Рис.№6. Трехточечные схемы автогенераторов: а- обобщенная; в- индуктивная; в- емкостная

Такое обобщение упрощает анализ и помогает при составлении схем автогенераторов. Оно возможно благодаря общим требованиям к схемам автогенераторов. Заключающимся в обязательном выполнении условий самовозбуждения (баланс фаз, баланс амплитуд).

В обощенной схеме, изображенной на рис. № 6а, колебательная система, состоящая из трех реактивных сопротивлений Хкб, Хбэ, Хкэ (активными сопротивлениями в большинстве случаев можно пренебречь), подключена к транзистору в трех точках: к, б, э, что определило название схемы. Отдельные элементы колебательной системы могут быть конденсаторами, катушками или более сложными электрическими цепями, например расстроенными параллельными контурами. Условимся также, что сопротивления Хкб, Хбэ, Хкэ включает в себя индуктивности соединительных проводов, междуэлекродные емкости, емкость монтажа и т.д. Таким образом, колебательная система приводится к контуру, состоящему из трех реактивных сопротивлений, по которым протекает контурный ток Ik. В такой схеме автогенератора колебания могут возбудиться на собственной частоте данного контура f0 (точнее, на очень близкой к ней частоте), определяемой из условия резонанса, т.е.

Хкб+Хбэ+ Хкэ =0.

Пусть в некоторой момент времени ток Ik направлен так, как показано на рис. № 6 а. Этот ток создает колебательные напряжения Uбэ= Ik Хбэ и Uкэ= Ik Хкэ, которые для выполнения условия баланса фаз должны быть противофазными, что возможно только, когда реактивные сопротивления Хбэ и Хкэ имеют одинаковый характер. Разумеется, характер третьего сопротивления Хкб должен быть противоположным характеру первых двух сопротивлений, образующих контур, иначе резонанс в контуре будет невозможным.

Правильно составленная схема автогенератора должна обеспечить выполнение условий баланса фаз и баланса амплитуд на частоте, близкой к собственной частоте колебаний в контуре. Необходимый для самовозбуждения коэффициент передачи цепи обратной связи, обеспечивающий выполнение условия баланса амплитуд, определяется соотношением Кос Sср Rрез = 1, или КосКус=1, а при самовозбуждении на частоте, близкой к f0, удовлетворяется также условие ψус+ ψо.с=0; 2π 4π; …

Коэффициент

Кос===

 при самовозбуждении должен быть вещественным и положительным, т.е. >0, а это еще раз подтверждает, что реактивные сопротивления Хбэ и Хкэ обязательно должны быть одного знака.

Можно составить два варианта трехточечных схем: индуктивную рис. №6 б, в которой напряжение обратной связи снимается с катушки L1, и емкостную рис. № 6 в, в которой это напряжение снимается с конденсатора C1. Сравнивая рис. №6б и рис. № 6в убеждаемся, что генератор с автотрансформаторной обратной связью представляет собой индуктивную трехточечную схему, а генератор с емкостной обратной связью- емкостную трехточечную схему.

4. Автогенераторы типа RC

4.1 Целесообразность использования RC- генераторов на низких частотах

Генераторы с колебательным контуром незаменимы как источники синусоидальных высокочастотных колебаний. Для генерирования колебаний с частотами меньше 15…20 кГц они неудобны, так как колебательный контур получается слишком громоздким.

Другим недостатком низкочастотных LC - генераторов является трудность их перестройки в диапазоне частот. Все это обусловило широкое применение на указанных выше частотах RC- генераторов, в которых вместо колебательного контура используются частотные электрические RC-фильтры. Генераторы этого типа могут генерировать достаточно стабильные синусоидальные колебания в относительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Они имеют малые размеры и массу, причем эти преимущества RC- генераторов наиболее полно проявляются в области низких частот.

4.2 Структурная схема RC-генератора

Данная схема изображена на рис. № 7.

Рис.№ 7. Структурная схема RC-автогенератора.

