Генератори синусоїдальних коливань

 

Для створення генераторів синусоїдальних коливань застосовується, як правило, зовнішній ЗЗ, який дає змогу отримати більш високу стабільність частоти ніж внутрішній ЗЗ.

Амплітуду стаціонарних (незатухаючих) коливань генератора можна знайти графічно за допомогою коливальної характеристики і лінії ЗЗ.

Коливальна характеристика – це залежність амплітуди основної (1-ї) гармоніки вихідного струму підсилювача від амплітуди напруги Uвх, яка надходить на вхід підсилювача з ланки ЗЗ (рис. 4.15). Коливальна характеристика є нелінійною, оскільки її параметри визначаються характеристиками нелінійного елемента – підсилювача.

Лінія ЗЗ – це залежність амплітуди вхідної напруги підсилювача Uвх від амплітуди основної гармоніки вихідного струму підсилювача .

Лінія ЗЗ характеризує послаблюючу дію ланки ЗЗ і має вид лінійної прямої, нахил якої до осі абсцис визначається параметрами лінійного чотириполюсника ЗЗ.

 

Рисунок 4.15 – М’який режим самозбудження генератора

 

Для визначення амплітуди стаціонарних коливань лінії ЗЗ і коливальну характеристику будують на 1-му графіку (рис 4.15). Амплітуді стаціонарного струму відповідає точка перетину характеристик М. В точці М виконується баланс амплітуд Ku·β = 1,оскільки вхідний сигнал при проходженні підсилюючого тракту підсилюється в стільки разів, у скільки послаблюється чотириполюсником ЗЗ.

Докажемо, що точка М є точкою стійкої динамічної рівноваги. Нехай на вході підсилювача виникла незначна напруга вх, зумовлена тепловими, електромагнітними чи іншими процесами в підсилювачі. Струм , що відповідає значенню вх визначається з коливальної характеристики.

Струмові на лінії ЗЗ відповідає напруга . Таким є перший цикл проходження сигналу через підсилювач і чотириполюсник ЗЗ, в процесі якого напруга збільшується до . Після кількох циклів отримаємо напругу Uвх.ст. і струм .ст. що відповідають точці М. Якщо тепер напруга Uвх випадково виросте, то зменшиться струм, що в кінцевому етапі призведе до повернення в точку М.

В залежності від виду коливальної характеристики розрізняють два режими самозбудження в генератора.

1. М'який режим – коли коливальна характеристика починається з нульової точки і її кут нахилу до осі абсцис в області малих амплітуд Uвх більший, ніж кут нахилу лінії ЗЗ (рис. 4.16). При цьому при вмиканні живлення генератора в ньому відбувається плавне наростання амплітуди коливань до стаціонарного значення.

2. Жорсткий режим – коли коливальна характеристика не задовольняє умови м´якого режиму. Характеристика жорсткого режиму самозбудження генератора наведена на рисунку 4.16.

Лінія ЗЗ перетинається з коливальною характеристикою в 2-х точках та М. Точка М є точкою стійкої динамічної рівноваги. Міркуючи аналогічно вищенаведеному можна доказати, що точка є точкою нестійкої рівноваги, коли відхилення напруги Uвх від значення Uвх в бік збільшення або зменшення на деяку величину Δ Uвх призводить або до зриву коливань, або до зростання амплітуди до значення струму (М). Таким чином, для виникнення незатухаючих коливань в генераторі з жорстким режимом збудження необхідний початковий імпульс напруги Uвх 0 = Uвх +Δ Uвх, що забезпечує струм > [14].

Схема генератора синусоїдальних коливань повинна генерувати синусоїду тільки однієї частоти [11].

Припустимо, що в деякій вихідній точці схеми є сигнал, що представляє собою суміш гармонійних коливань різних частот (гармонік). Ці гармоніки надходять на вхід частотно-вибіркової (селективної) ланки, що у різній степені зменшує їх амплітуду і пропускає на вихід з різними фазовими зсувами. Потім гармоніки проходять через підсилювач для компенсації амплітудних втрат, внесених у них схемою селекції. Нехай тільки одна з цих гармонік на виході підсилювача буде точною копією вихідної гармоніки, збігаючись з нею по амлітуді і фазі. Тоді, подавши сигнал з виходу підсилювача назад в обрану нами вихідну точку схеми, ми одержимо генератор, у якому створюються коливання тільки однієї частоти.

