RC-генераторы.
RC-генераторы (RСГ) применяются для генерирования НЧ гармонических колебаний. В области НЧ и инфраНЧ колебаний, RCГ обладают преимуществами по сравнению с LC-генераторами (LCГ), так как на частотах ниже 15÷20 кГц LC-контур получается слишком громоздким, обладает низкой добротностью (и избирательностью), его трудно перестраивать.
RCГ имеют более широкий диапазон перестройки.
Для RC-генератора |
fГ |
K / 2 RC |
||
|
||||
где fГ пропорциональна 1/C; |
K зависит от типа RC – фильтра, кроме того, в RCГ fГ |
|||
можно изменять с помощью R. |
|
|||
Для LC-генератора |
fГ |
|
1 2 |
L C |
где f пропорциональна |
1 |
|
C |
|
Генератор с 3-звенным Г - образным ФВЧ.
Каждое RC- звено дает сдвиг по фазе ≤ 90°, т.е. для сдвига на 180° необходимо 3 звена.
|
1 |
|
|
R1 |
|
|
J1 J 2R1 U1 |
|
|||
|
j C1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1 R2 |
|
|
|
J 2 |
J1R2 |
J 3R2 0 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j C2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 R3 J3 |
J3 |
|
J 2R2 0 |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j C3 |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
При R1=R2=R3=R |
и |
C1=C2=С3=C найдем: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
J 3 |
|
|
|
|
U1 |
|
|
|
|
b U 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
5 |
|
|
1 |
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||
|
R |
|
|
|
|
|
U1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
j RC |
|
2 |
2 |
|
2 |
|
j C |
3 |
|
|
|
|||||||||||||
j C |
2C2 R |
j C 3 R2 |
|
|
|
|
|
R |
|
R3 |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
||||||||||||||||
Т.к. фазовый сдвиг в цепи обратной связи на частоте генерации д.б. равен 180°, то b на ωГ должен быть действительным отрицательным числом, а мнимая
часть b должна равняться 0:
6 |
|
1 |
|
|
0 |
Г |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j RC |
3 3 |
R |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
RC |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
j C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Коэффициент передачи цепи ОС при 1/ω2=6 R2C2 |
|
|
b |
|
1 |
|
|
1 |
|
|||||||||
|
|
|
5 |
|
29 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2C 2 R |
|
|
2 |
|||
Поэтому в стационарном режиме каскад на VT2, с учетом потерь, должен иметь в VT1 коэффициент усиления К ≥ 29.
Частота колебаний |
Г |
1 |
|
|
|
|
|
||
RC |
|
|
||
|
|
6 |
|
На практике часто применяется RС-генератор с мостом Вина, т.к. он при полной амплитуде обеспечивает малые нелинейные искажения (НИ). Он представляет собой усилитель с коэффициентом передачи КУ, между входом и
выходом которого включена RC-цепь (мост Вина).
а) Схема RС-генератора с мостом Вина, б) Схема генератора с разомкнутой ОС
3
Усилитель с заданным коэффициентом передачи можно реализовать на ОУ по схеме неинвертирующего масштабного усилителя.
Коэффициент передачи цепи ОС
|
ОС |
|
|
|
Z |
2 |
|
где |
|
1 R1 |
1 |
|
, |
|
2 |
|
R2 |
||
K |
Z |
Z |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
j C1 |
|
|
||||||||||
Z1 Z 2 |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 j R2 C2 |
|||||||||||
При R1 = R2 = R и С1 = С2= С , после упрощения и замены RC получим
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1/ 3 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
K |
|
|
|
|
|
, |
K |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
-arctg |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
j |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
При RC=1 KОС
Если обеспечить КУ>3, то на частоте RC произойдет самовозбуждение RC –генератора.
Следует отметить, что в отличие от LC-генераторов, в которых синусоидальная форма колебаний обеспечивается резонансными свойствами высокодобротного LC- контура, в RC-генераторах амплитуда и форма колебаний зависит от величины
коэффициента усиления КУ АЭ и его стабильности.
4
Даже незначительное уменьшение или увеличение КУ от КУ=3 вызовет затухание
колебаний или приведет к нарастанию амплитуды колебаний вплоть до насыщения усилителя. И, как следствие, к появлению заметных нелинейных искажений формы выходного напряжения (от трапецеидальной до прямоугольной) .
Для стабилизации амплитуды колебаний и уменьшения искажений их формы в цепь ОС включают нелинейный элемент, который обеспечит КУ>3 при включении
питания и точное значение КУ=3 в установившемся режиме.
