изучение схем принципов построения электронных генераторов гармонических колебаний

Цель работы: изучение схем принципов построения электронных генераторов гармонических колебаний, исследование электронных моделей генераторов.

Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench.

Методические указания: работа выполняется студентами за два часа аудиторных занятий; подготовка к работе и обработка результатов производится при самостоятельной подготовке. Используются файлы Gen_LC_01, Gen_Wien_03.

ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Принципы построения генераторов

генераторами называются схемы, с помощью которых энергия источника питания преобразуется в энергию переменных электрических колебаний при отсутствии внешнего сигнала. Колебания на выходе генератора можно получить, охватив обычный усилитель положительной обратной связью.

стационарный режим работы с установившимися амплитудами U1 и U2 реализуется при выполнении условия U1 = U1β . Так как U1β = βU2 , а U2 = kU1, следовательно U1 = βk U1 или

Здесь k – средний коэффициент передачи усилителя по напряжению на частоте генерации. Так как характеристики активных элементов нелинейны, следовательно средний коэффициент передачи усилителя по напряжению (k) зависит от амплитуды входного напряжения. зависимость амплитуды первой гармоники тока в колебательном контуре от амплитуды напряжения на входе транзистора (зависимость выходного тока усилителя от входного напряжения) называется колебательной характеристикой.

Четырехполюсник обратной связи обычно образован линейными элементами и его коэффициент передачи β не зависит от величины сигнала. Установившееся значение напряжения генерации U1 УСТ можно определить из графика k(U1) при условии k = 1/β

Коэффициенты передачи усилителя и четырехполюсника обратной связи зависят от частоты:

отсюда

где n = 0, ±1, ±2,…

Равенство (1) показывает, что усилитель усиливает сигнал во столько раз, во сколько ослабляет его цепь обратной связи, и называется условием баланса амплитуд, равенство (2) — условием баланса фаз. При выполнении этих условий в усилителе с положительной обратной связью возникают незатухающие колебания, так как первоначальное изменение напряжения на выходе схемы, возникшее за счет случайных колебаний (флуктуаций) на входе усилителя, передается по цепи обратной связи снова на вход, усиливается и вызывает еще большее изменение выходного сигнала.

С нарастанием амплитуды выходных колебаний рабочая точка каскадов, составляющих усилитель, заходит в нелинейную область динамических характеристик активных элементов (транзисторов) усилителя и условия баланса амплитуд и фаз могут выполняться для целого спектра частот или для одной частоты. В первом случае на выходе генератора будем иметь колебания сложной формы, во втором схема генерирует колебания синусоидальной формы. Выполнение условий баланса амплитуд и фаз на одной (генерируемой) частоте может достигаться применением частотно-избирательных элементов в схеме усилителя, но чаще в цепи обратной связи.

На рис. показаны три колебательные характеристики, соответствующие разным напряжениям смещения (режимам работы усилителя).

Характеристика 1 соответствует смещению, при котором крутизна максимальна при Umвx = 0. При увеличении амплитуды напряжения на входе средняя крутизна падает и наклон колебательной характеристики уменьшается. Характеристика 2 соответствует большему смещению, при Umвx = 0 крутизна значительно меньше максимальной. Поэтому с увеличением U средняя крутизна выходного тока и наклон колебательной характеристики растут. Лишь при очень больших амплитудах Umвx наклон колебательной характеристики начинает уменьшаться. Характеристика 3 соответствует случаю, когда в отсутствие входного сигнала транзистор заперт. Выходной ток, а следовательно, и ток в колебательном контуре, появляется лишь при некоторой амплитуде Umвx, достаточной для отпирания транзистора в течение части периода входного колебания.

В зависимости от вида колебательной характеристики различают два режима самовозбуждения в генераторах.

1. Мягкий режим— когда колебательная характеристика начинается с нулевой точки и ее угол наклона к оси абсцисс в области малых амплитуд больше, чем угол наклона линии обратной связи. При включении питания в генераторе происходит плавное нарастание амплитуды колебаний до стационарного значения.

2. Жесткий режим— когда колебательная характеристика не удовлетворяет приведенным условиям мягкого режима.

