Исследование rc-автогенераторов

Лабораторная работа №6

Цель работы: исследовать процессы возникновения и установления колебаний в RC-автогенераторах.

К автогенераторам относятся устройства, преобразующие энергию источника постоянного тока в переменный ток или напряжение определенной частоты и формы.

В большинстве случаев для автогенератора не требуется внешнего возбуждающего воздействия, а формирование переменного напряжения или тока происходит за счет внутренних процессов.

Если на выходе автогенераторов формируется переменное напряжение по форме, близкой к синусоидальной, то они относятся к автогенераторам гармонических колебаний. Если же форма выходного напряжения близка к прямоугольной, пилообразной и т.д., то такие устройства относятся к генераторам релаксационных или разрывных колебаний.

В данной работе исследуется автогенераторы гармонических или синусоидальных колебаний.

Блок-схема автогенератора представлена на рис.1. где он представлен в виде замкнутой системы с положительной обратной связью.

Рис. 1

где:

1 блок - усилитель, исполняющий потери анергии в избирательной цепи и цепи обратной связи;

2 блок - избирательная цепь (в RC автогенераторах фазирующая или частото-задающая цепь). эти цепи определяют частоту, на которой будет работать автогенератор;

3 блок - цепь положительной обратной связи (ПОС).

В автогенераторах наличие цепи ПОС принципиально необходимо. Иногда используют дополнительно и цепь отрицательной обратной связи, но только с целью улучшения характеристик автогенератора.

В реальных автогенераторах могут объединиться блок1 и блок2, т.е. будет реализован избирательный усилитель, или блок2 и блок3, т.е. будет введена частото-зависимая избирательная цепь ПОС.

Для возникновения и существования колебаний в замкнутой системе необходимо выполнение двух условий:

а) баланс амплитуд:

;

б) баланс фаз:

, где n = 0, 1, 2...;

Условие баланса амплитуд требует, чтобы общий коэффициент передачи по замкнутой петле обратной связи был больше единицы для возникновения и нарастания амплитуды колебаний и равен единице для установившегося режима.

Условие баланса фаз, соответственно, требует, чтобы суммарный фазовой сдвиг по замкнутой петле обратной связи был равен нулю градусов или был кратным 2π, т.е. система охвачена положительной обратной связью.

Возникновение и существование колебаний в автогенераторе

Интересующиенас процессы рассмотрим на примере LC- автогенератора, схема которого приведена на рис.2

Рис.2

На транзисторе VT совместно с контуром LС выполнен избирательный усилитель. Резонансная частота, а, следовательно, и частота генерации, будет определяться резонансной частотой контура:

Обратная связь выполнена трансформаторной за счёт дополнительной обмотки L_o.c, напряжение с которой поступает на вход усилителя.

Для проверки выполнения условий балансе амплитуд и баланса фаз разорвем цепь ОС между точками "а" и "б", а на вход избирательного усилителя подадим переменное напряжение от внешнего генератора (U_вх) с частотой, равной резонансной частоте избирательного контура. На обмотке L_o.c (в точке "а" относительно общего провода) появится напряжение обратной связи. Допустим, на вход от внешнего генератора поступила положительная полуволна входного сигнала (полярность показана на рис.2). Сигнал усилится транзистором, повернется на 180˚ и выделится на контуре. Т.к. контур на резонансной частоте имеет фазовый сдвиг равный "0" градусов, то напряжение на контуре будет находиться и противофазе со входным. С учетом фазировки обмоток L_o.c и L (начало обмоток показано точками) на нижнем выводе обмотки L_o.c, а, следовательно, и в точке "а" появится положительный потенциал относительно общего провода. Таким образом, фазовый сдвиг между напряжением U_o.c и U_вx. будет равен 360˚ (или "0˚"), т.е. условие баланса фаз выполнено. Если замкнуть ранее разорванные точки "а" и "б", то будет введена положительная обратная связь. Условие баланса амплитуд будет выполнено, если путем изменения числа витков в обмотке L_o.c обеспечить равенство амплитуд U_o.c и U_bx После этого для превращения рассматриваемых схем в автогенератор необходимо отключить внешний источник переменного напряжения (U_bx) и замкнуть точки "а" и "б". Так как выполнены условия баланса фаз и амплитуд, в замкнутой системе начнутся процессы, направленные на нарастание амплитуды колебаний. Рассмотрим подробнее эти процессы.

При включении источника питания в цепи коллектора и через контур начинает протекать ток. Несмотря на то, что питание осуществляется от источника постоянного тока, реальный ток через контур и транзистор не остается постоянным, а у него имеется переменная составляющая, амплитуда которой может быть очень маленькой, но принципиально она присутствует. Это явление обусловлено шумовыми свойствами транзистора, а также флуктуационными изменениями значений резисторов, конденсаторов, индуктивностей, использованных в схеме. Как показали теоретические и экспериментальные исследования спектр этой переменнойсоставляющей очень широкий, в нем присутствуют практически все частоты от "0" до "∞", в том числе и та частота, на которую настроен избирательный контур. При достаточно высокой добротности (Q=5÷100) контур из широкого спектра частот выделит сигнал с частотой, равной его резонансной, что соответствует первому этапу, а именно этапу возникновения колебаний.

