Материал: Методические указания к выполнению лабораторной работы № 4 по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника». Новикова Е.И., Родионов О.В
практике с целью упрощения широко используют нелинейные
элементы, которые уменьшают значение после достижения
амплитудой колебаний определенного значения. При этом на-
блюдаются некоторые искажения формы выходного напряже-
ния [коэффициент гармоник не менее долей – нескольких
процентов].
В RC-генераторах выходное напряжение практически
повторяет форму тока, создаваемого усилителем. Поэтому они не могут работать с отсечкой тока и имеют сравнительно пло-
хие энергетические характеристики (малый КПД).
Для RC-автогенераторов характерны: простота в реали-
зации, дешевизна; низкие массогабаритные показатели; диа-
пазон частот автоколебаний от долей герца – до нескольких сотен килогерца; невысокая стабильность частоты, меньшая,
чем у LC-генераторов; существенные искажения формы авто-
колебаний |
( |
> 0,5%) |
. |
|
|
Некоторые из широко применяемых в автогенераторах
RC-цепей приведены на рис. 4 в, г, д. Их обычно включают в цепь обратной связи электронных усилителей, например ОУ.
Так, например, при использовании моста Вина (рис. 4 в) его коэффициент передачи:
где |
= |
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
. |
|
|
|
(1) |
||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Если |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
, = и |
|
|
, то (1) примет вид: |
|
||||||||
|
= + |
|
|
|
|
( |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
) |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
= |
= |
|
= |
= |
. |
(2) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
14
Коэффициент |
будет вещественным на частоте |
, |
||||||
определяемой из уравнения |
|
|
|
|
||||
|
|
− |
|
= 0, |
|
|
|
(3) |
|
|
|
|
|||||
откуда частота автоколебаний |
|
|
|
|
||||
= |
|
. |
|
|
= |
|
|
(4) |
|
|
|
|
|
||||
Так как на этой частоте |
|
, то для выполнения усло- |
||||||
|
||||||||
вия = 1 усилитель должен иметь коэффициент усиления 3.
Фазосдвигающая цепь, имеющая лестничную структу-
ру (рис. 4 г), вносит 180-градусный фазовый сдвиг на частоте автоколебаний. Поэтому ее подключают к инвертирующему входу ОУ и получают пет = 0.
Аналогично выполняются RC-автогенераторы с фазос-
двигающими цепями другого типа (рис. 4 д).
Область применения этих генераторов колебаний – устройства, работающие в диапазоне частот доли герц – сотни килогерц, в которых к точности и стабильности частоты не предъявляются жесткие требования (нестабильность частоты порядка долей – нескольких процентов).
Генераторы LC-типа имеют сравнительно высокую стабильность частоты колебаний, устойчиво работают при значительных изменениях параметров транзисторов, обеспе-
чивают получение колебаний, имеющих малый коэффициент гармоник. К недостаткам их относятся трудности изготовле-
15
ния высокостабильных температурно-независимых индуктив-
ностей, а также высокая стоимость и громоздкость последних.
Особенно это проявляется при создании автогенераторов диа-
пазона инфранизких частот, в которых даже при применении высококачественных ферромагнитных сердечников габарит-
ные размеры, масса и стоимость получаются большими.
В генераторе LC-типа форма выходного напряжения весьма близка к гармонической. Это обусловлено хорошими фильтрующими свойствами колебательного LC-контура. Они,
как правило, работают с «отсечкой» тока активных приборов усилителя. Соответственно форма выходного тока усилителя резко отличается от синусоидальной. При этом в начальный момент возникновения автоколебаний | | 1, что обеспе-
чивает устойчивую работу автогенератора даже при значи-
тельных изменениях параметров элементов. Для самовозбуж-
дения генератора LC-типа также необходимо наличие поло-
жительной обратной связи.
Сущность самовозбуждения заключается в следующем.
При включении источника питания конденсатор колебатель-
ного контура, включенного чаще всего в коллекторную цепь транзистора, заряжается. В контуре возникают затухающие автоколебания, причем часть тока (напряжения) этих колеба-
ний подается на управляющие электроды активного прибора,
образуя положительную обратную связь. Эго приводит к по-
полнению энергии LC-контура. Автоколебания превращаются в незатухающие. Частота автоколебаний в первом приближе-
нии определяется резонансной частотой LC-контура:
16
== √ .
Многочисленные схемы автогенераторов LC-типа раз-
личаются в основном схемами введения сигнала обратной связи и способами подключения к усилителю колебательного кожура.
Для количественной оценки устойчивости автоколеба-
ний часто вводят коэффициент регенерации. Это безразмер-
ный коэффициент, характеризующий режим работ автогене-
ратора и показывающий, во сколько раз можно уменьшить добротность Q колебательной системы по сравнению с ее ис-
ходным значением, чтобы автогенератор оказался на границе срыва колебаний:
=,
где – реактивное сопротивление индуктивности контура;
– эквивалентное активное сопротивление контура,
включающее и сопротивление активного элемента, шунти-
рующего его.
В низкочастотных автогенераторах коэффициент реге-
нерации обычно не менее 1,5...3.
Следует отметить, что в транзисторных генераторах источник возбуждающих колебаний имеет, как правило, ма-
лое внутреннее сопротивление. Следовательно, в цепи базы протекает ток несинусоидальной формы, а напряжение база – эмиттер остается синусоидальным.
Хорошие энергетические показатели у генератора мо-
17
гут быть получены только при работе с «отсечкой тока». При этом считается, что наилучшие энергетические характеристи-
ки имеют место при |
|
. В то же время для возникно- |
|
вения автоколебаний |
необходимо, чтобы |
. В против- |
|
= 50 70 |
|
|
|
≈ 90
ном случае до возникновения автоколебаний на базе транзи-
стора будет только запирающее напряжение и без воздействия дополнительного внешнего опирающегося напряжения («же-
сткий» режим возбуждения) автоколебания не возникнут.
При «мягком» режиме возбуждения на базу должно быть подано отпирающее напряжение 0,3…0,5 В. При воз-
никновении автоколебаний смещение должно автоматически изменяться от амплитуды колебаний до получения нужного угла отсечки θ. Здесь нетрудно увидеть взаимосвязь с рас-
смотренным выше положением о необходимости введения
цепи, изменяющей смещения до получения |
|
. |
получить при раз- |
||
Заданную частоту колебаний можно| |
| = 1 |
|
ных значениях индуктивности L и емкости С, так как она оп-
ределяется их произведением. Однако увеличение емкости конденсатора С приводит к уменьшению индуктивности, что существенно снижает добротность контура.
Уменьшение добротности может привести к искажени-
ям формы автоколебаний и появлению дополнительной не-
стабильности частот. Для предотвращения этого добротность колебательного контура берут не менее 30...70.
Перестройку частоты автоколебаний осуществляют изменением ёмкости конденсатора, включенного в колеба-
тельный контур. При этом добротность контура изменяется,
что может вызвать изменение режима работы автогенератора.
Изменение емкости обычно производят механическим путем.
18