Основы работы генератора

Размещено на http://www.allbest.ru/

25

1. Генераторы синусоидальных колебаний

Колебания синусоидальной формы являются одним из наиболее распространенных в радиоэлектронике видом колебаний. Существует много устройств на различных активных элементах для генерации таких колебаний.

Генераторами называются электронные схемы, формирующие переменное напряжение требуемой формы. Сначала в этой главе будут рассмотрены генераторы синусоидальных сигналов, а затем генераторы сигналов специальной формы, в частности генераторы треугольного и прямоугольного напряжения.

1.1 Условия возбуждения

Рис. 1.1 Блок-схема генератора

На рис. 1.1 показана блок-схема генератора. Усилитель усиливает входной сигнал в А раз. При этом между выходным U₂ и входным U1 напряжениями усилителя возникает паразитный фазовый сдвиг ?. К выходу усилителя подключены нагрузочное сопротивление R_v и схема частотно-зависимой обратной связи, которая может представлять собой, например, колебательный контур. При этом, напряжение, используемое для осуществления обратной связи, составляет U ₃ = кU2. Обозначим фазовый сдвиг между напряжениями U₃ и U ₂ символом ?. Для того чтобы определить, будет ли схема с замкнутой обратной связью генерировать переменное напряжение, нагрузим выход схемы обратной связи разомкнутого генератора на резистор с сопротивлением R_е, которое равно входному сопротивлению усилителя, и оценим величину выходного напряжения U₃ при подаче на вход усилителя переменного напряжения U1. Условием генерации замкнутой схемы является равенство выходного напряжения схемы обратной связи и входного напряжения усилителя. Это условие записывается следующим образом:

U1=U3=kAU1

Коэффициент петлевого усиления должен, таким образом, равняться

g = к А = 1

Из этого соотношения следуют два условия:

\g\ = \к\ * \а\ = 1

Соотношение называется условием баланса амплитуд. Оно заключается в том, что схема генератора может возбуждаться только тогда, когда усилитель компенсирует потери в схеме обратной связи. Соотношение (4.3) называется условием баланса фаз. Оно означает, что колебания в замкнутой системе могут возбуждаться только тогда, когда фаза выходного напряжения схемы обратной связи и фаза входного напряжения усилителя совпадают, т.е. обратная связь является положительной.

Широкополосность цепи ОС является характерным признаком всех генераторов импульсов, причем во всех случаях на частоте ? > 0 выполняется условие g < 1. В противном случае устройство превратится в триггер. Это условие свидетельствует о наличии накопителя энергии, уменьшающего петлевое усиление на низких или инфранизких частотах до уровня, при котором невозможно появление устойчивого состояния.

Генераторы синусоидального напряжения отличаются тем, что у них цепь обратной связи имеет резонансные свойства. Поэтому условия возникновения колебаний выполняются только на одной частоте, а не в полосе частот, как у генераторов импульсов. В качестве резонаторов, обеспечивающих получение резонансных свойств, используют LC-контуры, RC-цепи определенного вида, кварцевые резонаторы, электромеханические колебательные системы и др.

Различают «мягкий» и «жесткий» режимы возбуждения генераторов. При мягком режиме петлевое усиление больше единицы (\g\>1) в момент включения напряжения питания. Тогда любые шумы или возмущения в системе, вызванные случайными факторами, усиливаются и через цепь обратной связи подаются на вход усилителя в фазе, совпадающей с фазой входного сигнала, причем величина этого дополнительного сигнала больше того возмущения, которое вызвало его появление. Соответственно увеличится выходное напряжение, что приведет к дальнейшему увеличению входного сигнала и т. д. В итоге случайно возникшее возмущение приведет к непрерывному нарастанию выходного сигнала, которое достигло бы бесконечного большого значения, если бы это было возможно. Однако при определенном уровне сигнала начинают проявляться нелинейные свойства электронного усилителя. Коэффициент усиления начинает уменьшаться с увеличением значения сигнала в системе. При выполнении условия g = 1 амплитуда автоколебаний стабилизируется и автогенератор начинает давать колебания, имеющие постоянную амплитуду.

