Схемы LC-генераторов гармонических колебаний

Тема 2.6. Электронные генераторы.

Генераторы гармонических колебаний RC и LC типа. Назначение, классификация, условия самовозбуждения, схемы, принцип работы, особенности.

Общие сведения:

Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение при отсутствии входных сигналов. В схемах генераторов всегда используется положительная обратная связь.

Колебания называются свободными (или собственными), если они совершаются за счет первоначально совершенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на колебательную систему (систему, совершающую колебания). Простейшим типом колебаний являются гармонические колебания - колебания, при которых колеблющаяся величина изменятся со временем по закону синуса (косинуса).

Генераторы являются составной частью многих измерительных приборов и важнейшими блоками автоматических систем.

Различают аналоговые и цифровые генераторы. Для аналоговых генераторов гармонических колебаний важной проблемой является автоматическая стабилизация амплитуды выходного напряжения. Если в схеме не предусмотрены устройства автоматической стабилизации, устойчивая работа генератора окажется невозможной. В этом случае после возникновения колебаний амплитуда выходного напряжения начнет постоянно увеличиваться, и это приведет к тому, что активный элемент генератора (например, операционный усилитель) войдет в режим насыщения. В результате напряжение на выходе будет отличаться от гармонического. Схемы автоматической стабилизации амплитуды достаточно сложны.

 

Структурная схема генератора приведена на рисунке ниже:

 

ИЭ —источник энергии,

 

УЭ — усили­тель,

 

ПОС — цепь положительной об­ратной связи,

 

ООС — цепь отрицатель-ной обратной свяаи,

 

ФК — формирова­тель колебаний (LC-контур или фазирующая RС-цепь).

 

По способу получения колебаний генераторы подразделяют на две группы: генераторы с внешним возбуждением и генераторы с самовозбуждением. Генератором с внешним возбуждением является усилитель мощности, на вход которого подаются электрические сигналы от источника колебаний. Генераторы с самовозбуждением со­держат формирователи колебаний; такие генераторы часто называют автогенераторами.

Принцип работы автогенератора.

Он основан на автоматическом пополнении энергии, которую затрачивает формирователь колебаний.

При этом должно соблюдаться:

- правило баланса амплитуд - произведение коэффициента усиления на коэффициент обратной связи должно быть равно 1.

- правило баланса фаз - оно означает, что колебания возникают на вполне определенной частоте, при которой происходит совпадение фаз.

При соблюдении обоих условий колебания плавно или резко возникают и автоматически поддерживаются с заданным размахом. При большом фазовом сдвиге колебания будут гасить друг друга и в дальнейшем исчезнут совсем.

Имеется много разновидностей схем генераторов си­нусоидальных колебаний. Генераторы для частот от не­скольких десятков килогерц и выше содержат LC-контуры, а генераторы для низких частот, как правило, RС-фильтры.

 

Схемы LC-генераторов гармонических колебаний

 

В генераторах с LC-контурами исполь­зуются индуктивные катушки и конденсаторы с высокой добротностью. Автогенератор — формирователь ко­лебаний — представляет собой один или несколько уси­лительных каскадов с цепями положительной частотно-зависимой обратной связи; схемы обратной связи содер­жат колебательные цепи. Возможны различные вариан­ты включения колебательной цепи относительно электро­дов УЭ: только на входе, только на выходе или одновре­менно в нескольких участках схемы. По способам сое­динения LC -элементов с электродами усилительных элементов различают трансформаторную связь и так называемую трехточечную связь — индуктивную или емкостную. Автогенератор с трансформаторной связью показан на рис. 1.

 

 

Рис. 1. Автогенератор-формирователь синусоидальных колебаний с трансформаторной связью.

 

Колебательный контур, состоящий из катушки Lк и конденсатора С, является коллекторной нагрузкой тран­зистора V1, Индуктивная связь между выходом и входом усилителя обеспечивается катушкой Lб, присоеди­ненной к базе транзистора. Элементы R1, R2, Rэ, Сэ предназначены для обеспечения необходимого режима работы по постоянному току и его термостабилизации.

 

Благодаря конденсатору С1 обладающему малым со­противлением на частоте генерации, создается цепь для переменной составляющей тока между базой и эмиттером транзистора. Точ­ками обозначены начала обмоток Lб и Lк, поскольку необходимо соблюсти условие баланса фаз. Условие баланса фаз соблю­дается, если приток энергии совершается синхронно с изменением знака напряжения на контуре; например, в каскаде с транзистором, включенным по схеме с ОЭ, фазы входного и выходного сигналов взаимно сдвину­ты на 180° С. Поэтому концы катушки Lб надо подклю­чить так, чтобы входные и выходные колебании совпа­дали по фазе. Условие баланса амплитуд состоит в том, что поте­ри в контуре и нагрузке непрерывно пополняются за счет источника питания.

