Баланс фаз для генератора

Структурная схема автогенератора. Баланс амплитуд, баланс фаз.

Генераторы электрических сигналов — это устройства, которые преобразуют электрическую энергию постоянного тока в энергию электрических сигналов той или иной формы. Названия генераторам дают в соответствии с формой сигнала, который они вырабатывают, например:

1. Генераторы гармонических колебаний

2. Генераторы импульсов прямоугольной формы

3. Генераторы сигналов специальной формы (треугольной, пилообразной, трапециидальной и т.д.).

В зависимости от способов создания сигналов генераторы подразделяют:

А) Генераторы с самовозбуждением, их называют автогенераторы. Это устройства которые автономно преобразуют энергии источника питания в энергию сигналов требуемой формы.

Б) Генераторы с внешним возбуждением, это, фактически, усилитель мощности.

В зависимости от элементов, определяющих частоту автогенератора, генераторы бывают:

3. кварцевые генераторы (высокая стабильность частоты).

По принципу построения автогенераторы подразделяются:

1. С внешней обратной связью.

2. С внутренней обратной связью.

Структурная схема автогенератора. Баланс амплитуд, баланс фаз.

Генератор с внешней обратной связью представляет собой нелинейный усилитель, охваченный положительной обратной связью. Основными элементами генератора являются:

1. Источник питания.

2. Нелинейный усилитель.

3. Цепь обратной связи.

Коэффициент усилителя, охваченный обратной связью, определяется выражением:

где K(jω) комплексная функция коэффициента передачи усилителя без обратной связи,
β(jω) комплексная функция коэффициента передачи цепи обратной связи, a – амплитуда сигнала.

Для того чтобы усилитель превратился в генератор, необходимо чтобы:

Учитывая, что K(jω,а)= K(ω,а) ,β(jω)= β(ω) . Получим, условие стационарных автоколебаний, т.е. автоколебаний с постоянной амплитудой:

Последнее соотношение разбивается на два:

Обычно, цепь положительной ОС состоит из пассивных элементов, поэтому β(ω)<1, а потому баланс амплитуд означает, что для стационарных автоколебаний энергия (амплитуда), теряемая в цепи обратной связи должна восстанавливаться усилителем. Только в этом случае в генераторе возможны колебания с постоянной (стационарной) амплитудой аст.

Баланс фаз означает, что для того, чтобы устройство было генератором необходима положительная обратная связь.

Важным этапом работы автогенератора является этап его самовозбуждения. На этом этапе амплитуда а возрастает от 0 до своего стационарного значения аст т.е. 0<а< аст

Условие самовозбуждения имеет следующий вид:

Его можно разбить на два:

Первое из них означает, что на этапе самовозбуждения энергия создаваемая усилителем должна превышать энергию, теряемую в цепи обратной связи. За счет этого и происходит возрастание амплитуды автоколебания.

По мере роста амплитуды коэффициент усиления нелинейного усилителя K(ω,а) уменьшается и при некотором значении а= аст условие самовозбуждения автоматически переходит в условие стационарных автоколебаний.

Если баланс амплитуд и баланс фаз выполняются на одной частоте, то в генераторе возникает одночастотные, т.е. гармонические по форме колебания. Если баланс амплитуд и баланс фаз выполняются одновременно на многих частотах, то в генераторе возникают колебания с разными частотами. Форма таких сигналов отличается от гармонических.

Генераторы прямоугольной формы иногда называют мультивибраторами. Это означает, что прямоугольные сигналы состоят из бесконечно большого числа гармонических колебаний.

Баланс амплитуд. Баланс фаз. Модуляция частоты в автогенераторе.

Возбуждение колебаний в RC генераторах обусловлено наличием в них обратной связи. При анализе ОС, проведенном в разделе 7, рассматривались “крайние точки”, в которых обратную связь можно было охарактеризовать либо как отрицательную, либо как положительную. Не учитывалось, что коэффициент усиления усилителя и коэффициент передачи цепи обратной связи в общем случае являются величинами комплексными, т.е.

