9.3. Низкочастотные генераторы

Автогенераторы с применением резонансного контура хорошо работают на высоких частотах. Для низких частот трудно создать колебательный контур с высокой добротностью и приемлемыми габаритами. Поэтому реальные LC-автогенераторы имеют минимальную частоту генерации порядка десятков килогерц. Генерирование более низких частот осуществляется с помощью генераторов на биениях или генераторов с RC-фильтрами в цепи обратной связи.

В генераторах на биениях заданная частота получается как разностная частота двух высокочастотных колебаний, создаваемых маломощными LC-автогенераторами. Один из них работает на фиксированной частоте f₁, а частота f₂ другого может перестраиваться в небольших пределах (от f₁ до f₁-F_MAX, где F_MAX - максимальная частота выходного низкочастотного сигнала). На выходе преобразователя с помощью фильтра низких частот выделяется полезный сигнал низкой частоты F= f₁- f₂. Частоты f₁ и f₂ могут быть существенно большими, чем F, поэтому относительно небольшое изменение частоты f₂ изменяет частоту F в широких пределах, благодаря чему в низкочастотных генераторах на биениях легко получить широкий диапазон перестройки без коммутации элементов колебательных контуров высокочастотных генераторов. Форма выходного низкочастотного напряжения близка к гармонической. Основной недостаток таких генераторов - невысокая стабильность частоты F.

Значительно более простые и удобные RC-генераторы низкочастотных гармонических колебаний. Рассмотрим схему RС-генератора с мостом Вина (рис. 9.4). Если внешний сигнал отсутствует, то напряжение на входе усилителя полностью совпадает с напряжением обратной связи ( ). На средних частотах для данного усилителя коэффициент усиления К представляет собой действительную величину.

Коэффициент обратной связи

(9.10)

и условие самовозбуждения (9.2) приобретает вид

(9.11)

или

. (9.12)

Для выполнения равенства (9.12) и вещественная и мнимая части должны быть равны нулю, т. е.

(9.13)

Отсюда следует, что в рассматриваемой схеме возможны колебания с частотой

(9.14)

причем коэффициент усиления схемы должен удовлетворять условию

. (9.15)

В частном случае если и , то

. (9.16)

Так как колебания в схеме возможны только на одной частоте , то они будут почти гармоническими, если условие амплитуд выполняется при небольшом отклонении от линейности амплитудной характеристики усилитель.

Рис. 9.4. Схема генератора с мостом Вина

При соответствующем подборе элементов схемы (рис 9.4) RС-генератор с мостом Вина позволяет генерировать колебания в широком диапазоне частот - от единиц герц до сотен килогерц. Перестройка частоты осуществляется с помощью одновременного изменения либо С₁ и С₂, либо R₁ и R₂. При этом стабильность частоты и амплитуды выходных колебаний удовлетворительна для многих применений.

Рис. 9.5. Схема генератора с фазосдвигающей цепочкой

Другая распространенная схема RC-генератора - схема с фазосдвигающей цепочкой (рис.9.5). Емкости С и сопротивления R образуют трехзвенную цепочку обратной связи, которая для инвертирующего усилителя положительна только на частоте

. (9.17)

При этом модуль коэффициента обратной связи

. (9.18)

Из равенства (9.18) следует, что для выполнения условия автогенерации коэффициент усиления каскада (К) должен быть не меньше 29.

Отсутствие в схеме RС-генератора избирательных элементов, способных выделить из искаженного сигнала основное гармоническое колебание, требует работы активного элемента (усилителя) в линейном режиме. Поэтому в схемах RС-генераторов стабилизация стационарной амплитуды обычно осуществляется не за счет криволинейности амплитудной характеристики, как это имеет место в LC-генераторах, а с помощью специальных схем регулирования амплитуды.