11Лр № 10. Исследование автогенераторов гармонических колебаний

Цель работы:

Изучение принципа работы, основных параметров, условий самовозбуждения RC-автогенераторов гармонических колебаний и их схемной реализации.

11.1Теоретические сведения.

Автогенераторы гармонических колебаний - АГК преобразуют энергию источников питания в энергию незатухающих синусоидальных колебаний на выходе. Они содержат активный элемент - АЭ и частотно-избирательный четырехполюсник - ЧИЧ. В качестве АЭ в АГК широко используются транзисторы и операционные усилители, а в качестве ЧИЧ в области низких частот (звуковой диапазон) RC-четырехполюсники: мост Вина, трехзвенные RC-цепочки дифференцирующего и интегрирующего типов.

На рис. 11.1. показана структура простейшего автогенератора, который строится по кольцевой схеме с положительной обратной связью ПОС.

Рис. 11.1. Структурная схема автогенератора гармонических колебаний с ПОС

Частота, которая генерируется RC-автогенератором, называется квазирезонансной, так как ЧИЧ на RC-элементах не обладают резонансными свойствами, как, например, LC-контур.

Коэффициент усиления усилителя, охваченного ПОС, равен

Кuпос = Кu/(1-Кu*Кчич),

где Кu - коэффициент усиления усилителя без ПОС;

Кчич - коэффициент передачи ЧИЧ.

Для того, чтобы при подаче на схему автогенератора напряжения питания на его выходе генерировались гармонические колебания, необходимо обеспечить выполнение условий самовозбуждения генератора:

Кu*Кчич > 1;

fu + fчич = 2nN,

где N = 0, 1, 2, 3...

Эти условия означают, что для осуществления незатухающих автоколебаний на выходе необходимо, чтобы потери, вносимые ЧИЧ, компенсировались усилителем, т.е. выполнялся баланс амплитуд, а создаваемый усилителем и ЧИЧ в кольцевой схеме суммарный сдвиг фаз был равен нулю или кратен 2n, т.е. выполнялся баланс фаз.

Условия самовозбуждения должны выполняться лишь на частоте генерируемых колебаний г = ₀. По принципу построения RC-автогенераторы подразделяются на две основные группы:

автогенераторы без поворота фазы сигнала в цепи ОС;

автогенераторы с поворотом фазы сигнала в цепи ОС.

11.1.1RC-автогенераторы без поворота фазы в цепи ОС.

В данном варианте автогенератора‚ (рис. 11.2.) в качестве ЧИЧ используется мост Вина. Поскольку на частоте квазирезонанса ₀ мост Вина дает сдвиг фаз, равный нулю, то для баланса фаз выход ЧИЧ связан с неинвертирующим входом ОУ. Элементы ООС R1, R2 повышают стабильность работы генератора. Переменный резистор R1 изменяет глубину ООС.

Рис. 11.2. Автогенератор с мостом Вина

Основные расчетные соотношения для данной схемы:

fr = f0 = 1/(2n*R*C); Кчич = 1/3; C = 1/(2n*R*fr).

11.1.2RC-генераторы с поворотом фазы в цепи ОС.

Такой автогенератор (рис. 11.3.) в качестве ЧИЧ содержит 3-звенную RC-цепочку дифференцирующего или интегрирующего типа.

Поскольку ЧИЧ такого типа на частоте квазирезонанса ₀ сдвигает фазу на 180 градусов, генератор содержит однокаскадный усилитель на транзисторе, включенный по схеме с общим эмиттером. Данный усилитель также сдвигает фазу сигнала на 180 градусов. Вход усилителя с помощью ЧИЧ соединен со входом, образуя кольцевую схему с ПОС. Режим работы усилителя по постоянному току обеспечивается делителем R1, R2 и резистором Rэ в эмиттерной цепи транзистора. Одновременно параллельно включенные по переменному току резисторы R1 и R2 образуют третье сопротивление цепочечного ЧИЧ, т.е.

R = R1*R2/(R1 + R2).

При обеспечении коэффициента усиления усилителя Кu > 29 потери в цепочечном четырехполюснике компенсируются, схема самовозбуждается и генерирует синусоидальные колебания с частотой

_

fr = 1/(6*2n*R*C).

Рис. 11.3. Автогенератор с трехзвенной RC-цепочкой

Величина емкости определяется из выражения

С = 1/(6*2n*R*fr).