![]() |
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 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 Условие баланса фаз в рассматриваемом автогенераторе осуществляется при сдвиге фаз выходного напряжения усилителя и звена обратной связи на 180°, что видно из (4.5): 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 Для стабилизации амплитуды выходного напряжения в звене отрицательной обратной связи используют терморезистор Задача 4.1. Определить сопротивление резистора Решение: 1. Определим коэффициент положительной обратной связи Рис.3.42 Схема интегрирующего усилителя 2. Рассчитаем коэффициент усиления усилителя в автогенераторе
Для выполнения условия 3. Определим сопротивление резистора R\ в неинвертирующем усилителе: Задача 4.2.* Определить сопротивление
Задача 4.3. Определить Ответ: 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
Отметим, что Г-образные Для изменения частоты генерации в рассматриваемом генераторе необходимо изменять одновременно либо все сопротивления R, либо все емкости С. Заметим, что автогенераторы с Г-образными Рассмотренный автогенератор 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 На рис. 4 6, а изображена принципиальная схема 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.
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 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 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 Относительное изменение емкости конденсатора Следует отметить также, что на нестабильность генерируемой частоты, вызванную изменением температуры, сильно влияют изменения параметров транзисторов. Нестабильность частоты автогенераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности Коэффициенты относительной нестабильности определяют по формулам: для LC-автогенераторов
для RС-автогенераторов
) где 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 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 Так как кристалл кварца помещают в кварцедержатель, который обладает емкостью На частотах ниже Температурная нестабильность кварцевого резонатора очень мала — У некоторых кристаллов она имеет значение 10-8
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 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 Определяем 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 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 Для определения длительности импульса Решением этого уравнения является выражение
гд е Если процесс зарядки конденсатора начинается в момент времени г2 и заканчивается в момент времени
где Положив в выражении (4.9')
Если
При
где На рис 4.10 изображена схема несимметричного мультивибратора, у которого
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
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 Длительность выходного импульса ждущего мультивибратора |
Последнее изменение этой страницы: 2017-05-05; Просмотров: 1498; Нарушение авторского права страницы