RC генераторы. Генераторы синусоидальных и несинусоидальных колебаний Автогенератор rc типа

Департамент внутренней и кадровой политики Белгородской области

областное государственное автономное

профессиональное образовательное учреждение

«Белгородский политехнический колледж»

МДК 01.02Технология монтажа и наладки электронного оборудования электронной части станков с ЧПУ

Тема : «Схемы RC генератора с «Г» образным фильтром и «Г» образным мостом, назначение элементов схемы. Принцип действия, устройство и назначение триггера работающего в ключевом и счётном режимах. »

Выполнил:

Студент группы №24АСУ

Шеховской Дмитрий

Проверила:

Ротару Т.А.

Белгород, 2018г.

ВВЕДЕНИЕ. 3

RC-генераторы.. 4

Тригеры.. 9

RS-триггер. 11

D-триггеры.. 13

JK-триггер. 14

Т-триггер. 15

Контрольные вопросы: 16

Список интернет-источников: 18

ВВЕДЕНИЕ

RC-генераторы применяются для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (до долей герц). В таких генераторах возможно получить частоту до 10 МГц. Следует отметить, что на таких низких частотах LC-генераторы были бы громоздкими и добротность была бы ниже необходимых требований. В то же время, RC-генераторы в НЧ-диапазоне имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем LC-генераторы.

В качестве активных элементов используются:

– биполярные транзисторы,

– полевые транзисторы,

– ОУ в интегральном исполнении.

RC-генераторы в своем составе имеют усилительный элемент (усилитель) и звено обратной связи (ОС).

RC-генераторы

Различаются следующие виды звеньев ОС:

− Г-образные звенья ОС (рис.1),

− мост Вина (рис.2),

− двойной Т-образный мост (рис.3) .

На рисунках 1.1, 1.2, 1.3 символом «U 1 » обозначено входное напряжение, символом «U 2 » − выходное напряжение.

Рис.1.1. Г-образные звенья ОС

Рис.1.2. Мост Вина Рис.1.3. Двойной Т-образный мост

RC-генераторы с Г-образным RC-звеном ОС

Рис.1.4. Принципиальная схема RC-генератора с Г-образным RC-звеном ОС

Как известно, в однокаскадном усилителе без ОС U ВХ и U ВЫХ сдвинуты по фазе друг относительно друга на 180º. Если U ВЫХ этого усилителя подать на его вход, то получится 100% ООС.

Для соблюдения баланса фаз (для введения ПОС) U ВЫХ, прежде чем подать его на вход усилителя, необходимо сдвинуть по фазе на 180º. Такой сдвиг можно осуществить с помощью трех одинаковых RC-звеньев (рис.4), каждое из которых изменяет фазу на 60º.

По расчетам, баланс фаз происходит на частоте , а баланс амплитуд – при коэффициенте усиления К≥29.

Г-образные RC-цепи могут выполняться с количеством звеньев больше 3 (чаще 4) – это может повысить частоту генерации.

Кроме того, частоту генерации можно повысить сменой мест резисторов и конденсаторов. Для изменения частоты генерации необходимо одновременно изменить все сопротивления R либо все емкости С.

RC-генераторы с Г-образными цепями обычно работают на фиксированной частоте или в узком диапазоне частот.

Одно звено Г- образного RC- фильтра позволяет осуществить фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного в предельном случае до p/2, и при построении генераторов гармонических колебаний используют как правило три последовательно включенных Г-образных фильтра.

При этом обеспечивается возможность фазового сдвига сигнала в цепи обратной связи равного p (по p/3 в каждом звене фильтра). И для обеспечения баланса фаз используются усилители сигналов, у которых выходной сигнал является противофазным входному, т.е. – инвертирующие усилители. В этом случае сдвиг фаз на p обеспечивается в усилителе и на p в канале обратной связи, что позволяет получить общий сдвиг фаз сигнала равным 2p и обеспечить требуемый баланс фаз.

При этом для построения генератора можно использовать любые схемы усилителей сигналов, обеспечивающие для выполнения баланса амплитуд требуемый коэффициент усиления К.