Построив зависимости линии обратной связи и колебательную характеристику на одном графике, можно определить амплитуду установившихся колебаний. точка пересечения колебательной характеристики с линией обратной связи (точка А) является точкой устойчивого динамического равновесия. Пусть амплитуда тока в контуре меньше или больше амплитуды тока, соответствующей точке А. Например, левее точки А любая амплитуда через обратную связь создает Um вx, которое в соответствии с колебательной характеристикой должно эту амплитуду увеличить.

Когда колебательная характеристика имеет монотонный вид, то с изменением глубины обратной связи изменяется наклон линии обратной связи и при этом плавно изменяется амплитуда генерируемых колебаний. Такой режим называется мягким режимом возникновения генерации. При этом подбором связи можно установить любую сколь угодно малую амплитуду генерируемых колебаний.

Если колебательная характеристика имеет вогнутость в нижней части, то колебания возникают скачком, т.е. при связи больше критической возникают колебания сразу с большой амплитудой. На приведенной зависимости точка А является точкой устойчивого, а точка В- точкой неустойчивого равновесия. При амплитуде колебаний выше точки В колебания нарастают и устанавливаются в точке А. При амплитуде ниже точки В колебания затухают. режим возникновения генерации является жестким. Генерация возникает при связи МКР1, когда линия связи касается снизу колебательной характеристики. Генерация срывается при связи меньше МКР2, когда линия связи является касательной к выпуклой части колебательной характеристики. Если касательная в начале колебательной характеристики совпадает с осью абсцисс, то колебания самостоятельно возникнуть не могут даже при сколь угодно большом коэффициенте связи. Однако по-прежнему точка А соответствует устойчивому режиму генерации. В этом случае генерацию можно осуществить за счет внешнего возбуждения, которое можно снять после возникновения генерации. Жесткий режим возникновения генерации в автогенераторах обычно считается нежелательным

Положительная обратная связь в генераторах бывает внешней и внутренней. Внешняя создается с помощью частотно-зависимых цепей, а внутренняя возникает при работе некоторых электронных приборов в определенных режимах. Для создания генераторов синусоидальных колебаний применяется, как правило, внешняя обратная связь, позволяющая получать более высокую, чем внутренняя, стабильность частоты.

Применение гридлика.

Для обеспечения мягкого режима возникновения генерации в цепь сетки лампы или базы транзистора включают цепь, состоящую из конденсатора и резистора, называемую гридликом.

в начальный момент возникновения колебаний крутизна близка к максимальной. Затем по мере возрастания амплитуды колебаний увеличивается заряд конденсатора, изменяется смещение рабочей точки активного элемента. При этом происходит переход с одной колебательной характеристики на другую. Аналогичную роль выполняют также цепочки параллельно включенных R и C в цепях задания режима работы активных элементов по постоянному току.

Если постоянная времени гридлика велика по сравнению с постоянной времени нарастания амплитуды при возникновении генерации, то возможна прерывистая генерация. Это явление состоит в следующем. Пусть при возникновении генерации амплитуда быстро возрастает до стационарного значения. Вследствие большой постоянной времени гридлика напряжение на нем почти не изменяется за время нарастания амплитуды. После установления стационарной амплитуды колебаний начинает заряжаться конденсатор гридлика, что приводит к постепенному смещению напряжения в сторону больших запирающих значений и к постепенному уменьшению амплитуды. При этом в результате образования смещения на гридлике средняя крутизна активного элемента перестает обеспечивать выполнение условия поддержания генерации и генерация срывается. После ее срыва конденсатор постепенно разрядится, но колебания возникнут лишь после того, как смещение уменьшится до напряжения, при котором генерация может возникнуть, после чего процесс повторится.

Генераторы синусоидальных колебаний

Генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний разделяют на следующие типы: LC-тип, использующий в качестве частотно-зависимой цепи колебательный контур (генераторы LC-типа применяются, как правило, в диапазоне радиочастот); RC-тип, у которого частотно-зависимые цепи обратной связи представляют собой сочетание элементов R и С. В диапазоне звуковых и дозвуковых частот такие цепи обладают меньшими габаритами и весом по сравнению с колебательными контурами.

По способу включения колебательного контура в цепь обратной связи различают генераторы с индуктивной трансформаторной (а), автотрансформаторной (б) и емкостной обратной связью (в). контур включается в схему тремя выводами, поэтому такие схемы часто называют индуктивной и емкостной трехточками. для выполнения условий баланса фаз, т.е. создания положительной обратной связи, напряжение на катушке L2 должно быть противофазно напряжению  на катушке L1.

