9.2.3 Стабілізація частоти коливань в автогенераторах

Частота генерованих коливань визначається не лише параметрами коливального контура або фазуючої RС–ланки, але і параметрами інших активних та пасивних компонентів схеми. Зміни у будь – якому з них, під дією дестабілізую­чих факторів, призводять до зміни частоти ГНК. Основними дестабі­лізуючими факторами є: коливання температури навколишнього середовища, коливання напруги джерела живлення, зміни атмосферного тиску і вологи, ста­ріння елементів у часі, зміни навантаження автогенератора.

Стабільність частоти оцінюють абсолютною нестабільністю Δƒ, що являє собою різницю між номінальною частотою і її новим значенням після дії дестабілізуючого фактора, або відносною нестабільністю Δƒ/ƒ. Відносною нестабільністю корис­туються для порівняння генераторів різного призначення або таких, що працю­ють у різних діапазонах частот. Стабільність частоти ГНК тим вища, чим більша добротність вибіркового ланцюжка.

Для збільшення добротності частотно – вибіркових чотириполюсників (ко­ливальних контурів, фазуючих RС–кіл) слід знижувати активні втрати в котуш­ках індуктивності при їх проектуванні, а також забезпечувати великий запас підсилення в підсилювальних ланках автогенераторів. Остання обставина не лише сприяє підвищенню добротності частотно – вибіркових RС–чотириполюсників, але і дозволяє вводити частотно–незалежні кола негативного зворотного зв'язку, які знижують нестабільність частоти і покращують інші показники автогенераторів.

Високу стабільність частоти мають автогенератори з кварцовою стабілізацією. В таких автогенераторах використовують кварцеві резонатори з п'єзоелектричними властивостями.

Якщо до кварцової пластинки підвести змінну напругу, то вона здійс­нюватиме механічні коливання, частота яких залежить лише від розмірів і виду вирізу пластинки. Оскільки розміри пластинки сталі, то і частота коливань стала. Механічні коливання кварцу, в свою чергу, збуджують власні електричні коливання. Коли власна частота кварцу збігається з частотою прикладеної до пластинки напруги, настає явище резонансу. При цьому амплітуда механічних коливань максимальна. Добротність кварцового резонатора Q_кв становить(2...6)·10⁶, чого неможливо досягти в контурі із зосередженими параметрами.

Для зменшення нестабільності частоти, зумовленої зміною параметрів елементів схеми автогенератора під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів, застосовують високостабільні резистори, конденсатори і котушки індуктивності коливальних контурів.

9.3 Автоколивальні мультивібратори

Автоколивальний мультивібратор – це релаксаційний автогенератор напруги прямокутної форми. Термін “автогенератор” означає, що пристрій генерує незатухаючі коливання, які не згасають без будь-якого впливу ззовні і не має стійких станів рівноваги. Релаксаційний характер вихідних коливань вказує на те, що умови самозбудження виконуються в широкому діапазоні частот. У мультивібраторі частота слідування імпульсів прямокутної форми, що періодично повторюються, визначається параметрами кіл, які задають тривалість перемикання, властивостями схеми й режимами її живлення. На частоту автоколивань впливає навантаження. Часто автоколивальний мультивібратор застосовують як генератор імпульсів великої тривалості, які далі використовують для формування імпульсів необхідної тривалості та амплітуди. Таким чином, мультивібратори, що працюють в автоколивальному режимі, застосовують найчастіше як генератори імпульсів синхронізації, що визначають тактову частоту роботи різноманітних пристроїв. У зв’язку з цим до мультивібратора ставляться вимоги високої стабільності частоти, якої можна досягти лише застосуванням спеціальних заходів. Відносна нестабільність частоти під впливом дестабілізуючих факторів становить приблизно кілька відсотків.

Для побудови автоколивальних мультивібраторів як елементну базу використовують вакуумні електронні лампи, біполярні та польові транзистори, а також аналогові та цифрові інтегральні схеми, спеціальні ІМС, необхідні параметри яких встановлюються за допомогою навісних компонентів. Напівпровідникові прилади в мультивібраторах працюють у ключовому режимі.

Мультивібратори на операційних підсилювачах. Для побудови пристроїв з прямокутною формою генерованих коливань використовують компараторний режим ОП (6.6.4.) з позитивним зв’язком. Принципова електрична схема симетричного автоколивального мультивібратора на ОП подана на рис.9.7. Позитивний зворотний зв`язок створюється за допомогою подільника напруги R2 та R3, який вмикається між виходом ОП та неінвертувальним входом. Ланка зворотного зв`язку є частото-незалежною, а тому умови збудження генератора досягаються в широкому діапазоні частот, що і забезпечує формування прямокутних імпульсів майже без спотворень. Конденсатор C1та резистор R1 ввімкнені в коло негативного зворотного зв’язку та забезпечують формування наростаючої напруги на інвертувальному вході ОП, що спричиняє процес перемикання схеми з одного тимчасового стійкого стану в інший.

