6. Литература

1. Яновский, В. П. Учебное пособие по дисциплине «Электроника» для студентов специальности «Информационные системы и технологии (в экологии)»: эл. версия /В. П. Яновский. – Минск: МГЭУ им. А.Д.Сахарова, 2008. – 126 c.

2. Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. / С. И. Баскаков. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1988 – 448 с.

3. Ефимчик, М. К. Основы радиоэлектроники / М. К. Ефимчик, С. С. Шушкевич. – Минск: Изд-во Университетское, 1986.

Лабораторная работа № 8 генераторы гармонических колебаний

Используемые модули: № 1, 10, 13.

1. Цель лабораторной работы

• изучить регенеративный усилитель с мостом Вина;

• изучить регенеративный усилитель с трехзвенной фазосдвигающей цепью типа R-параллель;

• изучить RC-генератор с мостом Вина;

• изучить RC-генератор с трехзвенной фазосдвигающей цепью типа R-параллель.

2. Сведения из теории

Генератором называется устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию электрических колебаний постоянной формы и частоты.

По форме генерируемых колебаний их можно условно разделить на генераторы гармонических (синусоидальных) и релаксационных колебаний.

2.1. Условия возникновения колебаний

Любой генератор гармонических колебаний состоит из источника питания, пассивной колебательной цепи, в которой возбуждаются и поддерживаются колебания, и активного элемента, управляющего процессом преобразования энергии источника питания в энергию генерируемых колебаний.

При введении в колебательный контур порции энергии возникают затухающие колебания синусоидальной формы с частотой, равной резонансной частоте контура. Затухание колебаний обусловлено наличием в реальном колебательном контуре активных потерь. Чтобы они не затухали, необходимо компенсировать эти потери. Это эквивалентно тому, что к сопротивлению потерь реального контура (R) добавляется отрицательное сопротивление (–R): вносятся «отрицательные потери». Отрицательное сопротивление можно получить в усилителе с положительной обратной связью.

2.2. Условия самовозбуждения генератора

Представим генератор в виде усилителя, охваченного цепью положительной обратной связи (рис. 2.1). Сразу же после включения питания на входе усилителя появляется некоторое начальное переменное напряжение, которое усиливается и через цепь обратной связи в фазе подается на вход усилителя. После нескольких нескольких прохожденийождений сигнала через замкнутый контур усилителя. После нескольких прохождений сигнала через замкнутый контур происходит самовозбуждение генератора. Напряжение на выходе усилителя будет расти до тех пор, пока генератор не пер

Рис. 2.1. Структурная схема генератора

ейдет в стационарный режим генерации.

Стационарный режим генерации возможен только при выполнении двух условий:

• условия баланса амплитуд β(ω₀) × К_U(ω₀) = 1;

• условия баланса фаз

φ_К (ω₀) + φ_β(ω₀) = 2πn, где n = 0, 1, 2,… .

Условие баланса амплитуд показывает, что усилитель усиливает сигнал во столько раз, во сколько его ослабляет цепь обратной связи. При этом энергия источника питания через цепь обратной связи в точности компенсирует потери энергии в колебательной цепи.

Условие баланса фаз говорит о том, что суммарный фазовый сдвиг при прохождении сигнала через усилитель и цепь обратной связи должен быть кратен 2, т. е. фаза сигнала на входе и сигнала, поступившего на вход с выхода цепи обратной связи, должны совпадать (условие положительности обратной связи). Условие баланса фаз определяет частоту генерируемых колебаний, а условие баланса амплитуд – значения параметров схемы генератора, при которых имеют место стационарные гармонические колебания.

2.3. RC-генераторы

В RC-генераторах в качестве колебательных цепей используются цепи, образованные набором резисторов и конденсаторов. Чтобы RC-цепи были пригодны в качестве колебательных, они должны описываться дифференциальным уравнением второго или более высокого порядка.

В табл. 2.1 приведены наиболее распространенные RC-цепи, используемые в генераторах, их коэффициенты передачи по напряжению, а также вид АЧХ и ФЧХ этих цепей. Эти цепи, за исключением моста Вина, не обладают избирательностью. При этом мост Вина имеет добротность меньше единицы. Переходная характеристика цепей не является колебательной.

Однако при включении их в цепь положительной обратной связи усилителя из-за регенерации будут частично компенсироваться активные потери. В результате этого усилитель начинает проявлять избирательные свойства, а его переходная характеристика принимает колебательный характер. При полной компенсации потерь усилитель превращается в генератор.

Колебания в RC-генераторах возникают не благодаря колебательным свойствам цепи обратной связи, а вследствие регенерации.

Рассмотрим peгенеративный усилитель, выполненный на базе операционного усилителя с мостом Вина в цепи положительной обратной связи (рис. 2.2, а). Резисторы R1 и R2, образующие цепь отрицательной обратной связи, служат для установки необходимого коэффициента усиления. Внутренним сопротивлением источника сигнала будем пренебрегать.

В процессе регенерации в мост Вина вносится отрицательное сопротивление. Если оно больше сопротивления потерь, а коэффициент усиления усилителя без положительной обратной связи в интересующем нас диапазоне частот К > 3, усилитель переходит в режим генерации на частоте ω_Г = 1/RC.

Аналогичным образом можно провести анализ RC-генераторов с трехзвенными фазосдвигающими цепями (рис. 2.3). Для возникновения генерации в них (при условии R_ВХ  R) необходимо, чтобы коэффициент усиления усилителя был больше 29.

Рис. 2.3 RC-генератор с фазосдвигающей цепью