Мост Вина (рис.1.5) включен между выходом ОУ и его неинвертирующим входом, чем достигается ПОС. В таком автогенераторе усилитель должен иметь К≈3, однако в усилителе К>>3. Это может привести к большим искажениям. Во избежание этого вводят ООС, которая существенно повышает стабильность работы автогенератора.

Рис.1.5. Принципиальная схема RC-генератора с мостом Вина на ОУ

Резисторы R 3 , R 4 , R 5 соединяют выход с неинвертирующим входом ОУ. Резисторы R 4 и R 5 определяют требуемый коэффициент усиления, а терморезистор R 3 стабилизирует амплитуду и снижает искажения выходного напряжения.

На принципиальной схеме RC-автогенератора с несимметричным двойным Т-образным мостом (рис.1.6) выходное напряжение обозначено «U»; цепочка эмиттерной термостабилизации − «RC»; делитель напряжения − «Rg 1 », «Rg 2 ».

Рис. 1.6. Принципиальная схема RC-автогенератора

с несимметричным двойным Т-образным мостом

В данной схеме автогенератора К≈11. В таком автогенераторе двойной Т-образный мост включается как цепь ООС. Сдвиг фаз между U ВХ и U ВЫХ устанавливается при выполнении условия

; ; .

Частота колебаний определяется выражением .

Тригеры

Триггер (от английского “тrigger”) – цифровое устройство, которое может иметь всего два (0 или 1) устойчивых состояния. При этом переход из одного состояния в другое осуществляется максимально быстро, временем переходным процессов на практике принято пренебрегать. Триггеры – это основной элемент для построения различных запоминающих устройств. Их можно использоваться для хранения информации, но объем их память чрезвычайно мал – триггер может хранить биты, отдельные коды или сигналы.

По тому, как информация записывается в триггер, они делятся на:

· асинхронные – информация записывается непрерывно и зависит от информационных сигналов, которые подаются на вход триггера

· синхронные – информация записывается только при наличии дополнительного сигнала – синхронизирующего, фактически – открывающего работу триггера

В цифровойсхемотехнике используют такие обозначения для входов триггера:
S – раздельный вход, устанавливающий триггер в единичное состояние (на Q (прямом выходе) единица)
R - раздельный вход, устанавливающий триггер в нулевое состояние (на Q (прямом выходе) ноль)
С – вход синхронизации
D – информационный вход (на этот вход подается информация для дальнейшего занесения её в триггер)
Т - счетный вход

Исходя из функционального назначения, триггеры классифицируют:

· RS-триггеры

· D-триггеры

· Т-тригеры

· JK-триггер

· RS-триггер

RS-триггер

Простейший тип триггеров, на основе которого в дальнейшем создаются другие типы. Он может быть построен как на логических элементах 2ИЛИ-НЕ (прямые входы) или 2И-НЕ (инверсные входы)

Рис. 2.1. RS-триггер, схема построения и обозначение. А – на элементах ИЛИ-НЕ. Б – на элементах И-НЕ

Самостоятельно, из-за очень низкой помехоустойчивости, в цифровой технике RS-триггеры практически не используются. Исключение – устранение влияния дребезжания контактов, возникающее при коммутации механических переключателей. В этом случае потребуется тумблер (кнопка), имеющий три вывода, при этом один из выводов подключается попеременно к двум остальным. Для получения RS-триггера используют D-триггер, у которого входы D и C замкнуты на «ноль».

Принцип работы приведен на временной диаграмме:

Рис.2.2. Схема устранения влияния дребезжания контактов

Первым отрицательный сигнал, поступивший на вход –R переводит триггер в «0»-состояние, а первый отрицательный сигнал на на входе –S перебрасывает триггер в состояние единицы. Все остальные сигналы, которые вызваны дребезгом контактов, уже не смогут никак повлиять на триггер. При данной схеме подключения переключателя его верхнее положение будет соответствовать единице на выходе триггера, нижнее – нулю.