где Kус и g – модули коэффициента усиления используемого усилителя и коэффициента передачи цепи ОС,

j к и j g – фазовый сдвиг сигнала при прохождении через усилитель цепь ОС.

Поэтому коэффициент усиления схемы с ОС (генератора) должен быть представлен в виде:

Самовозбуждение схемы произойдет, когда коэффициент усиления Kг будет стремиться к бесконечности, т.е. когда знаменатель последнего выражения стремится к нулю:

Последнее равенство будет иметь место только при выполнении двух условий: нулю должны быть равны как мнимая, так и действительная его части. Так как ни Kус ни g не равны нулю, то выполнение условий может быть реализовано только за счет элементов выражения, содержащих фазовые сдвиги.

Первое условие можно получить, приравняв нулю мнимую часть. Мнимая часть равенства (3) может быть равна нулю, когда sin(j K + j g ) = , что возможно при условии:

j K + j b = n p . (4)

где n – любое целое число.

Приравняв нулю действительную часть равенства (3), получаем:

При значениях суммарного фазового сдвига, соответствующего (4), соs(j K + j g )может принимать значения либо минус, либо плюс 1. В первом случае нарушается выполнение равенства (5), во втором – может быть выполнено, если

K g = 1.(6)

Баланс амплитуд — есть условие, соответствующее формуле (6), то есть равенство единице произведения коэффициента усиления и коэффициента обратной связи.

Как показано выше, для его выполнения необходимо получить такие фазовые сдвиги, при которых их синус был равен нулю, а косинус – плюс 1. Это возможно при четном числе n, т.е.

j K + j b = 2π n , (7)

Условие, соответствующее (7), носит название

баланс фаз — условие совпадения фаз на входе и выходе каскада усиления, обесечивающее самовозбуждение и стабильность фазы и частоты на выходе усилителя с введенной положительной обратной связью. Условие баланса амплитуд показывает, что для существования автоколебательного процесса ослабление сигнала, вносимое цепью обратной связи, должно компенсироваться усилителем.

Частотная модуляция в автогенераторе

В автогенераторах, работающих на частотах не выше нескольких десятков мегагерц, часто используют метод изменения частоты, основанный на непосредственном управлении резонансной частотой колебательной цепи автогенератора путем электронного управления емкостью или индуктивностью контура. В этом случае говорят о частотной модуляции прямого действия.

Широко распространенным способом электронного управления резонансной частотой контура является подключение к контуру варикапа – полупроводникового диода, емкость которого зависит от приложенного к нему напряжения, или специальной электронной схемы, представляющей собой эквивалентную емкость или индуктивность (“реактивный каскад”).

Рассмотрим случай управления частотой с помощью изменяемой емкости. Тогда при заданных значениях средней (несущей) частоты и частотного отклонения требуемое изменение емкости нетрудно найти с помощью очевидных соотношений:

Ясно, что при этом имеет место нелинейная зависимость отклонения частоты от изменения емкости. Однако в ряде применений ЧМ относительное изменение частоты весьма невелико, те. . Тогда можно записать для относительного изменения частоты следующее приближенное линейное соотношение:

Таким образом, при малых относительных изменениях можно получить линейную частотную модуляцию, если емкость менять по закону низкочастотного сигнала.

На рис.1,а изображена упрощенная схема автогенератора с ЧМ при помощи варикапа, а на рис.1,б – схема замещения его колебательной цепи.

а) б)

Конденсатор Ср преграждает путь в контур постоянному току от источника ЕД ,используемого для установления рабочей точки на вольт-фарадной характеристике варикапа. Кроме того, этот конденсатор устраняет короткое замыкание источника модулирующего сигнала на относительно небольшую индуктивность контура. Блокировочный дроссель Lдр преграждает путь высокочастотному току от автогенератора в источник модулирующего сигнала. На схеме замещения через СД обозначена средняя емкость варикапа, а через – вариация емкости. Сопротивление перехода диода обозначено R ,а объемное сопротивление толщи полупроводника – r. Недостатком варикапа как элемента частотного модулятора является зависимость его сопротивления R от амплитуды внешнего напряжения, что может привести к паразитной амплитудной модуляции сигнала.

