Исследование принципов функционирования схем автогенераторов

Цель работы

1 Изучить принципы работы автогенераторов.

2 Исследовать работу автогенератора с трехзвенным RC-фильтром.

2 Ознакомиться с работой пакетa MicroCap.

8.1 Теоретические сведения

Электронные генераторы- это устройства, преобразующие электрическую энергию источника постоянного тока (источника питания) в энергию электрических колебаний заданных формы и частоты.

Будем рассматривать автогенераторы синусоидальных колебаний, построенные на основе RC -цепей, которые нашли широкое применение в устройствах электронной автоматики и вычислительной техники.

Возбуждение колебаний в RC - генераторах обусловлено наличием в них обратной связи.

Для возникновения незатухающих колебаний на выходе, то есть, собственно, генерации, в автогенераторе должны быть соблюдены два условия. Первое - условие равенства единице произведения коэффициента усиления и коэффициента обратной связи, называемое балансом амплитуд.

Для его выполнения необходимо получить фазовые сдвиги между сигналом обратной связи и сигналом на входе, кратные 2πn, при четном n. Выполнение этого требования удовлетворяет условию баланса фаз– при котором фазы на входе и выходе каскада усиления должны совпадать.

Условие баланса амплитуд показывает, что для существования автоколебательного процесса ослабление сигнала, вносимое цепью обратной связи, должно компенсироваться усилителем.

Для возбуждения гармонических колебаний необходимо, чтобы условие баланса фаз и условие баланса амплитуд выполнялись только на одной (заданной) частоте. Поэтому в генераторе синусоидальных колебаний необходимо обеспечить частотно-избирательный характер или коэффициента усиления усилителя, или коэффициента передачи цепи обратной связи.

В процессе функционирования генератора можно выделить два этапа: этап возбуждения генератора и этап стационарного режима, что изображено на рис. 8.1.

Рис. 8.1 Процесс установления колебаний в генераторе

RC-генератор с фазосдвигающей цепью показан на рис. 8.2. В качестве цепи обратной связи используется трехзвенная фазосдвигающая RC-цепь. Сопротивления резисторов и емкости конденсаторов выбраны одинаковыми.

Рис.8.2 Автогенератор с RC-фазосдвигающей цепью

Известно, что широкополосный усилитель низкой частоты в пределах полосы пропускания имеет постоянный коэффициент усиления и постоянный фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями. У инвертирующего усилителя на ОУ он равен 180⁰. Для получения на выходе гармонических колебаний нужно создать преимущественные условия только для одной частоты f_г. Для этого необходимо иметь такую частотно-зависимую обратную связь или колебательную систему, чтобы только для этой одной частоты выполнялся бы баланс фаз.

Одна RC-цепочка имеет ФЧХ, меняющуюся от 0 до p/2. Значит, чтобы создать общий фазовый сдвиг 180° придется использовать несколько последовательных RC-цепочек

Так использование трех цепочек с фазовым углом 60° позволяет получить суммарный фазовый угол 180° .

Элементы C и R образуют колебательную систему и положительную обратную связь.

Частота генерации такого автогенератора равна

Условие баланса амплитуд на частоте f_г выполняется, если R₀³12R.

8.2 Проведение компьютерного эксперимента

8.2.1 Запустить программу MicroCap.

8.2.2 Запустить анализ переходных процессов (Transient Analysis). Исследовать фазовые соотношения.

Выбрать пункт меню «Анализ ® Анализ переходных процессов». Установить параметры анализа: выражение по оси Х – время (Т), автомасштабирование включено, верхний диапазон счета 80мс. На первом графике (Р=1) отобразить выходной сигнал ОУ (на рис. 8.3 напряжение узла 4: v(4)), на втором графике (Р=2) отобразить сигнал на инвертирующем входе ОУ (на рис. 8.3 напряжение узла 2: v(2)), и выходной сигнал автогенератора (на рис. 8.3 напряжение узла 8: v(8)).

Рис. 8.3 Схема для моделирования работы автогенератора с RC-фазосдвигающей цепью

На рис. 8.4 отображен вид окна настройки параметров анализа переходных процессов с установками согласно п. 8.2.2.

Рис. 8.4 Окно настройки параметров анализа переходных процессов.

8.2.3 Сделать выводы по результатам построения временных диаграмм напряжений. Определить время, занимаемое интервалом возбуждения автогенератора. Оценить фазовые соотношения сигналов на входе и выходе схемы.

8.3 Содержание отчета

- название и цель лабораторной работы;

-схема для моделирования работы автогенератора с RC-фазосдвигающей цепью;

- временные диаграммы напряжений автогенератора;

- время, занимаемое интервалом возбуждения автогенератора;

- краткие выводы по результатам работы.

8.4 Контрольные вопросы