Рис 1.2 «Жесткий» режим возникновения автоколебаний

Жесткий режим возбуждения отличается от рассмотренного тем, что при нем для возникновения автоколебаний необходимо приложить к устройству дополнительный внешний сигнал, не меньшийопределенного значения. Это связано с особенностями нелинейности усилительного устройства. В момент включения напряжения питания и отсутствия автоколебаний g < 1. Поэтому они сами собой возникнуть не могут. Коэффициент усиления зависит от амплитуды выходного сигнала. Поэтому если на вход усилителя подать дополнительный электрический сигнал, то при определенном его значении начнет выполняться условие g > 1. При этом возникнут автоколебания, амплитуда которых будет нарастать и примет стационарное значение при g = 1. Процесс возникновения колебаний поясняет рис. 4.2. При приложении входного сигнала, большего U_вхА, например U_BXl, он усиливается до напряжения, определяемого точкой 1, и снова подается на вход. Входное напряжение станет равным U_Bx2. Выходное напряжение будет определяться точками 2--6 и т. д. Процесс увеличения амплитуды прекратится при достижении выходным сигналом значения U_уст (точка 6, в которой g=1). Если каким-либо путем амплитуду выходного сигнала уменьшить до значения, меньшего U_вхА, то автоколебания прекратятся. генератор синусоидальный колебание импульс

На практике активные приборы в автогенераторах часто работают с отсечкой тока. Поэтому подход, основанный на использовании теории обратной связи, обычно применяют для пояснения физической картины процессов. Анализ и расчет автогенераторов проводят другими методами, в основе которых лежит баланс энергий, рассеиваемых в устройстве и отбираемых от источника питания.

1.2 Генераторы LC-типа

Эти генераторы имеют сравнительно высокую стабильность частоты колебаний, устойчиво работают при значительных изменениях параметров транзисторов, обеспечивают получение колебаний, имеющих малый коэффициент гармоник. К недостаткам их относятся трудности изготовления высокостабильных температурно-независимых индуктивностей, а также высокая стоимость и громоздкость последних. Особенно это проявляется при создании автогенераторов диапазона инфранизких частот, в которых даже при применении ферромагнитных сердечников габаритные размеры, масса и стоимость получаются большими.

В генераторе LC-типа формы 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 |g|»1, что обеспечивает устойчивую работу автогенератора даже при значительных изменениях параметров его элементов. Для самовозбуждения генератора LC-типа также необходимо наличие положительной обратной связи.

Сущность самовозбуждения заключается в следующем. При включении источника питания конденсатор колебательного контура, включенного чаще всего в коллекторную цепь транзистора, заряжается. В контуре возникают затухающие автоколебания, причем часть тока (напряжения) этих колебаний подается на управляющие электроды активного прибора, образуя положительную обратную связь. Это приводит к пополнению энергии LC-контура. Автоколебания превращаются в незатухающие. Частота автоколебаний в первом приближении определяется резонансной частотой LC-контура:

Многочисленные схемы автогенераторов LC-типа различаются в основном схемами введения сигнала обратной связи и способами подключения к усилителю колебательного контура.

Рис. 1.3 LC- автогенераторы:а - с трансформаторной ОС; б - с автотрансформаторной ОС; в - с емкостной трехточкой

Для количественной оценки устойчивости автоколебаний часто вводят коэффициент регенарации. Это безразмерный коэффициент, характеризующий режим работы автогенератора и показывающий, во сколько раз можно уменьшить добротность Q колебательной системы по сравнению с ее исходным значением, чтобы автогенератор оказался на границе срыва колебаний:

где X_L -- реактивное сопротивление индуктивности контура; R--эквивалентное активное сопротивление контура, включающее и сопротивление активного элемента, шунтирующего его. В низкочастотных автогенераторах коэффициент регенерации обычно не менее 1,5--3.

Следует отметить, что в транзисторных генераторах источник возбуждающих колебаний имеет, как правило, малое внутреннее сопротивление. Следовательно, в цепи базы протекает ток несинусоидальной формы, а напряжение база -- эмиттер остается синусоидальным.

Рис. 1.4 Форма коллекторного тока и генерируемого автогенератором сигнала

Хорошие энергетические показатели у генератора могут быть получены только при работе с «отсечкой тока» (ток через транзистор имеет форму импульсов; рис. 4.4, а). При этом считается, что наилучшие энергетические характеристики имеют место при угле отсечки 50^о-70°. В то же время для возникновения автоколебаний необходимо, чтобы угол отсечки составлял 90°. В противном случае до возникновения автоколебаний на базе транзистора будет только запирающее напряжение и без воздействия дополнительного внешнего отпирающего напряжения («жесткий» режим возбуждения) автоколебания не возникнут.

При «мягком» режиме возбуждения на базу должно быть подано отпирающее напряжение порядка 0,3--0,5 В. При возникновении автоколебаний смещение должно автоматически изменяться в зависимости от амплитуды колебаний до получения нужного угла отсечки. Здесь нетрудно увидеть взаимосвязь с рассмотренным выше положением о необходимости введения цепи, изменяющей смещение до получения |g| = 1.