Читайте также  Активировать автокад 2011 генератор ключей

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

3.3. Стационарный режим автогенератора

После самовозбуждения автогенератора колебания на его выходе с течением времени быстро возрастают. Как только амплитуда этих ко­лебаний превысит 0,1 В из-за нелинейности ВАХ диодов или транзи­сторов рост амплитуды колебаний в автогенераторе вначале замедляется, а затем, как показывает практика, прекращается. Наступает стационарный (установившийся) режим работы автогенератора. В этом случае автогенератор будет преобразовывать в энергию колеба­ний максимально возможную часть энергии источника питания.

Уста­новившийся режим – основной режим работы автогенератора. В ста­ционарном режиме автогенератор характеризуется двумя основными параметрами: частотой и амплитудой колебаний.

Уравнение стационарности ав­тогенератора:

Представляя все составляющие в формуле (3.6) в показательной форме:

из равенства для комплексных величин получим два равенства для вещественных величин:

уравнение баланса амплитуд:

Кb = 1, (3.7)

уравнение баланса фаз

jОС +jК = 0 ± 2pn, (3.8)

где n = 1, 2, …

Из уравнения баланса амплитуд (3.7) следует, что в стационарном состоянии автогенератора во сколько раз усилитель усилит амплитуду сигнала, во столько раз цепь обратной связи уменьшит эту амплитуду. При самовозбуждении произведение Кb >> 1 из-за большого коэффициента усиления усилителя. При воз­растании амплитуды колебаний транзисторы усилителя входят в не­линейный режим работы. В течение некоторой части периода в этом режиме транзистор практически закрыт и не усиливает сигнал. Поэтому с ростом амплитуды колебаний в автогенераторе коэффициент усиления усилителя при UУС > 0,1 В уменьшается (рис. 3.9).

Коэффициент передачи цепи обратной связи от амплитуды коле­баний, как правило, не зависит, так как эта цепь выполняется с ис­пользованием пассивных элементов: резис­торов, катушек и конденса­торов. При прямой обратной связи (рис. 3.9), соответствующей постоянной величине 1/b точка А определяет баланс амплитуд. В этой точке имеем Кb = 1. Амплитуда колебаний UCT на входе усилители, соответствующая этой точке, равна стационарной установившейся амплитуде колебаний на входе автогенератора.

Из анализа уравнения баланса фаз (см. 3.8) следует, что в автогенераторе устанавливаются такие колебания, у которых фазовый сдвиг, внесенный усилителем, компенсируется фазовым сдвигом, внесенным цепью обратной связи.

Для генерации последовательности прямоугольных импульсов используется автоколебательный мультивибратор (рис. 3.10). Мультивибратор состоит из двух одинаковых каска­дов – усилителей с общим эмиттером. Сигналы с коллекторов этих каскадов через разделительные конденсаторы С1 и С2 поступают на базы транзисторов.

Сигнал с выхода каждого из каскадов усиливается в другом каска­де и снова поступает на вход первого каскада, т.е. каждый каскад явля­ется для другого цепью обратной связи. Так как усилитель с общим эмиттером изменяет фазу усиливаемого сигнала на 180°, то с учетом того, что в цепи ОС (таком же усилителе) фаза тоже изменяется на 180°, получим нулевой результирующий фазовый сдвиг.

Такой баланс фаз осуществляется в широком диапазоне частот, равном примерно полосе пропускания резистивного усилителя. Боль­шое число генерируемых гармоник в сумме образуют периодическую последовательность импульсов, и в этом случае удобно анализ работы мультивибратора проводить во временной области (рис. 3.11).