RS-триггер – асинхронный, но возникают случаи, когда есть необходимость зафиксировать (сохранить) записанную информацию. Для этого используют синхронный (синхронизируемый) RS-триггер, который в этом случае состоит из двух частей: обычного RS-триггера и схемы управления.

Рис.2.3. Синхронизируемый RS-триггер

При такой схеме, пока на входе С=0, значение импульсов, поступающих на Х1 и Х2 не имеет значение, RS-триггер находится в режиме «хранение». При С=1 триггер активизируется и переходит в режим записи.

D-триггеры

Триггер задержки, который используют для создания регистров сдвига и регистров хранения, неотъемлемая часть любого микропроцессора.

Рис. 3.1. Схема D-тригера

Имеет два входа – информационный и синхронизации. При состоянии С=0 тригер устойчив и при этом сигнал на выходе не зависит от сигналов, поступающих на информационный вход. При С=1 на прямом выходе информация будет точно повторять ту информацию, которая подается на вход D. На временной диаграмме приведен принцип работы D-триггера

Рис.3.2. D-триггер. а) схематическое изображение б) временная диаграмма работы

JK-триггер

По принципу работы JK-триггер практически полностью соответствует RS-триггеру, но при этом удалось избежать неопределенности, вызванной при одновременном поступлении на вход двух «единиц».

Рис. 4.1. Графическое изображение JK-триггера

Рис.4.2. JK-триггер на входе с логикой 3И

В этом случае JK-триггер переходит в режим счетного триггера. На практике это приводит к тому, что при одновременном поступлении на вход «единичных» сигналов, триггер меняет свое состояние – на противоположное. Ниже приводится таблица истинности для JK-триггера:

JK триггеры – очень универсальные устройства, при этом их универсальность носит двойной характер. С одной стороны, эти триггеры успешно используются для цифровых устройствах, так сказать, в чистом виде: в цифровых счетчиках, регистрах, делителях частоты и т.д. С другой стороны – очень легко из JK-триггера, соединив определенные выводы, получить любой необходимый тип триггера. Ниже приводится пример получения D – триггера из исходного JK – триггера, задействовав дополнительный инвертор

Т-триггер

Другое название – счетные триггеры, на основе которых создают двоичные счетчики и делители частоты. Триггеры такого типа имеют только один вход. Принцип его работы – когда импульс поступает на вход тригерра, его состояние меняется на противоположное, при поступлении второго импульса – возвращается в исходное.

Рис. 5.1. Временная диаграмма делителя частоты на основе Т-триггера

Из неё становится понятно, почему Т-тригер называют делителем частоты. Переключение триггера происходит в момент, когда на вход поступает передний фронт синхроимпульса. В результате частота, с которой следуют импульсы на выходе триггера, оказывается в 2 раза меньше исходной – частоты синхроимпульсов, поступающих на вход. Если установка одного счетного триггера позволяет частоту импульсов разделить на два, то два последовательно подключенных триггера, соответственно, уменьшат эту частоту в 4 раза.
Ниже приведен пример получения Т-тригерра из JK-триггера:

Рис. 5.2. Т-тригер на основе JK-триггера

Контрольные вопросы:

Для чего применяют RC-генераторы?

RC-генераторы применяются для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (до долей герц)

Мы рассмотрели одну из разновидностей генераторов с применением колебательного контура. Такие генераторы применяются в основном лишь на высоких частотах, а вот доля генерации более низких частот применение LC генератора может быть затруднительным. Почему? Давайте вспомним формулу: частота KC-генератора рассчитывается по формуле

То есть: для того чтобы уменьшить частоту генерации необходимо увеличить емкость задающего конденсатора и индуктивность дросселя и то, конечно, повлечет увеличение размеров.
Поэтому для генерации относительно низких частот применяются RC-генераторы
принцип работы которых мы и рассмотрим.