При достаточно глубокой ОС и неправильно подобранных емкостях конденсаторов С_э, С_б (рис. 4.3, а) может возникнуть прерывистая генерация или автомодуляция. В этом случае амплитуда колебаний имеет переменное значение или уменьшается до нуля на определенные промежутки времени (рис. 4.3, б). Прерывистая генерация обусловлена тем, что при определенных условиях напряжение автоматического смещения вследствие зарядки конденсаторов С_б, С_э и С_э может приблизиться к амплитуде напряжения ОС. Транзистор перестанет открываться и пополнять энергию колебательного контура. В итоге автоколебания быстро затухнут до нуля и возникнут снова только после разрядки конденсаторов С₆ и С_э. Затем процесс нарастания амплитуды, зарядки конденсаторов и срыва автоколебаний повторится. Поэтому цепи, обеспечивающие

1.3 АВТОГЕНЕРАТОРЫ ТИПА RС

Применение генераторов с колебательными контурами (типа LC) для генерирования колебаний с частотами меньше 15--20 кГц затруднено и неудобно из-за громоздкости контуров. В настоящее время для этих целей широко используются генераторы типа RC, в которых вместо колебательного контура применяются избирательные RС-фильтры. Генераторы типа RC могут генерировать весьма стабильные синусоидальные колебания в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Кроме того, они имеют малые габариты и массу. Наиболее полно преимущества генераторов типа RC проявляются в области низких частот.

Структурная схема генератора синусоидальных колебаний типа RC приведена на рис. 1.5.

Рис. 1.5 Структурная схема RC-генератора

Усилитель строится по обычной резистивной схеме. Для самовозбуждения усилителя, т. е. для превращения первоначально возникших колебаний в незатухающие, необходимо на вход усилителя подавать часть выходного напряжения, превышающую входное напряжение или равную ему по величине и совпадающую с ним по фазе, иными словами, охватить усилитель положительной обратной связью достаточной глубины. При непосредственном соединении выхода усилителя с его входом происходит самовозбуждение, однако форма генерируемых колебаний будет резко отличаться от синусоидальной, поскольку условия самовозбуждения будут одновременно выполняться для колебаний многих частот. Для получения синусоидальных колебаний необходимо, чтобы эти условия выполнялись только на одной определенной частоте и резко нарушались на всех других частотах.

Рис. 1.6 Трехзвенные фазовращающие цепочки:а - типа «R-параллель»; б - типа «C-параллель»

Эта задача решается с помощью фазовращающей цепочки, которая имеет несколько звеньев RC и служит для поворота фазы выходного напряжения усилителя на 180°. Изменение фазы зависит от числа звеньев п и равно

В связи с тем что одно звено RC изменяет фазу на угол < 90°, минимальное число звеньев фазовращающей цепочки п -- 3. В практических схемах генераторов обычно используют трехзвенные фазовращающие цепочки.

На рис. 1.6 изображены два варианта таких цепочек, получивших название соответственно «R-параллель» и «С-параллель». Частота генерируемых синусоидальных колебаний для этих схем при условии R1 = R₂ = R₃ = R и C_t = С₂ = С3 = С рассчитывается по следующим формулам: для схемы на рис. 1.6, а:

для схемы на рис. 4.6, б:

Для обеспечения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя должен быть равен затуханию, вносимому фазовращающей цепочкой, через которую напряжение с выхода поступает на вход усилителя, или превышать его.

Расчеты показывают, что для приведенных схем затухание

Следовательно, схемы с использованием трехзвенных фазовращающих цепочек, имеющих одинаковые звенья, могут генерировать синусоидальные колебания с частотой f₀ лишь в том случае, если коэффициент усиления усилителя превышает 29.

В фазовращающей цепи с одинаковыми звеньями каждое последующее звено оказывает шунтирующее действие на предыдущее. Для уменьшения шунтирующего действия звеньев и снижения затухания в фазовращающей цепи обратной связи могут применяться так называемые прогрессивные цепочки. В этом случае сопротивление резистора каждого последующего звена выбирается в tn раз больше сопротивления предыдущего звена, а емкости последующих звеньев во столько же раз уменьшаются:

Обычно величина т не превышает 4--5.

На рис. 1.7 приведена одна из возможных схем автогенератора типа RC с фазовращающей цепочкой.