Предположим, что в начальный момент времени транзистор V1 в схеме мультивибратора (рис. 3.11) открыт, а транзистор V2 – закрыт. Конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R2. Напряжение на базе второго транзистора V2 будет возрастать. Когда оно достигает напряжения отпирания транзистора, в схеме происходит лавинообразное изменение состояний транзисторов: транзистор V2 открывается, транзистор V1 закрывается, так как к базе V1 будет приложено закрывающее напряжение,

RC автогенераторы

Основным достоинством RC автогенераторов является возможность генерирования стабильных низкочастотных колебаний (до 20 кГц). Недостатком таких генераторов является не экономичность по сравнению с LC автогенераторами, т. к. RC автогенераторы работают в мягком режиме самовозбуждения.

В RC автогенераторах для построения избирательной цепи используются RC фильтры В рассматриваемом автогенераторе цепь положительной обратной связи строится последовательным включением нескольких RC фильтров.

Рассмотрим процессы, происходящие в RC фильтре представленном на рисунке 16, а. Для наглядности, пояснение будем пояснять с помощью векторной диаграммы (рисунок 16, б). При подаче на вход напряжения Uвх в цепи протекает ток i. Этот ток создает падение напряжение на конденсаторе UС и резисторе UR. Напряжение UR одновременно является выходным напряжением Uвых. Напряжение Uвых совпадает по фазе с током i, а напряжение UC сдвинуто относительно Uвых на 90°. Напряжение на входе цепи равно геометрической сумме векторов Uвых и UС и соответствует вектору Uвх. Вектора Uвх и Uвых сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол j.

Рисунок 16 — Принципиальная электрическая схема RC фильтра и векторная диаграмма поясняющая процессы происходящие в нем.

Угол j можно увеличивать, уменьшая емкость конденсатора. Как видно из диаграммы j<90°. Поэтому для выполнения баланса фаз необходимо последовательное включение нескольких фильтров. При этом главным условием является равенство сдвига фаз каждым из фильтров, в противном случае каждый из фильтров будет иметь свою резонансную частоту, отличную от других фильтров и колебания будут отсутствовать. На практике используют последовательное включение трех фазосдвигающих звеньев, каждое из которых дает сдвиг фазы 60°, или четырех звеньев, каждое из которых дает сдвиг фазы 45°. На рисунке 17 приведены две возможные трехзвенные фазосдвигающие цепи. Временные диаграммы напряжений на выходе каждого звена этих цепей приведены на рисунке 18.

Рисунок 17 — Принципиальные электрические схемы трехзвенных фазосдвигающих цепей

Частота генерируемых колебаний при использовании этих схем определяется выражениями:

для схемы приведенной на рисунке 17, а

Рисунок 18 — Временные диаграммы напряжений на выходе звеньев фазосдвигающей цепи

для схемы приведенной на рисунке 17, б

Таким образом, фильтры в рассматриваемом генераторе выполняют сразу несколько функций: определяют частоту генерируемых колебаний, определяют форму колебаний и участвуют в выполнении баланса фаз.

Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с согласующим каскадом и фазосдвигающей цепью представлена на рисунке 19.

В этом генераторе усилительный каскад собран на транзисторе VT1. Нагрузкой усилителя является резистор R3. Трехзвенная фазосдвигающая цепь состоит из элементов C4 C5 C6 и R4 R5 R6. Для согласования низкого входного сопротивления транзистора VT1 с сопротивлением фазосдвигающей цепи используется согласующий каскад ? эмиттерный повторитель. Данный каскад собран на транзисторе VT2 включенный по схеме с общим коллектором. При отсутствии этого каскада низкое входное сопротивление VT1 будет шунтировать цепь обратной связи и значительно уменьшать коэффициент обратной связи, а это

Рисунок 19 — Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с согласующим каскадом и фазосдвигающей цепью

приведет к несоблюдению условия баланса амплитуд. Нагрузкой эмиттерного повторителя служит резистор R9. Напряжение смещение на транзисторы подаются делителями напряжения R1 R2 и R7 R8. Элементы С1 R10 являются фильтром питания. С2 С3 С7 являются разделительными конденсаторами. Коэффициент обратной связи такого генератора равен 1/29, поэтому для выполнения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя должен быть Кус?29.

