ГЛАВАII. Генерирование электрических колебаний

Процесс преобразования различных видов электрической энергии в энергию электрических (электромагнитных) колебаний. Термин "Г. э. к." применяется обычно к колебаниям в диапазоне радиочастот, возбуждаемым в устройствах (системах) с сосредоточенными параметрами (ёмкостью С, индуктивностью L, сопротивлением R), где электрические и магнитные поля пространственно разделены. При переходе к более высоким частотам (СВЧ и оптических диапазон) для возбуждения колебаний необходимы системы с распределёнными параметрами. В этом случае говорят об электромагнитных колебаниях. Термин "Г. э. к.", как правило, не применяется, когда речь идёт о получении переменных токов промежуточных частот, получаемых с помощью электрических машин . Г. э. к. осуществляется обычно либо путём преобразования энергии источников постоянного напряжения при помощи электронных приборов (вакуумных, газоразрядных и твёрдотельных), либо путём преобразования первичных электрических колебаний в колебания требуемой частоты и формы (параметрический генератор, квантовый генератор).

В зависимости от типа электронных приборов различают: ламповые генераторы (с электронными лампами), полупроводниковые генераторы (с полупроводниковыми триодами, туннельными диодами и др.), генераторы с газоразрядными приборами (тиратронами и др.). По форме колебаний, частоте, мощности и назначению различают: генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний, генераторы колебаний специальной формы, генераторы сверхвысоких частот и т. д.

Необходимые элементы генератора: источник энергии, цепи, в которых возбуждаются и поддерживаются колебания (пассивные цепи) и активный элемент, преобразующий энергию источника питания в энергию генерируемых колебаний. Активным элементом обычно являются электронные приборы, часто в сочетании с управляющими ими дополнит, цепями (цепями обратной связи).

Генератор с мостом Вина — разновидность электронных генераторов синусоидальных колебаний. Схема основывается на электрической цепи (полосовом фильтре), первоначально разработанной Максом Вином в 1891 г. и известной, как мост Вина. Генератор представляет из себя электронный усилитель, охваченный

частотнозависимой положительной обратной связью через мост Вина. Может генерировать в широком диапазоне частот и позволяет получить сигнал с очень малыми отличиями от идеальной синусоиды.

где R — сопротивление резисторов R₁, R₂; C — ёмкость конденсаторов C₁, C₂ (см. схему).

Генераторы гармонических колебаний отличаются от релаксационных тем, что в их состав входят электрические цепи или компоненты, обладающие резонансными свойствами. Благодаря им условие возникновения автоколебаний выполняется только в узкой полосе частот. Компоненты с резонансными свойствами или соответствующие резонансные цепи могут быть установлены в межкаскадных цепях усилителя или в цепях, создающих положительную или отрицательную обратную связь. Причем параметры выбирают так, чтобы условия возникновения выполнялись только в узкой полосе частот при всех колебания усилителя и цепи ООС. В диапазонах низких, звуковых и радиочастот в качестве резонансных цепей и компонентов применяют RC-цепи, LC-контуры, кварцевые резонаторы, электромеханические колебательные системы (например, камертоны и др.) Избирательные RC-цепи имеют сравнительно пологие фазо- и амплитудно-частотные характеристики петлевого усиления. Поэтому, если коэффициент усиления больше единицы, даже на небольшую величину, условия возникновения автоколебаний выполняются в сравнительно широкой полосе частот . При этом форма выходного сигнала существенно отличается от синусоидальной. Поэтому у автогенераторов с резонансными RC-цепями (RC-генераторов) приходится вводить дополнительные цепи автоматического регулирования коэффициента усиления. В RC-генераторах выходное напряжение практически повторяет форму тока, создаваемого усилителем. Для RC-генераторов характерны: 1. Простота реализации; 2. Дешевизна; 3. низкие массо-габаритные показатели; 4. Диапазон частот автоколебаний от долей герц до нескольких сотен килогерц. Недостатки: 1. Невысокая стабильность частоты; 2. Существенные искажения формы автоколебаний (Кг>10.5%) 3. Аннотация Разрабатываемый в данной курсовой работе прибор предназначен выполнять функцию генерации синусоидальных колебаний. В генераторе обеспечена автоматическая регулировка уровня усиления колебаний. Применение высокоточного усилителя обеспечивает высокую точность и хорошую стабильность работы схемы генератора. Большое внимание уделено описанию принципа работы схемы генератора синусоидальных колебания с мостом Вина. Разработка подобных генераторов на современной элементной базе является весьма перспективным направлением в электронике.

Рис.1 Генератор с мостом Вина.

а) базовая схема генератора с мостом Вина;

б)генератор с мостом Вина с использованием одного усилителя.

Как известно, частота автоколебаний в таком генераторе определяется формулой (1), а затухание в частотно-зависимой ветви обратной связи на частоте ¦₀ . Для улучшения формы кривой выходного напряжения частотно-независимую ветвь ООС в мосте Вина обычно выполняют инерционно-нелинейной.

Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается сопротивление R₃ или увеличивается сопротивление R₄. Поэтому в качестве R₃ используется полупроводниковый терморезистор. В качестве инерционно-нелинейного резистора применяют переход сток-исток полевого транзистора, на затвор которого подают выпрямленное и сглаженное выходное напряжение генератора.

В устройстве реализована двухступенчатая цепь ООС. Первая ступень: резистор R₃ и полевой транзистор, вторая ступень: резисторы R₄, R₅.

При в устройстве возникают автоколебания, частота которых определяется формулой . Обычно используют в частотно-зависимой ветви моста Вина R₁=R₂=R, C₁=C₂=C, а частоту автоколебаний: , причем автоколебания возникают при условии, что коэффициент усиления усилителя, состоящего из ОУ и резисторов R3, R4, больше чем три, иначе говоря, должно быть выполнено условие

Установившиеся автоколебания в замкнутой цепи возможны только при условии точного равенства единице единичного коэффициента петлевого усиления на частоте f₀. Но, для возникновения автоколебаний нужно, чтобы в начале коэффициент петлевого усиления был более 1. После возникновения автоколебаний их амплитуда стабилизируется в конечном счете на таком уровне, при котором за счет нелинейного элемента в петле коэффициент уменьшается до 1. Если не предпринимать специальных мер, то упомянутая нелинейность проявится в амплитудной характеристике ОУ, в этом случае форма автоколебаний может заметно отличаться от синусоиды.

Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала падает сопротивление R₃ или растет сопротивление R₄.

При построении генераторов с частотно-зависимыми цепями, обеспечивающими на частоте автоколебаний сдвиг фазы, равный p, удобно использовать потенциально-токовые разновидности избирательных цепей. Такие цепи предназначены для использования совместно с усилителями, имеющими малые входное и выходное сопротивление.