Герасимов В.Г. (ред). - Электрические измерения и основы электроники (1998) (529641), страница 33
Текст из файла (страница 33)
По способу возбуждения различают генераторы с независимым внешним возбуждением и с самовозбужденивм Последний вид генераторов называют автогвнераторами. ГенератоРы с независимым внешним возбуждением являются, по существу, усилителями мощности с соответствующим частотным диапазоном, на вход которых подаются электрические сигналы от автогенераторов. Такие усилители были рассмотрены ранее, и в этой главе они не изучаются. Электронные генераторы гармонических колебаний могут работать в любом из режимов А, В или С, но обычно в них используется Режим С ввиду возможности получения наибольшего КПД.
В различных устройствах промышленной электроники, измеритель"ой и микропроцессорной техники часто требуется электрические сиг"алы по форме кривой резко отличающиеся от синусоиды: прямоугольные, пилообразные, треугольные и т.д. Такие сигналы можно получить от генераторов, называемых импульсными или релаксаиионныНаиболее часто применяются мультивибраторы — генераторы Рямоугольных импульсов, генераторы линейно изменяющихся наЛРя~кений (ГЛИН) и ряд других.
177 4.2. УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ АВТОГЕНЕРАТОРОВ На рис. 4.1. приведена структурная схема автогенератора, котор„ состоит из усилителя с коэффициентом усиления К и звена положи. тельной обратной связи с коэффициентом обратной связи ~. Коэффи. циенты усиления усилителя и обратной связи являются комплексиьь ми числами, зависящими от частоты. В качестве усилителя в автоге. нераторах могут применяться различные усилители: на транзисторах интегральных микро-схемах и др. Звеном обратной связи являютс„ частотно-зависимые цепи: ЛС- контуры и АС- четырехполюсники.
Если считать, что напряжения и,„и и „,„близки к синусоидальным то стационарный устойчивый режим в автогенераторе, при котором ампли. туды ('вх и Г „,„имеют неизменные значения, будет возможен только при выполнении условия, называемого условием самовозбуждения К)3 =1; (4 1) это равенство следует из соотношений (2вх = Д ('вмх, У „„=К б'„, следовательно, ~ вмх Й К ('вых ' (4.2) Выражение (4.1) можно представить в виде К е~'Р р' и~в' =1, (4.3) (4.4) К)3 =1, (4.5) ~р + ~р = 2пп, где п=0,1,2 или Ч = Ч'+ 2ял. Рис 4.1. Структурная схема автоге нератора 178 где К и 13 — модули коэффициентов усиления и передачи соответственно усилителя и звена обратной связи; у и у — аргументы этих коэффициентов. Равенство (43) выполняется при следующих условиях: Равенство (44)называется условием баланса ампли„уд,аравенство(4.5) — условием баланса фаз.Условие баланса фаз означает, что в стационарном режиме сумма фазовых сдвигов выходных напряжений усилителя и звена обратной связи в автогенераторе равна нулю или целому числу 2к, что свидетельствует р наличии в рассматриваемом устройстве положительной обратной связи.
Условие баланса амплитуд соответствуеттому, что потери энергии в автогенераторе восполняются звеном положительной обратной связи от источника питания автогенератора Для получения стационарных устойчивых колебаний в автогенераторе условие (4.4) должно удовлетворять соотношению К13> 1. (4 б) Вопрос 4.1. В усилителе с коэффициентом усиления К = 110 имеется цепь положительной обратной связи с коэффициентом 1) = 0,01. Возникнут ли в устройстве незатухающие колебания? Варианты отыета: 4.1.1.
Не возникнут. 4.1.2. Возникнут. 4.1.3. Незатухающие колебания будут срываться. 4.3. АВТОГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИИ Автогенераторы синусоидальных колебаний по виду элементов, входящих в звенья обратной связи, подразделяются на автогенераторы ЕХ- типа (высокочастотные) и автогенераторы АГ-типа ( низкочастотные) Автогенераторы ЕС-типа. Принцип действия автогенератора Ег. -типа рассмотрим на примере устройства, схема которого изображена на рис. 4.2,а.
В этом автогенераторе усилитель собран на биполярном транзисторе УТ и включен по схеме с общим эмиттером. Звеном обратной связи является резонансный контур ЕБг.Б, включенный в базовую цепь транзистора. Катушка резонансного контура ЕБ индуктивно связана с катушкой Ек, включенной в коллекторную цепь транзистора. В свою очередь братушка Ек индуктивно связана с Ев, с которой снимается выходное напряжение. Первоначально колебания в автогеиераторе возникают или из-за флуктуаций тока в транзисторе, колебательном контуре или при подаче напряжения питания. По этим причинам появляются слабые колебания с частотой о0 = 1/~Т~С'~, которые в отсутствие положительной обратной связи должны были бы прекратиться из-за потерь энергии в контуре.
