2 Выбор принципиальной электрической схемы устройства

2.1 Выбор принципиальной схемы генератора

Генератором называется автоколебательная система, в которой энергия источника питания преобразуется в энергию колебаний. Структурная схема генератора имеет вид:

Структурная схема содержит усилитель с коэффициентом усиления К, охваченный ПОС с коэффициентом передачи . Условие самовозбуждения генератора распадается на два: условие баланса амплитуд:

K·=1,

3

определяющее амплитуду стационарных колебаний генератора, и условие баланса фаз:

φК + φ= 2·π·N, N=0,1,2…,

(

являющееся условием положительной обратной связи и определяющее частоту колебаний автогенератора. При выполнении этих условий случайное изменение напряжения на входе усилителя усиливается в К-раз, затем ослабляется в -раз и снова появляется на входе усилителя в той же фазе и той же или большей величины. Если условия самовозбуждения (3) и (4) будут выполняться для одной частоты или узкой полосы частот, то колебания будут синусоидальными.

Перейдем к проектированию принципиальной схемы нашего устройства. В качестве усилительного элемента используется операционный усилитель, который в схеме будет охвачен глубокой ООС по напряжению, поэтому его собственный коэффициент гармоник можно считать равным нулю. Усилитель подключим двухполярно. Выберем операционный усилитель типа КР140УД18 со следующими параметрами:

Таблица 1 – Параметры ОУ КР140УД18

Кu	50000
f,МГц	1
Rвх, нОм	10
Rвых, мОм	0,5
Rн, кОм	2
Vuвых, В/мкс	2
Uвых макс, В	12
Iвых макс, мА	6
Uпит,B	15
Iпот, мА	4

Частотно-избирательные цепи в генераторах синусоидальных колебаний применяются двух типов – LCиRC, содержащие соответственно только индуктивности и емкости или только емкости и сопротивления. Применение частотно-избирательных цепей типаLCв генераторах низких частот становится весьма затруднительным, так как увеличиваются геометрические размеры элементов контура, уменьшается добротность колебательной системы, становится невозможной плавная перестройка контура в широком интервале частот. Поэтому для генераторов низких частот применяют частотно-избирательные цепи типаRC.

РезонансныеRCцепи делятся на фазосдвигающие и мост Вина (рисунок 3.а). В генераторах с мостом Вина достигается наименьший коэффициент нелинейных искажений, в общем случае, от долей до нескольких процентов. Такие схемы имеют гораздо меньшее затухание сигнала (коэффициент передачи равен 1/3) и не поворачивают фазу выходного сигнала. Последнее обстоятельство позволит включить ОУ по схеме неинвертирующего усилителя, благодаря чему резко увеличивается его входное сопротивление и уменьшается выходное. К недостаткам генераторов с мостом Вина (рисунок 3.б) можно отнести низкий коэффициент полезного действия, который не превышает 50%.

Условие баланса для моста Вина может быть выполнено, если фазовый сдвиг в цепи равен нулю или кратен 2π. Для этого коэффициент передачи моста Вина должен быть равен:

(5)

где U1 –вход цепи ОС, выход для ОУ;

U2 –выход цепи обратной связи, неинвертирующий вход для ОУ;

–коэффициент усиления ОУ;

–коэффициент передачи.

Чтобы привести полученное комплексное число к вещественному виду необходимо равенство фаз φ₁=φ₂, где (условие баланса фаз). Следовательно:

(6)

Если C1=C2=С и R1=R2=R, тогда и , т.е. для самовозбуждения на частоте ω₀ сигнал необходимо усилить не менее чем в 3 раза. Следовательно для выполнения условия баланса амплитуд (К·=1) необходимо чтобы коэффициент неинвертирующего усиления был равен трем, т.е.

(7)

Коэффициент передачи цепи ООС =1/3 будет обеспечиваться при R3=2R4.

Избирательные RC-цепи имеют сравнительно пологие фазо- и амплитудно-частотные характеристики петлевого усиления. Поэтому, если коэффициент усиления больше единицы, даже на небольшую величину, условия возникновения автоколебаний выполняются в сравнительно широкой полосе частот . При этом форма выходного сигнала существенно отличается от синусоидальной. Поэтому у автогенераторов с резонансными RC-цепями (RC-генераторов) приходится вводить дополнительные цепи автоматической регулировки усиления (АРУ). Применим АРУ на основе полевого транзистора, используя свойство его канала изменять свое сопротивление в широких пределах в зависимости от напряжения на затворе, когда оно не превышает напряжения отсечки. Цепь АРУ функционирует следующим образом: продетектированное и выпрямленное с помощью диода иRC-фильтра выходное напряжение подается на затвор полевого транзистора и управляет сопротивлением его канала, включенного непосредственно в цепь ООС операционного усилителя.

Спроектируем схему генератора синусоидальных колебаний, представленную на рисунке 4.

Рисунок 4 –Генератор синусоидальных колебаний