Переменное напряжение, появившееся на контуре, трансформируется в обмотку L_o.c и поступает на вход усилителя, усиливается последним и также выделяется на контуре. Т.к. суммарный фазовый сдвиг по замкнутой петле ПОС равен "0" градусов, то усиленный сигнал в контуре окажется в фазе с первоначальным сигналом, они про суммируются и общая амплитуда колебаний возрастет. Возросшая амплитуда снова трансформируется в L_o.c, поступает на вход усилителя, усиливается, выделяется на контуре и опять суммируется с тем сигналом, который там имеется, что приводит к дальнейшему увеличению амплитуды колебаний и т.д. Т.е. система сама себя начинает "раскачивать", причем с той частотой на которую настроен контур, т.к. только на этой частоте максимальный коэффициент усиления и наиболее благоприятные условии для суммирования. Таким образом в системе наблюдается второй этап, этап нарастания амплитуды колебаний, как это показано на рис.3.

Рис. 3

Итак, амплитуда переменного напряжения начинает расти. В какой же момент этот процесс роста закончится?

По мере роста амплитуды захватывается все более широкая область раствора характеристики транзистора. А так как размах амплитуды переменного напряжения в усилителе не может превышать значение напряжения источника питания, то в конечном итоге заходит в режим ограничения, где его усилительные свойства резко падают и дальнейший рост амплитуды прекращается. Т.е. система переходит в установившийся режим, где амплитуда колебаний становится постоянной.

Работа транзистора в режиме ограничения, т.е. в нелинейной области, может привести к искажению формы выходного сигнала, обусловленному наличием высших гармоник. Однако применение высокодобротного контура позволяет отфильтровать высшие гармоники, и поэтому выходной сигнал имеет практически синусоидальную форму.

В настоящей работе исследуется автогенератор типа RC, схема которого приведена на рис.4. Следует заметить, что все процессы, связанные с возникновением, нарастанием и установлением амплитуды колебаний в автогенераторах типа RC, принципиально не отличаются от процессов рассмотренных выше, в автогенераторах типа LC. Поэтому на них мы в данном случае останавливаться не будем, а рассмотрим только некоторые, специфичные особенности, касающиеся RC-автогенераторов.

Рис. 4

В качестве фазирующей или частотозадающей цепи использована цепь Вина, которая включается в цель ПОС. Фазовый сдвиг цепи Вина на частоте квазирезонанса равен "0" градусов, поэтому для выполнения условия баланса фаз использован двухкаскадный усилитель на транзисторах VT1, VT2, который обеспечивает фазовый сдвиг на 360˚. Т.к. коэффициент передачи цепи Вина (β⁺) на частоте квазирезонанса равен 1/3, то коэффициент усиления усилителя, для выполнения условия баланса амплитуд должен быть равен или больше 3. Но двухкаскадный усилитель обеспечивает значительно больший коэффициент усиления. И для его снижения усилитель дополнительно охвачен общей отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению (цепь R_д, R_л, R₁₄). Причем ООС выполнена с использованием нелинейных инерционных элементов, в качестве которых применяют термистор или лампочку накаливания (R_л). В настоящее время для этой же цепи используют и другую элементную базу, но суть от этого не изменяется. Применяемые элементы обладают таким свойством, что их сопротивление зависит от значения протекающего тока. У термистора, например, с увеличением тока сопротивление уменьшается, в тоже время у лампочки накаливания с ростом тока сопротивление возрастает. Эти элементы являются инерционными. По этой причине, если тепловая постоянная времени больше периода колебаний переменного тока, который через них протекает, то они для мгновенных значений тока ведут себя как линейные элементы, а значение их сопротивления изменяется только в зависимости от действующего значения протекающего тока. Рассмотрим, с какой целью применяют эти элементы.

Цепь Вина обладает очень слабыми избирательными свойствами. И если допустить, чтобы транзисторы в усилителе заходили в режим ограничения, то появляющиеся в результате этого высшие гармонические составляющие пройдут на выход автогенератора и форма выходного напряжения будет искаженной, т.е. появятся большие нелинейные искажения. Применение нелинейных элементов позволяет избежать указанного явления. Предположим, что соотношение резисторов в цепи отрицательной обратной связи, с учетом сопротивлений нелинейных элементов, выбрано таким, что обеспечивается значение коэффициента усиления усилителя с обратной связью, равное трем, для выполнения условия баланса амплитуд, причем при такой амплитуде выходного напряжения, при которой транзисторы работают в линейном режиме, т.е. обеспечиваются минимальные нелинейные искажения. Далее, допустим, что амплитуда выходного напряжения по какой-либо причине возросла, т.е. появляется возможность перехода транзистора VT2 в нелинейный режим. Но в этот, же момент соответственно возрастет ток в цепи ООС и ток, протекающий через лампочку. Сопротивление лампочек также возрастет, А так как именно на ней выделяется напряжение общей отрицательной обратной связи, увеличится общая глубина ООС, что приведет к уменьшению коэффициента усиления усилителя, а, следовательно, и выходного напряжения, что не позволяет транзистору перейти в нелинейный режим. Если же произошло уменьшение амплитуды входного напряжения, то, рассуждая аналогичным образом, мы прейдем к выводу, что амплитуда будет возрастать, т.е. наблюдается процесс стабилизации амплитуды выходного напряжения, при этом, из того что работа транзистора будет осуществляться в линейной области, нелинейные искажения выходного сигнала будут минимальными, несмотря на низкую добротность цепи Вина.

Схема автогенератора с цепью Вина, на которой проводятся исследования, приведена на рис.4