Лабораторные работы по аналоговой схемотехнике (стр. 6 )

2.4. Трехточечные автогенераторы гармонических колебаний

Рассмотренный ранее автогенератор с колебательным контуром в цепи ПОС называют LC-генератором. В большинстве схем LC-генераторов напряжение ОС снимается с части колебательного контура для сохранения его высокой добротности. Поскольку контур при этом имеет три точки подключения, то схемы LC-генераторов получили название трехточечных.

Упрощенная структурная схема трехточечного автогенератора, построенного на базе ОУ, представлена на рис.5.

Рис.5

В схеме реактивные элементы c комплексными сопротивлениями Z1, Z2, Z3 образуют идеальный (без потерь) колебательный контур. Предполагая, что входное сопротивление ОУ велико по сравнению с импедансами элементов контура, находим, что ток IВХ=UВЫХ/(Z1+Z3). Тогда напряжение на входе ОУ равно UВХ=UВЫХ Z3/(Z1+Z3). Коэффициент передачи по цепи ОС равен β= UВХ/ /UВЫХ= Z3/(Z1+Z3).

На резонансной частоте сопротивление контура чисто активное и равно

Z1+ Z2+ Z3=0.  (13)

Учитывая, что ОУ включен как неинвертирующий усилительный каскад и φК=0,  условие баланса фаз (10) выполняется, если  φβ=2πn. Это  условие можно обеспечить, если Z1 и Z3 одного знака, т. е. одинаковые (либо индуктивности, либо емкости). Для выполнения (13) второй элемент Z2 должен иметь знак, противоположный знаку элементов Z1 и Z3. Отсюда получаются два варианта построения трехточечных генераторов: индуктивная трехточка (генератор Хартли) и емкостная трехточка (генератор Колпитца).

2.5. RC-генераторы

Технические характеристики и показатели LC-генераторов в диапазонах низких частот (НЧ) существенно ухудшаются вследствие резкого возрастания величин индуктивностей и емкостей колебательных контуров и соответствующих им размеров катушек индуктивности и конденсаторов. Поэтому в НЧ-автогенераторах вместо колебательных систем и цепей ПОС используют частотно-избирательные RC-цепи и ОУ.

Напряжение ПОС в RC-генераторах на ОУ можно подавать как на инвертирующий, так и на неинвертирующий входы. В схемах RC-генераторов с неинвертирующим включением ОУ частотно-избирательная цепь ПОС не должна вносить фазового сдвига в выходной сигнал. В RC-генераторах с инвертирующим включением ОУ, наоборот, RC-цепь ПОС на частоте генерации должна сдвигать фазу на угол, кратный φβ=π.

Наибольшее распространение в радиоэлектронике получили автогенераторы с фазосдвигающей RC-цепью и с мостом Вина в цепи обратной связи.

Рассмотрим автогенератор с фазосдвигающей RC-цепью. Такой автогенератор может содержать инвертирующий ОУ и трехзвенную RC-цепь ПОС (рис. 6).

Рис. 6

       Схема  автогенератора состоит из трехзвенной RC-цепи с комплексным коэффициентом передачи

  β(jω)=,

где τ=RC – постоянная времени цепи,  fК = 1/(2πRC) – частота квазирезонанса, на которой фазовый сдвиг равен φβ(2π fК) = π, а β(2π fК) = 1/29. Поскольку ОУ включен как инвертирующий усилительный каскад, то условие баланса фаз будут выполняться на частоте квазирезонанса. Для генерации гармонических колебаний необходимо обеспечить выполнение баланса амплитуд, при котором коэффициент усиления ОУ ⎪K⎪=R2/R1>29. Как видно из приведенных выражений, частота генерации определяется параметрами внешних элементов ОУ. Недостатком RC-генераторов является довольно большое количество элементов в петле ПОС и как следствие трудность перестройки частоты генерации в широких пределах. Поэтому чаще применяют генераторы с неинвертирующим включением ОУ и мостом Вина в цепи ПОС.

RC-генератор с мостом Вина имеет более компактную структуру построения схемы. В цепь ООС такого генератора включен мост Вина (рис.7).

Рис.7

На рис. 7 справа показана частотная и фазовая характеристики моста Вина. Из них видно, что на частоте квазирезонанса  fК = 1/(2πRC) коэффициент передачи цепи ОС равен β(2πfК) =1/3, а фазовый набег – нулю. Значит, самовозбуждение автогенератора возможно при выполнении условия баланса амплитуд ⎪K⎪=1+R2/R1>3. Перестройка частоты такого генератора обычно производится с помощью сдвоенного конденсатора.

3. Контрольные вопросы

1. Поясните принцип работы обобщенного автогенератора с цепью ПОС.

2. Каковы особенности построения и работы автогенератора с колебательным контуром в цепи ПОС  на ОУ?

3. Каковы условия самовозбуждения автогенератора? На какие вопросы дает ответ линейная теория автогенератора?

4. Каким образом обеспечивается баланс амплитуд и фаз в LC-генераторе гармонических колебаний на ОУ?

5. Что такое колебательная характеристика и прямая обратной связи? Как с их помощью определить амплитуду стационарных колебаний и исследовать устойчивость состояний равновесия системы?

6. Что такое “мягкий” и “жесткий” режим самовозбуждения автогенератора?

7. Что такое обобщенная трехточечная схема генератора? Объясните принцип работы индуктивной и емкостной трехточечных схем генераторов. Каким образом в них выполняется условие баланса амплитуд и фаз?

8. Объясните принцип работы RC-генераторов. Каковы характерные особенности RC-генераторов?

9. Какие факторы влияют на частоту генерирования RC-генераторов? Отчего зависит стабильность их работы?

4. Список литературы

1. Нефедов радиоэлектроники/. – М.: Высш. шк., 2000. С.243 – 259.

2. Каяцкас радиоэлектроники/. – М.: Высш. шк., 1988. С. 267–281.

3. Гоноровский цепи и сигналы/. – М.: Сов. радио,1977. С.323–359.

4. Зернов радиотехнических цепей/ , . – М.: Энергия,1972. С.694–713.