Электроника и схемотехника (Ерёменко В.Т

Схема содержит усилитель с коэффициентом усиления К, цепь отрицательной обратной связи с коэффициентом передачи m и цепь положительной обратной связи с коэффициентом передачи β. Различают два этапа после включения питания: этап возбуждения и этап стационарного режима. На первом этапе основную роль играет цепь положительной обратной связи (ПОС), которая обычно выполняется на пассивных элементах и имеет потери.

Рис. 10.1. Структурная схема генератора с внешней обратной связью (а) и процесс установления колебаний (б)

После подачи питания в схеме возникают колебания, обусловленные нестационарными (переходными) процессами – зарядом емкостей, нарастанием тока в индуктивностях, переходными процессами в транзисторах или операционных усилителях. Эти колебания появляются на входе в виде сигнала Uвх и на выходе усилителя в виде сигнала Uвых = КUвх. С выхода усилителя колебания через цепь ПОС поступают на вход усилителя, т.е.

с обратной связью. Это условие распадается на два, которые называ-

ют условиями баланса амплитуд и фаз:

где φк и φс – сдвиг по фазе, соответственно, для прямой и обратной передачи усиливаемого сигнала.

1

Если выполнить условие 1 C2R2 2 0, т.е. CR , то фазовый сдвиг будет равен нулю, а модуль коэффициента обратной связи

1

3. Частота генерации будет определяться выражением:

с помощью нелинейной цепи отрицательной обратной связи R1, R2. В качестве нелинейного сопротивления можно использовать миниатюрную лампочку накаливания.

Рис. 10.4. Схема генератора с мостом Вина

При этом с увеличением выходного напряжения ток в цепи R1, R2 увеличивается, что приводит к увеличению сопротивления нити лампы накаливания и возрастанию глубины отрицательной обратной связи:

к замедлению увеличения выходного напряжения, в результате чего амплитуда выходного напряжения стабилизируется.

10.3. Кварцевые генераторы

В кварцевых генераторах в качестве элемента колебательного контура используется кристалл кварца (кварцевый резонатор), имеющий высокостабильную собственную резонансную частоту.

Схема замещения кварцевого резонатора представлена на рис. 10.5, а. Кварцевый генератор может быть построен по схеме, приведенной на рис. 10.5, б.

В изображенном контуре (рис. 10.5, а) наблюдаются две резонансные частоты: резонанса токов и резонанса напряжений. Для кварца эти частоты практически совпадают, поэтому частотная характеристика кварцевого резонатора имеет резко выраженный максимум. В схеме кварцевого генератора (рис. 10.5, б) ПОС обеспечивается за счет того, что кварц вносит дополнительный фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями. Конденсаторы С1 и С2 включаются для улучшения условий возбуждения. Основное преимущество кварцевых генераторов – высокая стабильность частоты колебаний. Например, стабильность частоты RC-генераторов имеет величину около 0,1 %, LC-генераторов – около 0,01 %, а кварцевый генератор имеет ста-

бильность (10-4 – 10-5) % [14].

10.4.Генераторы колебаний прямоугольной формы (мультивибраторы)

Принцип получения сигналов с прямоугольной формой напряжения поясним на примере использования схемы КР1006ВИ1, называемой интегральным таймером [6]. Таймерами называют устройства, предназначенные для получения точных интервалов времени или по-

следовательности импульсов со стабильными частотами. Упрощенная схема интегрального таймера изображена на рис. 10.6.

Рис. 10.6. Упрощенная схема таймера КР1006ВИ1 (а) и его включение мультивибратором (б)

Схема содержит делитель напряжения, составленный из одинаковых резисторов R1, R2, R3, два компаратора ДА1, ДА2, выполненные на основе схем операционных усилителей, RS-триггер DD1, инвертор DD2, разрядный ключ на транзисторе VT1, ключ сброса VT2 (показан условно).