Но при наличии положительной обратной связи этого не проис"одит. Действительно, появившееся на контуре напряжение иь усиливает- еЯ тРанзистоРом. Эти колебаниЯ чеРез катУшкУ Ек, индУктивно свЯзан"Ую с катушкой ЕБ, вновь возвращаются в колебательный контур. Размах 179 колебаний быстро нарастает (см. рис. 4.2,6), что соответствует условию К р >1 По мере роста амплитуды напряжения в цепи базы транзистора из-за нелинейности амплитудной характеристики (участок ад на рис. 4.2,в) коэффициент усиления начинает уменьшаться и произведение К р становится равным единице.
При этом появляются колебания с постоянной и автоматически поддерживаемой на требуемом уровне амплитудой, что соответствует установившемуся стационарному режиму автоколебаний. Условие баланса амплитуд в автогенераторе сводится к тому. что на резонансной частоте ао потери энергии в контуре компенсируются энергией, вносимой в колебательный контур источником питания Е, через катушку Е.к. Отметим, что баланс амплитуд обусловливает неизменную амплитуду стационарных колебаний. Условие баланса фаз в рассматриваемом автогенераторе осуществляется при сдвиге фаз выходного напряжения усилителя и звена обратной связи на 180', что видно из (4.5): д =-у.
Практически это условие выполняется соответствующей намоткой индуктивных катушек Ек н ЛБ (направления намотки витков катушек резонансного контура и коллекторной цепи должны быть противоположными). Так же как и баланс амплитуд, баланс фаз поддерживается в автогенераторе автоматически.
Каждый из сдвигов фаз в условии (4.5) зависит от частоты по-разному, но для появления колебаний существует только одна частота, на которой выполняется условие баланса фаз, равная резонансной частоте контура Таким образом, условие баланса фаз определяет частоту генерируемых колебаний. +Е "ь Ив У вмх вх Рис 4.2 Автогенератор ~.С-типа и — схема, б — возникновение колеба. ний в автогенераторе, в — амплитудная характеристика усилителя 180 Если условия самовозбуждения выполняются не только для одной частоты, а для нескольких частот или какой-то полосы частот, то появляются колебания сложной формы ( в том числе прямоугольной), костоящей из нескольких гармонических или большого числа гармоник.
Высокими техническими показателями обладают ЕС-автогенераторы, в которых в качестве усилителей используются операционные усилители (ОУ). В связи с очень высоким коэффициентом усиления 0У кроме положительной обратной связи, где используется г.С-контур, вводится достаточно глубокая отрицательная обратная связь, что существенно повышает стабильность работы автогенератора. Принципиальная схема такого автогенератора на ОУ изображена на рис.4.3.
Резисторы Я1, К2 и Я, образуют цепь отрицательной обратной связи. Резонансный ЛС-контур и резистор Яз включены в звено с положительной ОС. Для стабилизации амплитуды выходного напряжения в звене отрицательной обратной связи используют терморезистор Аг, При увеличении, например, выходного напряжения автогенератора по какой- либо причине ток через терморезистор А, возрастает, а его сопротивление уменьшается. В результате коэффициент усиления усилителя уменьшается. Переменный резистор А~ необходим для точной регулировки выполнения условия баланса амплитуд.
Задача 4.1. Определить сопротивление резистора А1, при котором в автогенераторе СС-типа на ОУ (см,рис.4.3) возникнут незатухающие автоколебания, если Аз=100 кОм, а Я~+ А, =150 кОм, сопротивление резонансного контура на частоте~о Лр 1 кОм. Р е ш е н и е: 1. Определим коэффициент положительной обратной связи р на резонансной частоте/~ . 1.
1Π— ООО99 Кз+ Крез (100 + 1) 1ОЗ Р Р рве 4 3 Схема автогенератора ~С-гила на операционном усилителе 181 2. Рассчитаем коэффициент усиления усилителя в автогенераторе К~,, „исходя из условия баланса амплитуд Кг~, С=1~!3 = 101. Для выполнения условия Кр >1 примем К~ =102. 3. Определим сопротивление резистора А! в неинвертирующем усилителе: А АЗ~ А~ !50.!О ! 49 кОм. Ьо с Задача 4.2.* Определить сопротивление Аз в автогенераторе (см.рис.4.3), если сопротивление резонансного контура А „на часто- теДо и параметры звеньев обратной связи заданы в таблице.
Задача 4.3. Определить К~„, неинвертирующего усилителя в автогенсраторе (рис.4.3), если А „=1,8 кОм, Аз — — 150 кОм. Ответ Кг,, =84,3. Автогенераторы АС-типа. Для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (от нескольких сотен килогерц до долей герц) применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратных связей используются АС-четырехполюсники. Такие автогенераторы получили название автогенераторов АС-типа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