С точки зрения обеспечения условия баланса фаз такой генератор можно было бы построить и на одном транзисторе (Т2) с общим эмиттером. Однако в этом случае цепочка обратной связи шунтирует резистор R_K усилительного транзистора и снижает его усиление, а малое входное сопротивление транзистора резко увеличивает затухание в цепи обратной связи. Поэтому целесообразно разделить выход фазовращающей цепи и вход усилителя с помощью эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе Т1.

Работа автогенератора начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, обязательно включающий в себя и необходимую частоту генерации. Благодаря выполнению условий самовозбуждения колебания этой частоты становятся незатухающими, тогда как колебания всех других частот, для которых условие баланса фаз не выполняется, быстро затухают.

Автогенераторы с фазовращающими цепями обычно применяются для генерации синусоидальных колебаний фиксированной частоты. Это связано с трудностью перестройки частоты в широком диапазоне. Диапазонные автогенераторы типа RC строятся несколько иначе. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Если усилитель поворачивает фазу входного сигнала на 2? (например, усилитель, имеющий четное число каскадов), то при охвате положительной обратной связью достаточной глубины он может генерировать электрические колебания без включения специальной фазовращающей цепочки. Для выделения требуемой частоты синусоидальных колебаний из всего спектра частот, генерируемых такой схемой, необходимо обеспечить выполнение условий самовозбуждения только для одной частоты. С этой целью в цепь обратной связи может быть включена последовательно-параллельная избирательная цепочка, схема которой приведена на рис. 1.8.

Рис. 1.7 RC-генератор Рис. 4.8. Последовательно-параллельной с фазовращающей цепью избирательная цепочка обратной связи

Определим свойства этой цепочки, рассматривая ее как делитель напряжения.

Между выходным и входным напряжениями существует очевидная зависимость

Коэффициент передачи напряжения этой цепью

На квазирезонансной частоте w₀ коэффициент передачи напряжения должен быть равен действительному числу. Это возможно лишь в том случае, если сопротивления, выраженные соответствующей математической записью в числителе и знаменателе последней формулы, будут иметь одинаковый характер. Данное условие обеспечивается лишь в том случае, если действительная часть знаменателя равна нулю, т. е.

Отсюда частота квазирезонанса

Что же касается коэффициента передачи напряжения, то на квазирезонансной частоте он равен

Подставляя в эту формулу значение

Считая R1 = R₂ = R и C₁ = С₂ = С, найдем окончательные значения f₀

Затухание, вносимое рассматриваемой избирательной цепочкой на квазирезонансной частоте, равно

Это означает, что минимальный коэффициент усиления, при котором удовлетворяется условие баланса амплитуд, также должен быть равен 3. Очевидно, что это требование выполнить достаточно легко. Реальный транзисторный усилитель, имеющий два каскада (наименьшее четное число), позволяет получить усиление по напряжению, намного превышающее К_о = 3. Поэтому целесообразно наряду с положительной обратной связью ввести в усилитель отрицательную обратную связь, которая, снижая коэффициент усиления, в то же время существенно уменьшает возможные нелинейные искажения генерируемых колебаний. Принципиальная схема такого генератора приведена на рис. 1.9.

Схема транзисторного RC-генератора с перестройкой частоты

Терморезистор в цепи эмиттера транзистора Т1 предназначен для стабилизации амплитуды выходного напряжения при изменении температуры. Регулировка частоты осуществляется с помощью спаренного потенциометра R1R2.

В настоящее время дискретные элементы (транзисторы) достаточно редко используются для постоения генераторов. Чаще всего для этих целей применяют различные типы интегральных микросхем. Схемы, построенные на ОУ, перемножителях, компараторах и таймерах, отличаются простотой, стабильностью параметров, универсальностью. Гибкость и универсальность ОУ позволяют с минимальным количеством внешних компонентов создавать простые, но в то же время удобные при настройке и регулировке генераторы практически всех типов с удовлетворительными параметрами.

Принцип работы таких генераторов основан на использовании в цепях ОС фазосдвигающих или резонансных элементов: моста Вина, двойного Т-образного моста, сдвигающих RС-цепей.

Существуют и другие способы генерирования синусоидальных колебаний, например фильтрацией импульсов треугольной формы или выделением первой гармонической составляющей прямоугольных импульсов.

1.3.1 Стабилизация амплитуды выходного напряжения генератора

Для того чтобы амплитуда сигналов на выходе генератора синусоидальных колебаний оставалась постоянной, необходима строго регулируемая ОС. Однако в ряде случаев это значительно усложняет схему генератора. Обычно для стабилизация амплитуды выходного сигнала генератора применяются нелинейные элементы: диоды, стабилитроны, лампочки накаливания, терморезисторы, полевые транзисторы и др.