При подаче напряжения на таймер конденсатор С (рис. 10.6, б)

2

заряжается по цепи R4, R5, C до напряжения U 3Uп , при котором

срабатывает компаратор ДА1. Компаратор ДА1 устанавливает триггер DD1 в такое положение, при котором на его выходе появляется сигнал, включающий ключ VT1. При этом обеспечивается создание цепи разряда конденсатора через резистор R5 и транзистор VT1. При достижении напряжением на конденсаторе значения 1/3 Еп срабатывает компаратор ДА2 и через вход S триггера DD1 устанавливает триггер в исходное положение, при котором на его выходе образуется низкое напряжение, ключ VT1 закрывается. Начинается заряд конденсатора до напряжения 2/3Uп. В схеме устанавливаются устойчивые колеба-

Усилитель ДА1 работает в режиме регенеративного компаратора, т.е. в режиме, при котором полярность и значение опорного напряжения изменяются в зависимости от полярности выходного сигнала. В схеме имеется положительная обратная связь, обеспечиваемая делителем R3, R4, а выходное напряжение может принимать два устойчи-

вых значения: U+вых. max и U –вых. max. Коэффициент передачи цепи ПОС:

В зависимости от исходного состояния ОУ напряжение на неинвертирующем входе будет

Компаратор срабатывает в моменты, когда напряжение на конденсаторе достигает значения U1 или U2.

Если на выходе ОУ было отрицательное напряжение, конденсатор разряжается по цепи: общий провод – резистор R1 – диод VD1. Если на выходе ОУ было положительное напряжение, конденсатор перезаряжается по цепи R2, VD2. Время заряда и разряда определяются приближенно по следующим соотношениям:

Частота колебаний определяется по формуле:

Мультивибратор удовлетворительно работает в диапазоне частот от нескольких Гц до 100 кГц. Выбирая параметры R1, R2, C, можно менять не только частоту, но и скважность выходных импульсов.

Стабильность частоты колебаний генератора на основе ОУ может быть существенно повышена, если в качестве реактивного элемента использовать кварцевый резонатор. Схема такого генератора приведена на рис. 10.8.

Кварцевый резонатор включен в цепь ООС. Глубина ООС определяется соотношением:

где Z – эквивалентное сопротивление параллельно соединенных резистора R1 и кварцевого резонатора Q.

Рис. 10.8. Генератор колебаний на ОУ с кварцевым резонатором

Глубина ПОС определяется соотношением: γ = R4/(R3 + R4).

На резонансной частоте полное сопротивление кварцевого резонатора, а следовательно и эквивалентного сопротивления Z, резко увеличивается, глубина ООС уменьшается. Если результирующее значение обратной связи окажется положительным и Kγ > 1, то генератор возбудится. Ограничение амплитуды осуществляется за счет свойств ОУ.

Мультивибраторы часто выполняют на логических элементах (рис. 10.9). Логические элементы (ЛЭ) схемно представляют собой усилители с большим коэффициентом усиления, у которых имеются

два входных пороговых значения Uвх0 .пор,Uвх1 .пор . Следовательно,

обеспечив положительную обратную связь, как на схеме рис. 10.7, при наличии реактивного элемента, можно получить процесс генерации колебаний подобно тому, как было рассмотрено ранее.

При этом можно использовать кварцевую стабилизацию частоты. Промышленность выпускает интегральные схемы мультивибраторов, с помощью которых можно получать колебания с частотой от долей Гц до 80 МГц [22].

Рис. 10.9. Мультивибратор на логических элементах К155ЛА7

В схеме использован кварцевый резонатор для повышения стабильности частоты колебаний. ЛЭ выполняют функции усилителей. Усилители охвачены ООС, обеспечиваемой резисторами R1, R2 и R3, R4. Конденсаторы C1 и C2 включены для устранения паразитного возбуждения. Конденсатор С3 введен для развязки по постоянному току выхода микросхемы DD1 от входа микросхемы DD2. Положительная обратная связь обеспечивается за счет фазового сдвига, осуществляемого кварцевым резонатором. Так как ЛЭ К155ЛА7 имеет открытый коллектор, то в цепях выходов имеются резисторы R5 и R6. В зависимости от соотношения параметров колебания могут быть синусоидальными либо несинусоидальными. Стабильность частоты генерации при этом сохраняется.

10.5. Импульсные сигналы

Импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым. В импульсных системах используются сигналы (напряжение, ток) импульсной формы. Наиболее распространены импульсы, близкие по форме к прямоугольной, пилообразной и экспоненциальной, они мо-