Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства являются генераторы. Источник регулярных колебаний необходим в любом периодически действующем измерительном приборе, в устройствах, инициирующих измерения или технологические процессы, и вообще в любом приборе, работа которого связана с периодическими состояниями или периодическими колебаниями.

Генератором электрических колебаний называется устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока требуемой формы. В зависимости от формы выходного напряжения различают:

· генераторы гармонических колебаний,

· генераторы негармонических колебаний:

o импульсные,

o релаксационные.

Не зависимо от формы выходного напряжения любой генератор может работать в одном из двух режимов:

· режим автоколебаний,

· режим запуска внешними импульсами.

Генератор, работающий в режиме автоколебаний, называют автогенератором. Выходное переменное напряжение на его выходе формируется на его выходе сразу после подключения напряжения питания и не требует для начала работы подачи внешнего управляющего воздействия.

Генераторы, работающие в режиме запуска внешними импульсами, после подключения источника питания могут сколь угодно долго находиться в устойчивом состоянии, не формируя выходное переменное напряжение. При подаче управляющего сигнала на вход такого генератора, на его выходе формируется выходной сигнал, параметры которого полностью определяются собственными характеристиками устройства. Такой режим работы часто называют ждущим или заторможенным. Большое распространение получили заторможенные мультивибраторы - одновибраторы.

В соответствии со сказанным, автогенераторный режим работы применяется в устройствах, используемых в основном в качестве задающих генераторов, а ждущий - в устройствах, преобразующих форму импульсов к требуемому виду.

В этой работе разработаем схему автогенератора синусоидальных колебаний со следующими параметрами:

1. Обзор схем

Генератор обычно содержит усилительный элемент и цепь частотно-зависимой положительной обратной связи. На рис. 1 показана структурная схема генератора. Усилитель усиливает входной сигнал в раз. При этом между выходным и входным напряжениями усилителя возникает фазовый сдвиг . К выходу усилителя подключена схема частотно-зависимой обратной связи, которая может представлять собой, например, колебательный контур. При этом напряжение, используемое для осуществления обратной связи, составляет . Фазовый сдвиг, осуществляемый звеном обратной связи , обозначим .

Рис. 5.1. Структурная схема электронного генератора

Условием генерации стационарных колебаний замкнутой схемы является равенство выходного напряжения схемы обратной связи и входного напряжения усилителя. Это условие записывается следующим образом:

.

Коэффициент петлевого усиления должен, таким образом, равняться . Из последнего комплексного соотношения вытекают два вещественных:

,

.

Уравнение (1) называют условием баланса амплитуд, а (2) - условием баланса фаз. Баланс амплитуд означает, что незатухающие колебания в замкнутом контуре могут существовать только тогда, когда усилитель компенсирует потери в схеме обратной связи. Условие баланса фаз означает, что восполнение энергии в системе производится в такт ее собственным колебаниям. Синусоидальные генераторы делятся на - и - типы. -генераторы имеют большую стабильность частоты из-за хороших избирательных свойств -контура. Такие генераторы в основном применяются для получения высокочастотных колебаний, так как на низких частотах требуются большие значения емкостей и индуктивностей. На низких частотах применяются -генераторы, которые из-за незначительной избирательности -цепей генерируют колебания, несколько отличающиеся от синусоидальных. Установившиеся автоколебания в замкнутой цепи возможны только при условии точного равенства единице коэффициента петлевого усиления на частоте генерации . Но для возникновения автоколебаний нужно, чтобы в начале работы коэффициент петлевого усиления был больше 1. После возникновения автоколебаний их амплитуда стабилизируется в конечном счете на таком уровне, при котором за счет нелинейного элемента в петле коэффициент уменьшается до 1. Если не предпринимать специальных мер, то упомянутая нелинейность проявится в амплитудной характеристике ОУ. В этом случае форма автоколебаний может заметно отличаться от синусоиды. Поэтому у автогенераторов с резонансными -цепями (-генераторов) приходится вводить дополнительные цепи автоматического регулирования коэффициента усиления.

2. Генератор на основе схемы Дарлингтона

В качестве усилительного элемента можно использовать как усилители на транзисторах, так и операционные усилители. На рисунке 2 приведена схема цепочечного -генератора с усилителем на составном транзисторе (схема Дарлингтона). Усилитель построен по схеме с ОЭ с -фазовращателем в цепи обратной связи. При построении цепочечных -генераторов в цепи обратной связи используют фазовращающие -цепочки (трехзвенные и выше). Существуют цепочечные -генераторы с цепочкой «-параллель» и с цепочкой «-параллель».