В таблице 4.1. приведены схемы основные характеристики некоторых распространенных типов генераторов.

Табл. 4.1

Один из наиболее простых способов стабилизации показан на рис. 1.10.

Рис. 1.10 Стабилизация амплитуды выходного напряжения генератора терморезистором

Он заключается о использовании делителя напряжения, включенного в цепь положительной ОС ОУ в состоящего из постоянного резистора R4 и терморезистора RТ с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Терморезистор стабилизирует цепь ОС если выходная амплитуда возрастает, сопротивление терморезистора падает и обратная связь уменьшается и наоборот. Резисторы R1 и R2 в цепи ОС предотвращают искажение выходного сигнала, не позволяя амплитуде возрастать слишком сильно. В результате уровень выходного сигнала остается постоянным даже при изменении частоты генерации и замене элементов R3 или С.

Величина напряжения питания U_n может изменяться от 5 до 18 В. Амплитуда выходного сигнала задается величиной R2; во избежание искажений она должна быть значительно меньше Uп. Частота генерации в схеме с указанными номиналами компонентов равна 2 кГц.

Другой метод стабилизации амплитуды выходного напряжения генератора синусоидальных сигналов с применением в цепи ОС светодиодов представлен на рис. 4.11. Для нормальной работы этого генератора с мостом Вина нужно, чтобы коэффициент усиления ОУ был равен 3 при требуемом уровне выходного сигнала. В дополнительной цепи ОС желательно использовать низкоомные резисторы R5 и R6, что позволит пропускать значительный ток (до 5 мА) через светодиоды. При этом диоды будут находиться в оптимальном режиме.

Рис. 1.11. Генератор с АРУ Рис. 4.12. Генератор с АРУ на светодиодах на основе диодного моста

Рассмотренная схема обеспечивает нелинейные искажения выходного синусоидального напряжения на уровне 1%. Резистор R5 может быть использован для регулировки амплитуды выходного сигнала в пределах ±5--10 B. Выходная частота генерируемого сигнала определяется элементами моста Вина и при указанных номиналах равна 400 Гц. Изменяя эти элементы моста Вина, можно управлять частотой генератора в диапазоне, ограниченном лишь шириной полосы и скоростью нарастания выходного напряжения используемого ОУ. Для достижения стабильной работы генератора желательно применять высококачественные элементы в мосте Вина.

На рис. 1.12 показана схема, основанная, как и предыдущая, на мосте Вина, с тем лишь отличием, что АРУ в эюй схеме осуществляется диодным мостом и стабилитроном в цепи отрицательной ОС ОУ.

При наличии АРУ в такой схеме первоначальное значение коэффициента усиления по петле отрицательной ОС устанавливается несколько выше необходимого для обеспечения запуска генератора. Впоследствии цепь АРУ, включаясь, снижает усиление и предотвращает дальнейшее повышение амплитуды выходного напряжения, которое без АРУ ограничивается лишь при насыщении усилителя, что приводит к большим искажениям. Пo этой же причине первоначальное превышение коэффициента усиления ОУ по сравнению с требуемым для нормальной работы генератора значением (в данном случае равное 3) не должно быть значительным.

Рис. 1.13 Генератор с АРУ на полевом транзисторе

Амплитуда выходного сигнала определяется пороговым напряжением стабилитрона. Коэффициент нелинейных искажений генератора при правильном подборе резисторов и стабилитрона не превышает 0,5%.

В схеме на рис. 1.13 в качестве нелинейного элемента, обеспечивающего АРУ, использован ПТ. Этот генератор состоит из пикового детектора и ПТ, который работает в режиме управляемого напряжения резистора и включен в двойную цепь с регенеративной ОС.

В этой схеме выходной синусоидальный сигнал детектируется пиковым детектором и результирующее напряжение в виде постоянного потенциала, изменяющегося с изменением амплитуды на выходе, подается на затвор ПТ. Уровень этого управляющего напряжения подбирается потенциометром 5 кОм так, чтобы при изменении сопротивления канала транзистора автоматически выполнялось условие генерации и повышалась стабильность работы схемы при любых амплитудах выходного напряжения.