 

 

Рис. 1а. Работа автогенератора. Переходные процессы.

 

Работа антогенератора (Рис. 1а) начинается при включении ис­точника Ек. Начальный импульс тока возбуждает в контуре LкC колебания с частотой , которые могли бы прекратиться из-за тепловых потерь энергии в активном сопротивлении ка­тушки и конденсатора. Но поскольку между катушками Lб и Lк имеется индуктивная связь с коэффициентом взаимоиндукции М, в базовой цепи возникнет переменный ток , совпадающий по фазе с током коллекторной цепи (условие баланса фаз обеспе­чивается рациональным включением концов обмотки Lб). Усилен­ные колебания передаются из контура снова в базовую цепь, и раз­мах колебаний постепенно нарастает, достигая заданного значения.

 

Рис. 2. Формирователи синусоидальных колебаний на основе колебательного контура, собранного по трехточечной индуктивной (а) и емкостной (б) схеме.

Автогенератор, собранный по по трехточечной схеме, пока­зан на рис. 2, а. Колебательный контур, состоящий из секционированной катушки Lк и конденсатора Ск, является нагрузкой транзистора V1. Катушка Lк разделена на две части: один вывод ее присоединен к кол­лектору, второй — к базе транзистора; энергия подво­дится к одному из средних витков этой катушки. Такое включение обеспечивает выполнение баланса фаз и от­личается большой простотой и надежностью. Режим работы транзистора по постоянному току и его термо­стабилизация осуществляются за счет таких же элементов, как и в схеме трансформаторного генератора (см. рис. 1). Емкостная трехточечная схема (рис. 2,б) содержит в емкостной ветви колебательного контура два конденсатора, , средняя точка между кото­рыми соединена с эмиттером транзистора V1. Колеба­тельный контур включен последовательно между ис­точником энергии и УЭ. Напряжения на конденсаторах имеют противоположную полярность относи­тельно общей точки, благодаря чему обеспечивается выполнение условия баланса фаз.

 

Схемы RC-генераторов гармонических колебаний:

RC-автогенераторы используются для генерирования колебаний инфранизкой и низкой частоты (от долей герца до нескольких десятков килогерц); RС-генераторы могут вырабатывать колебания и более высоких частот, однако низкочастотные колебания отличаются более высокой стабильностью.

 

 

Рис. 3. Автогенераторы синусоидальных колебаний с целью из Г-образных RC-звеньев (а) и мостового типа (б).

 

RC-автогенератор состоит из усилителя (одно- или многокаскадного) и цепи частотно-зависимой обратной связи. Цепи обратной связи выполняются в виде «лестничных» (рис. 3, а) или мостовых (рис. 3, б) RC-схем.

 

RC-автогенератор с многозвенной RC-цепью обратной связи показан на рис. 3, а. Три последовательно соединенных фазиру­ющих эвена R1C1—R3С3, включенных между выходом и входом усилительного каскада, образуют цепь поло­жительной обратной связи с фильтрующими свойства­ми. Она поддерживает колебательный процесс только на одной определенной частоте; без RC-элементов однокаскадный усилитель имел бы отрицательную обрат­ную связь по напряжению. Условие баланса фаз проявляется в том, что каждое из RС-звеньев поворачивает фазу сигнала на угол 60°, а суммарный угол сдвига равен 180°. Условие баланса амплитуд удовлетворяется путем выбора соответствующего коэффициента уси­ления каскада.

 

Автогенератор с RC-фильтром мостового типа приведен на рис. 3,б. Два плеча моста — звенья R1C1 и R2C2 — подключены к неинвертируюшему входу уси­лителя 2 (цифра внутри треугольника означает число каскадов). Эти звенья образуют цепь ПОС. К инверти­рующему входу того же усилителя присоединена другая диагональ, составленная из нелинейных элемен­тов R3 и r, которая создает цепь ООС. В данной схеме мост обладает избирательным свойством и условие баланса фаз обеспечивается при одной частоте (на ко­торой выходной сигнал моста совпадает по фазе со входным). Регулировка частоты в данном автогенераторе проста и удобна, причем возможна в очень широком диапазоне частот. Ее осуществля­ют изменением либо сопротивлений обоих резисторов, либо емкостей обоих конденсаторов моста.

