Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание
Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание, стабильное по частоте и амплитуде. Генератор состоит из последовательно соединенных усилителя, частотно-зависимой цепи, обеспечивающей избирательную передачу сигналов определенной частоты, и элемента обратной связи, обеспечивающего поступление выходного сигнала на вход усилителя. Для формирования гармонических колебаний необходимо выполнить условия баланса амплитуд и баланса фаз. Условие баланса амплитуд определяет коэффициент петлевого усиления 
в цепи генератора: = Õ 
= 1, где – коэффициенты передачи всех элементов, образующих замкнутую цепь передачи сигнала (усилителя, частотно-зависимой цепи и элемента обратной связи). Условие баланса фаз определяет значение суммарного фазового сдвига 
, вносимого всеми элементами петлевого усиления: = S 
= 2pn, где n – натуральное число. При > 1 в генераторе будут наблюдаться возрастающие по амплитуде гармонические колебания. При достижении амплитудой колебаний значения 
операционного усилителя колебания начнут искажаться. В предельном случае они будут иметь вид прямоугольных импульсов. При < 1 в генераторе будут происходить затухающие колебания, которые в предельном случае прекратятся. Таким образом, для обеспечения незатухающих гармонических колебаний требуется положительная обратная связь и компенсация усилителем потерь сигнала в частотно-зависимой цепи и элементе обратной связи.
В качестве частотно-зависимых цепей в генераторах гармонических сигналов используются параллельные и последовательные LC-контуры, фазосдвигающие RC-цепи, мост Вина, состоящий из последовательно-параллельных RC-элементов, и кварцевый резонатор.
Рассмотрим мост Вина (рис. 4.1, а). Обозначим 
= 
+ 
, а 
= 
|| 
= [ (1 – 
]/[1 + 
].
Коэффициент передачи моста Вина 
определяется соотношением
= 
/ 
= /[ + ] =
= | | 
/[| | 
+ | | ],
где 
и 
– фазовые сдвиги, вносимые цепочками и , а | | и | | – модули их комплексного сопротивления на частоте 
. Фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами будет отсутствовать при =
= на частоте 
= 
. На этой частоте, называемой резонансной, будет и максимальный коэффициент передачи 
= 1/3. Добротность моста Вина Q = /D 
= 6, где D – полоса частот, определяемая относительным коэффициентом передачи на уровне 0,7 от максимального коэффициента передачи = 1/3.
Рис. 4.1. Электрические цепи с резонансной характеристикой:
а – Мост Вина; б – эквивалентная схема кварцевого резонатора
Генераторы гармонических сигналов с RC-цепями, в том числе и с мостом Вина, используются в основном для генерирования сигналов в диапазоне частот от единиц герц до сотен килогерц. Для генерирования сигналов в диапазоне частот от единиц килогерц до единиц мегагерц используются генераторы с LC-контурами, а для формирования сигналов в диапазоне от десятков килогерц до десятков мегагерц и повышения стабильности их частоты используются кварцевые резонаторы, эквивалентная схема которых приведена на рис. 4.1, б.
Кварцевый резонатор имеет 2 резонансные частоты (рис. 4.1, б): частота 
определяет резонансную частоту последовательного контура, образованного элементами 
, а частота 
– резонансную частоту параллельного контура, образованного элементами 
. Кварцевый резонатор имеет добротность Q = 500¼100 000, а комплексное сопротивление на частоте параллельного резонанса стремится к бесконечности.
Генератор гармонических сигналов на ОУ с мостом Вина (рис. 4.2, а) состоит из неинвертирующего усилителя, в котором коэффициент усиления 
будет определяться сопротивлениями 
и 
: = 1 + / . Учитывая, что на резонансной частоте 
коэффициент передачи моста Вина
= 1/3, сопротивления и подбираются из условия обеспечения = = 3. Для удобства расчета обычно используют = = 
и 
= 
= 
. Относительная нестабильность частоты формируемого сигнала 
= D 
определяется нестабильностью характеристик элементов моста Вина:
= D = – (DС/С + DR/R).
Для изменения частоты формируемого сигнала чаще используют сдвоенные сопротивления и . Для повышения стабильности амплитуды формируемого сигнала в цепи обратной связи используют либо автоматическую регулировку усиления, либо нелинейные сопротивления.
|
Рис. 4.2. Генераторы гармонических сигналов:
а – генератор сигналов с мостом Вина; б – генератор сигналов с кварцевым резонатором
Генератор гармонических сигналов с кварцевым резонатором состоит из неинвертирующего усилителя и элемента обратной связи, реализованного на сопротивлении , и кварцевого резонатора ZQ. Коэффициент передачи элемента обратной связи 
на резонансной частоте будет максимален: = 
/[ + ]. Расчет генератора сводится к определению номиналов сопротивлений и , при которых обеспечивалось бы выполнение условия баланса амплитуд.
Порядок выполнения работы
1. Собрать на макетном поле генератор гармонических сигналов на ОУ с мостом Вина (рис. 4.2, а).
2. Исследовать характер изменения частоты сигнала f при изменении номиналов конденсатора и сопротивления . Использовать сдвоенное сопротивление , и выявить зависимость f при линейном изменении сопротивления .
3. Исследовать влияние сопротивлений и на параметры формируемого сигнала. Выявить допуск на изменение коэффициента усиления 
, при котором амплитуда формируемого сигнала сохраняется стабильной.
4. Собрать на макетном поле генератор гармонических сигналов на ОУ с кварцевым резонатором (рис. 4.2, б).
5. Исследовать влияние сопротивлений – на стабильность амплитуды и частоты формируемого сигнала.
6. Предложить модификации схем генераторов с мостом Вина и кварцевым резонатором, собрать предложенные схемы на макетном поле и исследовать стабильность амплитуды и частоты формируемого сигнала.
Содержание отчета
1. Функциональные схемы генераторов гармонических сигналов на ОУ с мостом Вина и кварцевым резонатором.
2. Таблицы номиналов сопротивлений , и коэффициентов усиления неинвертирующего усилителя для схемы генератора с мостом Вина, при которых обеспечивается стабильность амплитуды формируемого сигнала.
3. Таблицы номиналов сопротивлений – и коэффициентов усиления неинвертирующего усилителя для схемы генератора с кварцевым резонатором, при которых обеспечивается стабильность амплитуды формируемого сигнала.
4. Функциональные схемы предложенных модификаций генераторов и анализ условий баланса амплитуд и фаз для предложенных схем.
Контрольные вопросы
1. При каких условиях возможно формирование незатухающих гармонических колебаний в генераторе?
2. Какая роль в генераторе сигналов отводится частотно-зависимой цепи и элементу обратной связи?
3. Что является причиной нестабильности амплитуды и частоты формируемых сигналов?
4. Влияет ли на стабильность частоты формируемого гармонического сигнала добротность частотно-зависимой цепи?
5. Перечислите способы повышения стабильности амплитуды и частоты генератора сигналов.
6. Чем обусловлен частотный диапазон использования LC-контуров, RC-цепочек и кварцевых резонаторов в генераторах гармонических сигналов?
7. Как влияют параметры усилителя на характеристики формируемого сигнала?
Лабораторная работа № 5