При указанных на рисунке номиналах элементов схема генерирует синусоидальные Колебания частотой 1460 Гц и амплитудой 5 В в нагрузке сопротивлением 1 кОм Изменение напряжения источника питания от ±8 до ±18 В практически не оказывает влияния на параметры выходного сигнала. В температурном диапазоне 0--65° С амплитуда колебаний изменяется на 6% и частота на 1,5%. Для генерирования сигнала другой частоты необходимо изменить соответствующий образом номиналы резисторов и конденсаторов в двойном Т-образном мосте

Разновидность схемы генератора со стабилизацией амплитуды с помощью ПТ и использованием в цепи положительной ОС моста Вина, приведена на рис. 1.14. Выходное напряжение генератора выпрямляется, фильтруется и подается, в виде управляющего сигнала на затвор ПТ. До тех пор пока амплитуда выходного напряжения меньше порога открывания, стабилитрона, напряжение затвор -- исток ПТ равно нулю, и последний эквивалентен низкоомному резистору. Коэффициент передачи ОУ, определяемый цепью отрицательней ОС, в этом случае равен максимально возможному значению. Поэтому амплитуда выходного напряжения будет увеличиваться до тех пор, пока не откроется стабилитрон, который формирует управляющий сигнал, вызывающий запирание ПТ, т. е. повышение сопротивления сток--исток и соответственно увеличение глубины отрицательной ОС. При некотором значении выходного напряжения полное усиление в цепях ОС генератора станет равным единице, что приведет к стабилизации амплитуды U_вых.

Рис. 1.14 Генератор на мосте

В связи с тем, что цепь АРУ управляет усилением при любых амплитудах выходного сигнала, разброс сопротивлений резисторов в петле отрицательной ОС практически не оказывает влияния на работу схемы. Однако следует отметить, что в течение периода выходного напряжения возможны некоторые изменения коэффициента усиления в схеме за счет конечного значения времени разряда фильтрующего конденсатора С1 через резистор R2. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо выбирать постоянную времени R2C1, исходя из требуемого уровня стабилизации амплитуды выходного напряжения генератора н приемлемого значения времени передачи сигнала по цепи APУ. Схема генератора такого типа обеспечивает уровень искажений синусоидального напряжения не хуже 0,2%

1.3.2 Стабилизация частоты выходного напряжения генератора

Рассмотренные схемы генераторов синусоидальных колебаний имеют фиксированную частоту выходных сигналов, задаваемую RС-элементами в цепях ОС. Стабильность частоты колебаний, генерируемых такими схемами, в большей степени зависит от качества этих элементов, чем от структуры фазосдвигающей цепи и характеристик ОУ. Поэтому при использовании высококачественных RС-элементов приведенные выше схемы обычно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к генераторам синусоидальных колебаний в части стабильности частоты выходного сигнала.

Однако в некоторых устройствах, например в эталонных генераторах, применяемых в прецизионных радиотехнических и измерительных системах, требуется дополнительная стабилизация частоты, которая обычно осуществляется с помощью кварцевого кристалла, включаемого в цепь положительной ОС генератора рис. 1.15.

Высокая избирательность кристалла в значительной степени стабилизирует резонансное значение частоты генерации, задаваемое цепью положительной ОС. В этой схеме элементы R и С предназначены в основном для фильтрации высших гармонических составляющих сигнала и выбираются с учетом резонансного импеданса кристалла. При резонансе кристалл обеспечивает фазовый сдвиг, равный нулю, т. е импеданс представляет собой активное сопротивление. Это сопротивление заменяет один из резисторов в цели положительной ОС ОУ.

Цепь АРУ, подключенная к инвертирующему входу ОУ, компенсирует изменения резонансного сопротивления кристалла с температурой, поддерживая тем самым амплитуду и частоту выходных сигналов постоянной. Однако при больших изменениях температуры для лучшей стабилизации параметров выходного напряжения генератора в цепь положительной ОС последовательно с кварцевый кристаллом следует включить добавочный резистор не большого номинала. В этом случае величина резистора R должка быть равна сумме значений добавочного резистора и резонансного сопротивления кристалла.

Рис. 1.16 Регулировка амплитуды

1.3.3 Регулировка амплитуды выходного напряжения

Схема генератора синусоидальных колебаний, амплитуда которых может регулироваться потенциометром Rр приведена на рис. 4.16. Частота генераций определяется элементами моста Вина и равна 400 Гц. Цепь АРУ на ПТ обеспечивает стабилизацию амплитуды генерируемых сигналов на уровне 10 В.

Такой метод изменения величины выходного напряжения может быть использован в любой из рассмотренных выше схем генераторов синусоидальных сигналов. Однако при таком включении потенциометра стабильность работы генератора и линейность регулировки величины напряжения на его выходе существенно зависят от значения входного импеданса схемы, на которую нагружен данный генератор

В схеме генератора на рис 4.17 амплитуда выходного напряжения регулируется потенциометром R7, который изменяет порог включения цепи АРУ, построенной на основе кремниевого диода Д. Когда прямое падение напряжения на диоде достигает нескольких сотен милливольт, диод открывается и уменьшает коэффициент усиления ОУ, стабилизируя тем самым амплитуду выходного сигнала на уровне, определяемом положением движка потенциометра R7.

