Дослідження RC-генераторів гармоніЧних коливань

Мета роботи: дослідження умов самозбудження і стаціонарного режиму RC-генератора з колом Віна.

 

Теоретичні відомості

1. Для формування синусоїдальних коливань у діапазоні від кількох герц до десятків кілогерц зручно користуватися (особливо у вимірювальній техніці) RC -автогенераторами. Використання LC -генераторів для формування низькочастотних коливань недоцільне, тому що для виготовлення контуру на такі частоти потрібні конденсатори та котушки з великими значеннями C і L, які мають значні габаритні розміри, масу та вартість, а зібрані на них контури мають низьку добротність і погано перестроюються.

2. Узагальнена структурна схема RC -генератора, яка наведена рис.6.1, не відрізняється від схеми LC -генератора. Тут використовується резистивний (аперіодичний) підсилювач, який працює в лінійному режимі підсилювання, а зворотний зв'язок здійснюється за допомогою пасивного чотириполюсника, який побудовано на резисторах і конденсаторах.

Рис.6.1

RC -генератори класифікують як за ознакою, що характеризує підсилювач (на транзисторах, операційних підсилювачах; одно- або двокаскадні), так і за ознаками кола позитивного зворотного зв’язку (коло Віна, три- та чотириланкові RC -кола і.т.п.).

3. Найбільш поширеним типом RC -автогенератора є генератор з колом Віна. Його основу складає послідовно-паралельне RC -коло, яке включене в коло зворотного зв’язку підсилювача (показане на рис.6.2 у модулі «Набірне поле).

Опір послідовної та паралельної частин дорівнюють, відповідно

, .

Тоді коефіцієнт передачі кола Віна

.	(6.1)
Рис.6.2

 

На частоті

(6.2)

вираз (6.1) стає дійсним, тобто зсув фаз між вхідною та вихідною напругою дорівнює нулю. Тобто, якщо використати це коло як коло зворотного зв’язку у неінвертуючому підсилювачі, можна одержати першу умову збудження автоколивань - баланс фаз.

Як правило, коло Віна складається з однакових резисторів і конденсаторів , , в результаті чого спрощується конструкція спареного конденсатора змінної ємності або спареного потенціометра, які використовуються для плавного перестроювання частоти. Тоді

.

(6.3)

За такої умови, з виразу (6.1) випливає

.

(6.4)

.

Таким чином, для збудження коливань необхідно, щоб коефіцієнт підсилення підсилювача мав значення

,

(6.5)

що не викликає ніяких ускладнень для технічної реалізації.

Слід пам’ятати, що через паразитні реактивності завжди існуватиме додатковий фазовий зсув, який призводить до незначного відхилення частоти, порівняно з виразом (6.3).

Внаслідок малої вибіркової дії RC -кола стабільність частоти генерованих коливань буде низькою, а самі коливання відрізнятимуться від гармонічних.

Останнє пов’язане з тим, що зростання амплітуди коливань у генераторі не зупиняється при виході за межі лінійної ділянки передавальної харак-теристики підсилювача, внаслідок чого вихідний струм стає несинусоїдальним, а малодобротне коло Віна не забезпечує фільтрацію напруги синусоїдальної форми. Низька стабільність частоти зумовлена малою крутістю фазової характеристики кола Віна, в результаті чого баланс фаз може виконуватись в досить широкому діапазоні частот. Крутість ФЧХ визначає фіксуючу здатність кола: чим вона вище, тим менше відхилення частоти від .

Для покращення форми вихідних коливань у підсилювач вводять негативний зворотний зв'язок (НЗЗ). Коливання синусоїдальної форми одержують тоді, коли у колі НЗЗ використовують інерційну нелінійність у вигляді терморезистора, опір якого змінюється залежно від ступеня нагріву, зумовленого значенням струму, що проходить крізь нього. У той же час, через велику інерційність, цей опір не встигає змінюватися за період коливань. Якщо опір напівпровідникового або металевого терморезистора підібрати таким, щоб амплітуда коливань не виходила за межі лінійної ділянки передавальної характеристики підсилювача, то форма генерованих коливань наближатиметься до синусоїдальної.

Особливістю RC -генераторів на біполярних транзисторах є необхідність урахування малого вхідного опору першого транзистора , який призводить до зміни частоти генерації

,

і потрібного для збудження коефіцієнта підсилення напруги

.

Слід пам’ятати, що сильно змінюється при зміні температури і напруги джерел живлення, що спричинює нестабільність частоти і амплітуди. Для стабілізації необхідно, щоб

.

