкой , вновь возвращаются в колебательный контур. Размах колебаний быстро нарастает (см. рис. 4.2, б), что соответствует условию По мере роста амплитуды напряжения в цепи базы транзистора из-за нелинейности амплитудной характеристики (участок ab на рис. 4.2, в) коэффициент усиления начинает уменьшаться и произведение становится равным единице. При этом появляются колебания с постоянной и автоматически поддерживаемой на требуемом уровне амплитудой, что соответствует установившемуся стационарному режиму автоколебаний. Условие баланса амплитуд в автогенераторе сводится к тому, что на резонансной частоте ш0 потери энергии в контуре компенсируются энергией, вносимой в колебательный контур источником питания через катушку . Отметим, что баланс амплитуд обусловливает неизменную амплитуду стационарных колебаний. Условие баланса фаз в рассматриваемом автогенераторе осуществляется при сдвиге фаз выходного напряжения усилителя и звена обратной связи на 180°, что видно из (4.5): . Практически это условие выполняется соответствующей намоткой индуктивных катушек и (направления намотки витков катушек резонансного контура и коллекторной цепи должны быть противоположными). Так же как и баланс амплитуд, баланс фаз поддерживается в автогенераторе автоматически. Каждый из сдвигов фаз в условии (4.5) зависит от частоты по-разному, но для появления колебаний существует только одна частота, на которой выполняется условие баланса фаз, равная резонансной частоте контура Таким образом, условие баланса фаз определяет частоту генерируемых колебаний. Рис 4.2 Автогенератор LC-типа а — схема, б — возникновение колеба ний в автогенераторе, в — амплитудная характеристика усилителя
Если условия самовозбуждения выполняются не только для одной частоты, а для нескольких частот или какой-то полосы частот, то появляются колебания сложной формы ( в том числе прямоугольной), состоящей из нескольких гармонических или большого числа гармоник. Высокими техническими показателями обладают LC-автогенераторы, в которых в качестве усилителей используются операционные усилители (ОУ). В связи с очень высоким коэффициентом усиления ОУ кроме положительной обратной связи, где используется LC -kohтур, вводится достаточно глубокая отрицательная обратная связь, что существенно повышает стабильность работы автогенератора. Принципиальная схема такого автогенератора на ОУ изображена на рис.4.3. Резисторы , и образуют цепь отрицательной обратной связи. Резонансный LC-контур и резистор включены в звено с положительной ОС. Для стабилизации амплитуды выходного напряжения в звене отрицательной обратной связи используют терморезистор . При увеличении, например, выходного напряжения автогенератора по какой- либо причине ток через терморезистор возрастает, а его сопротивление уменьшается. В результате коэффициент усиления усилителя уменьшается. Переменный резистор необходим для точной регулировки выполнения условия баланса амплитуд. Задача 4.1. Определить сопротивление резистора при котором в автогенераторе LC-типа на ОУ (см, рис.4.3) возникнут незатухающие автоколебания, если =100 кОм, а кОм, сопротивление резонансного контура на частоте f0 = 1 кОм. Решение: 1. Определим коэффициент положительной обратной связи на резонансной частоте f0: Рис.3.42 Схема интегрирующего усилителя 2. Рассчитаем коэффициент усиления усилителя в автогенераторе , исходя из условия баланса амплитуд . Для выполнения условия примем . 3. Определим сопротивление резистора R\ в неинвертирующем усилителе: Задача 4.2.* Определить сопротивление в автогенераторе (смрис.4.3), если сопротивление резонансного контура на частоте и параметры звеньев обратной связи заданы в таблице.
Задача 4.3. Определить неинвертирующего усилителя в автогенераторе (рис.4.3), если =1, 8 кОм, =150 кОм. Ответ: =84, 3. Автогенераторы RС-типа. Для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (от нескольких сотен килогерц до долей герц) применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратных связей используются RС -четырехполюсники. Такие автогенераторы получили название автогенераторов RC-типа. Применение RС -четырехполюсников вызвано тем, что LC-контуры на таких частотах становятся громоздкими, а их добротность, ниже необходимых требований. С помощью автогенераторов RС -типа можно получать колебания и высокой частоты вплоть до 10 МГц. Однако преимущества автогенераторов RС -типа проявляются именно на низких и инфра- низких частотах. В этом частотном диапазоне за счет применения резисторов и конденсаторов автогенераторы RC-типа обладают более высокой стабильностью, имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем LC-автогенераторы. Для создания автогенераторов RC- типа широко используют биполярные и полевые транзисторы и ОУ. В соответствии со структурной схемой автогенератора, изображенной на рис. 4.1, автогенератор RC-типа содержит усилитель на транзисторе или ОУ и звено обратной связи, являющееся частотно-зависимой RC -цепью. Как правило, такими частотно-зависимыми цепями являются Г-образные RC -цепи (рис.4.4, а, б), мост Вина (рис.4.4, в).
