Генераторы синусоидальных колебаний

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. 4.7 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 2p (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. 4.8.

                         

 Рис. 4.7. 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 w₀, получим

Считая R1 = R₂ = R и C₁ = С₂ = С,  найдем окончательные значения  f₀ и   b₀;

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. 4.9.

4.9. 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.

4.3.1. 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. 4.10.

Рис. 4.10. 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. 4.11. 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. 4.12 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. 4.13. 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. 4.13 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. 4.14. 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. 4.14. Генератор на мосте Рис. 4.15. Стабилизация частоты

Вина с АРУ    кварцевым резонатором

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%

4.3.2. 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.