Материал: Электроника. методические указания к выполнению лабораторных работ № 5-8 по дисциплине «Электроника» для студентов направления «Электроэнергетика и электротехника». Савельева Е.Л., Шелякин В.П

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

6.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить работу генератора синусоидальных импульсов на операционном усилителе.

6.2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Электронным генератором гармонических колебаний называется устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний синусоидальной формы требуемой частоты и мощности. В них часто используются колебательные контуры LC-контуры (обычно параллельные).

Представим себе параллельный LС-контур. Если зарядить емкость такого контура до определенного напряжения, в нем будет запасена соответствующая энергия. Теперь замкнем этот заряженный конденсатор на индуктивность. В результате будет происходить колебательный обмен энергией между конденсатором и катушкой индуктивности. Период этих колебаний можно определить как:

Поскольку в реальном контуре всегда имеют место потери, эти колебания будут затухать. Для предотвращения затухания нужно периодически подавать в контур дополнительную энергию. Обычно пополнение энергии осуществляется от источника питания с помощью усилительного каскада.

Генераторы синусоидальных колебаний обычно содержат усилительный каскад, охваченный частотно-избирательной положительной обратной связью (ПОС), которая обеспечивает устойчивый режим самовозбуждения на за данной частоте.

10

На рис. 6.1 приведена структурная схема генератора синусоидальных колебаний, где коэффициент усиления усилителя (К) и коэффициент передачи ПОС (χ) обозначены в виде комплексных величин, чем учитывается зависимость их от частоты. В дальнейшем будем иметь это в виду, но запись для этих параметров будем производить в обычном виде.

Для работы электронного устройства в режиме автогенерации необходимо выполнение двух условий. Эти условия можно записать в следующем виде:

где Ф – суммарный фазовый сдвиг усилителя, охваченного ПОС; φ0, φ0ос — фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью обратной связи

соответственно; п — целое число.

Для получения на выходе генератора синусоидального напряжения необходимо, чтобы соотношения (6.2) и (6.3) выполнялись лишь на одной частоте – f0.

Соотношение (6.2) принято называть балансом амплитуд. Амплитуда сигнала на выходе устройства оказывается в К раз больше, чем на входе. Но она ослабляется в χ раз цепью обратной связи. Для возникновения генерации необходимо, чтобы сигнал, поступающий на вход по цепи обратной связи, был

больше начального сигнала на входе устройства, т.е. К > 1 . Это условие

позволяет первоначальным изменениям токов и напряжений (появившимся при подключении устройства к источнику питания) осуществить необходимое нарастание. Условие К =1 определяет установившийся режим генерации, в котором сигналы на выходе и входе генератора равны своим установившимся значениям, т.е. коэффициент усиления компенсируется коэффициентом обратной связи.

Соотношение (6.3) принято называть балансом фаз. Возникший на входе сигнал (при подключении источника питания) после прохождения усилителя и цепи обратной связи должен возвратиться на вход устройства без изменения своей фазы, т.е. суммарный фазовый сдвиг должен быть равен 0, 2π, 4π и т.д. В результате происходит увеличение этого сигнала за счет сложения тока (или напряжения) с возвратившимся по цепи ПОС сигналом. Соотношение (6.3) обязывает обеспечить в генераторе устойчивую ПОС.

Генераторы синусоидальных колебаний принято различать по типу используемых частотно-избирательных элементов. Так, можно выделить LС-, RС- и кварцевые (акустоэлектронные) генераторы.

11

Генераторы LС-типа (LС-генераторы)

В LС-генераторах в качестве частотно-избирательных (частотнозадающих) элементов используются катушки индуктивности и конденсаторы. Обычно на основе катушек индуктивности и конденсаторов формируются параллельные или последовательные колебательные контуры, настраиваемые на заданную рабочую частоту f0. В LС-генераторах f0 обычно превышает значение 40 кГц.

На рис. 6.2 приведена принципиальная схема одного из вариантов LС- генератора. Основа такого устройства — резонансный усилитель, в котором с помощью трансформатора Т создана ПОС. Условия генерации (6.3) здесь обеспечиваются для резонансной частоты контура f0. При подключении источника питания Ек в цепях усилительного каскада образуются приращения токов и напряжений. В результате в LС-контуре возникают синусоидальные колебания с частотой f0, которые поддерживаются с помощью ПОС в устройстве.