Читайте также  Автоматическое переключение генератор сеть

RC автогенератор с фазобалансной цепью

В генераторах с четным числом усилительных каскадов нет необходимости использовать в цепи положительной обратной связи фазосдвигающие цепи. Для выделения колебаний требуемой частоты в выходном напряжении таких генераторов, в цепь обратной связи включают четырехполюсник, обладающий частотно-избирательными свойствами (фазобалансную цепь). Принципиальная электрическая схема такого четырехполюсника представлена на рисунке 20.

Для генерирования колебаний необходимо, чтобы данный четырехполюсник не вносил сдвига фаз между входным напряжением Uвх и выходным напряжением Uвых, т. е. jвх должна быть равна jвых. Частота, на которой jвх=jвыхопределяется по выражению

Рисунок 20 — Принципиальная электрическая схема частотно-избирательного четырехполюсника

Удобно выбирать R1=R2=R, C1=C2=C тогда выражение 26 примет вид

На всех остальных частотах будет происходить сдвиг фазы, а значит на этих частотах не будет выполняться условие баланса фаз и колебания с этими частотами будут отсутствовать.

Коэффициент обратной связи в этом случае будет равен 1/3, а следовательно, для выполнения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя автогенератора должен быть не менее 3.

Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с фазобалансной цепью представлена на рисунке 21.

Рисунок 21 — Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с фазобалансной цепью

В этом генераторе усилитель собран на двух усилительных каскадах собранных на транзисторах VT1 и VT2. Нагрузкой этих каскадов являются резисторы R3 и R5. Напряжение смещения на транзисторы подается фиксированным током базы через резисторы R2 и R4. Элементы С1 R1 C2 R2 образуют фазобалансную цепь в цепи положительной обратной связи. Элементы С4 С5 являются разделительными конденсаторами. R6 С3 элементы фильтра питания. Условие баланса амплитуд в этой схеме выполняется за счет двух усилительных каскадов, с помощью которых легко достигается коэффициент усиления равный 3. Баланс фаз достигается включением двух транзисторов по схеме с общим эмиттером (суммарный сдвиг фаз в этом случае 180°+180°=360°).

RC автогенератор с мостом Вина

Достоинством этого генератора является возможность изменения частоты генерируемых колебаний. Принципиальная электрическая схема этого генератора представлена на рисунке 22.

Рисунок 22 — Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с мостом Вина

В этом генераторе усилитель также имеет два усилительных каскада собранные на транзисторах VT1 и VT2. Нагрузкой этих каскадов являются резисторы R4 и R9. Напряжение смещения на резисторы поступает через делители напряжения R2 R3 и R7 R8.

Выходное напряжение поступает на вход усилителя через фазобалансную цепь C1 R1 C2 R3, которая является одним из плеч моста Вина, второе плечо образовано элементами R6 R5. Вторая ветвь соединена с выходом усилителя через конденсатор С5 большой емкости, благодаря чему цепь R5 R6 не создает заметного сдвига фаз. Наряду с положительной обратной связью, вводится отрицательная обратная связь образованная элементами R5 R10 C5 R6. Отрицательная обратная связь, снижая коэффициент усиления, существенно снижает нелинейные искажения генерируемых колебаний. Снижение коэффициента усиления не приводит к нарушению баланса амплитуд т. к. реальный двухкаскадный усилитель имеет коэффициент усиления намного больше 3. Кроме того элементы R5 R10, обеспечивают температурную стабилизацию рабочей точки транзисторов. Регулировка частоты генерируемых колебаний в рассматриваемом генераторе осуществляется одновременной регулировкой сопротивлений резисторов R1 R3, однако, может осуществляться и одновременной регулировкой емкостей конденсаторов C1 C2.

Электронные генераторы. Генераторы гармонических колебаний.

Генератор сигналов — это устройство, позволяющее производить сигнал определённой природы (электрический, акустический и т. д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.).

