Лабораторная работа №4

Исследование электронных генераторов гармонических и импульсных колебаний на операционных усилителях

1. Цель работы

Изучение принципа и режимов работы различных схем электронных генераторов гармонических и импульсных колебаний на операционных усилителях.

2. Пояснения к лабораторному стенду

Экспериментальные исследования электронных генераторов гармонических и импульсных колебаний проводятся на стенде по основам электроники. Схемы включения генераторов приведены на рис. 6 – рис. 8. Питание схем операционных усилителей осуществляется от двух источников по­стоянного напряжения, находящихся на стенде. Исследование выходных напряже­ний производится с помощью осциллографа.

3.Теоретические сведения

Электронные генераторы

Электронным генератором называют устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных ко­лебаний различной формы требуемой частоты и мощности.

Различают электронные генераторы гармонических (синусоидаль­ных) и импульсных (релаксационных) колебаний.

Электронные генераторы гармонических колебаний нашли широ­кое применение в промышленной электронике. Их используют в при­борах для контроля состава и качества различных веществ, установ­ках для высокочастотного нагрева металлов, сушки и сварки диэлектриков, химической обработки изделий и т.д. Эти функциональные устройства являются одной из составных частей измерительных приборов и автоматических систем.

Электронные генераторы гармонических колебаний классифици­руют по ряду признаков, основными из которых являются частота и способ возбуждения.

В зависимости от частоты генераторы подразделяют на низкочастотные (0,01 — 100 кГц), высокочастотные (0,1 — 100 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 100 МГц). По способу возбуждения различают операторы с независимым внешним возбуждением и с самовозбуждением. Последний вид генераторов называют автогенераторами. Генераторы с независимым внешним возбуждением являются, по существу, усили­телями мощности с соответствующим частотным диапазоном, на вход которых подаются электрические сигналы от автогенераторов. Такие усилители были рассмотрены ранее, и в этой главе они не изучаются.

Электронные генераторы гармонических колебаний могут работать в любом из режимов А, В или С, но обычно в них используется режим С ввиду возможности получения наибольшего КПД.

В различных устройствах промышленной электроники, измерительной и микропроцессорной техники часто требуется электрические сигналы по форме кривой резко отличающиеся от синусоиды: прямоугольные, пилообразные, треугольные и т.д. Такие сигналы можно получить от генераторов, называемых импульсными или релаксационными. Наиболее часто применяются мультивибраторы — генераторы прямоугольных импульсов, генераторы линейно изменяющихся напряжений (ГЛИН) и ряд других.

Условия самовозбуждения автогенераторов

На рис. 1 приведена структурная схема автогенератора, который состоит из усилителя с коэффициентом усиления К и звена положительной обратной связи с коэффициентом обратной связи . Кoэффициенты усиления усилителя и обратной связи являются комплексными числами, зависящими от частоты. В качестве усилителя в автогенераторах могут применяться различные усилители: на транзисторах, интегральных микросхемах и др. Звеном обратной связи являются частотно-зависимые цепи: LC- контуры и RC- четырехполюсники.

Если считать, что напряжения u_bx и u_вых близки к синусоидальным то стационарный устойчивый режим в автогенераторе, при котором амплитуды U_bxm и U_bыxm имеют неизменные значения, будет возможен только при выполнении условия, называемого условием самовозбуждения.

К· = 1; (1)

это равенство следует из соотношений U_bx = ·U_bыx, U_bыx = К·U_bx, следовательно,

U_bыx = ·К·U_bыx . (2)

Выражение (1) можно представить в виде

Ке ^jφ· е ^jψ = 1, (3)

где К и  — модули коэффициентов усиления и передачи соответ­ственно усилителя и звена обратной связи;  и  — аргументы этих коэффициентов.

Равенство (3) выполняется при следующих условиях:

К· = 1, (4)

φ + ψ = 2πn, где n = 0, 1, 2 …, (5)

или

φ = –ψ + 2πn.

Рис. 1. Структурная схема автогенератора

Равенство (4) называется условием баланса амплитуд, а равенство (5) — условием баланса фаз. Условие баланса фаз означает, что в стационарном режиме сумма фазовых сдвигов выходных напряжений усилителя и звена обратной связи в "автогенераторе равна нулю или целому числу 2, что свидетельствует о наличии в рассматриваемом устройстве положительной обратной связи. Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энер­гии в автогенераторе восполняются звеном положительной обратной связи от источника питания автогенератора. Для получения стацио­нарных устойчивых колебаний в автогенераторе условие (4) должно удовлетворять соотношению

К ≥ 1. (6)