Если частота колебаний отклонится от значения f0, то сопротивление контура перестанет быть активным и приобретет реактивный (индуктивный или емкостный) характер, что вносит дополнительный фазовый сдвиг, и условие (6.3) перестает выполняться. Кроме того, отклонение частоты от резонансной приводит к снижению коэффициента усиления по напряжению (Ки), что может нарушить выполнение условия (6.2). Таким образом, генерация автоколебаний в устройстве осуществляется на частоте f0 (или очень близкой к ней).

Усилительный каскад собранный по схеме с ОЭ в рассматриваемом генераторе инвертирует сигнал, т.е. изменяет фазу на 180 электрических градусов, поэтому для выполнения баланса фаз трансформатор Т должен осуществить поворот фазы сигнала еще на 180°. Если обмотки трансформатора имеют одно направление намотки, необходимо вторичную обмотку включить

12

встречно по отношению к первичной. Точки около выводов обмоток Т указывают на синфазность напряжения на них. Обычно первичная обмотка Т, являющаяся индуктивностью контура, состоит из большего числа витков, чем вторичная.

Выполнить LС-генератор можно и без использования трансформаторной связи. В этих случаях цепь обратной связи подключается непосредственно к колебательному контуру, состоящему из нескольких секций индуктивности (или емкости). В генераторах такого типа LС-контур соединяется с усилительным каскадом в трех местах (тремя точками), поэтому их называют трехточечными. На рис. 6.3 приведена принципиальная схема генератора с индуктивной трехточечной связью. Здесь LС-контур образован секционированной индуктивностью L и емкостью С2 параллельно включенного конденсатора. Сигнал ПОС образуется на верхней секции L. Напряжение на выводах L относительно Ек находится в противофазе. Амплитуда напряжения обратной связи устанавливается положением средней точки в катушке индуктивности.

Генераторы гармонических колебаний RС-типа (RС-генераторы)

В RС-генераторах в качестве частотно-избирательных цепей используются цепи обратной связи, состоящие из конденсаторов и резисторов. В генераторах могут использоваться усилительные каскады, инвертирующие и не инвертирующие сигнал. В первом случае RС-цепь обратной связи должна обеспечивать дополнительный фазовый сдвиг на 180°, а во втором — ее фазовый сдвиг должен быть равен нулю. Значительное количество возможных RС-генераторов определяется большими схемотехническими возможностями RC-цепей.

Наиболее простым RС-генератором является так называемая схема с реактивными элементами одного знака. Она показана на рис. 6.4.

Рис. 6.4. RC-автогенератор гармонических колебаний с фазовращающей цепочкой

13

Из схемы видно, что это усилитель, между выходом и входом которого включена цепь, которая переворачивает фазу сигнала на 180°. Эта цепь называется фазовращающей. Фазовращающая цепочка состоит из элементов С1R4, С2R5, C3R6. С помощью одной цепочки из резистора и конденсатора можно получить сдвиг фаз не более чем на 90°. Реально же сдвиг получается близким к 60°. Поэтому для получения сдвига фазы на 180° приходится ставить три цепочки. С выхода последней RС-цепи сигнал подается на базу транзистора.

Работа начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, в котором обязательно будет и необходимая частота генерации. При этом колебания частоты, на которую настроена фазовращающая цепь, станут незатухающими. Для колебаний остальных частот условия самовозбуждения выполняться не будут и они, соответственно, быстро затухают. Частота колебаний определяется по формуле

Такие генераторы способны работать только на фиксированной частоте, которая может быть гораздо ниже, чем частота, на которой работают LCгенераторы. Это связано с тем, что на низких частотах LC-генераторы становятся слишком громоздкими из-за размеров индуктивности и конденсатора колебательного контура.

6.3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Влабораторной работе изучаются генератор с фазирующей RC-цепочкой и генератор с двойным Т-образным фильтром.

Генератор с фазирующей RC-цепочкой

Внимательно изучите принципиальную схему генератора гармонических колебаний с фазовращающей цепочкой (рис. 6.4) и сопоставьте ее со схемой стенда (рис. 6.5).

14