15. Генератор синусоидальных колебаний: назначение, область применения, его состав (усилитель, фазосдвигающая цепь). Баланс фаз, баланс амплитуд. Принцип работы.
Под генератором
синусоидальных колебаний понимается
такое устройство, которое преобразует
электрическую энергию источников
питания в энергию незатухающих колебаний
синусоидальной формы. Являясь источником
электрических колебаний, генераторы
широко используются в различных сферах.
В промышленной электронике наиболее
широко используются генераторы, диапазон
формирования частот которых находится
в пределах
.
На этих частотах реализуются генераторы
с использованием RC-элементов и усилителей.
Функциональная схема генератора
представлена на рис.1. Любой генератор
можно представить в виде двух элементов.
Это усилитель и фазосдвигающая цепь
(ФСЦ).
Рис.1. Функциональная схема генератора синусоидальных колебаний
Для превращения первоначально возникших колебаний в незатухающие, необходимо на вход усилителя Ус подать часть выходного напряжения, превышающего входное (или равное ему) по амплитуде и совпадающее с ним по фазе, т.е. охватить усилитель положительной обратной связью, при этом должны соблюдаться следующие соотношения:
;
,
где
,
– коэффициент усиления на частоте
генерации;
,
– фазовые сдвиги на частоте генерации.
Приведённые условия
называются балансом амплитуд
и балансом фаз соответственно. Если
данные условия выполняются на одной
частоте, то генератор вырабатывает
колебания одной частоты. Условие баланса
фаз, как правило, обеспечить просто.
Условие баланса амплитуд в чистом виде
обеспечить сложно из-за температурных
и временных флуктуаций
,
.
Причём при условии
амплитуда колебаний нарастает, при
условии
колебания не возникают, а возникшие
спадают. Обычно после подачи напряжения
питания обеспечивают
,
а по мере нарастания амплитуды обеспечивают
с использованием нелинейного элемента,
либо автоматической системы поддержания
баланса амплитуд.
Таким образом, реальный генератор должен содержать кроме усилителя и фазосдвигающей цепи ещё и нелинейный элемент, обеспечивающий баланс амплитуд при возникших колебаниях.
16. Генераторы синусоидальных колебаний на основе резистивно-емкостных цепей: устройство, принцип работы, особенности фазосдвигающих цепей, расчётные соотношения. Достоинства и недостатки.
При построении
генераторов используется усилитель с
фазовым сдвигом либо усилитель с
последовательной отрицательной обратной
связью, либо усилитель с параллельной
отрицательной обратной связью.
Соответственно для обеспечения баланса
фаз фазосдвигающая цепь должна сдвигать
фазу на частоте генерации либо на 180º,
либо на 0º. Если использовать усилитель
с параллельной отрицательной обратной
связью, то фазосдвигающая цепь должна
сдвигать фазу на 180º. Такая задача может
быть решена с использованием RC-звеньев.
В связи с тем, что одно звено RC
изменяет фазу на угол
,
минимальное число звеньев должно быть
равно 3. В практических применениях
нашли использование фазосдвигающие
цепи, получившие название R-параллель
и С-параллель,
схемы которых представлены на рис.1а, б
соответственно.
Рис.1. Схемы фазосдвигающих цепей R-параллель – а); С-параллель – б)
Для нахождения
частоты, на которой фазосдвигающая цепь
даёт фазовый сдвиг 180º необходимо найти
её передаточную функцию
,
затем, заменяя р
на јω,
найти комплексный коэффициент передачи
и найти частоту, на которой аргумент
комплексного коэффициента передачи
будет равен 180º. Опуская промежуточные
выкладки, для цепи R-параллель
можно получить:
,
где
.
Заменяя
,
находим комплексный коэффициент передачи
:
.
Из последнего
выражения видно, что фазовый сдвиг,
равный
,
будет только в том случае, если
действительная часть знаменателя будет
равна нулю. Это будет иметь место при
условии:
,
откуда
,
при этом
будет иметь вид:
,
или, подставляя
значение
,
можно получить:
.
Таким образом,
использование усилителя с параллельной
обратной связью –
и фазосдвигающей цепи R-параллель
на частоте
обеспечивается баланс фаз –
.
Для обеспечения баланса амплитуд
необходимо, чтобы коэффициент усиления
усилителя был равен
.
Схема генератора с фазосдвигающей цепью
R-параллель
дана на рис. 2.
Рис.2. Генератор с фазосдвигающей цепью R-параллель
Для того, чтобы
сопротивление
не шунтировало сопротивление
фазосдвигающей цепи, должно выполняться
соотношение
,
соответственно сопротивление
становится ещё больше. Это не всегда
удобно. В ряде случаев для того, чтобы
избежать использования высокоомного
резистора
(например,
,
,
),
вместо резистора
можно использовать составной резистор.
Недостатком схемы
является необходимость иметь значительный
коэффициент усиления усилителя на
частоте генерации, поскольку эквивалентный
коэффициент равен
.
Схема генератора на основе фазосдвигающей цепи С-параллель представлена на рис. 2.
Общим недостатком схем с использованием фазосдвигающих цепей R, С-параллель является сложность подстройки частоты. Для подстройки/перестройки частоты необходимо одновременно, для сохранения баланса фаз и амплитуд, изменять либо три резистора, либо три конденсатора. Данным обстоятельством объясняется применение этих схем в основном для фиксированных частот.
Рис.2. Генератор синусоидальных колебаний на основе фазосдвигающей цепи С-параллель