• Название:

    Генериров. колеб.

  • Размер: 0.05 Мб
  • Формат: DOC
  • или



ГЕНЕРИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ

Устройства, предназначенные для создания электрических колебаний, называют генераторами.
С точки зрения режима работы их разделяют на автогенераторы и генераторы с внешним возбуждением.
Автогенератор (часто, просто генератор) устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию электрических колебаний требуемой частоты и формы.
Генератор с внешним возбуждением (в импульсной технике — ждущий генератор) переходит в режим генерации, формирования, или усиления электрических колебаний только при поступлении на его вход сигналов возбуждения (запуска).
В зависимости от формы вырабатываемых напряжений различают генераторы гармонических и релаксационных (импульсных) колебаний.
Генератор гармонических колебаний (к ним относятся и генераторы СВЧ колебаний) вырабатывает сигнал, в спектре которого присутствует практически одна гармоника.
Выходные колебания релаксационного генератора содержат широкий спектр гармонических составляющих, часто имеющих соизмеримые амплитуды.
Можно отметить и генераторы линейных пилообразных напряжений, которые относятся к релаксационным.
Особую группу представляют автогенераторы случайных колебаний (сигналов) — шумовые генераторы, рассматриваемые здесь схематично.
Независимо от назначения, принципа действия и схемотехнического выполнения автогенератор любых перечисленных колебаний (кроме параметрических схем) состоит из нелинейного усилителя, цепи положительной обратной связи (ОС) и источника питания постоянного тока.
Форма и частота выходных колебаний определяется только параметрами самого автогенератора, между тем как в генераторе с внешним возбуждением амплитуда и частота колебаний навязываются извне.
Генератор гармонических колебаний должен обязательно содержать узкополосную колебательную систему.
Принцип действия релаксационных генераторов основан на зарядно-разрядных или накопительно-поглощающих явлениях, протекающих в широкополосных энергоемких цепях положительной обратной связи.

Самовозбуждение генератора

Рассмотрим условия самовозбуждения генератора гармонических колебаний.
Для процесса возбуждения и генерации колебаний часть их мощности с выхода усилителя (точнее, с колебательной системы) подается на его вход по цепи положительной ОС. Говоря другими словами, подобное устройство возбуждает само себя и поэтому называется генератором с самовозбуждением.
Механизм возникновения колебаний можно упрощенно трактовать следующим образом.
При запуске в колебательной системе автогенератора самопроизвольно возникают слабые свободные колебания, обусловленные включением источников питания, замыканием цепей, скачками токов и напряжений в усилительном приборе и т. д.
Благодаря специально введенной цепи положительной ОС, часть энергии колебаний, возникающих на выходе усилителя, поступает на его вход.
Ввиду наличия узкополосной (обязательно высокодобротной) колебательной системы описанные процессы происходят на одной частоте ωр и резко затухают на других частотах.
Вначале, после включения питания автогенератора, усиление сигнала происходит в линейном режиме, а затем, по мере роста амплитуды колебаний, существенную роль начинают играть нелинейные свойства усилительного элемента.
В результате амплитуда выходных колебаний генератора, нарастая, достигает некоторого установившегося уровня и остается практически неизменной.
Энергия, отбираемая у источника постоянного тока усилителем схемы за один период колебаний, оказывается равной энергии, расходуемой за то же время в нагрузке.
В этом случае говорят о стационарном режиме работы автогенератора.

Рис. 27. Обобщенная структурная схема автогенератора

Автогенератор гармонических колебаний (как, впрочем, и колебаний любой формы и частоты) можно представить обобщенной структурной схемой (рис. 27),состоящей из нелинейного усилителя с комплекснымкоэффициентом усиления К = К(jω) и цепи положительной ОС с комплексным коэффициентом передачи по напряжению β = β(jω).
Как следует из соотношения (38), автогенератор будет работать в стационарном режиме при условии, что
Кβ=1. (39)
Если же Кβ > 1, то амплитуда выходных колебаний будет непрерывно нарастать.
Наиболее часто в автогенераторах гармонических колебаний в качестве узкополосных колебательных систем используются резонансные LС-контуры и частотно-зависимые (фазирующие) RС-цепи.
Автогенераторы гармонических колебаний с упомянутыми резонансными контурами называют LС-генераторами, а с фазирующими RС-цепями — RС-генераторами.
LС -генераторы способны вырабатывать колебания достаточно высокой частоты (более 100 к Гц), а RС-генераторы используются для создания гармонических колебаний низкочастотного диапазона (от десятков к Гц до единиц и даже долей Гц).