 

Общий недостаток всех генераторов — чувствительность генери­руемой частоты к изменению питающих напряжений, температуры, "старению" элементов схемы.

 

Классификация генераторов:

1) по форме выходных сигналов:

- генераторы синусоидальных сигналов;

- генераторы сигналов прямоугольной формы (мультивибраторы);

- генераторы сигналов треугольной формы;

- генераторы сигналов линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) или их еще назы­вают генераторами пилообразного напряжения;

- сигналов специальной формы.

2) по частоте генерируемых колебаний генераторы под­разделяют условно на:

- генераторы низкой частоты (до 100 кГц);

- генерато­ры высокой частоты (свыше 100 кГц).

3) по способу возбуждения:

- генераторы с независимым (внешним) возбуждением;

- генераторы с самовозбуждением (автогенераторы).

Принцип работы генераторов:

В радиоэлектронике, вычислительной технике, системах автоматического управления используютгенераторы сигналов – устройства, которые служат для получения периодических незатухающих колебаний заданной формы. Главная особенность колебаний, наблюдаемых в генераторе, состоит в том, что они обусловлены не внешними воздействиями, а свойствами устройства. Такие колебания, возникающие самостоятельно, в отсутствие внешних воздействий, называютавтоколебаниями. Структурная схема генератора сигналов показана на рис. 33.1. Она состоит из двух частей – усилителя (активного элемента) и частотноселективной цепи положительной обратной связи с передаточной функцией () wjK ос, по которой колебания с выхода усилителя поступают на его вход.

Рассмотрим качественно процессы, происходящие в генераторах периодических колебаний. Причиной возникновения колебаний служат флуктуации – слабые колебания, происходящие случайным образом. Флуктуации наблюдаются в любой реальной цепи. Колебания, возникающие на входе ак

Uвх=0 Uвых Uос A

)j(K oc

216 тивного элемента, усиливаются и через цепь обратной связи вновь поступают на вход. Поскольку обратная связь положительна, сигналы на входе складываются, а выходной сигнал лавинообразно растет. Такой процесс называют самовозбуждением генератора. На рис. 33.2 показан процесс самовозбуждения генератора синусоидальных колебаний. Самовозбуждение имеет место, если коэффициент передачи в замкнутой петле обратной связи больше единицы: () 1ос >w×= jKAK. В (33.1) мы полагаем, что коэффициент передачи усилителя А не зависит от частоты.

Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока активный элемент не перейдет в нелинейный режим. При этом коэффициент усиления уменьшается до значения, при котором коэффициент передачи в замкнутой петле обратной связи становится равным единице: () 1ос =w×= jKAK. (33.2) При выполнении такого условия в генераторе устанавливается стационарный режим (рис. 33.2). В этом режиме колебания имеют постоянную амплитуду и частоту. Если условие (33.2) выполняется только на частоте 0 ω, колебания имеют синусоидальную форму. Если это условие выполняется на нескольких частотах, колебания на выходе генератора имеют сложную форму, а спектр содержит гармоники с частотами, на которых выполняется условие

217 Таким образом, в зависимости от частотных характеристик цепи обратной связи форма колебаний может иметь синусоидальную или несинусоидальную форму. Соответственно различают генераторы гармонических колебаний и импульсные. Для получения гармонических колебаний необходимо использовать цепь обратной связи второго или более высокого порядка, имеющую, как правило, резонансные характеристики. Цепи обратной связи импульсных генераторов имеют обычно первый порядок. Рассмотрим подробнее условия, при которых в генераторе наступает стационарный режим. Представим коэффициент передачи цепи обратной связи в комплексной форме: () () () wjw=w jejKjK осос.

Тогда условие можно записать в виде 1ос =w× jKA; K,2,1,0,2 == nn pw j Равенство называют условием баланса амплитуд, а равенство – условием баланса фаз. Одновременное выполнение условий и соответствует установившемуся режиму работы генератора. Эти условия называют в специальной литературе критерием Баркхаузена. Генераторы гармонических колебаний классифицируют по виду используемых частотно-избирательных цепей. Широкое распространение получили LC- и RC-генераторы. В кварцевых генераторах в качестве частотноизбирательной цепи используют кварцевый резонатор – пластину кварца, обработанную таким образом, что она имеет определенную частоту колебаний.