Лабораторная работа №6

РАСЧЕТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Цель работы: Ознакомление с базовыми схемами LC–генераторов, собранных на транзисторах. Расчет частоты автоколебаний генераторов и определение условий их возникновения. Моделирование электронных схем транзисторных генераторов с помощью программы Electronics Workbench 5.0. Сравнение расчетных параметров частот автоколебаний с результатами моделирования.

Генераторы гармонических колебаний представляют собой устройства, состоящие из частотно-избирательной цепи и активного элемента. По типу частотно-избирательной цепи они делятся на LC– и RC–генераторы.

Генераторы LC–типа имеют сравнительно высокую стабильность частоты колебаний, устойчиво работают при значительных изменениях параметров транзисторов, обеспечивают получение колебаний, имеющих малый коэффициент гармоник.

В генераторах LC–типа форма выходного напряжения весьма близка к гармонической. Это обусловлено достаточно хорошими фильтрующими свойствами колебательного LC-контура.

К недостаткам LC–генераторов относятся трудности изготовления высоко­стабильных температурно-независимых катушек индуктивности, а также высокая стоимость и громоздкость последних.

Рис.1. LC-генераторы с индуктивной (а) и емкостной (б) обратной связью

Базовые схемы LC–генераторов показаны на рис.1. Схему на рис.1, а называют индуктивной трехточкой или схемой Хартлея, на рис.1, б – емкостной трехточкой или схемой Колпитца. Для обеих схем с помощью резисторов R1, R2 и Re устанавливается необходимый режим по постоянному току. Конденсаторы Cb и Ce – блокировочные, конденсатор С называют конденсатором связи. Частота автоколебаний для обеих схем в первом приближении определяется по известной формуле

(1)

Для схемы Колпитца:

(2)

Рис. 2. Генератор Колпитца

Рис. 3. Генератор Колпитца с конденсатором связи

Для всех автогенераторов условием возникновения автоколебаний является наличие положительной обратной связи при коэффициенте усиления равном или большим единице. Для схемы Хартлея эти условия обеспечиваются за счет транзисторного каскада, выбора коэффициента трансформации и соответствующего включения обмотки связи.

Положительная обратная связь в генераторе Колпитца обеспечивается за счет того, что сигнал обратной связи подается на базу транзистора с такой точки колебательного контура, в которой этот сигнал совпадает по фазе с переменным сигналом на коллекторе. Коэффициент передачи цепи обратной связи при этом определяется коэффициентом передачи емкостного делителя, образованного конденсаторами С1 и С2. При выполнении указанных условий устройство самовозбуждается.

На практике находят применение LC–генераторы с использованием элементов с отрицательным сопротивлением. Схема такого генератора представлена на рис.4. Он содержит эмиттерный повторитель на транзисторе VT1, который предназначен для регулировки выходного напряжения генератора путем изменения напряжения на его базе с помощью резисторов R1 и R2. Сам генератор состоит из колебательного контура Lk, Ck и двух полевых транзисторов VT2 и VT3 с каналами разной проводимости. Схема такого соединения обладает вольтамперной характеристикой, имеющей участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Данная зависимость представляет форму несим­метричного колоколообразного импульса с вершиной при напряжении 3 В (ток 2 mA ) и практически нулевым током при напряжении 8 В. Следовательно при включении питания, когда напряжение на конденсаторе Ск достигает значения 3 В, начинается резкое увеличение сопротивления шунтирующего этот конденсатор, в результате чего увеличивается скорость его заряда. При разряде конденсатора напряжение на нем достигает 8 В, скорость его разряда увеличивается и после достижения значения 3 В начинается форсированный разряд. Таким образом, возникают незатухающие колебания, подпитываемые дважды за период. Частота колебаний генератора (рис.4) определяется приближенно выражением (1).

Рис.4. Схема низкочастотного LC-генератора

RC-генераторы, одна из схем которых представлена на рис.5, достаточно просты в реализации, дешевы, имеют малые габариты и массу. Однако стабильность частоты колебаний в них значительно ниже, чем в LC-генераторах, а форма колебаний несколько отличается от синусоидальной. Цепочечные автогенераторы должны иметь цепь обратной связи, обеспечивающую фазовый сдвиг 180⁰ на частоте автоколебаний. Для получения такого сдвига требуется не менее трех RC-цепей, поскольку каждое RC–звено в самых идеальных условиях обеспечивает фазовый сдвиг на угол, меньший 90⁰. Частота колебаний RC–генератора с трехзвенной фазосдвигающей цепью определяется по формуле:

(3)

Рис.5. RC–генератор с трехзвенной фазосдвигающей цепочкой

Задание к выполнению лабораторной работы.

Выполнить моделирование автогенератора Колпитца (рис.2), используя схемный файл 2m-oscil.ca4, находящийся в библиотеке каталога Sample в программе Electronics Workbench 5.0. Произвести расчет периода автоколебаний генератора с параметрами схемы, заданными преподавателем по формулам (1) и (2). Определить период колебаний из осциллограммы и сравнить с расчетным. Обратить внимание на форму колебания. Ввести в схему генератора конденсатор связи С, как показано на рис.3. Определить заново период колебаний, сравнить с расчетным и оценить форму колебания. Провести анализ изменений.

В среде программы Electronics Workbench 5.0 набрать схему низкочастотного LC-генератора, показанную на рис.4, установить параметры, заданные преподавателем и провести моделирование. Вычислить частоту колебания генератора по формуле (1). Из осциллограмм определить период колебаний и сравнить с расчетным.

В среде программы Electronics Workbench 5.0 набрать схему низкочастотного RC-генератора, показанную на рис.5, установить параметры, заданные преподавателем и провести моделирование. Вычислить частоту колебания генератора по формуле (3). Из осциллограмм определить период колебаний и сравнить с расчетным.