Рис.4.4. Частотно- зависимые цепи: а, б — Г-образные RC-цепи; в — мост Вина
Рис.4.5. Схема автогенератора ЯС-типа с фазосдвигающей Г-образной RC- цепью (а), с Г-образным RC-звеном обратной связи, в котором R и C поменяли местами (б)
Автогенератор RC -типа с Г-образным RC -звеном обратной связи представляет собой однокаскадный транзисторный усилитель, охваченный обратной связью (рис. 4.5, а). Как известно, в однокаскадном усилителе без обратной связи входное и выходное напряжения сдвинуты по Фазе на 180°. Если выходное напряжение этого усилителя подать на его вход, то получится 100%-ная отрицательная обратная связь. Для соблюде- ния баланса фаз, т.е. для введения положительной обратной связи в усилителе, выходное напряжение, прежде чем подать его на вход усилителя, Необходимо сдвинуть по фазе на 180°. Если считать, что входное сопротивление усилителя очень большое, а выходное очень малое, то фазовый сдвиг на 180° можно осуществить с помощью трех одинаковых RC -звеньев каждое из которых изменяет фазу на 60°. Расчеты показывают, что баланс фаз в звене происходит на частоте , а баланс амплитуд — при коэффициенте усиления . Если в рассматриваемом автогенераторе поменять местами резисторы и конденсаторы (рис. 4.5, бу то генерация автоколебаний будет на частоте при коэффц. циенте усиления 11, 8. Отметим, что Г-образные -цепи иногда выполняют с количеством звеньев больше трех (чаще всего четырехзвенные). Увеличения частоты генерации можно добиться при смене мест резисторов и конденсаторов в -цепи того же генератора. Для изменения частоты генерации в рассматриваемом генераторе необходимо изменять одновременно либо все сопротивления R, либо все емкости С. Заметим, что автогенераторы с Г-образными -цепями работают обычно на фиксированной частоте или в крайнем случае в узком перестраиваемом диапазоне. Рассмотренный автогенератор -типа имеет ряд недостатков: 1) цепь обратной связи сильно шунтирует усилительный каскад, вследствие чего снижается коэффициент усиления и нарушается условие баланса амплитуд, т.е. возникающие колебания могут быть неустойчивыми; 2) генерируемые колебания имеют значительное искажение формы, вызванное тем, что условия самовозбуждения выполняются для гармоник с частотой, близкой к . Это объясняемся отсутствием строгой избирательности к основной частоте Г-образных -цепей. На рис. 4 6, а изображена принципиальная схема -автогенератора на ОУ с мостом Вина в цепи положительной обратной связи. Мост Вина состоит из резисторов , и конденсаторов , . На частоте , где , а , мост Вина имеет коэффициент передачи =1/3 и нулевой угол сдвига фаз (см.рис. 4.6, б). В таком генераторе мост Вина включают между выходным выводом ОУ и его неинвертирующим входом, чем достигается введение положительной обратной связи. В автогенераторе с мостом Вина ОУ должен иметь коэффициент усиления . У ОУ коэффициент усиления много больше трех. Следовательно, форма синусоидальных колебаний может быть сильно искажена. Во избежание этого вводят сильную отрицательную обратную связь, т.е. Наличие терморезистора стабилизирует амплитуду выходного сигнала и снижает нелинейные искажения. Для регулирования частоты /0 изменяют либо сопротивление обоих резисторов и , либо емкости конденсаторов и моста Вина. Следует отметить, что автогенератор с мостом Вина обеспечивает простую перестройку частот в широком диапазоне их изменения. По этой причине автогенератор RC-типа с мостом Вина чаще других автогенераторов применяют для получения синусоидальных колебаний в диапазоне от 1 до 106 Гц.
