0. Краткие теоретические сведения

Генераторы гармонических колебаний преобразуют энергию источника постоянного напряжения в энергию источника постоянного напряжения в энергию колебаний синусоидальной формы. Активный элемент принципиально необходим для восполнения потерь энергии в пассивной цепи, которая чаще всего имеет второй порядок. Генераторы могут описываться характеристическим уравнением

α₂S²+ α₁S+ α₀=0, (6.1)

позволяющим найти необходимое условие существования колебаний

α₁≤0 (6.2)

и их частоту

Ω= . (6.3)

Колебания будут устойчивыми, когда амплитудная характеристика активного элемента имеет область насыщения, а если к тому же характеристика не имеет точек перегиба, то в цепи оказываются выполненными условия самовозбуждения. Перечисленным требованиям удовлетворяют характеристики операционных усилителей (ОУ), применяемых в данной работе.

Рисунок 6.1

В работе подлежит настройке и исследованию генератор гармонических колебаний, схема которого приведена на рис. 6.1. У него приближенное (учитываются только слагаемые, содержащие произведение коэффициентов усиления обоих ОУ К_U1, K_U2) характеристическое уравнение (6.1) имеет вид [4]

S²C₁C₂g₄+Sg₃(g₄C₁-g₂C₂)+g₁g₃g₄, (6.4)

а условие (6.2) и частота колебаний (6.3) соответственно будут

α₁=g₃(g₄C₁-g₂C₂)≤0 (6.5)

ƒ₀= /2π, где g_i=1/R_i (6.6)

Выбрав параметры элементов так, чтобы было

g₄C₁=g₂C₂, (6.7)

переведем генератор в режим, близкий к самовозбуждению. Из-за приближенности уравнения (6.4) в коэффициенте α₁ не учтены слагаемые первого и второго порядка малости, начинающие играть существенную роль при выполнении равенства (6.7). поэтому учтем в коэффициенте и малые слагаемые при условии (6.7)

α₁=(1+К_U)g₄(g₁+g₂)+2g₂g₃-(K_U-1)g₁g₃. (6.8)

Если в уравнении (6.8) добиться α₁=0, то выполнится условие самовозбуждения. амплитуда колебаний зависит от уровня сигнала, при котором К_U начнет уменьшаться. Следовательно. выходное напряжение генератора определяется максимальным входным напряжением U_выхm ОУ для линейного режима. Это не всегда удобно. Часто требуется от генератора иметь другое выходное напряжение. Поэтому изменим его схему так, чтобы иметь возможность регулировать выходное напряжение. Для этого в контур обратной связи введем дополнительный нелинейный элемент (рис.6.2), содержащий два диода и резистор R₅. Изменяя средний ток через диоды, меняем среднее сопротивление нелинейного двухполюсника, включенного между точками а и б. Вместе с тем, из-за наличия зоны нечувствительности двухполюсника (рис.6.3,а) через него начинает протекать ток, только к диодам прикладывается напряжение, большее U_отп.

Рисунок 6.2

Отсюда следует, что при определенной амплитуде напряжения генератора к g подключится в параллель еще одна проводимость (g_нэ), увеличивающая в уравнении (6.8) положительное слагаемое, т.е. увеличивающая затухания в цепи. Поскольку цепь инерционна, то только через некоторое время начинается уменьшение выходного напряжения. В эксперименте момент подключения g_нэ определяется по характерному искажению кривой выходного напряжения (рис.6.3,б).

Рисунок 6.3

Исследуемый генератор позволяет осуществлять перестройку частоты колебаний в широких пределах путем изменения [см. уравнение (6.6)] проводимостей g₃ или g₁. Последняя одним выводом подсоединена к общей шине, что обеспечивает простоту организации электронной перестройки.

В работе предлагается исследовать электронную модуляцию (манипуляцию) частоты колебаний. Для этой цели используются задающий мультивибратор и электронный ключ на биполярном транзисторе ТI (рис.6.4).

Последний, шунтируя частотозадающее сопротивление R ”, периодически изменяет частоту колебаний генератора.