
Робота 9. Дослідження RC-генератора гармонічних коливань
9.1. Мета роботи
Вивчити принципи дії генераторів, визначити параметри автоколивань і порівняти з розрахунковими даними. Зняти амплітудно-частотну характеристику фазообертаючої RC-ланки.
9.2. Теоретичні відомості
Електронний генератор - це пристрій, в якому енергія джерела постійного струму перетворюється в енергію незагасаючих електричних коливань.
За принципом роботи генератори поділяються на генератори з незалежним зовнішнім збудженням і генератори з самозбудженням (автогенератори). Генератор з незалежним зовнішнім збудженням є, по суті, підсилювачем потужності, на вхід якого подається сигнал від автогенератора.
За діапазоном генерованих частот генератори поділяються на низькочастотні (0.01...100 кГц), високочастотні (0.1...100 МГц) і надвисокочастотні (вище 100 MГц). За формою коливань генератори діляться на генератори гармонічних (синусоїдних) коливань і генератори імпульсних (не синусоїдних) коливань.
Генератори гармонічних коливань знаходять широке застосування у пристроях автоматики і телемеханіки, вимірювальних приладах та приладах контролю за кількісним і якісним складом продукції, у приймальних та передавальних пристроях, для сушіння і зварювання матеріалів та інше.
Структурна схема автогенератора
(рис.9.1) складається із підсилювача з
комплексним коефіцієнтом підсилення
i ланки частотнозалежного додатного
зворотного зв'язку з комплексним
коефіцієнтом передачі
.
Рис.9.1. Структурна схема генератора
Комплексний коефіцієнт підсилення підсилювача без зворотного зв'язку визначається відношенням амплітуд вихідного і вхідного сигналів, записаних у комплексній формі
.
де
- модуль коефіцієнта підсилення, а
- аргумент (кут зсуву фази вихідної
напруги відносно вхідної.
Аналогічно, для ланки зворотного зв'язку можна записати
,
де
- модуль коефіцієнта передачі ланки
зворотного зв’язку;
-
кут зсуву фази, який вносить ланка
зворотного зв’язку.
З теорії автоматичного керування відомо, що комплексний коефіцієнт передачі підсилювача з додатним зворотним зв'язком, як замкнутої системи ланок, визначається за формулою
.
З останнього виразу виходить
, що
при
.
За цієї умови на виході підсилювача із
зворотним зв'язком будуть існувати
коливання навіть при відсутності
зовнішніх сигналів, які розвиваються
із флуктуацій струму в елементах схеми.
Амплітуда цих коливань не буде дорівнювати
через втрати в активних опорах.
Коли розглядати генератор, як специфічну систему автоматичного регулювання, то згідно з критерієм Найквіста існування автоколивань визначається тією ж загальною умовою .
Комплексне рівняння можна записати у вигляді двох скалярних рівнянь
,
,
які виражають умови збудження автогенератора. Першу умову називають умовою балансу амплітуд. Вона показує, що для підтримання коливань необхідно поповнювати енергію в контурі за рахунок енергії джерела живлення. Друга умова - умова балансу фаз, визначає робочу частоту автоколивань в генераторі. На цій частоті зворотний зв'язок є додатний.
За виглядом ланок, властивості яких залежать від частоти, генератори діляться на LС- та RC-генератори.
В LC-генераторах ланкою з частотнозалежними властивостями є коливальний контур. Для прикладу, розглянемо схему LC-генератора з підсилювачем на польовому транзисторі (рис.9.2).
а) б)
Рис.9.2.Схема LC-генератора (a) і діаграма
встановлення автоколивань(б)
Транзистор з вбудованим n-каналом та керуючим p-n переходом ввімкнено за схемою з загальним витоком. В стокове коло транзистора включено котушку Lс , яка індуктивно зв'язана з коливальним контуром, утвореним елементами Lк і Ск. Через конденсатор Сз резонансний контур під'єднано до затвору польового транзистора. Резистор Rз служить для гальванічного зв'язку затвора з загальним провідником. Вихідний сигнал знімається за допомогою котушки Lзв, зв’язаної з котушкою Lc індуктивно.
Першопричиною зародження автоколивань у генераторі є флуктуації стокового струму транзистора або перехідні процеси при включенні живлення.
В момент подачі живлення на схему виникає імпульс стокового струму транзистора, який через котушку Lс збуджує вільні коливання в контурі Lк, Ск з резонансною частотою
Через втрати енергії коливання
у контурі могли б швидко затухнути.
Однак, напруга коливань прикладається
до входу підсилювача і тому у стоковому
колі транзистора з'являється змінна
складова струму з частотою
.
Коливання стокового струму через котушку
Lс
передаються у контур, компенсуючи втрати
енергії, і спричиняють зростання
амплітуди коливань. Далі коливання
знову поступають на вхід, підсилюються
і у фазі подаються знову в коливальний
контур. Амплітуда коливань у контурі
швидко наростає, бо К>1.
З ростом амплітуди коливань робоча
точка зміщується на нелінійну ділянку
амплітудної характеристики підсилювача.
При цьому коефіцієнт підсилення
підсилювача зменшується і K
стає рівним одиниці. З цього часу
амплітуда електричних коливань у контурі
стабілізується і далі автоматично
утримується незмінною. Умова балансу
фаз забезпечується зустрічною намоткою
котушок Lк
і Lс.
На низьких частотах в генераторах не використовують RC-частотнозалежні ланки через те, що LC-контури на цих частотах мають малу добротність і великі габарити. Для створення RC-генераторів широко застосовуються резистивні підсилювачі на біполярних чи польових транзисторах та операційні підсилювачі в інтегральному виконанні. Зворотний зв'язок в цих генераторах реалізується через спеціальні RC-ланки. До них відносяться Г-подібні фазообертаючі ланки, міст Віна та подвійний T-подібний міст (рис.9.3).
а) б) в)
Рис.9.3. Частотно-залежні RC-ланки:(а)- Г-подібні ланки;
(б)- міст Віна; (в) - подвійний Т-подібний міст.
Одну з найпростіших схем RC-автогенератора з фазообертаючими Г-подібними RC-ланками у колі зворотного зв'язку і однокаскадним підсилювачем напруги на польовому транзисторі приведено на рис.9.4,а).
а) б)
Рис.9.4 Схема генератора з Г-одібними
RC-ланками (a) та їх частотні характеристики (б).
Вихідна напруга підсилювача з загальним витоком відстає по фазі відносно вхідної на кут 180. Тому для виконання умови балансу фаз RC- ланки повинні додатково зсувати фазу напруги також на кут 180. Розрахунки показують, що умова балансу фаз виконується для частоти
,
де R1=R2=R3=R; C1=C2=C3=C.
З рис.9.4, а видно, що на частоті f0 Г-подібні ланки послаблюють сигнал у 29 разів, тому для виникнення автоколивань підсилювач повинен мати К> 29.
Коливання в генераторі виробляються з моменту подачі живлення. Спектр коливань, які виникають при включенні RC-генератора, широкий. Однак, через деякий час на виході генератора встановлюються коливання з єдиною частотою, яка відповідає умовам самозбудження.
Приклад схеми RС-генератора з мостом Віна і підсилювачем в інтегральному виконанні приведено на рис.9.5,а.
а) б)
Рис.9.5.Схема генератора з мостом Віна (a)