Ф ормування незатухаючих прямокутних імпульсів ілюструють осцилограми, подані на рис.9.8. Розглянемо суть перебігу процесів у мультивібраторі.

К омпараторний режим ОП забезпечує на виході тільки два сталих рівня напруг Е_С⁺ або Е_С^-. При підключені схеми до джерела живлення завдяки позитивному зворотному зв`язку відбувається лавиноподібний регенеративний процес і з однаковою вірогідністю на виході сформується один із вказаних рівнів напруги. Генератор переводиться в один із сталих станів. Через подільник напруги R2, R3 напруга з виходу ОП передається на неінвертувальний вхід з коефіцієнтом передачі β=R<sub>2</sub> / R<sub>2</sub> +R<sub>3</sub>. Припустимо, що при ввімкнені генератора на виході встановилась напруга U <sup>+</sup><sub>ВИХ С</sub><sup>+</sup> (рис.9.8,в). Тоді на неінвертувальному вході буде діяти теж позитивна напруга U <sup>+</sup><sub>ВХ</sub> = βU <sup>+</sup><sub>ВИХ</sub> (рис.9.8,б). Таким чином встановлюється тимчасовий стан, який зберігався би аж до виключення джерела живлення, у випадку відсутності ланки негативного зворотного зв`язку.

Підключення ланки С1, R1 між виходом ОП та його інвертувальним входом порушує сталий стан та обумовлює автоколивальний процес. Після формування на виході напруги U ⁺_ВИХ починається заряд конденсатора зі сталою часу R₁ C₁. Напруга на інветувальному вході, яка дорівнює напрузі на конденсаторі (U^-_ВХ =U_С), експоненційно збільшується, прагнучи до асимптоматичного рівня _С ⁺. В момент часу t=t₁ (рис.9.8,а) рівень напруги на інвертувальному вході перевищує рівень напруги на неінвертувальному. Режим компаратора та позитивний зв`язок навіть за незначного перевищення обумовлять перемикання ОП. На інветувальному вході діє позитивна напруга, значить на виході стрибкоподібно встановиться рівень Е_С^- , а на неінвертувальному вході U ⁺_ВХ = βU ^–_ВИХ. Операційний підсилювач перемикається в протилежний стан. Цим завершується формування позитивного імпульсу вихідної напруги тривалістю t_i⁺(рис.9.8 в). Тепер конденсатор С₁ розряджається через резистор R₁ та вихід ОП з тією самою сталою часу R₁ C₁, прагнучи до асимтотичного рівня U ^–_ВИХ.. В момент часу t=t₂, коли при перезарядженні напруга на конденсаторі U_С = U ^–_ВХ зрівняється з напругою на неінвертувальному вході U⁺_вх, знову відбувається перемикання ОП. Цим завершується формування негативного імпульсу вихідної напруги тривалістю . При цьому , а шпаруватість імпульсної напруги G =T/t_i =2. У подальшому процеси повторюються із заданою періодичністю. Період коливань імпульсної напруги симетричного мультивібратора за умови рівності високого й низького рівнів напруги ( ): , частота слідування імпульсів: F=1/T =1/2t_i.

Для одержання необхідного періоду генерування прямокутних імпульсів автоколивальним мультивібратором, можна скористатись виразом: t_i=R₁ C ln(1+2R₂/R₃).

При проектуванні радіоелектронної апаратури часто виникає потреба в створені прямокутних імпульсів заданої частоти та трив алості, коли шпаруватість імпульсної напруги G ≠2. Таку задачу вирішують за допомогою несиметричних автоколивальних мультивібраторів. Їх створюють на ОП за схемою симетричного мультивібратора, замінивши в ній резистор R1 на коло з двох діодних ключів з резисторами, опір яких відрізняється (R3  R4), (рис. 9.9,а). При цьому сталі часу  = R ₁C та = R ₂C для позитивних та негативних вихідних імпульсів, які проходять по черзі через резистори R1 та R2, можна зробити різними (R1  R 2), що забезпечує отримання необхідної шпаруватості генерованих імпульсів. Форму вихідних імпульсів для R₂ > R₁ показано на рис. 9.9, б.