|
|
|
Стабилизация амплитуды АГ |
RC |
|||
Для обеспечения баланса амплитуд |
|
|
|||||
ОУ должен |
иметь |
КУ=1+R1/R2=3, т.е. |
|
|
|||
R1=2*R2. В простейшем случае вместо |
|
|
|||||
R2 используют нелинейный элемент – |
|
|
|||||
микромощную |
лампу |
накаливания, |
|
|
|||
сопротивление |
которой |
с |
ростом |
|
|
||
амплитуды |
тока |
увеличивается |
или |
|
|
||
металлический |
|
терморезистор |
|
|
|||
(ТКС>0). |
|
|
|
|
|
|
|
Другой вариант – заменить R1 |
Схема генератора - а) и частотные |
||||||
полупроводниковым |
терморезистором |
характеристики моста Вина – б) |
|||||
(с ТКС<0). |
|
|
|
|
|
|
|
5
Колебания со стабильной амплитудой можно получить реализуя следующую
структурную схему. |
RCГ – RС-генератор; СУ – сравнивающее |
|||||
|
устройство; УУ - устройство управления |
|||||
|
амплитудой; U0 - источник опорного |
|||||
|
напряжения. |
В |
качестве |
управляемых |
||
|
сопротивлений могут использоваться полевые |
|||||
|
транзисторы, фоторезисторы, терморезисторы |
|||||
|
и т.д. |
|
|
|
|
|
Структурная схема RC-генератора |
Принципиальная схема RCГ с полевым |
|||||
со стабилизацией амплитуды |
транзистором |
в |
качестве |
управляемого |
||
|
резистора приведена |
на |
рисунке. |
При |
||
|
включении питания управляющее напряжение |
|||||
|
на затворе VT1 мало и сопротивление исток- |
|||||
|
сток минимально (КУ>3). При увеличении |
|||||
|
выходного |
напряжения |
генератора |
до |
||
|
величины, установленной на резисторе R3, КУ |
|||||
|
уменьшается до КУ=3 и амплитуда колебаний |
|||||
|
стабилизируется. Резистором R4 можно |
|||||
|
регулировать амплитуду, R1, R2 – частоту в |
|||||
Применение полевого транзистора |
диапазоне 1:10. |
|
|
|
|
|
Постоянная |
С4R7>10/2 fмин, |
где fмин |
– |
|||
в качестве управляемого резистора |
минимальная частота генератора. C3>>С46. |
|
||||
для авторегулировки амплитуды |
|
|||||
Сложность обеспечения высокой стабильности амплитуды колебаний при минимальных искажениях выходной синусоиды существенно усложняет построение генераторов синусоидальных колебаний и управление ими. Лучшие результаты, особенно на низких и инфранизких частотах, дает применение так называемых
функциональных генераторов.
Блок-схема простейшего функционального генератора приведена на рис. Он включает генератор прямоугольного и треугольного напряжений и блок формирования синусоидального сигнала.
Блок-схема функционального генератора
Как показано на рис., генератор прямоугольного и треугольного напряжения состоит из триггера Шмитта и интегратора, образующих замкнутый контур. Блок формирования синусоидального сигнала обычно представляет собой нелинейный функциональный преобразователь. При постоянной частоте генератора в качестве блока формирования синусоидального сигнала используют фильтр нижних частот с полосой пропускания несколько выше частоты требуемого синусоидального сигнала.
7
Функциональные генераторы производятся некоторыми фирмами в виде ИМС. Например, микросхема МАХ038 генерирует синусоидальные, треугольные, прямоугольные и импульсные сигналы в области частот от 0,1 Гц до 20 МГц, причем синусоидальные сигналы имеют коэффициент гармоник не более 0,75%. Лучшие результаты дает применение прямого цифрового синтеза с использованием цифро- аналоговых преобразователей.
Цифровой генератор
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;
ГТИ – генератор тактовых импульсов.
Цифровой генератор.
Сигнал любой формы. N таких работающих в такт могут дать любые сигналы, с заданным сдвигом по фазе.
8
Генераторы несинусоидальных колебаний
Если коэффициент в контуре ОС K >>1, то выходные колебания приобретают форму прямоугольных импульсов.
Автогенератор на ТТЛ элементах
R=150…600 Ом
Автогенератор на цифровых ТТЛ элементах
Каждый из инверторов является усилительным элементом. Общий коэффициент, равный произведению, достаточно велик (>1000). Баланс амплитуд обеспечен.
Конденсатор включен в цепь положительной обратной связи. Баланс фаз равен 3600. Резистор выводит первый инвертор в линейный режим. Частота колебаний обратно пропорциональна произведению RC f=1/2RC.
Временные диаграммы работы автогенератора на ТТЛ элементах Эквивалентная схема перезаряда ёмкости в АГ на ТТЛ элементах
9
Предположим, что при подаче питания на Вх. а, значит, и на Вых. состояние “0”. Конденсатор С разряжен. Идет процесс заряда конденсатора с выхода первого инвертора “1” через резистор R и конденсатор С на Вых. (“0”), плюсом на обкладку конденсатора, обращенную по входу.
Напряжение на Вх. растет. При достижении на Вх. уровня, при котором выход первого инвертора переключится в состояние “0”, второй инвертор установит на Вых. “1” (момент t1). Напряжение на Вх. увеличится скачком на уровень “1” ( Uпит). Начинается перезаряд конденсатора.
Конденсатор сначала разрядится, а затем перезарядится, компенсируя напряжение “1” с Вых. Напряжение на Вх. будет падать. При достижении напряжения на Вх. порогового уровня, при котором на выходе первого инвертора установится состояние “1”, а значит на выходе второго “0”, напряжение на Вх. скачком уменьшится (t2). Скачок должен быть равен “1”, но будет ограничен на уровне Uvd открытого диода на входе ТТЛ элемента.
Начнется перезаряд конденсатора. Он разрядится до нуля, а затем начнет заряжаться
как в случае t1.
10