Настройка схемы осуществляется следующим образом. Перемещением движка потенциометра R7 диод Д подключается к выходу генератора Затем подбирается значение подстроечного резистора R4, при котором возникает генерация. В этих условиях размах амплитуды выходного сигнала схемы должен быть равен 300 мВ. Если это выполняется, то при перемещении движка потенциометра R7 в другое крайнее положение размах напряжения на выходе генератора будет изменяться от 500 мВ до 9 В; при этом искажения формы синусоидальных колебаний незначительны. При указанных на рисунке номиналах схема генерирует колебания частотой 1 кГц.

Общим недостатком рассмотренных в этом разделе схем является то, что в них при регулировке амплитуды выходного напряжения существенно изменяются нелинейные искажения генерируемых сигналов и в определенных режимах они могут достигать нескольких процентов. Поэтому для построения прецизионных генераторов колебаний с регулируемой амплитудой следует выбрать усилители с управляемым коэффициентом усиления на выходе стабилизированного по амплитуде генератора. В качестве такого генератора можно использовать любой рассмотренный в этом разделе.

1.3.4 Регулировка частоты генератора

Чаще всего перестраиваемые по частоте генераторы строятся на основе моста Вина со стабилизируемой амплитудой, как показано на рис 4.18.

Рис. 1.18 Генератор с регулировкой

Изменение частоты генерации в схеме осуществляется с помощью спаренных резисторов R2 и R3 величиной 10 кОм. Чтобы амплитуда колебаний оставалась постоянной во всем диапазоне частот, на инвертирующем входе ОУ включен потенциальный делитель, сформированный резистором R5 и лампочкой накаливания, имеющей номинальное значение рабочего напряжения в. пределах 12-- 28 В и ток потребления не выше 50 мА. При настройке схемы величину резистора R5 подбирают так, чтобы напряжение на выходе ОУ было равно 2,5 В. В этих условиях искажения выходного синусоидального сигнала генератора не превышают 0,1%. а ток, потребляемый схемой от источников питания, равен 6 мА

С номиналами элементов, указанными на рисунке, схема имеет диапазон рабочих частот 150 Гц--1,5 кГц. При необходимости этот диапазон может быть сдвинут изменением номиналов конденсаторов С1 и С2. Однако максимальная частота генерации ограничена конечной скоростью нарастания выходного напряжении ОУ и для ОУ типа 140УД7 обычно не превышает 25 кГц (при допустимом уровне искажений выходного сигнала)

Генератор синусоидального напряжения с регулируемой частотой может быть построен также по принципу фильтрации по первой гармонике прямоугольных импульсов (табл 4.1) При этом метоле сигнал на выходе генератора будет стабильным по амплитуде, так как стабилизация амплитуды прямоугольного напряжения осуществляется ограничителем. Поэтому, используя генератор прямоугольных импульсов с ограничителем, можно упростить схему генератора синусоидальных колебаний с регулируемой частотой за счет отсутствия петли АРУ, необходимой для схем с мостом Вина. Поэтому такой генератор быстро запускается, и амплитуда напряжения на его выходе устанавливается за несколько периодов колебаний.

На рис. 1.19 представлена схема генератора, в которой перестройка частоты осуществляется одним потенциометром R3. В схеме ОУ1 типа 153УД2 используется в режиме активного фильтра, а компаратор ОУ2 типа 521САЗ является генератором прямоугольного напряжения. Частота сигналов зависит от значений элементов R1, R3, С1 и С2 (табл. 4.2) Если выбрать номиналы конденсаторов С1 и С2 одинаковыми, то частота генерируемых колебаний определится из выражения

f = 1/(2?С₁ ?R1R3)

В табл. 4.3 приведены значения номиналов конденсаторов, позволяющие получить различные частотные диапазоны.

