5. Прецизійні генератори синусоїдної напруги

5.1. Методи побудови генераторів та їх основні характеристики

5.2. Низькочастотні RС-генератори

5.3. Способи стабілізації амплітуди коливань

5.4. Високочастотні LC-генератори

5.5. Стабілізація частоти генераторів

5.1. Методи побудови генераторів та їх основні характеристики

Автогенераторами називаються пристрої в яких виникають та як завгодно довго існують періодичні електричні коливання без подачі на них електричних сигналів такої ж частоти. Коливання, які виникають, називаються автоколиваннями.

Виникнення та існування встановлених автоколивань у генераторі неодмінно пов'язане з перетворенням певного виду енергії в енергію електричних коливань заданої частоти. В залежності від способу перетворень енергії розрізняють два типи автогенераторів:

1. З перетворенням енергії постійного струму в енергію коливань певної форми та частоти:

1а. Генератори гармонійних коливань.

1б. Генератори релаксаційних (розривних) коливань (з різкими змінами струму або напруги, або їх похідних).

2. Параметричного типу – хоча б один із параметрів елементів схеми змінюється в часі за періодичним законом під зовнішньою дією (механічною, електричною, магнітною тощо). Енергія коливань зовнішньої дії перетворюється в енергію коливань заданої частоти. В загальному випадку ці частоти не рівні.

Задача розрахунку параметрів автогенераторів розбивається на три етапи.

I. Умови самозбудження коливань – на основі теорії лінійних кіл (з урахуванням малості амплітуди на початку виникнення коливань). Застосовують критерії стійкості Найквіста, Міхайлова, Рауса-Гурвіца та інші.

ІІ. Перехідні процеси наростання та згасання коливань. Використовується теорія нелінійних кіл. Відсутні загальні математично строгі методи знаходження розв'язків нелінійних диференційних рівнянь. Тому застосовують наближені методи: повільно змінних амплітуд; асимптотичні методи Крилова-Боголюбова-Митропольського; фазової площини та інші.

ІІІ. Дослідження усталеного (стаціонарного) режиму коливань та визначення основних його параметрів - частоти та амплітуди. Це нелінійні задачі без точного у загальному випадку розв'язку – застосовуються наближені методи. Найпоширеніший з них є так званий квазілінійний метод. Він базується на припущенні, що автогенератор генерує коливання лише однієї частоти, а вищі гармоніки відфільтровує частотовибірна схема і, тому, при аналізі їх не враховують. Отже, від вибірності (добротності) частотовибірної схеми залежить і коефіцієнт нелінійних спотворень вихідної напруги. Ці спотворення зумовлені нелінійністю вольт-амперної характеристики підсилювальних елементів. Коефіцієнт нелінійних спотворень знаходять як

, (5.1)

де U_mi – амплітуда вищих гармонік вихідного сигналу; U_m1 – амплітуда першої (основної) гармоніки.

Для виникнення коливань використовується в основному схема підсилювача, охопленого додатнім зворотним зв’язком (ДЗЗ) через чотириполюсник зворотного зв’язку b (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Структурна схема автогенераторів

Під час охоплення підсилювача зворотним зв’язком його коефіцієнт передачі подамо виразом

, (5.2)

де К – коефіцієнт передавання прямого підсилювального кола; β - коефіцієнт передавання кола зворотного зв’язку; φ_k, φ_β – відповідно, фазові зсуви кола прямого передавання сигналу та кола зворотного зв’язку.

Для виникнення автоколивань повинні одночасно виконуватись дві умови самозбудження: умова балансу фаз

φ_{k +}φ_β=2π n, (n=0,1,2,…), (5.3)

та умова балансу амплітуд - за критерієм Найквіста виникають автоколивання, якщо хоча б для однієї частоти справджується співвідношення

Кb>1. (5.4)

Із співвідношень (5.3) та (5.4) можна встановити вимоги до параметрів елементів автогенератора:

1) підсилювач К (чотириполюсник) повинен бути нелінійним К=ƒ(U), при чому із збільшенням амплітуди коливань U, повинен зменшуватись його коефіцієнт передачі К. Тільки тоді в схемі можливе встановлення коливань із незмінною амплітудою. В противному разі амплітуда коливань прагнутиме до безмежності U_m→∞, тобто підсилювач входитиме у насичення;

2) чотириполюсник зворотного зв’язку ß повинен бути частотовибірним і забезпечувати баланс фаз лише для однієї частоти (всі інші необхідно послаблювати).

В установленому режимі одночасне виконання умов балансу фаз і балансу амплітуд.

(5.5)

Частотовибірні чотириполюсники можуть бути RС- та LС-типів. У звуковому діапазоні частот індуктивності мають великі габарити та масу, тому й використовуються практично тільки RС-генератори.