Электронные генераторы применяются в радиовещании, медицине, радиолокации, входят в состав аналого-цифровых преобразователей, микропроцессорных систем и т. д.

Ни одна электронная система не обходится без внутренних или внешних генераторов, задающих темп ее работы. Основные требования к генераторам – стабильность частоты колебаний и возможность снятия с них сигналов для дальнейшего использования.

Классификация электронных генераторов:

1) по форме выходных сигналов:

— сигналов прямоугольной формы (мультивибраторы);

— сигналов линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) или их еще называют генераторами пилообразного напряжения;

— сигналов специальной формы.

2) по частоте генерируемых колебаний (условно):

— низкой частоты (до 100 кГц);

— высокой частоты (свыше 100 кГц).

3) по способу возбуждения:

— с независимым (внешним) возбуждением;

— с самовозбуждением (автогенераторы).

Генераторы гармонических колебаний.

Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение при отсутствии входных сигналов. В схемах генераторов всегда используется положительная обратная связь.

Колебания называются свободными (или собственными), если они совершаются за счет первоначально совершенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на колебательную систему (систему, совершающую колебания). Простейшим типом колебаний являются гармонические колебания — колебания, при которых колеблющаяся величина изменятся со временем по закону синуса (косинуса).

Генераторы являются составной частью многих измерительных приборов и важнейшими блоками автоматических систем.

Различают аналоговые и цифровые генераторы. Для аналоговых генераторов гармонических колебаний важной проблемой является автоматическая стабилизация амплитуды выходного напряжения. Если в схеме не предусмотрены устройства автоматической стабилизации, устойчивая работа генератора окажется невозможной. В этом случае после возникновения колебаний амплитуда выходного напряжения начнет постоянно увеличиваться, и это приведет к тому, что активный элемент генератора (например, операционный усилитель) войдет в режим насыщения. В результате напряжение на выходе будет отличаться от гармонического. Схемы автоматической стабилизации амплитуды достаточно сложны.

Структурная схема генератора приведена на рисунке ниже:

ИЭ —источник энергии,

ПОС — цепь положительной об­ратной связи,

ООС — цепь отрицатель-ной обратной свяаи,

ФК — формирова­тель колебаний (LC-контур или фазирующая RС-цепь).

По способу получения колебаний генераторы подразделяют на две группы: генераторы с внешним возбуждением и генераторы с самовозбуждением. Генератором с внешним возбуждением является усилитель мощности, на вход которого подаются электрические сигналы от источника колебаний. Генераторы с самовозбуждением со­держат формирователи колебаний; такие генераторы часто называют автогенераторами.

Схемы LC-генераторов гармонических колебаний.

В генераторах с LC-контурами исполь­зуются индуктивные катушки и конденсаторы с высокой добротностью. Автогенератор — формирователь ко­лебаний — представляет собой один или несколько уси­лительных каскадов с цепями положительной частотно-зависимой обратной связи; схемы обратной связи содер­жат колебательные цепи. Возможны различные вариан­ты включения колебательной цепи относительно электро­дов УЭ: только на входе, только на выходе или одновре­менно в нескольких участках схемы. По способам сое­динения LC -элементов с электродами усилительных элементов различают трансформаторную связь и так называемую трехточечную связь — индуктивную или емкостную. Автогенератор с трансформаторной связью показан на рис. 1.

Рис. 1. Автогенератор-формирователь синусоидальных колебаний с трансформаторной связью.

Колебательный контур, состоящий из катушки Lк и конденсатора С, является коллекторной нагрузкой тран­зистора V1, Индуктивная связь между выходом и входом усилителя обеспечивается катушкой Lб, присоеди­ненной к базе транзистора. Элементы R1, R2, Rэ, Сэ предназначены для обеспечения необходимого режима работы по постоянному току и его термостабилизации.