а) в) Рис 4.6. Автогенератор RC-типа с мостом Вина на операционном усилителе: а — схема автогенератора, б, в — амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики моста Вина Задача 4.4. Определить сопротивление резистора в автогенераторе ЯС-типа на ОУ (см.рис. 4.6, а), при котором возникнут синусоидальные колебания, если суммарное сопротивление резисторов и будет равно 10 кОм. Ответ: R4=5 кОм. 4.4. СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ В АВТОГЕНЕРАТОРАХ Стабильность частоты автогенераторов является одним из важнейших параметров, в значительной степени определяющих надежность и точность работы устройств промышленной электроники. Нестабильность частоты генерируемых колебаний зависит от изменений температуры, влажности, давления, от механических воздействий, колебаний напряжения питания, внешних электромагнитных полей и других дестабилизирующих факторов. Воздействие дестабилизирующих факторов на стабильность частоты проявляется в изменении емкостей конденсаторов, индуктивностей дросселей и сопротивлений резисторов, входящих в состав колебательных контуров и RС-цепей обратных связей. Стабильность частоты автогенераторов зависит также от паразитных емкостей и индуктивностей и их изменений, которые так или иначе влияют на частоту и которые необходимо учитывать при расчетах и настройке автогенераторов. Влияние температуры сказывается на изменениях линейных размеров индуктивных катушек и конденсаторов. Так, с повышением температуры линейные размеры указанных элементов изменяются, что влечет за собой изменение емкости и индуктивности колебательного контура соответственно на С и L. Относительное изменение емкости конденсатора С/С при изменении температуры на 1 °С называют температурным коэффициентом емкости (ТКС). Он может быть как положительным, так и отрицательным. Например, керамические конденсаторы выпускают как с положительным, так и отрицательным ТКС порядка . Относительное изменение индуктивности катушки L/L при изменении температуры на 1°С называют температурным коэффициентом индуктивности (TKL). У лучших по термостабильности катушек TKL имеет значение . При изменении температуры изменяется и сопротивление резисторов. Относительное изменение сопротивления резистора R/R при изменении температуры на 1°С называют температурным коэффициентом сопротивления (TKR). Оно также может быть положительным и отрицательным. У линейных углеродистых резисторов широкого применения типов ВС и УЛИ TKR отрицательный и имеет значение . Металлизированные резисторы широкого применения, например, типа МЛТ, имеют положительный TKR порядка . Следует отметить также, что на нестабильность генерируемой частоты, вызванную изменением температуры, сильно влияют изменения параметров транзисторов. Нестабильность частоты автогенераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности , где — рабочая (номинальная) частота автогенератора; — отклонение частоты от рабочей. Коэффициенты относительной нестабильности определяют по формулам: для LC-автогенераторов
для RС-автогенераторов (4.8)
) где , и — приращения соответственно индуктивностей катушек. емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов, вызванные воздействием дестабилизирующих факторов. Для уменьшения нестабильности частоты используют различные способы стабилизации. Различают параметрическую и кварцевую стабилизацию частоты. Параметрическая стабилизация частоты сводится к ослаблению влияния внешних факторов на частоту генерируемых колебаний, а также к подбору элементов генератора, обеспечивающих минимальные изменения частоты. Для уменьшения влияния температуры на изменение емкости конденсаторов и сопротивления резисторов в автогенератор включают конденсаторы и резисторы с отрицательными и положительными ТКС и TKR. Снижение воздействия температуры на индуктивность катушек достигается за счет применения специальных материалов для каркасов катушек. Для исключения влияния температуры на параметры транзисторов в отдельных случаях автогенераторы помещают в термостат. Уменьшение влияния механических ударов и вибрации достигается применением массивных корпусов (шасси), на которых крепят детали автогенератора, амортизационных прокладок из губчатой резины, специальных подвесок и т.д. Печатный монтаж и использование проводов индуктивных катушек, вжигаемых в керамику, практически полностью устраняют влияние механических воздействий. Параметрическая стабилизация частоты позволяет снизить нестабильность до 10-5. Для уменьшения воздействия внешних электромагнитных полей автогенераторы обычно полностью экранируют. Применение стабилизаторов напряжения исключает влияние на частоту колебаний питающего напряжения. Кварцевая стабилизация частоты заключается в применении кварцевых резонаторов, что дает очень йизкую нестабильность частоты, обычно порядка 10-8 Кварцевый резонатор представляет собой тонкую пластину прямоугольной либо круглой формы, вырезанную определенным образом из кристалла кварца, установленную в кварцедержателе. Как известно, кварц обладает пьезоэффектом. При сжатии кварцевой пластины на противоположных ее гранях появляются разноименные электрические заряды, при растяжении пластины знаки зарядов на тех