Схема самого простого RC-генератора (её еще называют схема с трехфазной фазирующей цепочкой), показана на рисунке:

По схеме видно, что это всего-навсего усилитель. Причем он охвачен положительной обратной связью (ПОС): вход его соединен с выходом и поэтому он постоянно находится в самовозбуждении. А частотой RC-генератора управляет так называемая,фазовращающая цепочка, которая состоит из элементов С1R1, C2R2, C3R3.
С помощью одной цепочки из резистора и конденсатора можно получить сдвиг фаз не более чем на 90º. Реально же сдвиг получается близким к 60º. Поэтому для получения сдвига фазы на 180º приходится ставить три цепочки. С выхода последней RC-цепи сигнал подается на базу транзистора.

Работа начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, в котором обязательно будет и необходимая частота генерации. При этом колебания частоты, на которую настроена фазовращающая цепь, станут незатухающими. Частота колебаний определяется по формуле:

При этом должно соблюдаться условие:

R1=R2=R3=R
C1=C2=C3=C

Такие генераторы способны работать только на фиксированной частоте.

Кроме использования фазовращающей цепи есть еще один, более распространенный вариант. Генератор так-же построен на транзисторном усилителе, но вместо фазовращающей цепочки применен так называемый мост Вина- Робинсона (Фамилия Вин пишется с одной "Н"!!). Вот так он выглядит:

Левая часть схемы- пассивный полосовой RC-фильтр, в точке А снимается выходное напряжение.
Правая часть- как частотно-независимый делитель.
Принято считать, что R1=R2=R, C1=C2=C. Тогда резонансная частота будет определяться следующим выражением:

При этом модуль коэффициента усиления максимален и равен 1/3, а фазовый сдвиг нулевой. Если коэффициент передачи делителя равен коэффициенту передачи полосового фильтра, то на резонансной частоте напряжение между точками А и В будет равно нулю, а ФЧХ на резонансной частоте делает скачок от -90º до +90º. Вообще же должно выполнятся условие:

R3=2R4

Но только вот одна проблема: все это можно рассматривать лишь для идеальных условий. Реально-же все не так уж просто: малейшее отклонение от условия R3=2R4 приведет либо к срыву генерации или к насыщению усилителя. Чтобы было более понятно, давайте подключим мост Вина к операционному усилителю:

Вообще же именно так использовать эту схему не получится, поскольку в любом случае будет разброс параметров моста. Поэтому вместо резистора R4 вводят какое-либо нелинейное или управляемое сопротивление.
К примеру нелинейный резистор: управляемое сопротивление с помощью транзисторов. Или можно еще заменить резистор R4 микромощной лампой накаливания, динамическое сопротивление которой с ростом амплитуды тока увеличивается. Нить накаливания обладает достаточно большой тепловой инерцией, и на частотах несколько сотен герц уже практически не влияет на работу схемы в пределах одного периода.

Генераторы с мостом Вина обладают одним хорошим свойством: если R1 и R2 заменить переменным,(но только сдвоенным), то можно будет регулировать в некоторых пределах частоту генерации.
Можно и емкости С1 и С2 разбить на секции, тогда можно будет переключать диапазоны, а сдвоенным переменным резистором R1R2 плавно регулировать частоту в диапазонах.

Почти практическая схема RC-генератора с мостом Вина на рисунке ниже:

Здесь: переключателем SA1 можно переключать диапазон, а сдвоенным резистором R1 можно регулировать частоту. Усилитель DA2 служит для согласования генератора с нагрузкой.

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 180 0 .

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

(где ω-частота напряжения U1) и на резисторе U R =IR, которое одновременно является выходным напряжением U2. При этом угол сдвига фаз между током I и напряжением Uс равен 90 0 , а между током I и напряжением U R – нулю. Вектор напряжения U1 равен геометрической сумме векторов U C и U R и составляет с вектором U2 угол φ. Чем меньше емкость конденсатора С, тем ближе угол φ к 90 0 .

4.4 Условия самовозбуждения rc – автогенератора

Наибольший угол φ, который можно получить при изменении значений элементов RC- цепи, близок к 90 0 . Практически элементы схемы R и C подбирают так. Чтобы угол φ=60 0 . Следовательно, для получения угла сдвига фаз φ=180 0 , 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 180 0 при R1=R2=R3=R и C1=C2=C3=C обеспечивается на частотах: f 01 ≈(в схеме на рис. № 8в) и f 02 ≈(в схеме на рис. № 8г), где R выражено в омах, C- в фарадах, а f 0 - в герцах. Значения f 01 и f 02 одновременно частоту автоколебаний.