Благодаря конденсатору С1 обладающему малым со­противлением на частоте генерации, создается цепь для переменной составляющей тока между базой и эмиттером транзистора. Точ­ками обозначены начала обмоток Lб и Lк, поскольку необходимо соблюсти условие баланса фаз. Условие баланса фаз соблю­дается, если приток энергии совершается синхронно с изменением знака напряжения на контуре; например, в каскаде с транзистором, включенным по схеме с ОЭ, фазы входного и выходного сигналов взаимно сдвину­ты на 180° С. Поэтому концы катушки Lб надо подклю­чить так, чтобы входные и выходные колебании совпа­дали по фазе. Условие баланса амплитуд состоит в том, что поте­ри в контуре и нагрузке непрерывно пополняются за счет источника питания.

Читайте также  Автомобильный генератор для матиз

Рис. 1а. Работа автогенератора. Переходные процессы.

Работа антогенератора (Рис. 1а) начинается при включении ис­точника Ек. Начальный импульс тока возбуждает в контуре LкC колебания с частотой , которые могли бы прекратиться из-за тепловых потерь энергии в активном сопротивлении ка­тушки и конденсатора. Но поскольку между катушками Lб и Lк имеется индуктивная связь с коэффициентом взаимоиндукции М, в базовой цепи возникнет переменный ток , совпадающий по фазе с током коллекторной цепи (условие баланса фаз обеспе­чивается рациональным включением концов обмотки Lб). Усилен­ные колебания передаются из контура снова в базовую цепь, и раз­мах колебаний постепенно нарастает, достигая заданного значения.

Схемы RC-генераторов гармонических колебаний.

RC-автогенераторы используются для генерирования колебаний инфранизкой и низкой частоты (от долей герца до нескольких десятков килогерц); RС-генераторы могут вырабатывать колебания и более высоких частот, однако низкочастотные колебания отличаются более высокой стабильностью.

Рис. 3. Автогенераторы синусоидальных колебаний с целью из Г-образных RC-звеньев (а) и мостового типа (б).

RC-автогенератор состоит из усилителя (одно- или многокаскадного) и цепи частотно-зависимой обратной связи. Цепи обратной связи выполняются в виде «лестничных» (рис. 3, а) или мостовых (рис. 3, б) RC-схем.

RC-автогенератор с многозвенной RC-цепью обратной связи показан на рис. 3, а. Три последовательно соединенных фазиру­ющих эвена R1C1—R3С3, включенных между выходом и входом усилительного каскада, образуют цепь поло­жительной обратной связи с фильтрующими свойства­ми. Она поддерживает колебательный процесс только на одной определенной частоте; без RC-элементов однокаскадный усилитель имел бы отрицательную обрат­ную связь по напряжению. Условие баланса фаз прояв ляется в том, что каждое из RС-звеньев поворачивает фазу сигнала на угол 60°, а суммарный угол сдвига равен 180°. Условие баланса амплитуд удовлетворяется путем выбора соответствующего коэффициента уси­ления каскада.

Автогенератор с RC-фильтром мостового типа приведен на рис. 3,б. Два плеча моста — звенья R1C1 и R2C2 — подключены к неинвертируюшему входу уси­лителя 2 (цифра внутри треугольника означает число каскадов). Эти звенья образуют цепь ПОС. К инверти­рующему входу того же усилителя присоединена другая диагональ, составленная из нелинейных элемен­тов R3 и r, которая создает цепь ООС. В данной схеме мост обладает избирательным свойством и условие баланса фаз обеспечивается при одной частоте (на ко­торой выходной сигнал моста совпадает по фазе со входным). Регулировка частоты в данном автогенераторе проста и удобна, причем возможна в очень широком диапазоне частот. Ее осуществля­ют изменением либо сопротивлений обоих резисторов, либо емкостей обоих конденсаторов моста.

Общий недостаток всех генераторов — чувствительность генери­руемой частоты к изменению питающих напряжений, температуры, «старению» элементов схемы.