же гранях изменяются на обратные (прямой пьезоэффект), При воздействии на кварцевую пластину переменного электрического поля в ней возникают механичес- кие упругие колебания (обратный пьезоэффект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на ее гранях. Таким образом, Дастина кварца представляет собой электромеханическую систему, обладающую резонансными свойствами. В зависимости от геометрических Размеров и ориентации среза резонансные свойства (резонансная частота ) каждой пластины строго фиксированы и лежат в пределах от нескольких единиц килогерц до 1000 МГц. Рис 4 7 Эквивалентная схема кварцевого резонатора (а), характер изменения сопротивления кварцевого резонатора в зависимости от частоты (б) Кварцевый резонатор эквивалентен электрическому колебательному контуру Эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на рис. 4 7, а Как видно, кварц эквивалентен последовательно включенным элементам , и , а в такой цепи может быть резонанс напряжения с частотой . Индуктивность кварца может быть значительной — от десятков микрогенри до нескольких миллигенри. Емкость кварца мала (сотые доли пикофарад ). Кварцевый резонатор обладает острым резонансом, что свидетельствует о небольшом сопротивлении порядка единиц ом. Поэтому добротность кварца достигает 105 — 106, те она на два-три порядка больше добротности контуров, выполненных на дискретных элементах — индуктивной катушке и конденсаторе. Так как кристалл кварца помещают в кварцедержатель, который обладает емкостью , равной нескольким десяткам пикофарад, то в кварцевом резонаторе наблюдается и резонанс токов с частотой На частотах ниже и выше эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора носит емкостной характер (см.рис.4.7, б), а на частотах выше и ниже — индуктивный характер. Частотные свойства кварцевого резонатора обусловливают его различное включение в автогенератор Кварцевый резонатор можно включать в цепь положительной обратной связи как последовательный (колебательный) контур (рис.4 8, а), как индуктивный или емкостный элементы ветви колебательного контура. Температурная нестабильность кварцевого резонатора очень мала — У некоторых кристаллов она имеет значение 10-8 На рис 4 8, б изображена схема автогенератора RС-типа на ОУ с мостом Вина, в котором вместо одного из резисторов включен кварцевый резонатор КВ работающий в режиме резонанса напряжений.
Рис 4.8 Автогенератор с кварцевой стабилизацией а — включение кварцевого резонатора как последовательного колебательного контура, б — включение кварцевого резонатора в режиме резонанса напряжения В этом автогенераторе для выполнения баланса амплитуд необходимо строго выдерживать коэффициент усиления . Для этого вводится цепь нелинейной отрицательной обратной связи — диод VD, , , , , VT, в которой полевой транзистор VT используется как элемент с переменным сопротивлением промежутка сток — исток . Это сопротивление возрастает, если напряжение затвора становится более отрицательным Как видно из схемы, коэффициент усиления с увеличением уменьшается и наоборот. Отрицательное напряжение формируется выходным напряжением генератора после его выпрямления диодом VD и сглаживанием фильтром и резистивным делителем . Такой автогенератор является эталонным генератором и применяется в прецизионных измерительных системах. Кварцевую стабилизацию частоты обычно применяют в автогенераторах, работающих на фиксированных частотах (низкой и высокой), что является ее недостатком. Рассмотренные кварцевые автогенераторы являются простейшими Современный кварцевый автогенератор с высокой стабильностью частоты представляет собой довольно сложное устройство, содержащее стабилизаторы напряжения питания, а также такие элементы параметрической стабилизации, как амортизаторы и влагозащитные устройства. Задача 4.5. Определить абсолютную нестабильность частоты колебаний автогенераторе (см.рис.4.3), если температура в автогенераторе увеличилась с 20°С до 40°С, индуктивность катушки контура LK=100 мкГн, емкость конденсатора Ск =100 пФ, температурный коэффициент индуктивности TKL = 60 10-6 1/°С, температурный коэффициент емкости ТКС= 40 0-6 1/°С Решение: Определяем по формуле (4 7) Рассичтываем , . 4.5. ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ Подобно генераторам синусоидальных колебаний импульсные генераторы работают в режиме самовозбуждения. Это означает, что в состав такого устройства входит широкополосный по частоте усилитель и звено положительной обратной связи, куда входит элемент, накапливающий энергию от источника питания. Такими элементами, как известно, являются конденсаторы и индуктивные катушки (чаще применяются конденсаторы) Широкополосность усилителя является характерным признаком всех импульсных генераторов, так как условие самовозбуждения для получения, например, прямоугольных импульсов, должно выполняться в широком спектре частот гармонических колебаний, из которых состоят эти импульсы Мультивибраторы Для получения прямоугольных импульсов широко применяют мультивибраторы.Мультивибраторы выпускаются в виде интегральных микросхем и часто выполняются на ОУ, в отдельных случаях — на дискретных элементах, транзисторах, резисторах и конденсаторах.