Крім того, конструктори радіоапаратури повинні звертати увагу на якість конденсаторів і резисторів, які входять у чотириполюсник зворотного зв’язку будь-якого RC -генератора.

Треба врахувати, що нестабільність R або C при зміні температури призводить до зміни частоти генератора.

І нарешті, конденсатори повинні мати високій опір ізоляції (малі виток та значення ), бо в смузі низьких частот шунтуюча дія витоку впливатиме на фазові співвідношення в чотириполюснику ЗЗ.

Як правило, RC -автогенератори малопотужні, тому їх доповнюють рядом ступенів підсилення.

 

Домашнє завдання

1. Розрахувати та побудувати АЧХ і ФЧХ кола Віна, використовуючи дані табл.6.1. Взяти , . Розрахувати .

 

Таблиця 6.1

Номер бригади
R, ком
C, нФ	0.68	0.47			0.68	0.68	1.5

 

 

2. Ознайомитися з схемами RC -автогенераторів на біполярних і польових транзисторах, операційних підсилювачах, кола позитивного зворотного зв’язку яки утворені: а) колом Віна, б) багатоланковими колами, і порівняти їх.

 

Лабораторне завдання

1. Зняти і побудувати АЧХ та ФЧХ кола Віна (див.рис.6.2), подаваючи на його вхід сигнал с генератора низької частоти та контролюючи за допомогою осцилографа вхідний і вихідний сигнал.

, .

Для спрощення розрахунків на всіх частотах напругу підтримувати постійною, контролюючи її значення за допомогою електронного вольтметра.

Фазовий зсув, який вноситься колом Віна, визначається методом фігур Лісажу, де (рис.6.3). Якщо на екрані будуть діагональні лінії (/), то або ; якщо (\), то ; якщо коло, то або .
Рис.6.3

2. За АЧХ кола Віна визначити . Перевірити виконання (). Порівняти і . Пояснити відміну значень частоти.

3. Зібрати схему автогенератора з колом Віна на неінвертуючому підсилювачі і домогтися виникнення автоколивань. Замалювати форму генерованих коливань при трьох значеннях вхідної напруги: , , . Пояснити здобуті результати.

4. Добитися форми коливань, близької до синусоїдальної. Виміряти частоту коливань методом порівняння по фігурах Лісажу (рис.6.4). Рівності частот відповідає осцилограма у вигляді еліпсу. Порівняти виміряні значення частот з розрахованими. Пояснити різницю частот.

Рис.6.4

5. Розірвавши коло зворотного зв’язку на вході підсилювача 1, подавши на нього напругу від генератора низької частоти, на частоті виміряти в лінійному режимі його роботи (рис.6.5). Напругу вимірювати вольтметром змінного струму.

Рис.6.5

Лабораторні прилади. Генератор низької частоти типу Г3-34, осцилограф універсальний С1-83, електронний вольтметр, модулі «Активні чотириполюсники» та «Набірне поле», макет схеми кола Віна (див. таблицю), опір 2 кОм, короткозамикаюча перемичка, з’єднувальні кабелі.

 

6.4 Запитання для самоконтролю

1. Накресліть схеми RC -генератора з колом Віна і триланковим колом, використовуючи підсилювачі:

а) операційний; б) на польових транзисторах; в) на біполярних транзисторах.

Порівняйте ці генератори за вимогами , кількістю потрібних елементів.

2. Побудуйте АЧХ і ФЧХ розімкненого тракту RC -генератора з колом Віна і триланковим RC -колом, якщо підсилювач ідеальний.

3. Які параметри схеми визначають частоту генерації RC -генератора? Чим визначається її стабільність?

4. В який бік і наскільки зміниться частота RC -генератора з колом Віна, якщо: а) вхідний опір першого каскаду підсилювача дорівнює , , ; б) до підключити осцилограф з МОм, пФ?

5. Чому дорівнює ослаблення, яке вноситься в коло зворотного зв’язку на частоті у різних схемах RC -генератора?

6. Чим визначається фіксуюча здатність RC -генератора?

7. Як забезпечуються синусоїдальна форма і стабільна амплітуда генерованих коливань в RC -генераторах?

8. Наведіть приклади однокаскадних неінвертуючих підсилювачів. Чи можна на них побудувати RC -генератори з колом Віна у зворотному зв’язку? Як будуть виконуватись в них умови самозбудження?

9. Порівняйте LC - і RC -генератори за діапазоном перекриття частот при зміні ємності від до .

Література [4 – 311-323 c.; 5]

Лабораторна робота №7.