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

f авт = f 01 (или f авт = f 02); К ус ≥29.

Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение при отсутствии входных сигналов. В схемах генераторов всегда используется положительная обратная связь.

Колебания называются свободными (или собственными), если они совершаются за счет первоначально совершенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на колебательную систему (систему, совершающую колебания). Простейшим типом колебаний являются гармонические колебания - колебания, при которых колеблющаяся величина изменятся со временем по закону синуса (косинуса).

Генераторы являются составной частью многих измерительных приборов и важнейшими блоками автоматических систем.

Различают аналоговые и цифровые генераторы. Для аналоговых генераторов гармонических колебаний важной проблемой является автоматическая стабилизация амплитуды выходного напряжения. Если в схеме не предусмотрены устройства автоматической стабилизации, устойчивая работа генератора окажется невозможной. В этом случае после возникновения колебаний амплитуда выходного напряжения начнет постоянно увеличиваться, и это приведет к тому, что активный элемент генератора (например, операционный усилитель) войдет в режим насыщения. В результате напряжение на выходе будет отличаться от гармонического. Схемы автоматической стабилизации амплитуды достаточно сложны.

Структурная схема генератора приведена на рисунке ниже:

ИЭ -источник энергии,

УЭ - усилитель,

ПОС - цепь положительной обратной связи,

ООС - цепь отрицатель-ной обратной свяаи,

ФК - формирователь колебаний (LC-контур или фазирующая RС-цепь).

По способу получения колебаний генераторы подразделяют на две группы: генераторы с внешним возбуждением и генераторы с самовозбуждением . Генератором с внешним возбуждением является усилитель мощности, на вход которого подаются электрические сигналы от источника колебаний. Генераторы с самовозбуждением содержат формирователи колебаний; такие генераторы часто называют автогенераторами .

Принцип работы автогенератора.

Он основан на автоматическом пополнении энергии, которую затрачивает формирователь колебаний.

При этом должно соблюдаться:

-првило баланса амплитуд - произведение коэффициента усиления на коэффициент обратной связи должно быть равно 1.

-правило баланса фаз - оно означает, что колебания возникают на вполне определенной частоте, при которой происходит совпадение фаз.

При соблюдении обоих условий колебания плавно или резко возникают и автоматически поддерживаются с заданным размахом. При большом фазовом сдвиге колебания будут гасить друг друга и в дальнейшем исчезнут совсем.

Имеется много разновидностей схем генераторов синусоидальных колебаний. Генераторы для частот от нескольких десятков килогерц и выше содержат LC-контуры , а генераторы для низких частот, как правило, RС-фильтры .

Схемы LC-генераторов гармонических колебаний.

В генераторах с LC-контурами используются индуктивные катушки и конденсаторы с высокой добротностью. Автогенератор - формирователь колебаний - представляет собой один или несколько усилительных каскадов с цепями положительной частотно-зависимой обратной связи; схемы обратной связи содержат колебательные цепи. Возможны различные варианты включения колебательной цепи относительно электродов УЭ: только на входе, только на выходе или одновременно в нескольких участках схемы. По способам соединения LC -элементов с электродами усилительных элементов различают трансформаторную связь и так называемую трехточечную связь - индуктивную или емкостную. Автогенератор с трансформаторной связью показан на рис. 1.

Рис. 1. Автогенератор-формирователь синусоидальных колебаний с трансформаторной связью.

Колебательный контур, состоящий из катушки Lк и конденсатора С, является коллекторной нагрузкой транзистора V1, Индуктивная связь между выходом и входом усилителя обеспечивается катушкой Lб, присоединенной к базе транзистора. Элементы R1, R2, Rэ, Сэ предназначены для обеспечения необходимого режима работы по постоянному току и его термостабилизации.

