Глава 9. Импульсные и автогенераторные устройства

9.1 Генераторы гармонических колебаний

В разделе 8.2 было показано, что при определенных условиях схемы усилия охваченные обратной связью способны переходить в режим автоколебаний, становясь генераторами. При этом генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение при отсутствии входных сигналов. Генератор преобразует энергию постоянного напряжения источника питания в энергию переменного выходного сигнала.

Различают два режима возбуждения генератора. В мягком режиме (режиме самовозбуждения) колебания возникают самопроизвольно при включении питания. При жестком режиме для возникновения колебаний требуется внешний начальный сигнал.

В автогенераторах при их укрупненном рассмотрении можно выделить три основные части: колебательную систему, активные электронные элементы и источник питания.

О том можно ли использовать в качестве автогенератора ту или иную электронную цепь, можно судить по результатам решения дифференциальных уравнений, представляющих математическую модель данной электронной цепи. При этом в автогенераторной цепи любое достаточно малое возмущающее воздействие приводит к периодическому изменению состояний системы, которое нарастает с течением времени до тех пор пока их значения не будут ограничены нелинейностями цепи.

Рассмотрим вариант реализации схемы способной к самовозбуждению, содержащей усилитель с коэффициентом усиления К охваченный обратной связью с коэффициентом передачи . В варианте, представленном на рис.9.1 использована положительная обратная связь по напряжению

Рис.9.1. Обобщенная схема генератора с положительной обратной связью по напряжению

Для этой схемы справедливы соотношения:

(9.1)

Чтобы после возникновения автоколебаний они не затухали и их амплитуда была стабильной во времени необходимо обеспечить выполнение условия

(9.2)

Учитывая комплексный характер величин, входящих в выражение 9.2 оно может быть представлено двумя условиями:

; (9.3)

(9.4)

– фазовый сдвиг в цепи усилителя, - фазовый сдвиг в цепи обратной связи.

Соотношение 9.3 называется условием баланса амплитуд. Оно заключается в том, что схема генератора может возбудиться только тогда, когда усилитель компенсирует потери в цепи обратной связи.

Соотношение 9.4 называется условием баланса фаз. Оно означает что колебания в замкнутой схеме могут возбуждаться тогда и только тогда, когда фаза выходного напряжения схемы обратной связи и фаза входного напряжения усилителя совпадают.

Если условие выполняется только для одной частоты, то на выходе генератора поддерживается синусоидальное напряжение той же частоты. Если это условие выполняется для нескольких частот – форма генерируемого сигнала окажется не гармонической. Отсюда следует вывод, что, в схеме генераторов гармонических колебаний должны использоваться частотно – зависимые цепи, которые обеспечивают выполнение условий самовозбуждения на заданной частоте.

В качестве основных частотно – зависимых цепей используют LC цепи, RC – цепи и кварцевые резонаторы.

В качестве активных элементов генераторов используют как отдельные электронные элементы (в основном транзисторы), так и операционные усилители (ОУ).

При построении генераторов с мягким режимом необходимо иметь в виду, что при включении питания самовозбуждение возможно лишь в том случае, когда , но в этом случае после возникновения колебаний амплитуда выходного сигнала начнет постоянно увеличиваться и это приведет к тому, что активный элемент генератора (например, ОУ) войдет в режим насыщения. Из-за перегрузки (насыщения) усилителя величинабудет уменьшаться до выполнения условия, но при этом форма сигнала не будет гармонической. Если требуется получение синусоидального выходного напряжения, то после запуска необходимо осуществлять регулировку усиления таким образом, чтобы выполнялось условие (9.3). Такая регулировка осуществляется различными способами и схемами.

На рис. 9.2. представлен вариант схемы автогенератора, в котором применена простейшая диодная схема автоматической стабилизации. В качестве частотно – зависимой цепи используется достаточно популярный мост Вина, у которого на частоте резонанса f₀ коэффициент передачи .

Рис.9.2. Автогенератор с мостом Вина

Верхняя обведенная часть генератора представляет собой ОУ, охваченный цепью отрицательной обратной связью с нелинейным элементом, выполненным на диодах VД1 и VД2 и коэффициентом усиления К. Нижняя часть генератора - мост Вина образующий по отношению к ОУ цепь положительной обратной связи.

Работа этого генератора стабилизируется следующим образом. Если по каким-либо причинам амплитуда напряжения на выходе генератора U_вых увеличивается, то увеличивается и амплитуда полуволн тока проходящих через диоды, что уменьшает дифференциальное сопротивление диодов и сопротивление на постоянном токе. Это приведет к уменьшению общего сопротивления цепи ООС (VД1, VД2-R₁-R₂), а следовательно и к уменьшению коэффициента усиления К. В результате выходное напряжение уменьшается возвращаясь к исходному значению. Потенциометр R₁ обеспечивает регулировку амплитуды выходного напряжения.

Для этой схемы условие баланса амплитуд (без учета сопротивления открытых диодов) обеспечивается соотношением

откуда .

При практическом применении к генераторам подобным рассмотренному, нагрузку часто подключают через дополнительный буферный каскад, выполненный например по схеме повторителя напряжения.

На рис. 9.3 приведена схема R-C генератора с так называемой лестничной потенциально-токовой R-C-цепью. Частотно зависимая цепь содержит элементы С₁, С₂, С₃, R₁, R₂. Частота автоколебаний этого генератора определяется формулой:

.

Рис.9.3. Схема R-C генератора с лестничной потенциально-токовой R-C-цепью

Для возникновения автоколебаний необходимо выполнение условия:

R₃>R₁(C₁+C₂)/Cэ+R₂(C₂+C₃)/Cэ,

где Сэ = С₁С₂С₃ /(C₁C₂+C₁C₃+C₂C₃).

Если С₁= С₂= С₃ и R₁= R₂= R₃, то частота автоколебаний определяется как:

а автоколебания возникают при выполнении условия R₃>12R. Диоды VД₁ и VД₂ обеспечивают нелинейность петлевого усиления и служат для стабилизации амплитуды колебаний. При малой амплитуде сигнала диоды закрыты и коэффициент петлевого усиления гораздо больше единицы. Это обеспечивает быстрое возбуждение генератора. Затем амплитуда колебаний стабилизируется на таком уровне, при котором сопротивление диодов совместно с R₃ обуславливает единичное петлевое усиление для основной гармоники сигнала.

Здесь приведены лишь некоторые схемы генераторов, разновидностей которых известно достаточно большое количество. Управляют амплитудой и частотой генераторов путем изменения величины соответствующих резисторов и емкостей. Для этого могут быть использованы переменные резисторы и емкости, а также полевые транзисторы, фоторезисторы, терморезисторы и т.д.