5.2 Автогенераторы

Генераторы RC-типа

В генераторах RC-типа для обеспечения заданной частоты f₀ синусои­дальных колебаний используют различные RC-цепи, имеющий наибольший коэффициент передачи на резонансной частоте f₀. При этом f₀ оп­ределяется уравнением

f₀ = 1/(2πRC)

Д ля создания генераторов низкой час­тоты обычно используют ИОУ, в качестве цепи ПОС у которых устанавливают RC-цепи.

На рисунке 70 приведена схема синусоидального генератора. Для выполнения баланса фаз необходимо, чтобы в усилителе сдвиг по фазе был φ = 0, а для выполнения баланса амплитуд необходимо установить коэффициент усилителя К = 1/γ = 3. Для обес­печения сдвига по фазе φ = 0, цепь ПОС под­ключена между выходом усилителя и его неинвертирующим входом. Необходимый коэффициент усиления задаётся с помощью цепи ООС на резисторах R1, R2.

Рисунок 70 – Схема RC-генератора

В цепь ПОС генератора включают RC-цепи, представляющие собой частотные фильтры. Частотный фильтр – это устройство, пропускающее сигналы в определённом диапазоне частот и не пропускающее в не этого диапазона. При этом по цепи обратной связи на вход усилителя возвращается, а значит и усиливается только определённая частота или полоса частот.

На рисунке 71 изображены типы частотных фильтров и их АЧХ. В зависимости от вида АЧХ фильтры подразделя­ют на четыре типа:

- фильтры нижних частот (ФНЧ);

- фильтры верхних частот (ФВЧ);

- полосовые частотные фильтры (ПЧФ);

-заграждающие частот­ные фильтры (ЗЧФ).

Фильтры характеризуются частотой среза f_c, а полосовые и заграждающие фильтры характеризуются также шири­ной полосы пропускания у ПЧФ или шириной полосы непропускания (за­держивания) у ЗЧФ.

Рисунок 71 – Типы частотных фильтров и их АЧХ

Для развития процесса самовозбуждения генератора необходимо вы­брать К чуть-чуть больше 1/Y = 3. Тогда, при подключений генератора к источнику питания, малейшие колебания на частоте f₀ через цепь ПОС будут поступать на неивертирующий вход ИОУ. А так как К > 1/Y, то эти колебания будут усиливаться усили­телем чуть больше, чем ослабляться цепью ПОС.

П оэтому, с каждым циклом ко­лебания на частоте f₀, амплитуда ко­лебаний будет возрастать, как это по­казано на рис. 72. При достижении амплитудой величины напряжения насыщения U_нас за счет нелинейности амплитудной характеристики ко­эффициент усиления становится К = 3 и на выходе генератора будут уста­новившиеся колебания частотой f₀ и постоянной амплитуды U_m = const.

Рисунок 72 – Временная диаграмма возбуждения генератора

Стабилизация частоты в автогенераторах

Стабильность частоты автогенераторов является одним из важ­нейших параметров, в значительной степени определяющих надеж­ность и точность работы устройств промышленной электроники. Нестабильность частоты генерируемых колебаний зависит от из­менений температуры, влажности, давления, от механических воз­действий, колебаний напряжения питания, внешних электромаг­нитных полей и других дестабилизирующих факторов. Воздействие дестабилизирующих факторов на стабильность частоты проявляется в изменении емкостей конденсаторов, индуктивностей дросселей и сопротивлений резисторов, входящих в состав колебательных контуров и RC-цепей обратных связей. Стабильность частоты авто­генераторов зависит также от паразитных емкостей и индуктивно­стей и их изменений, которые так или иначе влияют на частоту f₀.

Для уменьшения нестабильности частоты используют различные способы стабилизации частоты. Различают параметрическую и кварцевую стабилизацию частоты. Параметрическая стабилизация частоты сводится к ослаблению влияния внешних факторов на частоту генерируемых колебаний, а также к подбору элементов генератора, обеспечивающих мини малыше изменения частоты.

Кварцевая стабилизация часто­ты заключается в применении кварцевых резонаторов, что дает очень низкую нестабильность час­тоты, обычно порядка 10^-8 и ниже.

Кварцевый резонатор представ­ляет собой тонкую пластину ми­нерала (кварца или турмалина) прямоугольной либо круглой фор­мы, установленную в кварцедержателе. Как известно, кварц обладает пьезоэффектом. При сжатии кварцевой пластины на противо­положных ее гранях появляются разноименные электрические за­ряды, при растяжении пластины знаки зарядов на тех же гранях изменяются на обратные (прямой пьезоэффект). При воздействии на кварцевую пластину у переменного электрического поля в ней возникают механические упругие колебания (обратный пьезоэф­фект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на ее гранях.

Таким образом, кристалл кварца представляет собой электромеханическую систему, эквивалентную электрическому колебатель­ному контуру и обладающую резонансными свойствами. В зависимости от геометрических разме­ров и ориентации среза резонансные свойства (резонансная частота) каждой пластины строго фиксированы и лежат в пределах от нескольких единиц килогерц до тысяч МГц.

65