ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Исследование схем генераторов синусоидальных колебаний на транзисторах и интегральных микросхемах

1 Цель работы

Изучение принципов построения и исследование работы различ­ных типов генераторов синусоидальных колебаний.

2 Краткая теоретическая часть

Генератором синусоидальных колебаний (ГСК) называется устрой­ство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока в энергию электрических синусоидальных колебаний определенной вели­чины и частоты. Генераторы выполняются на основе усилителей со зве­ном положительной обратной связи, обеспечивающей устойчивый режим самовозбуждения на требуемой частоте. Структурная схема ГСК приве­дена на рисунке 1 а, где ИП - источник постоянного тока, УС - усилитель с коэффициентом усиления и ОС- звено цепи обратной связи с коэф­фициентом передачи . Коэффициенты и приняты комплексными, то есть учитывается их зависимость от частоты. Усилитель УС с коэффи­циентом регулирует поступление энергии от источника пи­тания ИП. Через цепь положительной связи с коэффициентом напряжение определенной величины и фазы, необходимое для поддержа­ния незатухающих колебаний, поступает с выхода УС на его вход.

Для работы схемы в режиме генерации необходимо выполнение двух условий.

Первое условие заключается в том, что фазовые сдвиги сигна­ла, создаваемые усилителем (_y) и звеном обратной связи (), в сумме должны быть кратными 2, то есть

_y + = 2k, (1)

где k = 0, 1, 2, 3 ...

Соотношение (1) определяет условие баланса фаз. Второе условие - баланса амплитуд - определяется в общем случае неравенством

а б

Рисунок 1

(2)

Для получения на выходе генератора напряжения синусоидальной формы требуется, чтобы соотношения (1) и (2) выполнялись только на одной частоте или в узкой полосе частот.

В зависимости от выполнения схемы усилителя, все ГСК делятся на генераторы с колебательным LC - контуром и с частотно-зависимыми RC - цепя­ми.

Генераторы с LC - контуром, в зависимости от выполне­ния цепи обратной связи, делятся на ГСК с трансформаторной связью, с трехточечной индуктивной связью, с трехточечной емкостной свя­зью.

Генераторы с RC - цепями делятся на ГСК с Г-образным RC - звеном, с мостом Вина, с двойным T-образным мостом.

Генераторы LC - типа выполняются на частоты от десятков кГц и выше, а RC - типа на частоты в десятки и единицы кГц и ниже.

На рисунке 1 б приведена схема LC - генератора с трансформатор­ной обратной связью, где параметрами колебательного контура явля­ются емкость конденсатора С_k и индуктивность L_k первичной обмотки W1 транс­форматора Т. Сигнал обратной связи снимается с обмотки W2 (L_á), индуктивно связанной с W1, и через С_p1 подается на вход транзис­тора VT1 усилителя, выполненного по схеме с ОЭ.

Дополнительный сдвиг по фазе на 180 электрического сигнала обратной связи осуществляется за счет соответствующей фазировки обмотки W2 относительно W1 ().

Если принять индуктивную связь обмоток (Wl, W2) идеальной, то для обеспечения условия баланса амплитуд необходимо, чтобы

, (3)

где - коэффициент передачи тока транзистора в точке покоя.

Частота колебаний будет близка к резонансной частоте колеба­тельного контура и определяется по формуле:

f_г (4)

В общем случае частота f_г зависит и от параметров транзис­тора, а также от напряжения источника питания и температуры /1/. Нестабильность частоты ГСК оценивается коэффициентом нестабильнос­ти:

, (5)

где f - абсолютное отклонение частоты от номинального значе­ния f_н.

При измерениях _f обычно оговариваются условия, при которых производятся измерения, например, диапазоны изменения напряжения питания и температуры. Наибольшая стабильность частоты с коэффициен­том _f =10^-3-10^-5 % достигается при использовании в генераторах кварцевого резонатора.

Схемная реализация LС - генераторов достаточно разнообразна и рассмотрена в /1, 2, 3/.

Генераторы LC - типа реализуются в виде гибридных ИМС, в ко­торых элементы L_k, C_k применяют в качестве навесных.

В усилителях выходной сигнал, как известно, может находиться в противофазе с входным (_y=180) или же совпадать с ним по фа­зе (_y=0). Поэтому при построении ГСК возникает задача поворота фазы передаваемого сигнала с помощью частотно-зависимой RC - цепи на 180, или на 0. Решение этих задач характеризуется большими схемными возможностями цепей. На рисунке 2 а приведена схема трехзвен­ного Г-образного RC - четырехполюсника (R-параллель) и зависимости его коэф­фициента передачи и угла фазового сдвига от частоты. Так как максимальный фазовый сдвиг, вносимый одним звеном составляет 90, то обычно цепь должна содержать не менее трех по­следовательных звеньев. Частота f_o, при которой =180, называ­ется квазирезонансной и определяется из выражения

(6)

при R1=R2=R3=R, C1=C2=C3=C.

а б

Рисунок 2

а

б

Рисунок 3

При этом коэффициент передачи ,следовательно, возбуждение генератора возможно, если коэффициент усиления усилителя .На рисунке 2 á приведены схема другого типа RС - звена обратной связи (мост Вина) и зависимости его коэффициента передачи и угла фазового сдвига от частоты, причем при квазирезонансной частоте =0, a .

В результате для ГСК с мостом Вина, при R1=R2=R и C1=C2=C, частота f₀ определяется из выражения:

(7)

Как видно из рисунка 2 б, самовозбуждение генератора возможно при К_u>3.

В настоящее время техника усиления электрических сигналов ба­зируется на интегральной электронике. Подавляющее большинство уси­лителей различного назначения выполняют на основе УПТ непосредст­венной связью или операционных усилителей (ОУ). На их базе выполня­ют также и ГСК. На рисунке 3 приведены схемы ГСК на основе ОУ с трех­звенным RC - четырехполюсником и с мостом Вина.

Для схемы на рисунке 3 а требуемый коэффициент усиления ОУ достига­ется выбором отношения , а при расчете частотыf_o нужно полагать, чтобы . Для схемы на рисунке З б необходимый коэффициент усиле­ния будет соответствовать выбору отношения , так как(для неинвертирующего усилителя).