Исследование работы rc-генератора на полевых транзисторах Введение
Применение LC-автогенераторов для генерирования гармонических колебаний в области низких и инфранизких частот (меньше 15-20 кГц) затруднительно из-за громоздкости катушек в колебательном контуре. В этой области частот широко применяются автогенераторы RC-типа, в которых вместо LC-контуров применяются RC-цепи. RC-автогенераторы могут генерировать стабильные гармонические колебания в широком диапазоне частот от долей Гц до сотен кГц. Принцип работы RC-автогенераторов, их устройство, теория самовозбуждения и стационарного состояния подробно изложены в этом пособии.
Цель работы:
Изучение принципа работы, устройств и схем автоколебательных генераторов гармонических колебаний RC-типа.
Изучение теории самовозбуждения и стационарного состояния автогенератора.
Изучение переходного режима работы автогенератора.
Овладение навыками работы с электронными приборами: осциллографом, цифровым вольтметром, частотомером.
Задачи:
Экспериментальные исследования зависимости квазирезонансной частоты автогенератора от коэффициента усиления усилителя.
Определение коэффициента передачи цепи обратной связи.
Измерение квазирезонансной частоты автогенератора.
Измерение фазового сдвига между выходным и входным напряжениями.
Определение фазового портрета напряжения автогенератора.
1 Краткая теория
1.1 Электронные генераторы и их классификация
Электронный генератор – это устройство, в котором осуществляется преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока требуемой амплитуды, частоты, формы и мощности. В общем виде генерация синусоидальных колебаний представляет собой процесс, связанный с преобразованием частотного спектра (рисунок 1), так как при генерации энергия источника постоянного тока преобразуется в энергию высокочастотных колебаний.
Рисунок 1 – Преобразование спектра при генерации:
а) исходный спектр; б) спектр после преобразования
В зависимости от частоты генерируемых колебаний различают генераторы:
Низкочастотные (НЧ), вырабатывающие колебания в диапазоне частот
20 Гц 100 кГц.
Высокочастотные (ВЧ) - в диапазоне частот 100 кГц 100 МГц.
Сверхвысокочастотные (СВЧ) - в диапазоне частот 100 МГц 10 ГГц и выше.
Являясь первоисточником электрических колебаний, автогенераторы широко используются в радиопередающих и радиоприемных устройствах, в измерительной аппаратуре, в электронных вычислительных машинах, в устройствах телеметрии и т. д. В данной работе рассмотрен автогенератор гармонических колебаний.
1.2 Структурная схема автогенератора
Схемы автогенераторов гармонических колебаний в большинстве случаев строятся на базе усилителей с положительной обратной связью.
Структурная схема генератора в этом случае может быть представлена в виде двух 4-х полюсников (рисунок 2):
Рисунок 2 – Структурная схема автогенератора
Первый 4-полюсник – это усилитель с комплексным коэффициентом усиления равным
,(1)
где:
– комплексный коэффициент усиления
усилителя по напряжению;
и
– входное и выходное комплексные
напряжения усилителя, соответственно.
Второй 4-х полюсник – это цепь обратной связи с коэффициентом передачи
(2)
–комплексное
напряжения обратной связи.
Часть этой схемы, относящейся к усилителю, иногда называют К-цепью, а часть схемы, относящейся к цепи обратной связи – β-цепью.
Усилительный элемент усилителя представляет собой нелинейный 4-полюсник: электронную лампу, транзистор, операционный усилитель и т.д. Зависимость выходного напряжения от входного: Uвых = f (Uвх) - амплитудная характеристика усилительного элемента - линейна лишь в области малых значений входных напряжений.
В качестве 4-х полюсников, коэффициент передачи которых зависит от частоты, обычно используются: LC–колебательный контур, RC–цепи с частотно-зависимым комплексным коэффициентом передачи, объемный резонатор, пьезорезонатор.
В области высоких частот, как правило, применяются автогенераторы LC-типа. В диапазоне низких частот их технические характеристики и показатели существенно ухудшаются вследствие резкого возрастания величин индуктивностей и емкостей колебательных контуров и соответствующих им размеров катушек индуктивностей и конденсаторов. Наряду с автогенераторами LC - типа в настоящее время широко используются генераторы RC–типа, в которых вместо колебательного контура применяются избирательные RC-фильтры (или цепи). Генераторы типа RC могут генерировать весьма стабильные синусоидальные колебания в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Кроме того, они имеют малые габариты и массу. Наиболее полно преимущества генераторов типа RC проявляются в области низких и инфранизких частот.