 

 

Рисунок 4.16 – Жорсткий режим самозбудження генератора

 

Для детального дослідження цього принципу звернемося до рис. 4.17,а, обмежившись розглядом трьох представлених тут гармонік, Е0 - необхідна частота коливань, Ев і Ен - коливання з частотами, що відповідно вищі і нижчі від частоти Е0. На виході частотного селектора напруга Е0 збігається по фазі з вхідним сигналом Е0, хоча його амплітудне значення менше за амплітуду останнього в три рази. (Зверніть увагу на те, що масштаби вхідної і вихідної напруги на даному рисунку різні.) Фаза Е’в не збігається з фазою Ев. Те ж можна сказати про Е'н.

а – утворення сигналу,

б – частотна селекція,

в – вихідні сигнали

 

Рисунок 4.17 - Діаграми, що пояснюють теорію роботи генератора синусоїдальних коливань

 

Уявимо собі, що всі три гармоніки з виходу частотного селектора подаються на неінвертуючий підсилювач з коефіцієнтом підсилення, рівним 3. З рис. 4.17,б видно, що тільки одна гармоніка Е0 буде виходити з підсилювача точно з тією же амплітудою і, що більш важливо, точно з тією же фазою, що і вихідна гармоніка Е0.

Замкнемо контур зворотного зв'язку, підключивши вихід підсилювача до входу частотного селектора. При цьому по всьому замкнутому контурі без зміни амплітуди і фази будуть проходити сигнали тільки однієї частоти. Інакше кажучи, тільки на одній частоті петлеве підсилення дорівнює 1. Сигнали всіх інших частот після кожного проходження замкнутого контуру будуть послаблятися й одержувати додатковий фазовий зсув, що в результаті приводить до їх по давлення.

Виникає одне питання: де спочатку виникає Е0? Джерелом служать або напруга перехідного процесу при включенні живлення, або шуми, що неминуче існують в замкнутому контурі й містять безліч гармонік; серед них буде одна (Е0), для якої петлеве підсилення дорівнює 1. Фактично петлеве підсилення для виникнення генерації Е0 повинна бути трохи більше за 1.

Будова генератора

 

На рис. 4.18 представлено практичну схему, що ілюструє положення попереднього підрозділу. Евх - напруга з виходу генератора звукової частоти; RС - ланка — частотний селектор за схемою моста Віна. Напруга Е' з виходу цього моста надходить на неінвертуючий підсилювач, коефіцієнт підсилення якого регулюється потенціометром з опором 50 кОм. Якщо змінювати частоту сигналу Евх, то тільки на одній частоті напруга Е ' на виході частотного селектора буде мати фазовий зсув, рівний 0°. Ця частота визначається за виразом:

(4.17)

 

 

Рисунок 4.18 - Практична схема для перевірки теоретичних положень при генерації коливань

 

Частотний селектор послабляє сигнал з частотою f₀ у три рази, тобто на частоті f₀:

(4.18)

Регулюючи коефіцієнт підсилення підсилювача (потенціометром 50кОм), можна підсилити Е’ у З рази, так що напруга на виході підсилювача Uвих буде точно дорівнювати - Евх на частоті f₀ [11].

Підключимо тепер до виходу підсилювача осцилограф і поставимо перемикач у положення «генерація». При цьому замикається контур зворотного зв'язку, загальний коефіцієнт підсилення якого дорівнює На екрані осцилографа буде спостерігатися один із двох можливих випадків: напруга Uвих буде або різко переключатися від +Uнас до -Uнас (і назад) з частотою f₀, або вона прийме одне із цих значень (+Uнас чи -Uнас) і генерація не виникне. Регулюючи підсилення потенціометром 50 кОм, ми будемо спостерігати сплески синусоїди з дуже гарною формою; амплітуда цієї синусоїди буде або рости, або згасати. Генератор майже працює, але йому необхідне якесь регулювання амплітуди. В наступному під розділі описаний один з методів такого регулювання.