В рассмотренной схеме уровень нелинейных искажений изменяется от 0,75 до 2%, в зависимости от значения резистора R3. Увеличение номинала этого резистора выше 1 кОм приведет к недопустимым искажениям, а уменьшение ниже 50 Ом -- к автогенерации схемы фильтра. Получить частоты свыше 20 кГц от таких генераторов затруднительно, так как на более высоких частотах падает добротность фильтра, и на выходе появляются импульсы клинообразной формы. Нижняя частота генератора ограничивается лишь емкостью конденсаторов. Для усилителя ОУ1 в схеме использована компенсация с опережением, расширяющая полосу усиления свыше 1 МГц и увеличивающая скорость нарастания выходного напряжения до 10 В/мкс. При стандартной схеме компенсации максимальная частота, на которой имеет место полный размах амплитуды сигнала, ограничена на уровне 6 кГц. Для повышения температурной стабильности схемы следует правильно выбирать типы применяемых резисторов и конденсаторов.

Используя коммутаторы на МДП-транзисторах, можно построить генератор синусоидальных колебаний с фиксированным набором частот. Схема такого генератора на основе моста Вина изображена на рис. 4.20. Выходная частота задается одним из подключаемых с помощью коммутатора моста Вина в соответствии с табл. 5.3.

Выбор частоты f1 .., f4 производится при помощи напряжения отрицательной полярности величиной -- 9 В, подаваемого на один из входов схемы.

Управление частотой такого генератора может осуществляться с выхода логических схем. Если необходимо, последовательность изменения выходной частоты может быть запрограммирована программно-временным устройством, управляющим МДП-транзисторами. Диапазон генерируемых частот легко изменить дополнительными частотозадающими цепями и коммутаторами.

Рис. 1.20 Генератор с цифровым управлением частотой

1.3.5 Квадратурные генераторы

В тех случаях, когда необходимо получить два вида колебаний, сдвинутых на 90° друг относительно друга (синусоидальные и косинусоидальные колебания), можно использовать схему, изображенную на рис. 1.21. Усилитель ОУ1 включен по схеме активного фильтра низких частот с двумя полюсами. Усилитель ОУ2 работает в режиме интегратора. Поскольку фазовый сдвиг на отставание, вносимый обоими каскадами, составляет 270^о, схема может возбудиться при достаточно большом коэффициенте усиления и при сдвиге фаз меньше 180^о. Существующий в схеме запас коэффициента усиления обеспечивает устойчивое возбуждение генератора. Стабилизация размаха амплитуды выходного сигнала осуществляется включением в схему генератора ограничивающих стабилитронов Д1и Д2. Наличие диодов приводит к возникновению нелинейных искажений синусоидального сигнала, однако влияние последних уменьшается при использовании фильтров, пропускающих низкие частоты. Если диоды Д1 и Д2 имеют одинаковые пороговые напряжения, то в результате симметричного ограничения сигнала практически исключаются искажения в виде четных гармоник. Поэтому основной помехой будет третья гармоника, причем ее уровень составляет -- 40 дБ от уровня полезной первой гармоники на выходе усилителя OУ 1 и -- 50 дБ на выводе ОУ2. Это означает, что гармонические искажения синусоидального и косинусоидального сигналов не превышают 1 и 0,3% соответственно.

Рис. 1.21 Квадратурный генератор на двух ОУ

Частота генерации и порог возбуждения схемы определяются выбором номиналов прецизионных элементов R1--R3 и С1--СЗ, которые должны иметь малые разбросы и температурные коэффициенты. Номинал резистора R3 можно выбрать меньшим, чем указано на рис. 4.21; при этом допускается использовать другие элементы с большим разбросом без существенного ухудшения условий возбуждения. Номинал резистора R4 не критичен, но следует учитывать, что он должен быть значительно меньше номинала резистора R2, чтобы падение напряжения на резисторе R4 было незначительным, когда ограничивающие диоды открыты. С указанными номиналами элементов схема генерирует колебания частотой 1 Гц Заменив элементы, задающие частоту выходных сигналов, можно расширить рабочий диапазон частот схемы до 1 кГц.

Рис. 1.22 Квадратурный генератор с регулируемой частотой колебаний

Более совершенная схема квадратурного оператора с использованием перемножителей напряжения для управления цепью ОС показана на рис. 4.22. В этой схеме имеется возможность регулировки частоты синусоидальных и косинусоидальных сигналов с помощью управляющего напряжения Uупр.

При изменении управляющего напряжения меняется частота колебаний в соответствии с выражением f = Uупр/20?RC) Следует отметить, что в приведенной схеме генератора наблюдается некоторая зависимость амплитуды выходных сигналов от частоты Поэтому для ликвидации этой зависимости необходимо дополнить схему одной из рассмотренных выше цепей АРУ.

Схему такого генератора с регулируемой частотой удобно использовать в качестве частотного или амплитудно-частотного модулятора. Диапазон изменения рабочих частот генератора определяется перемножителями и равен 100.

Размещено на Allbest.ru