На рисунке 3, а приведена схема трехзвенного -фазовращателя («-параллель»), на рисунке 3, б ?его амплитудно-частотная (АЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики. Поскольку усилительный каскад в схеме с ОЭ изменяет фазу на 180?, то на частоте генерации сдвиг по фазе трехзвенной - цепочки согласно условию (5.1) должен составить 180?. При анализе трехзвенной -цепочки будем считать, что

; . Тогда:

.

Рисунок 2. Генератор синусоидальных колебаний

Чтобы найти круговую частоту , на которой сдвиг фазы цепи обратной связи равен 180, надо приравнять нулю мнимую часть выражения , то есть:

.

Поэтому частота генерации равна:

.

На этой частоте коэффициент обратной связи равен .

Рисунок 3. Схема трехзвенной RC-цепочки (а), ее АЧХ и ФЧХ (б)

Итак, для поддержания колебаний усилитель должен иметь коэффициент усиления не менее 29.

Если генератор построен на одном транзисторе с ОЭ, то низкое входное сопротивление каскада ОЭ шунтирует выход -цепочки, уменьшая коэффициент передачи и фазу цепи обратной связи на заданной частоте. Кроме того, выход каскада с ОЭ шунтируется входом -цепочки. Все это приводит к тому, что требуются коэффициенты усиления схемы с ОЭ45. Для уменьшения влияния входного сопротивления каскада с ОЭ можно включить еще два каскада ОК (на входе и выходе ОЭ), при этом увеличивается входное сопротивление усилителя и уменьшается выходное. Можно также построить усилитель на составных транзисторах (схема Дарлингтона) как на рисунке 2. При этом достигается большой коэффициент усиления, высокое входное сопротивление.

3. Генератор на ОУ с мостом Вина

В настоящее время наиболее широкое применение в качестве усилительного элемента находят интегральные операционные усилители (ОУ). Использование ОУ позволяет построить стабильные генераторы с хорошим воспроизведением формы выходного сигнала. В цепях обратной связи могут быть применены фазосдвигающие -цепочки, резонансные элементы, такие как мост Вина, двойной Т-образный мост. Иногда удобно, особенно на низких и инфранизких частотах, применение так называемых функциональных генераторов. Они включают генератор прямоугольного и треугольного напряжения и блок формирования синусоидального сигнала (например, фильтр нижних частот с полосой пропускания несколько выше частоты требуемого синусоидального сигнала). Кроме того, для формирования синусоидальных колебаний возможно применение прямого цифрового синтеза с использованием цифро-аналоговых преобразователей. Рассмотрим более подробно генератор на ОУ с мостом Вина.

Схема генератора на ОУ с мостом Вина в цепи ПОС приведена на рисунке 4, а. Частотные характеристики моста Вина приведены на рисунке 4, б. Здесь по оси абсцисс отложена относительная частота ?, поэтому на частоте генерации . Фазовый сдвиг при этом . Следовательно, для выполнения условия баланса фаз выход звена обратной связи должен быть подключен к неинвертирующему входу ОУ.

Коэффициент усиления звена на частоте генерации . Для выполнения условия баланса амплитуд ОУ по неинвертирующему входу должен иметь коэффициент усиления , а по инвертирующему ?. Поэтому

.

При строгом выполнении условия (1) и идеальном ОУ (входное сопротивление равно бесконечности, а выходное ? нулю) в схеме на рисунке 4 будут существовать незатухающие колебания с частотой:

.

Однако амплитуда этих колебаний не будет определена. Кроме того, даже самое незначительное уменьшение по сравнению с (3) вызовет затухание колебаний. Напротив, увеличение по сравнению с (3) приведет к нарастанию амплитуды колебаний вплоть до насыщения усилителя и, как следствие, к появлению заметных нелинейных искажений формы кривой выходного напряжения генератора. Эти обстоятельства требуют использования в составе генератора системы автоматического регулирования амплитуды. В простейшем случае для этого в качестве резистора используют нелинейный элемент, например, микромощную лампу накаливания, динамическое сопротивление которой с ростом амплитуды тока увеличивается.

а б

Рисунок 4. RC-генератор на ОУ с мостом Вина в цепи ПОС

4. Генератор на ОУ с автоматическим регулированием усиления

В схеме рисунке 5 в качестве нелинейного резистора применяют переход сток-исток полевого транзистора (ПТ), на затвор которого подают выпрямленное и сглаженное выходное напряжение генератора. В схеме осуществляется автоматическая регулировка усиления (АРУ). Коэффициент передачи ОУ, определяемый цепью отрицательной обратной связи (ООС), зависит от сопротивления сток-исток ПТ. При увеличении амплитуды генерируемого сигнала увеличивается ПТ, повышается сопротивление сток-исток (это, в основном, сопротивление канала ПТ) и, соответственно, увеличивается глубина ООС. Это приводит к стабилизации амплитуды . Такая схема обеспечивает стабилизацию уровня не ниже 0,2%. При определении уточненной величины частоты и амплитуды автоколебаний воспользуемся характеристическим уравнением RC-генератора с учетом входного и выходного сопротивлений ОУ:

где и ? параметры моста Вина.

Рисунок 5. Схема -генератора с АРУ

Условия самовозбуждения и стабильности амплитуды колебаний:

, .

Отсюда получаем:

,

.

Так как ОУ охвачен параллельной ООС по напряжению, то его входное и выходное сопротивление будут иметь значения:

,

,

где ? коэффициент усиления ОУ, охваченного ООС по напряжению.

Из (5.5) видно: чтобы частота колебаний , возникших в генераторе, совпала с собственной частотой квазирезонанса моста Вина , необходимо, чтобы . Откуда:

.

Выбрав ОУ, найдем по формуле (7) значение . Из (5.6) определим необходимое значение коэффициента усиления усилителя в номинальном режиме (оно будет чуть больше 3). Из выражения (4) находим величины емкостей конденсаторов ?.

5. Выбор схемы

Параметры генератора синусоидальных колебаний

Так как генерируемая частота меньше 1 МГц, то в качестве колебательного контура можно взять мост Вина (RC-цепочку), включенный в виде положительной обратной связи. RC-цепочка более технологична и дешева.

Для регулирования коэффициента усиления операционного усилителя применим полевой транзистор, на затвор которого подается выпрямленное и сглаженное напряжение, в качестве нелинейного сопротивления. При увеличении амплитуды генерируемого сигнала увеличивается ПТ, повышается сопротивление сток-исток (это, в основном, сопротивление канала ПТ) и, соответственно, увеличивается глубина ООС. Это приводит к стабилизации амплитуды . Такая схема обеспечивает стабилизацию уровня не ниже 0,2%.

6. Расчет схемы

Выберем операционный усилитель К140УД6

7. Расчет моста Вина

Так как ОУ охвачен параллельной ООС по напряжению, то его входное и выходное сопротивление будут иметь значения:

Ом,

Сопротивления моста Вина найдем по формуле:

Из справочника выбираем R6, R7: С5-16-1-0.68Ом0,5%

В схеме будут существовать незатухающие колебания с частотой:

Из справочника выбираем С2, С3: К50-7-0,24мФ0,5%

Расчет ООС

Выберем R4=10кОм: Р1-4-0,25-10кОм5%.

Обозначим через сопротивление канала (исток-сток) полевого транзистора. Тогда коэффициент усиления ОУ можно найти по формуле:

Минимальный коэффициент усиления () обеспечивается, когда сопротивление максимально ? =5,88 кОм, максимальный ? при =4,35 кОм. Найдем значения минимального и максимального значений сопротивления канала:

Вычитая из , найдем диапазон изменения сопротивления канала:

Зададимся значением и решим уравнение относительно получим R5=8.543 кОм

Выберем R5: Р1-4-0,5-8,2кОм5%.

Выберем полевой транзистор с минимальным внутренним сопротивлением R_imin=14,29 кОм: КП103М. Найдем значение из выражения:

Получим R3=52,802 кОм

Выберем R3: Р1-4-0,25-51кОм5%

В номинальном режиме ():

.

Вычислим сопротивление канала в номинальном режиме:

С другой стороны, это сопротивление можно вычислить по формуле:

.

Зная напряжение отсечки =2 В и =14.29 кОм, находим , где ? напряжение между затвором и истоком в номинальном режиме.

8. Расчет фильтра АРУ

Постоянная времени фильтрующей цепочки должна быть намного больше периода генерируемых колебаний:

Выберем R2: Р1-4-0,25-1МОм5%.

Из справочника выбираем С1: К50-7-3нФ2%

Сопротивление цепочки на частоте генерации равно:

.

Выбираем диод с малым прямым падением напряжения и малым обратным током 2Д103А. Падение напряжения на резисторе :

,

Выберем R1: Р1-4-0,25-1.8кОм5%.

9. Расчет стабильности генерируемой частоты

Рассчитаем отклонения резисторов и конденсаторов моста Вина:

Найдем минимальную частоту

Найдем максимальное отклонение частоты от требуемой:

Заключение

В данной работе была разработана и рассчитана схема генератора синусоидальных колебаний, удовлетворяющая следующим параметрам:

Размещено на Allbest.ru