Схема содержит усилитель 1, нагруженный резистором и получающий питание от источника постоянного напряжения 3. Для самовозбуждения усилителя, т.е. для получения незатухающих колебаний, необходимо подать на его вход часть выходного напряжения, превышающее входное (или равное ему) и совпадающее с ним по фазе. Иначе говоря, усилитель необходимо охватить положительной обратной связью, причем четырехполюсник обратной связи 2 должен иметь достаточный коэффициент передачи. Эта задача решается в том случае, когда четырехполюсник 2 содержит фазосдвигающую цепь, состоящую из резисторов и конденсаторов сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями 1800.

4.3 Принцип работы фазосдвигающей цепи

Схема которой показана на рис. № 8а, иллюстрируется с помощью векторной диаграммы рис. № 8б.

Рис.8. Фазосдвигающие цепи: а- принципиальная схема; б- векторная диаграмма; в,г- трехзвенные цепи

Пусть ко входу этой цепи RC подведено напряжение U1. Оно вызывает в цепи ток I, создающий падения напряжения на конденсаторе

UC=IXC=

(где ω-частота напряжения U1) и на резисторе UR=IR, которое одновременно является выходным напряжением U2. При этом угол сдвига фаз между током I и напряжением Uс равен 900, а между током I и напряжением UR - нулю. Вектор напряжения U1 равен геометрической сумме векторов UC и UR и составляет с вектором U2 угол φ. Чем меньше емкость конденсатора С, тем ближе угол φ к 900.

4.4 Условия самовозбуждения RC - автогенератора

Наибольший угол φ, который можно получить при изменении значений элементов RC- цепи, близок к 900. Практически элементы схемы R и C подбирают так. Чтобы угол φ=600. Следовательно, для получения угла сдвига фаз φ=1800, необходимого для выполнения условия баланса фаз. Требуется последовательно включить три звена RC.

На рис. № 8 в,г показаны два варианта схем трехзвенных фазосдвигающих цепей. Сдвиг фаз между выходным и входным напряжением на угол 1800 при R1=R2=R3=R и C1=C2=C3=C обеспечивается на частотах: f01≈ (в схеме на рис. № 8в) и f02≈ (в схеме на рис. № 8г), где R выражено в омах, C- в фарадах, а f0- в герцах. Значения f01 и f02 одновременно частоту автоколебаний.

Для обеспечения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя Кус не должен быть меньше коэффициента передачи цепи обратной связи Ко.с.=. Расчеты показывают, что для приведенных схем Ко.с=. Таким образом, автоколебания в RC- генераторах, содержащих трехзвенные фазосдвигающие цепи с одинаковыми звеньями, возможно лишь при выполнении условий

fавт= f01 (или fавт= f02); Кус≥29.

4.5 RC- автогенераторы с согласующим каскадом

Схема такого генератора представлена на рис. 9.

Рис.№9. Принципиальная схема RC-автогенератора с согласующим каскадом и трехзвенной фазосдвигающей цепью

Усилитель собран на транзисторе VT1. Нагрузкой усилителя является резистор R3. Фазосдвигающая цепь состоит из элементов C4-C6, R4-R6. Резисторы R4-R6 включены по переменному току параллельно нагрузке усилителя- резистору R3-и шунтирует её, что приводит к уменьшению усиления каскада. Для уменьшения шунтирующего действия рекомендуется выбирать сопротивление резистора RC- звеньев фазосдвигающей цепи значительно больше R3.

С точки зрения обеспечения баланса фаз данный автогенератор можно было бы выполнить только на одном транзисторе VT1. Однако в этом случае небольшое входное сопротивление транзистора будет шунтировать цепь обратной связи и резко уменьшать её коэффициент передачи. Поэтому целесообразно разделить выход фазосдвигающей цепи и вход усилителя с помощью специального согласующего каскада на транзисторе VT2, называемым эмиттерным повторителем. Нагрузкой этого каскада служит резистор R9, включенный в цепь эмиттера транзистора VT2. Эмиттерный повторитель имеет большое входное сопротивление и поэтому мало шунтирует фазосдвигающую цепь.

Автогенераторы с фазосдвигающими цепями обычно применяют для генерирования синусоидальных колебаний фиксированный частоты, что связано с трудностью перестройки частоты в широком диапазоне.

