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 Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru в цепи генератора: Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = Õ Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = 1, где Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru – 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 Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru , вносимого всеми элементами петлевого усиления: Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = S Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = 2pn, где n – натуральное число. При Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru > 1 в генераторе будут наблюдаться возрастающие по амплитуде гармонические колебания. При достижении амплитудой колебаний значения Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru операционного усилителя колебания начнут искажаться. В предельном случае они будут иметь вид прямоугольных импульсов. При Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru < 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 Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru + Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru , а Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru || Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = [ Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru (1 – Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru ]/[1 + Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru ].

Коэффициент передачи моста Вина Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru определяется соотношением

Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru / Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru /[ Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru + Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru ] =

= | Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru | Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru /[| Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru | Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru + | Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru | Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru ],

где Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru и Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru – фазовые сдвиги, вносимые цепочками Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru и Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru , а | Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru | и | Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru | – модули их комплексного сопротивления на частоте Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru . Фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами будет отсутствовать при Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru =

= Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru на частоте Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru . На этой частоте, называемой резонансной, будет и максимальный коэффициент передачи Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = 1/3. Добротность моста Вина Q = Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru /D Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = 6, где D Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru – полоса частот, определяемая относительным коэффициентом передачи на уровне 0,7 от максимального коэффициента передачи Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = 1/3.

Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru

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 Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru определяет резонансную частоту последовательного контура, образованного элементами Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru , а частота Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru – резонансную частоту параллельного контура, образованного элементами Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru . 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 Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru будет определяться сопротивлениями Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru и Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru : Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = 1 + Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru / Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru . Учитывая, что на резонансной частоте Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru коэффициент передачи моста Вина

Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = 1/3, сопротивления Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru и Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru подбираются из условия обеспечения Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = = 3. Для удобства расчета обычно используют Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru и Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru . Относительная нестабильность частоты формируемого сигнала Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = D Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru определяется нестабильностью характеристик элементов моста Вина:

Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = D Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = – (DС/С + DR/R).

Для изменения частоты формируемого сигнала чаще используют сдвоенные сопротивления Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru и Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru . Для повышения стабильности амплитуды формируемого сигнала в цепи обратной связи используют либо автоматическую регулировку усиления, либо нелинейные сопротивления.

Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru

C1
Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru

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 Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru , и кварцевого резонатора ZQ. Коэффициент передачи элемента обратной связи Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru на резонансной частоте Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru будет максимален: Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru = Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru /[ Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru + Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru ]. Расчет генератора сводится к определению номиналов сопротивлений Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru и Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru , 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 Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru и сопротивления Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru . Использовать сдвоенное сопротивление Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru , Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru и выявить зависимость f при линейном изменении сопротивления Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru .

3. Исследовать влияние сопротивлений Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru и Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru на параметры формируемого сигнала. Выявить допуск на изменение коэффициента усиления Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru , 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 Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ruОписание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru 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 Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru , Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru и коэффициентов усиления неинвертирующего усилителя для схемы генератора с мостом Вина, при которых обеспечивается стабильность амплитуды формируемого сигнала.

3. Таблицы номиналов сопротивлений Описание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ruОписание схемы исследуемого устройства. Генератор гармонических сигналов – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в гармоническое колебание - student2.ru 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

Наши рекомендации