RС-ГЕНЕРАТОРЫ

Технические характеристики LС-генераторов в диапазонах достаточно низких частот существенно ухудшаются из-за резкого возрастания величин индуктивностей и емкостей колебательных контуров и соответствующих им размеров катушек индуктивностей и конденсаторов.
Поэтому в низкочастотных автогенераторах в качестве колебательных систем и цепей положительной ОС используют частотно-избирательные RС-цепи.
Практически все современные RС-генераторы малой и средней мощностей (до десяти — пятнадцати ватт) строятся на ОУ.
Напряжение положительной обратной связи в RС-генераторах на операционных усилителях можно подавать как на инвертирующий, так и на неинвертирующий входы.
В схемах RС-генераторов с неинвертирующим включением операционного усилителя частотно-избирательная цепь положительной ОС не должна вносить фазового сдвига в выходной сигнал.
В RС-генераторах с инвертирующим включением ОУ, наоборот, RС-цепь положительной обратной связи на частоте генерации должна сдвигать фазу выходных колебаний на угол φβ =π.
Наиболее .распространены в радиоэлектронике и технике связи низкочастотные автогенераторы двух видов — с фазосдвигающей RС- цепью и с мостом Вина.

Автогенератор с фазосдвигающей RС-цепью

Такой автогенератор содержит инвертирующий усилитель и трехзвенную RС-цепь положительной ОС (рис. 32, а).
Из курса теории цепей известно, что данная трехзвенная RС-цепь (ее называют R-параллель) имеет типовые частотную β (f) и фазовую φβ (f) характеристики, показанные на рис. 32, б.
Анализ графиков частотной и фазовой характеристик показывают, что на квазирезонансной (напомним, якобы резонансной) циклической частоте генерации fк трехзвенная RС-цепь положительной ОС имеет вещественное значение коэффициента передачи β = 1/29 и вносит фазовый сдвиг φβ = π. Поэтому для обеспечения в автогенераторе баланса амплитуд (30) необходимо выбирать коэффициент усиления усилителя |K| — R2/R1 ≥ 29, а баланс фаз (31) обеспечивается автоматически путем инвертирующего включения ОУ.
Можно показать, что квазирезонансная частота генерации для схемы с идеальным ОУ (см. рис. 32, a) определяется формулой
.(54)
Как следует из этой формулы, частота генерации зависит только от параметров цепи ОС R и С (т.е. внешних элементов усилителя).
а) б)
Рис. 32. Автогенератор с трехзвенной RC- цепью:
а – схема; б – частотная и фазовая характеристика

Если в схеме рассмотренного RС-генератора (см. рис. 32, а) поменять местами резисторы и конденсаторы в трехзвенной цепи, то квазирезонансная частота будет определяться соотношением:
(55)
При этом необходимо обеспечить коэффициент усиления собственно усилителя К ≥ 18,4, поскольку коэффициент передачи такой цепи β ≈ 0,055.
Недостатки RС-генератора на инвертирующем усилителе и трехзвенной RС-цепью — довольно большое количество элементов в петле положительной ОС и, как следствие, трудность перестройки частоты генерации в широком диапазоне.
Поэтому чаще применяют автогенераторы с неинвертирующим включением операционного усилителя и мостом Вина в цепи положительной ОС.

RC-генератор с мостом Вина

Данный автогенератор имеет более компактную структуру построения схемы.
В ней цепь положительной ОС включается между выходом и неинвертирующим входом ОУ (рис. 33, а).
a)б)
Рис. 33. RC-генератор с мостом Вина:
а – схема; б – частотная и фазовая характеристики

Мост Вина представляет собой частотно-избирательную последовательно-параллельную RС-цепь, состоящую из двух емкостей С и двух сопротивлений К. Частотная β(f) и фазовая φβ(f) характеристики моста Вина (рис.33, б) известны и изучаются в курсе теории цепей.
Из графика частотной характеристики следует, что на квазирезонансной частоте генерации коэффициент передачи моста Вина β =1/3. Значит, самовозбуждение автогенератора обеспечивается при коэффициенте усиления усилителя |К| =R2/R1≥ 3.
Фазовый сдвиг в выходном сигнале отсутствует (φβ = 0) только на квазирезонансной частоте (см. рис. 33, б), которая определяется известной формулой:
(56)
Перестройка частоты в схеме осуществляется обычно с помощью сдвоенного конденсатора.