4.6 RC- автогенератор с мостом Вина

Если усилитель изменяет фазу входного сигнала на 2π (например, усилитель, имеющий четное число каскадов), введение в него положительной обратной связи обеспечивает возможность генерирования колебаний без включения специальной фазосдвигающей цепи. Для выделения колебаний требуемой частоты, содержащихся в выходном напряжении такого генератора, в цепи обратной связи включают четырехполюсник, имеющий частотно-избирательные свойства. Принципиальная схема такого четырехполюсника, представляющего собой одну из ветвей моста Вина, изображена на рис. № 10.

Рис.10. Принципиальная схема частотно-избирательного четырехполюсника

Для генерирования автоколебаний необходимо, чтобы такой четырехполюсник не вносил сдвига между напряжениями U1и U2, что возможно, если отношение

=

-положительное вещественное число. В последнем уравнении сопротивление Z1образовано последовательным соединением элементов R1 и C1, а сопротивление Z2-параллельным соединением R2 и C2. Так как

Z1=R1+=Z1ejψ1, а Z2= =Z2ejψ2,

.

Отсюда видно, что если ψ2=ψ1, отношение  выражается вещественным числом, следовательно сдвиг фаз между напряжениями U1 и U2 равен нулю. Частота, на которой ψ1= ψ2, определяется соотношением

f0=. Удобно выбрать R1=R2=R, C1=C2=C. В этом частотном случае

Принципиальная схема автогенератора с мостом Вина изображена на рис. № 11.

Рис.№ 11 Принципиальная схема RC-автогенератора с мостом Вина.

Автогенератор содержит два транзистора VT1и VT2, на которых собран двухкаскадный резисторный усилитель. Нагрузкой первого каскада является резистор R4, а второго- R9. Выходное напряжение усилителя поступает на его вход через цепь C2R1C1R3, являющуюся одной из ветвей моста Вина. Вторая ветвь, образованная резисторами R6,R5, соединена с выходом усилителя через конденсатор C5 большой емкости, благодаря чему цепь R6R5 не создает заметного сдвига фаз.

При этом минимальный коэффициент усиления, требуемый для выполнения баланса амплитуд, Кус=3. Последнее требование выполняется достаточно легко, так как реальный двухкаскадный усилитель имеет коэффициент усиления напряжения, намного превышающий значение Кус=3. Поэтому целесообразно наряду с положительной обратную связь, которая, снижая коэффициент усиления, существенно уменьшает нелинейные искажения генерируемых колебаний. Отрицательная обратная связь в рассматриваемой схеме осуществляется с помощью элементов R5, R10 и цепи C5R6.частота автоколебаний изменяется одновременно регулировкой емкости конденсаторов C1,C2 или сопротивления резисторов R1,R3. В обоих случаях диапазон регулировки, получается значительно больше того, который может быть достигнут в LC-генераторах.

4.7 Принцип получения релаксационных автоколебаний

Если условия самовозбуждения в RC-автогенераторе выполняются на на одной частоте, а в широком диапазоне частот, выходное напряжение генератора будет представлять собой последовательность импульсов, характеризующихся быстрым нарастанием и резким спадом. Такие генераторы называют импульсными. Эти генераторы не содержат колебательных систем, поэтому стабильность колебаний в них значительно хуже, чем в синусоидальных автогенераторах.

Литература

1. Шинаков Ю.С., Колодяжный Ю.М. Теория передачи сигналов электросвязи: Учебник для техникумов. -М.: Радио и связь.1989.-288 с.: ил.

2. Вайсбург Ф.И., Панаев Г.А., Савельев Б.Н. Электронные усилители и приборы. Учебник для техникумов. -М.: Радио и связь.1987.-472 с.: ил.

3. Добротворский И.Н. Теория электрических цепей: Учебник для техникумов. -М.: Радио и связь.1989.-472 с.: ил.

4. Гусев И.Г., Гусев В.М. Электроника: Учебное пособие. - М.: Высш.шк., 1991.- 662 с.

Страницы: 1, 2, 3