Благодаря конденсатору С1 обладающему малым сопротивлением на частоте генерации, создается цепь для переменной составляющей тока между базой и эмиттером транзистора. Точками обозначены начала обмоток Lб и Lк, поскольку необходимо соблюсти условие баланса фаз. Условие баланса фаз соблюдается, если приток энергии совершается синхронно с изменением знака напряжения на контуре; например, в каскаде с транзистором, включенным по схеме с ОЭ, фазы входного и выходного сигналов взаимно сдвинуты на 180° С. Поэтому концы катушки Lб надо подключить так, чтобы входные и выходные колебании совпадали по фазе. Условие баланса амплитуд состоит в том, что потери в контуре и нагрузке непрерывно пополняются за счет источника питания.

Рис. 1а. Работа автогенератора. Переходные процессы.

Работа антогенератора (Рис. 1а) начинается при включении источника Ек. Начальный импульс тока возбуждает в контуре LкC колебания с частотой, которые могли бы прекратиться из-за тепловых потерь энергии в активном сопротивлении катушки и конденсатора. Но поскольку между катушками Lб и Lк имеется индуктивная связь с коэффициентом взаимоиндукции М, в базовой цепи возникнет переменный ток , совпадающий по фазе с током коллекторной цепи (условие баланса фаз обеспечивается рациональным включением концов обмотки Lб). Усиленные колебания передаются из контура снова в базовую цепь, и размах колебаний постепенно нарастает, достигая заданного значения.

Рис. 2. Формирователи синусоидальных колебаний на основе колебательного контура, собранного по трехточечной индуктивной (а) и емкостной (б) схеме.

Автогенератор, собранный по по трехточечной схеме , показан на рис. 2, а. Колебательный контур, состоящий из секционированной катушки Lк и конденсатора Ск, является нагрузкой транзистора V1. Катушка Lк разделена на две части: один вывод ее присоединен к коллектору, второй - к базе транзистора; энергия подводится к одному из средних витков этой катушки. Такое включение обеспечивает выполнение баланса фаз и отличается большой простотой и надежностью. Режим работы транзистора по постоянному току и его термостабилизация осуществляются за счет таких же элементов, как и в схеме трансформаторного генератора (см. рис. 1). Емкостная трехточечная схема (рис. 2,б) содержит в емкостной ветви колебательного контура два конденсатора, , средняя точка между которыми соединена с эмиттером транзистора V1. Колебательный контур включен последовательно между источником энергии и УЭ. Напряжения на конденсаторах имеют противоположную полярность относительно общей точки, благодаря чему обеспечивается выполнение условия баланса фаз.

Схемы RC-генераторов гармонических колебаний.

RC-автогенераторы используются для генерирования колебаний инфранизкой и низкой частоты (от долей герца до нескольких десятков килогерц); RС-генераторы могут вырабатывать колебания и более высоких частот, однако низкочастотные колебания отличаются более высокой стабильностью.

Рис. 3. Автогенераторы синусоидальных колебаний с целью из Г-образных RC-звеньев (а) и мостового типа (б).

RC-автогенератор состоит из усилителя (одно- или многокаскадного) и цепи частотно-зависимой обратной связи. Цепи обратной связи выполняются в виде «лестничных» (рис. 3, а) или мостовых (рис. 3, б) RC-схем.

RC-автогенератор с многозвенной RC-цепью обратной связи показан на рис. 3, а. Три последовательно соединенных фазирующих эвена R1C1-R3С3, включенных между выходом и входом усилительного каскада, образуют цепь положительной обратной связи с фильтрующими свойствами. Она поддерживает колебательный процесс только на одной определенной частоте; без RC-элементов однокаскадный усилитель имел бы отрицательную обратную связь по напряжению. Условие баланса фаз проявляется в том, что каждое из RС-звеньев поворачивает фазу сигнала на угол 60°, а суммарный угол сдвига равен 180°. Условие баланса амплитуд удовлетворяется путем выбора соответствующего коэффициента усиления каскада.