Любой мультивибратор, как импульсный генератор, состоит из усилителя и RС-цепей. Мультивибраторы могут работать в режиме автоколебаний и в ждущем режиме. В мультивибраторе, работающем в режиме автоколебаний, на выходе непрерывно возникают импульсы прямоугольной формы У ждущего мультивибратора прямоугольный импульс на выходе появляется только тогда, когда на вход подается запускающий импульс. На рис. 4.9, а представлена схема мультивибратора на ОУ, работающего в режиме автоколебаний. Рассматриваемый мультивибратор является симметричным, т.е. длительности импульса и паузы равны (см.рис.4.9, б). Основной частью его является операционный усилитель с положительной обратной связью ( , ), называемый триггером Шмитта. Поэтому на выходе мультивибратора напряжение может быть равно либо Пусть выходное напряжение мультивибратора равно Оно подается, с одной стороны, на -цепь (цепь отрицательной обратной связи), а с другой — на -цепь (цепь положительной обратной связи). Конденсатор С начинает заряжаться от напряжения через резистор . При этом напряжение на конденсаторе , а оно является напряжением на инвертирующем входе, непрерывно сравнивается с напряжением на неинвертирующем входе, которое равно где . Как только Напряжение на конденсаторе С достигает значения выходное напряжение мультивибратора скачком изменяется до . С этого момента времени конденсатор С перезаряжается через резистор , а напряжение на конденсаторе стремится к По когда напряжение на нем станет равным , выходное напряжение мультивибратора скачком изменит знак и процессы начнут повторяться вновь. Для определения длительности импульса следует рассмотреть зарядку конденсатора С от источника, которым является напряжение Как известно из электротехники, процесс зарядки конденсатора описывается дифференциальным уравнением Решением этого уравнения является выражение , (4.9) гд е . Если процесс зарядки конденсатора начинается в момент времени г2 и заканчивается в момент времени (см.рис. 4.9, б), то для данной схемы предыдущее решение запишется так: , (4.9') где . Положив в выражении (4.9') и далее прологарифмировав его, находим (4 10) Если , то . (4.10') При мультивибратор называют симметричным. В таком мультивибраторе (4.11) где На рис 4.10 изображена схема несимметричного мультивибратора, у которого . Это неравенство обеспечивается разными постоянными времени RС-цепей мультивибратора для и Из рис.4.10 видно, что разные постоянные времени получаются за счет включения двух параллельных ветвей, состоящих из резисторов и диодов ( , и , ). В таком мультивибраторе ток появляется в ветви когда выходное напряжение имеет значение , и в ветви , — когда выходное напряжение равно C учетом этого, а также (4.10), можно записать: ; . (4.12) Длительность фронтов генерируемых импульсов зависит от типа ОУ и составляет обычно не более 0, 5 мкс. Схема мультивибратора на ОУ, работающего в ждущем режиме (одновибратора), изображена на рис.4.11, а. С приходом запускающего импульса (см.рис.4.11, б) мультивибратор переходит в неустойчивое состояние, которое может продолжаться некоторое время , определенное времязадающей С-цепью, после чего устройство возвращается в исходное устойчивое состояние.
Рис.4.1.1. Схема (а) и временные диаграммы (б) ждущего мультивибратора
Для создания устойчивого состояния (ждущего режима) параллельно конденсатору С включают диод VD (см, рис. 4.11, а) с полярностью, при которой напряжение на диоде и конденсаторе, а следовательно, и на инвертирующем входе ОУ будет равно прямому напряжению диода. Этому соответствует напряжение на выходе одновибратора . Входное запускающее напряжение, большее скачком перебрасывает устройство в состояние, когда на выходе появляется напряжение На неинвертирующий вход ОУ передается напряжение поддерживающее некоторое время в этом состоянии ждущий мультивибратор. В это время конденсатор С стремится зарядиться до напряжения через резистор с постоянной времени . Как только напряжение на конденсаторе С сравняется с напряжением устройство скачком перейдет из неустойчивого в устойчивое состояние и будет ждать прихода следующего запускающего импульса. Длительность выходного импульса ждущего мультивибратора |
Последнее изменение этой страницы: 2017-05-05; Просмотров: 1380; Нарушение авторского права страницы