СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Кафедра: Информационной безопасности

Шахайда В.М.

СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

Для студентов дневного и заочного обучения по направлению подготовки - 0804 Компьютерные науки специальностей 6.160100 "Административный менеджмент в сфере защиты информации с ограниченным доступом "и 6.170100 «Управление информационной безопасностью»

СЕВАСТОПОЛЬ

2012

АВТОГЕНЕРАТОРЫ

УЧЕБНО - МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Учебно-методическое пособие

для студентов дневного и заочного обучения по специальностям

Рекомендовано к изданию кафедрой ИБ

Протокол № 1 от 27 августа 2009г.

Генераторы колебаний

Генераторы служат для преобразования энергии источника постоянного тока в энергию незатухающих колебаний. Генераторы включают в свой состав активный элемент и частотно-избирательный четырехполюсник. В качестве активных элементов могут использоваться диоды, имеющий участок отрицательного сопротивления на вольт-амперной характеристике, транзисторы или операционные усилители. В качестве частотно-избирательных четырехполюсников применяются резонансные LC-контуры, кварцевые резонаторы, RC-, RL- и RLM-цепи. По типу частотно-избирательного четырехполюсника генераторы делятся на LC-, RC-, RL-, RLM – генераторы.

По принципу возникновения колебаний различают генераторы с внешним (независимым) возбуждением (рис. 1а) и генераторы с самовозбуждением (автогенераторы, рис. 1б).

Рис.1. Структурные схемы генераторов (УС-усилитель, ИЧ - частотно-избирательный четырехполюсник)

В данном пособии будут рассматриваться автогенераторы. Кольцевая схема автогенератора выполняется таким образом, чтобы возникла положительная обратная связь. По критерию Найквиста, колебания в замкнутой системе возникают и существуют, если амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы охватывает на комплексной плоскости критическую точку [1,0] (рис.2).

Рис.2. Амплитудно-фазовая характеристика автогенератора

Амплитудно-фазовая характеристика автогенератора

К(j) = КУ (j) КИЧ(j).

Для выполнения условия возникновения колебаний необходимо выполнение условия:

К(j) = КУ (j) КИЧ(j)= КУ () КИЧ() ехр [ j(У + ИЧ)] = 1.

Это выражение, представляющее собой условие самовозбуждения генератора, распадается на два условия:

КУ () КИЧ()= 1 – баланс амплитуд,

У + ИЧ = 2 n – баланс фаз,

где n = 0, 1, 2….

Эти условия означают, что для существования автоколебаний необходимо, чтобы потери, вносимые частотно-избирательным четырехполюсником, компенсировались усилителем (баланс амплитуд), а создаваемый ими суммарный сдвиг фаз должен быть равен 0 или кратен 2 (баланс фаз). Последнее условие означает, что в кольцевой схеме реализована положительная обратная связь. Для генераторов гармонических колебаний условия баланса амплитуд и фаз должны выполняться только на одной частоте ₀.

Для построения автогенераторов можно использовать как инвертирующие усилители (_У =  и _ИЧ =  ), так и неинвертирующие усилители (_У = 0, _ИЧ = 2 n, где n =0,1,2… ).

Различают «мягкий» и «жесткий» режимы возбуждения генераторов. При «мягком» режиме петлевое усиление больше единицы (К_У()К_ИЧ()>1) в момент включения напряжения питания. Любые шумы или возмущения в системе, вызванные случайными факторами, усиливаются и через цепь обратной связи подаются на вход усилителя в фазе, совпадающей с фазой входного сигнала, причем величина этого дополнительного сигнала больше того возмущения, которое вызвало его появление. Соответственно увеличивается выходное напряжение, что приводит к увеличению входного сигнала и т.д. В итоге случайно возникшее возмущение приведет к непрерывному возрастанию выходного сигнала. Коэффициент усиления начинает уменьшаться с увеличением амплитуды колебаний. При выполнении условия К_У () К_ИЧ()= 1 амплитуда автоколебаний стабилизируется.

При «жестком» режиме возбуждения для возникновения автоколебаний необходимо подать на генератор внешний сигнал, не меньше определенного значения (это относится к генератором, коэффициент усиления усилительного каскада которых зависит от амплитуды входного сигнала).

RC-автогенераторы

RC-автогенераторы содержат частотно-избирательные четырехполюсники на R и C элементах и, в зависимости от создаваемого им сдвига фазы на квазирезонансной частоте, инвертирующий или неинвертирующий усилитель. Частота колебаний RC-генераторов пропорциональна частоте среза RC-цепочек. Малогабаритные резисторы и конденсаторы могут иметь большие номинальные значения параметров, поэтому RC-генераторы предпочтительнее в низкочастотной области. Верхний частотный предел RC-генераторов ограничивается значениями паразитных емкостей и минимальными сопротивлениями R. Практически такие генераторы используют для генерирования колебаний, частоты которых достигают сотен килогерц.

