8. Генераторы гармонических сигналов

Генераторы «незатухающих» гармонических сигналов – это автогенераторы, в составе которых можно выделить две основные части: усилитель и цепь обратной связи (ЦОС), характеризующуюся коэффициентом передачи цепи обратной связи: γ = U_oc/U_вых, где U_oc – напряжение на выходе цепи обратной связи; U_вых – напряжение на выходе усилителя с коэффициентом усиления К. Произведение Кγ называют петлевым усилением. Обобщенная схема автогенератора приведена на рис. 8.1.

Рис. 8.1

Причиной возникновения сигнала являются шумы теплового происхождения, существующие в элементах схемы. При этом для возникновения генерации необходимо выполнение двух условий:

K γ  1; (8.1)

∆_К + ∆_γ = 2n , n = 0, 1, 2, ..., (8.2)

где ∆_К, ∆_γ – сдвиги фаз в усилителе и в ЦОС.

Выражение (8.1) называется условием баланса амплитуд и показывает, что при самовозбуждении сигнал на выходе цепи обратной связи должен быть не меньше сигнала на входе усилителя, т. е. усиление усилителя на частоте генерации должно полностью компенсировать ослабление сигнала при прохождении цепи обратной связи. Условие (8.2) называется условием баланса фаз и показывает, что на частоте генерации фаза сигнала, прошедшего по всей цепочке «усилитель – цепь обратной связи», должна совпасть с исходной, т. е. суммарный фазовый сдвиг, наблюдаемый в автогенераторе, должен быть равен 2n. Чтобы автоколебания возникали не на произвольной частоте, а на заранее выбранной, необходимо, чтобы оба условия генерации – баланс амплитуд (8.1) и баланс фаз (8.2) – быстро нарушались по обе стороны от расчетной частоты генерации. Для этого либо усилитель, либо ЦОС (чаще именно ЦОС) выполняют частотно- и фазово-избирательной с помощью RC- или LC-цепочек. Рост амплитуды сигнала на первой стадии генерации (при Кγ > 1) сменяется стабилизацией (при Kγ  l) из-за нелинейности амплитудной (или передаточной) характеристики усилителя (см. рис. 4.2 и 5.3).

Более подробно рассмотрим генераторы RC-типа: они просты в реализации, имеют малые габаритные размеры и массу. Однако форма сигнала несколько отличается от гармонической и существенно изменяется в зависимости от колебаний параметров усилителя и ЦОС.

В генераторах RC-типа обратная связь осуществляется в основном за счет RC-цепей, обладающих квазирезонансными частотными характеристиками и обеспечивающих на определенной частоте выполнение условий (8.1) и (8.2). Избирательным RC-цепям присуща невысокая добротность.

8.1. Rc-генератор на основе моста Вина

Рис. 8.2

Схема моста Вина (см. рис. 2.8) является полосовым фильтром. Так как в схеме моста Вина на частоте f₀ сдвиг фаз равен нулю, а модуль коэффициента передачи |γ(f₀) | = l/3, то, включив мост Вина в цепь положительной обратной связи операционного усилителя и обеспечив К  3, получим автогенератор. Схема генератора гармонических сигналов с мостом Вина приведена на рис. 8.2.

Так как ОУ включен по не-инвертирующей схеме, то соотно-шение сопротивлений в цепи отрицательной обратной связи и на входе ОУ должно составлять не менее двух. АЧХ моста Вина имеет пологий характер, поэтому генераторы с такой цепью обратной связи отличаются невысокой стабильностью частоты генерации.