При найденном значении L1 число витков катушки L2 определяют из условия обеспечения баланса амплитуд. В схеме индуктивной трехточки (рис. б) условие баланса фаз выполняется благодаря тому, что выходной сигнал, снимаемый с коллектора транзистора или с обмотки катушки L1, противофазен сигналу положительной обратной связи, снимаемому с обмотки L2. Для обеспечения выполнения условия баланса амплитуд, выбирают определенное число витков обмотки L1. При этом необходимо учитывать, что частота генерации определяется как

т. е., подбирая число витков обмотки L2 для выполнения условия баланса амплитуд, следует одновременно корректировать также и число витков обмотки L1 так, чтобы заданная частота генерации не изменилась. Частоту генерации в схемах рис. а, б изменяют с помощью конденсатора переменной емкости, включенного в цепь колебательного контура. Возможность перестройки частоты в широком диапазоне обусловили применение индуктивной трехточки в гетеродинах радиоприемников, возбудителях радиопередатчиков (генераторах плавного диапазона) и т.д.

Емкостная трехточечная схема автогенератора (рис. в) аналогична резисторному усилителю напряжения, в цепь положительной обратной связи которого включен колебательный контур. Выходной сигнал снимается с конденсатора С1, а сигнал положительной обратной связи с конденсатора С2. Так как напряжения на С1 и С2 противофазны, то выполняется условие баланса фаз. Изменение частоты генерации в схеме емкостной трехточки не совсем удобно, так как для этого приходится изменять число витков катушки L или перемещать ее сердечник. Поэтому емкостную трехточку обычно используют в качестве тактовых генераторов с фиксированной частотой.

Малая добротность колебательного контура LC-генератора (Q<100) вызывает искажения формы генерируемых колебаний, когда условия самовозбуждения выполняются для нескольких гармонических составляющих, близких к основной гармонике. при большом коэффициенте передачи сигнала положительной обратной связи условие баланса амплитуд выполняется для нескольких гармонических составляющих даже при большой добротности колебательного контура. Для выполнения условия баланса амплитуд на одной частоте коэффициент усиления уменьшают введением отрицательной частотно- независимой обратной связи, например включением резистора в цепь эмиттера.

Следует учитывать, что зависимость коэффициента усиления от частоты вызывает дополнительный фазовый сдвиг между входным напряжением усилителя и напряжением обратной связи, изменяющий условие баланса фаз. В результате частота генерации будет отличаться от резонансной частоты контура (расчетной).

RС- генератор с фазовращающей цепью

Структурная схема такого генератора представляет собой усилитель с поворотом фазы на 180°, в котором для выполнения условия баланса фаз включена цепь обратной связи, изменяющая на частоте генерации фазу выходного сигнала также на 180°. На остальных частотах баланс фаз выполняться не должен. В качестве фазовращающей цепи обратной связи обычно используются трехзвенные RС- цепи. фазовращающие RC- цепи существенно уменьшают сигнал обратной связи, поступающий на вход усилителя (≈ в 30 раз). Поэтому для обеспечения баланса амплитуд генератора и возникновения колебаний коэффициент усиления усилителя необходимо выбирать из условия компенсации ослабления сигнала фазосдвигающей цепью. Для уменьшения влияния элементов схемы на форму кривой генерируемых колебаний в усилителе создается местная отрицательная частотно-независимая обратная связь по току. фазовращающая цепь обратной связи имеет низкое входное сопротивление и для нормальной работы генератора (выполнения условий самовозбуждения на заданной частоте) необходимо применение усилителя с низким выходным сопротивлением.

Генератор с мостом Вина в цепи обратной связи

При использовании неинвертирующего усилителя (двухкаскадного усилителя, изменяющего фазу входного сигнала на 360°), генератор синусоидальных колебаний можно построить, включив в цепь положительной обратной связи частотно-избирательный четырехполюсник, не изменяющий фазу сигнала на частоте генерации, например мост Вина. Мост Вина включается в цепь положительной обратной связи. цепь отрицательной обратной связи служит для стабилизации частоты и амплитуды генерируемых колебаний.

в качестве резистора обратной связи Roc часто используется термистор. с ростом Uвых увеличивается ток цепи отрицательной обратной связи. Термистор нагревается, его сопротивление уменьшается и возрастает коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи, что приводит к уменьшению выходного напряжения до первоначального значения.