9.2 Условие баланса амплитуд

или – условие баланса амплитуд: в стационарном режиме коэффициент передачи по замкнутому кольцу генератора равен 1.Условие баланса амплитуд выполняется лишь при определенном значении Umвх , т. е. при определенной стационарной амплитуде колебаний Umвых. Из этого условия получаем:.

Если , амплитуда колебаний на выходе АГ нарастает до тех пор, пока вновь не выполнится условие .

При возникновение автоколебаний невозможно, поскольку энергия, поступающая в колебательную систему недостаточна для компенсации потерь.

Условие баланса амплитуд определяет стационарную амплитуду выходных колебаний и наименьший коэффициент передачи ЦОС (критический, ), обеспечивающий самовозбуждение АГ.

9.3 Условие баланса фаз

Это условие определяется выражением ,: в стационарном режиме суммарный угол сдвига фаз при обходе замкнутого кольца автогенератора должен быть равен 0 или целому числу 2.

В цепях автогенератора могут быть следующие сдвиги фаз:

1. Сдвиг фаз на угол , созда­ваемый усилительным элементом (на­пример, транзистором при его включе­нии по схеме с общим эмиттером), меж­ду его входным и выходным напряжениями.

2. Сдвиг фаз на угол , возни­кающий в цепи обратной связи между ее входным и выходным напряжениями.

3. Сдвиг фаз на угол между напря­жением на входе усилительного элемен­та и первой гармоникой его выходного тока. Этот сдвиг возни­кает на очень высоких частотах и при правильном выборе лампы или тран­зистора .

4. Сдвиг фаз на угол между напря­жением и током . Если колебательный контур точно настроен на частоту первой гармоники выходного тока, угол = 0°.

Таким образом, условие баланса фаз можно переписать в следующем виде:

или .

Соотношение означает, что для выполнения условия баланса фаз цепь обратной связи должна изменять фазу подводимого к ней переменного напря­жения на 180°. В большинстве автогенераторов существует лишь одна частота, на кото­рой выполняется условие баланса фаз, т. е. на которой возможно генериро­вание колебаний. Следовательно, условие баланса фаз определяет частоту автоколебаний.

9.4 Режим мягкого самовозбуждения аг

В зависимости от значений постоянных питающих напряжений, подведенных к электродам усилительно­го элемента, и от коэффициента К.с возможны два режима самовозбужде­ния: мягкий и жесткий.

В режиме мягкого самовозбуждения рабо­чую точку А выбирают на линейном участке ВАХ усилительного элемента (рисунок 9.1,а), что обеспечивает начальный режим работы усилительного элемента без отсечки выходного тока. В этих условиях самовозбуждение возникает от самых незначительных изменений входного напряжения, всегда имею­щихся в реальных условиях из-за флук­туации носителей заряда.

Сначала колебания в автогенераторе нарастают относительно быстро. Затем из-за нелинейности ВАХ усилительного элемента рост амплитуды колебаний замедляется, поскольку напряжение на его входе попадает на участки ВАХ со все меньшей статической крутизной, а это приводит к уменьшению средней крутизны Sср и коэффициента передачи К цепи обрат ной связи.

Рисунок 9.1 – Диаграммы, поясняющие режимы самовозбуждения.

Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока коэффициент передачи уменьшится до единицы. В результате в автогенераторе установится стацио­нарный режим, которому соответствует определенная амплитуда выходных ко­лебаний, причем угол отсечки выходно­го тока 0> 90°. Частота этих колебаний очень близка к резонансной частоте колебательной системы. Обратим внимание: если бы усили­тельный элемент имел линейную вольт-амперную характеристику, нарастание амплитуды автоколебаний происходило бы до бесконечности, что физически невозможно. Поэтому в линейной цепи получить устойчивые автоколебания с постоянной амплитудой невозможно.

Из-за нелинейности вольт-амперной характеристики форма выходного тока усилительного элемента получается несинусоидальной. Однако при доста­точно большой добротности (Q=50…200) колебательной системы первая гармо­ника этого тока и, следовательно, на­пряжение на выходе автогенератора представляют собой почти гармоничес­кие колебания.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: