Генераторные схемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский Государственный Текстильный Университет им. А.Н.Косыгина

Курсовая работа по схемотехнике

Москва 2009г.

I. Анализ схемных решений генераторов

Генераторами называются схемы, формирующие переменное напряжение требуемой формы.

рис. 1 Основная блок-схема генератора.

На рис. 1 показана основная блок-схема генератора. Усилитель усиливает входной сигнал в А раз. При этом между выходным и входным напряжениями усилителя возникает паразитный фазовый сдвиг . К выходу усилителя подключены нагрузочное сопротивление и схема частотно-зависимой обратной связи., которая может представлять собой, например, колебательный контур. При этом напряжение, используемое для осуществления обратной связи составляет . Обозначим фазовый сдвиг между напряжениями и символом .

Для того, чтобы определить, будет ли схема с замкнутой обратной связью генерировать переменное напряжение, нагрузим выход схемы обратной связи разомкнутого генератора на резистор с сопротивлением , которое равно входному сопротивлению усилителя и оценим величину выходного напряжения при подаче на вход усилителя переменного напряжения . Условием генерации замкнутой схемы является равенство выходного напряжения схемы обратной связи и входного напряжения усилителя.

Коэффициент петлевого сопротивления должен, таким образом, равняться

g = k A = 1

Из этого соотношения следует два условия:

Чтобы провести подробный анализ зависимостей частоты колебаний и формы выходного напряжения генератора от его параметров, необходимо рассмотреть цепь обратной связи. Для этого в качестве примера приведем схему LC-генератора, изображенную на рис. 2.

рис. 2 Основная схема LC-генератора.

ОУ, включенный по неинвертирующей схеме усиливает входное напряжение в А раз. Так как подобный усилитель имеет низкоомный выход, то параллельный колебательный контур схемы обратной связи подключается к нему через резистор R. Для определения влияния параметров цепи обратной связи на входное напряжение применим для точки 1 схемы первый закон Кирхгофа; при этом получим

Так как , уравнение примет вид

Это дифференциальное уравнение затухающих колебаний. Для краткости введем обозначение

Тогда дифференциальное уравнение примет вид

Это уравнение имеет следующее решение

Различают три характерных случая:

1) т.е. А<1

Амплитуда выходного напряжения падает по экспоненциальному закону. Колебания затухающие.

2) =0, т.е. А=1

Возникают синусоидальные колебания с частотой и постоянной амплитудой.

3) < 0, т.е. А>1.

Амплитуда выходного напряжения возрастает по экспоненциальному закону.

При А=1 возникают синусоидальные колебания с постоянной амплитудой и частотой, равной

При более слабой положительной обратной связи амплитуда колебаний выходного напряжения уменьшается, при глубокой - растет. Самовозбуждение при включении питания возможно лишь при выполнении условия А > 1. при этом амплитуда выходного напряжения будет возрастать, пока усилитель не перегрузится. Из-за перегрузки (насыщения) усилителя величина А будет уменьшаться, пока не станет равной единице. При этом форма выходного сигнала будет отличаться от синусоиды. Если требуется синусоидальное выходное напряжение, необходимо осуществить регулировку коэффициента усиления таким образом, чтобы он стал равным единице, для обеспечения отсутствия перегрузки (насыщения) усилителя. На высоких частотах довольно легко можно реализовать колебательный контур с высокой добротностью. При этом напряжение на колебательном контуре даже при глубоком насыщении усилителя остается практически синусоидальным. Поэтому в схемах высокочастотных генераторов обычно не применяют специальных методов регулирования амплитуды выходного сигнала усилителя, а выходное напряжение снимают непосредственно с колебательного контура.

Синусоидальные RC-генераторы

LC-генераторы почти не используются для получения низкочастотных колебаний, так как при этом требуются большие величины индуктивности и емкости. В этом частном диапазоне преимущественно используются генераторы, частота генерации которых определяется параметрами RC-фильтров.

Генератор Вина-Робинсона

В принципе RC-генератор можно построить по схеме, аналогичной схеме генератора на рис. 2, если заменить колебательный контур пассивным полосовым RC-фильтром.

рис. 3 Зависимость фазового сдвига от частоты.

Максимальная добротность такого фильтра ограничена значением Ѕ. Полученные в таком генераторе синусоидальные колебания имели бы плохую стабильность частоты. Это следует из приведенных на рис. 3 фазово-частотных характеристик различных фильтров. Для пассивного фильтра нижних частот с добротностью Q = 1/3 фазовый сдвиг на частоте, равной половине резонансной, составляет , то генератор, согласно условию баланса фаз , возбудится на частоте, равной половине резонансной частоты фильтра нижних частот. Таким образом, для получения хорошей стабильности частоты требуется наличие схемы обратной связи, фазово- частотная характеристика которой имела в точке перехода через нуль как можно большую крутизну. Таким свойством обладают, например, колебательный контур с высокой добротностью и мост Вина - Робинсона, однако выходное напряжение последнего на резонансной частоте равно нулю, поэтому он не может непосредственно использоваться в схемах генераторов. Для установки в схемы генераторов мост Вина - Робинсона несколько расстраивают, как показано в схеме на рис. 4. величина представляет собой положительное число, значительно меньшее единицы.

рис. 4 Расстроенный мост Вина - Робинсона.

Фаза выходного напряжения расстроенного моста Вина - Робинсона в очень малом диапазоне изменяется от до . Этот диапазон тем уже, чем меньше выбрана величина , поэтому мост Вина - Робинсона сравним с колебательным контуром с высокой добротностью. Преимуществом этой схемы является также и то, что фазовый сдвиг не ограничивается величиной , а увеличивается при большей расстройке частоты вплоть до . Это обусловливает подавление высших гармонических составляющих выходного сигнала. Недостатком схемы моста Вина - Робинсона является то, что ослабление сигнала на резонансной частоте тем сильнее, чем меньше значение . Величина затухания составляет .

Чтобы обеспечить выполнение условия баланса амплитуд, необходимо скомпенсировать это затухание за счет усиления усилителя. На рис. 5 показана схема генератора с мостом Вина - Робинсона. Если усилитель имеет дифференциальный коэффициент усиления , то для выполнения баланса амплитуд необходимо выбрать для величины выбрать значение

Если окажется несколько больше, то амплитуда колебаний начнет нарастать до тех пор, пока усилитель не выйдет в область насыщения. Если величина окажется слишком малой или даже отрицательной, то генератор не возбудится. Однако невозможно подобрать величины сопротивлений и с такой точностью, чтобы обеспечить стабильность амплитуды выходного сигнала, поэтому эти величины необходимо автоматически регулировать в зависимости от амплитуды выходного сигнала. Для этого в схеме на рис. 5 используется полевой транзистор Т. Сопротивление канала полевого транзистора для достаточно малых величин зависит только от величины управляющего напряжения . Часть напряжения подается на резистор . Последовательное соединение сопротивлений и должно дать величину сопротивление равную .

рис. 5 Схема простого генератора с мостом Вина - Робинсона

Генераторы сигналов специальной формы (функциональные генераторы).

рис. 6 Блок-схема функционального генератора.

При формировании низкочастотных синусоидальных колебаний почти всегда необходимо применять цепи стабилизации амплитуды выходного напряжения. Генерация переменного напряжения треугольной формы осуществляется по более простой схеме с помощью интегратора и триггера Шмитта. Используя блок формирования синусоидальной функции, из треугольного напряжения можно получить синусоидальное. Так как этим методом можно одновременно треугольное, прямоугольное и синусоидальное напряжения, работающие по этому принципу генераторы могут быть названы функциональными. Блок - схема такого генератора изображена на рис. 6.

генератор частота напряжение

Простой генератор треугольного и прямоугольного напряжений.

рис. 7 Простой генератор треугольного и прямоугольного сигналов.

Генератор треугольного и прямоугольного напряжений состоит из последовательно включенных интегратора и триггера Шмитта.

Интегратор интегрирует имеющееся на выходе триггера Шмитта постоянное напряжение. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера Шмитта, напряжение на выходе триггера Шмитта скачком меняет свой знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывания триггера Шмитта. Изменяя постоянную интегрирования, можно в широком диапазоне перестраивать частоту формируемого напряжения. Амплитуда треугольного напряжения зависит только от установки уровня срабатывания триггера Шмитта.

где - граница насыщения операционного усилителя ОУ1. период колебаний равен удвоенному времени, которое необходимо интегратору, чтобы его выходное напряжение изменялось от до . Отсюда следует

Таким образом, частота формируемого напряжения не зависит от уровня границы насыщения операционного усилителя.

Если к стабильности амплитуды треугольного напряжения предъявляются большие требования, то простейший триггер Шмитта, выполненный на базе неинвертирующего усилителя, следует заменить одной из прецизионных схем.

Функциональный генератор с управляемой частотой выходного сигнала.

рис. 8 Функциональный генератор с аналоговым коммутатором на ОУ.

В функциональных генераторах модуляцию частоты выходного напряжения можно обеспечить относительно простыми методами. Для этого последовательно с триггером Шмитта включают аналоговый коммутатор.

В зависимости от полярности выходного сигнала триггера Шмитта на вход интегратора поступает напряжение или . При этом скорость нарастания напряжения на выходе интегратора равна

Выходное напряжение триггера Шмитта скачком меняет знак, когда треугольное напряжение достигает значения . Отсюда для частоты колебаний выходного напряжения получим

Таким образом, эта частота пропорциональна входному напряжению . Поэтому такая схема является преобразователем напряжения в частоту. Если величину задавать как

,

то получим линейную частотную модуляцию выходного напряжения.

При необходимости обеспечения высокой стабильности амплитуды и частоты сигнала, вместо триггера Шмитта на базе ОУ3 следует использовать прецизионную схему.

рис. 9 Функциональный генератор с транзисторным аналоговым коммутатором.

Изображенный на рис. 8 аналоговый коммутатор может работать только на относительно невысоких частотах. Для частот свыше 10 кГц лучше использовать транзисторные коммутаторы (рис. 9). В зависимости от состояния триггера Шмитта через транзисторы Т1 и Т2 на вход интегратора подается напряжение или .

В случае, когда , транзисторы работают как насыщенный комплементарный эмитторный повторитель и имеют падение напряжения на открытых переходах всего несколько милливольт.

II . Составление схем моделирования в программе Multisim

Генератор гармонических колебаний с мостом Вина

Генератор колебаний прямоугольной формы

Генератор гармонических пилообразных колебаний

Размещено на Allbest.ru