RC-автогенераторы можно разделить на две основные группы:

– автогенераторы с поворотом фазы сигнала в цепи положительной обратной связи на 180⁰ на квазирезонансной частоте ₀;

– автогенераторы без поворота фазы, у которых фазовый сдвиг сигнала в цепи положительной обратной связи равен нулю на квазирезонансной частоте ₀.

Основные схемы частотно-зависимых четырехполюсников, используемых для построения RC-генераторов, представлены на рис. 3-5.

Рис. 3. Трехзвенные цепи со сдвигом фазы 180⁰ (по напряжению)

Рис. 4. Четырехзвенные цепи со сдвигом фазы 180⁰ (по напряжению)

Рис. 5. Г-образные цепи со сдвигом фазы 0⁰ (по напряжению и по току)

Лабораторная работа №1

RC – автогенератор с поворотом фазы на базе биполярного транзистора

Автогенератор содержит частотно-избирательный четырехполюсник из R и C элементов и инвертирующий усилитель (например, выполненный на транзисторе с ОЭ). Выход усилителя с помощью частотно-избирательного четырехполюсника соединен со входом, образуя кольцевую схему с положительной обратной связью (рис. 6).

Рис. 6. RC – автогенератор с поворотом фазы

Режим работы по постоянному току обеспечивается делителем R1,R2 и резистором R4 в цепи эмиттера. Одновременно параллельно включенные по переменному току резисторы R1, R2 образуют третье сопротивление частотно избирательного четырехполюсника, т.е.

R = R1 R2 / (R1 + R2).

(1)

Таким образом выбор сопротивления в четырехполюснике и сопротивлений делителя в усилители взаимосвязаны. Как известно из теории для схемы, представленной на рис. 6, коэффициент усиления усилителя должен быть больше 29. В этом случае потери в четырехполюснике будут скомпенсированы, баланс фаз и амплитуд будут выполнены и в схеме должны возникнуть автоколебания.

Задание. Собрать RC – генератор и исследовать его характеристики.

Этап 1. Выбор усилителя.

На рис. 7 представлена схема усилителя с ОЭ.

Рис. 7. Усилитель с ОЭ

Резисторами R1, R2 выбирается режим работы усилительного каскада (в данном случае класс А).

Установить амплитуду входного сигнала 20 мВ и снять осциллограммы входного (кривая 1 на рис. 8) и выходного (кривая 2 на рис. 8) напряжений для нескольких частот в диапазоне 10 Гц – 1 мГц и вычислить коэффициент усиления усилителя на этих частотах (табл. 1). Изучить влияние на вид выходного напряжения значений резисторов делителя R1, R2 (например, меняя значение резистора R1 в диапазоне 1 – 20 Ком). Зарисовать осциллограммы выходного напряжения усилителя при разных значениях R1.

Таблица 1.

	10 Гц	…	…	1мГц
Uвых, мВ
Uвх, мВ
Ку

.

Рис. 8. Осцилограммы входного и выходного напряжений усилителя

Зависимость коэффициента усиления и сдвига фаз между выходным и входным сигналами усилителя от частоты можно получить с использованием команды AC Frecuency в меню Analysis (рис. 9).

Параметры задания параметров расчета частотных характеристик приведены на рис. 10.

Рис. 9. Панель программы EWB

Рис. 10. Окно задания параметров расчета частотных характеристик

Амлитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя представлены на рис. 11 (следует учесть, что ФЧХ снята c учетом емкостей схемы, сдвиг фаз между базовым и коллекторным напряжением составляет 180 градусов, что можно видеть на осциллограмме рис. 8 ).

Зарисовать АЧХ и определить диапазон частот для данного усилителя, в котором коэффициент усиления превышает 29.

Этап 2. Выбор частотно-избирательный четырехполюсника.

Как отмечалось выше, при выборе сопротивления четырехполюсника следует учесть, что его величина определяется выражением (1) и составляет (для усилителя, представленного на рис. 7) R = 4500 Ом. Для согласования четырехполюсника с данным усилителем все резисторы RC це-

Рис. 11. АЧХ и ФЧХ усилителя.

Рис. 12 . Схема для исследования трехзвенного частотно-зависимого четырехполюсника

Рис. 13. АЧХ и ФЧХ трехзвенного частотно-зависимого трехзвенного четырехполюсника

почки должны быть равны 4500 Ом, частота самовозбуждения может быть выбраны величиной емкостей С четырехполюсника. Частота автоколебаний определяется по формуле (примерно):

__ fг = 1 /  6 (2 R C).

Собрать схему RС цепи (рис. 12) и снять АЧХ и ФЧХ при разных значениях С.

Для представленной на рис. 12 схеме частота, на которой сдвиг фаз между входным и выходным напряжением четырехполюсника равен 180 градусов, равна 145 Гц. Коэффициент передачи четырехполюсника на этой частоте составляет 1/29. Т.е. на этой частоте возможно самовозбуждение генератора.