 

Мостовий генератор Віна

 

Досвід роботи зі схемою рис. 4.18 показав, що вихідна напруга Uвих після початку генерації може необмежено зростати. Необхідна схема, яка б визначала амплітуду вихідної напруги і зменшувала коефіцієнт підсилення підсилювача, коли ця напруга перевищує встановлений рівень. Включимо з цією метою в схему рис. 4.18 два зустрічно включених стабілітрони та один резистор і одержимо практичну схему генератора з мостом Віна, показану на рис. 4.19 [11].

 

Рисунок 4.19 - Схема мостового генератора Віна

 

Коли напруга на виході генератора стає більшою за напругу пробою стабілітрона, той чи інший стабілітрон (в залежності від полярності Uвих) відкривається і шунтує резистор 10кОм, зменшуючи коефіцієнт підсилення підсилювача і запобігаючи тим самим досягнення напругою Uвих рівня ±Uнac. Потенціометр 25кОм дозволяє регулювати амплітуду Uвих в межах від 1,5· Ucm ≈8В до ±Uнac. Одержана в результаті синусоїда має дуже малі нелінійні спотворення. Щоб виключити вплив навантаження на генератор в особливо важливих випадках, варто підключати до його виходу повторювач напруги.

 

Контрольні запитання до теми «ГЕНЕРАТОРИ сигналів»

 

1. Що таке генератор?

2. Що таке «м’який» та «жорсткий» режими роботи генератора?

3. Як використовується у генераторах зворотний зв’язок?

4. Що таке і як працює генератор керований напругою?

5. Пояснити принцип дії генератора Віна.

6. Що таке коливальна характеристика та лінія зворотного зв’язку?

7. Пояснити принцип дії перетворювача напруга – частота.

8. Пояснити принцип дії перетворювача температура – частота.

9. Пояснити принцип дії генератора на одноперехідному транзисторі.

10. Пояснити принцип дії генератора пилоподібної напруги.

11. Як працює тиристор в ролі ключа у генераторі?

12. Пояснити принцип дії генератора напруги трикутної форми.

13. Як працює компаратор з гістерезисом?

14. Що таке гістерезис?

15. Пояснити принцип дії таймера з регульованим часом відліку.

16. Пояснити принцип дії генератора лінійно-змінної напруги.

Л Е К Ц І Я № 9

 

Т Е М А 5: ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ

 

Для роботи більшості електронних пристроїв необхідні джерела живлення постійного струму. У малопотужних чи портативних пристроях використовуються батареї, однак час їхньої роботи обмежений і батареї потрібно заміняти (а акумулятори заряджати). Найбільш доступним джерелом живлення є силова мережа змінної напруги 220 В, 50 Гц. Схема, що перетворює змінну напругу в постійну, називається джерелом живлення постійного струму.

Найбільш економічне джерело живлення постійного струму — це випростовувач. На жаль, на виході цієї схеми на постійну напругу накладається значна пульсація, тому схема випростовувача не дає дійсно постійної напруги. Інша, настільки ж небажана властивість цієї схеми джерела живлення — зменшення постійної складової вихідної напруги при збільшенні струму, що споживається навантаженням. Оскільки у випростовувача постійна напруга не є стабілізована (тобто змінюється при зміні струму навантаження), джерело живлення такого типу називається нестабілізованим. Перш ніж ми зможемо за рахунок стабілізації звести до мінімуму чи усунути небажані властивості, притаманні нестабілізованим джерелам, необхідно з цими властивостями ознайомитися.

Схема, що ефективно усуває (компенсує) коливання напруги живлення при зміні струму навантаження, називається стабілізатором напруги. Зазвичай ця схема також зменшує пульсації вхідної напруги. В результаті підключення стабілізатора напруги до схеми випростовувача ми одержуємо стабілізоване джерело, живлення.

Стабілізатори напруги з дуже гарними характеристиками неважко створити, використовуючи ОП. Операційний підсилювач може дати навіть більше ніж просту стабілізацію: з його допомогою легко реалізуються додаткові функції, наприклад захист стабілізованого джерела живлення від короткого замикання на виході. Шляхом деяких незначних змін при незначних витратах стабілізатор можна перетворити у підсилювач потужності низької частоти з хорошими параметрами [11].