Измерить частоты, на которой сдвиг фаз составляет 180 градусов, для нескольких значений емкости С в интервале 50 нФ – 500 нФ (табл. 2).

Таблица 2

С, нФ	50	…	…	500
Частота, на которой сдвиг фаз равен 180о, Гц
Ку

Этап 3. Исследование схемы автогенератора.

Собрать схему генератора (значения элементов генератора представлены на рис. 7). Исследовать влияние параметров RC-цепи на частоту автоколебаний, результаты занести в табл. 3.

Таблица 3

С, нФ	50	…	…	500
Частота генерации, Гц

Лабораторная работа №2

RC – автогенератор с поворотом фазы на базе операционного усилителя

Для построения генераторов часто используются операционные усилители. В качестве частотно-избирательного четырехполюсника может быть использована четырехзвенная RC – цепь (рис. 14 ).

Задание. Собрать RC-генератор и исследовать его характеристики.

1). Собрать схему представленную на рис. 14. Исследовать АЧХ и ФЧХ частотно-зависимого четырехполюсника (рис. 15) при различных значениях R и C. Сопротивление R выбирать из диапазона 100 Ом - 1 кОм, емкость С – в диапазоне 0,1 мкФ - 1 мкФ. Измерить частоты, на которой сдвиг фаз составляет 180 градусов, и коэффициет передачи четырехполюсника на этих частотах для нескольких значений R и С. Данные занести в табл. 4.

Таблица 4

С, мкФ	0.1	…	…	…
R, кОм	0.1	…	…	…
Частота, на которой сдвиг фаз равен 180о, Гц
Ку

Рис. 14 . Схема для исследования четырехзвенного частотно-зависимого четырехполюсника

Рис. 15. АЧХ и ФЧХ четырехзвенного частотно-зависимого трехзвенного

четырехполюсника

2). Собрать схему автогенератора , представленную на рис. 16. Подбором сопротивления обратной связи R_ос добиться возникновения генерации в схеме. Исследовать зависимость частоты автоколебаний от параметров RС-цепи. Результаты занести в табл. 5.

Таблица 5

С \ R	100 Ом	…	…	1 кОм
0,1 мкФ
…
1 мкФ
	Частота генерации, Гц

Рис. 16. Схема для исследования автогенератора

Лабораторная работа №3

RC – автогенератор без поворота фазы на базе операционного усилителя

На рис. 17 представлен частотно-избирательный четырехполюсник с нулевым сдвигом фаз на квазирезонансной частоте. Для реализации генератора можно использовать операционный усилитель в неинвертирующем включении (сдвиг фаз между входом и выходом операционного усилителя при неинвертирующем включении составляет 0⁰). Коэффициент передачи четырехполюсника равен 1/3, поэтому для реализации условий самовозбуждения коэффициент усилителя должен быть больше 3.

Задание. Собрать RC-генератор и исследовать его характеристики.

1). Собрать схему представленную на рис. 17. Исследовать АЧХ и ФЧХ частотно-зависимого четырехполюсника при различных значениях R и C (рис. 18). Сопротивление R выбирать из диапазона 1кОм - 10 кОм, емкость С – в диапазоне 0,1 мкФ - 1 мкФ. Измерить частоты, на которой сдвиг фаз составляет 0 градусов, и коэффициет передачи четырехполюсника на этих частотах для нескольких значений R и С (результаты занести в табл. 6).

Рис. 17 . Схема для исследования Г-образного RC-частотно-зависимого четырехполюсника

Таблица 6

С, мкФ	0.1	…	…	…
R, кОм	1	…	…	…
Частота, на которой сдвиг фаз равен 180о, Гц
Ку

Рис. 18. АЧХ и ФЧХ Г-образного частотно-зависимого RC- четырехполюсника

2). Собрать схему автогенератора , представленную на рис. 19. Подбором сопротивления обратной связи R_ос добиться возникновения генерации в схеме. Исследовать зависимость чстоты автоколебаний от параметров RС-цепи. Результаты занести в табл. 7.

Рис. 19. Схема для исследования автогенератора

Таблица 7

С \ R	1 кОм	…	…	10 кОм
0,1 мкФ
…
1 мкФ
	Частота генерации, Гц

RL и RLM - автогенераторы

Заменой С на L в рассмотренных выше четырехполюсниках можно получить частотно-зависимые RL-четырехполюсники. В таких четырехполюсниках квазирезонансная частота пропорциональна R/L. Основные схемы частотно-зависимых четырехполюсников, используемых для построения RL-генераторов, представлены на рис. 20-21, RLM-генераторов -на рис. 22. Существуют и другие RL- и RLM-цепи.

Рис. 20. Трехзвенные цепи со сдвигом фазы 180⁰ (по напряжению)

Рис. 21. Г-образные цепи со сдвигом фазы 0⁰ (по напряжению и по току)

Рис. 22. Трансформаторные цепи со сдвигом фазы 0⁰ или 180⁰ (по напряжению и по току)