Автогенератор с RC-фильтром мостового типа приведен на рис. 3,б. Два плеча моста - звенья R1C1 и R2C2 - подключены к неинвертируюшему входу усилителя 2 (цифра внутри треугольника означает число каскадов). Эти звенья образуют цепь ПОС. К инвертирующему входу того же усилителя присоединена другая диагональ, составленная из нелинейных элементов R3 и r , которая создает цепь ООС. В данной схеме мост обладает избирательным свойством и условие баланса фаз обеспечивается при одной частоте (на которой выходной сигнал моста совпадает по фазе со входным). Регулировка частоты в данном автогенераторе проста и удобна, причем возможна в очень широком диапазоне частот. Ее осуществляют изменением либо сопротивлений обоих резисторов, либо емкостей обоих конденсаторов моста.

Общий недостаток всех генераторов - чувствительность генерируемой частоты к изменению питающих напряжений, температуры, "старению" элементов схемы.

RC-генераторы относятся к классу автоколебательных систем

релаксационного типа. Основными элементами такого генератора являются

усилитель и апериодические звенья, составленные из резисторов и

конденсаторов. Не имея в своем составе колебательного контура, такие

генераторы, тем не менее, позволяют получать колебания, близкие по форме к

гармоническим. Однако при сильной регенерации системы, когда используются

существенно нелинейные области характеристики усилителя, форма колебаний,

ввиду отсутствия колебательного контура, сильно искажается. Поэтому

генератор должен работать при незначительном превышении порога

самовозбуждения.

Основными достоинствами генераторов RC-типа являются простота и

малые габариты. Эти преимущества особенно ярко проявляются при

генерировании низких частот. Для генерирования частот порядка 100 Гц в

LC-генераторах (генераторах Томсона) потребовались бы весьма большие

значения индуктивностей и емкостей

В предыдущей главе рассматривались LС-автогенераторы. Они применяются на высоких частотах. Если же необходимо генерировать низкие частоты, применение LС-генераторов становится затруднительным. Почему? Всё очень просто. Поскольку формула для определения частоты генерирования колебаний выглядит вот так:

то нетрудно заметить, что для уменьшения частоты необходимо увеличивать емкость и индуктивность контура. А увеличение емкости и индуктивности напрямую влечёт увеличение габаритных размеров. Другими словами, размеры контура при этом будут гигантскими. А со стабилизацией частоты дело будет обстоять ещё хуже.

Поэтому придумали RC-автогенераторы, которые здесь мы и рассмотрим.

Наиболее простым RC-генератором является так называемая схема с трехфазной фазирующей цепочкой, которая ещё называется схемой с реактивными элементами одного знака. Она показана на рис. 1.

Рис. 1 - RC-автогенератор с фазовращающей цепочкой

Из схемы видно, что это всего-навсего усилитель, между выходом и входом которого включена цепь, которая переворачивает фазу сигнала на 180º. Эта цепь называется фазовращающей. Фазовращающая цепочка состоит из элементов С1R1, C2R2, C3R3. С помощью одной цепочки из резика и кондера можно получить сдвиг фаз не более чем на 90º. Реально же сдвиг получается близким к 60º. Поэтому для получения сдвига фазы на 180º приходится ставить три цепочки. С выхода последней RC-цепи сигнал подается на базу транзистора.

Работа начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, в котором обязательно будет и необходимая частота генерации. При этом колебания частоты, на которую настроена фазовращающая цепь, станут незатухающими. Для колебаний остальных частот условия самовозбуждения выполняться не будут и они, соответственно, быстро затухают. Частота колебаний определяется по формуле:

При этом должно соблюдаться условие:

R1=R2=R3=R
C1=C2=C3=C

Такие генераторы способны работать только на фиксированной частоте.

Помимо рассмотренного генератора с использованием фазовращающей цепи имеется ещё интересный, кстати, наиболее употребительный, вариант. Посмотрим на рис. 2.

Рис. 2 - Пассивный полосовой RC-фильтр с частотно-независимым делителем

Так вот, эта самая конструкция представляет собой так называемый мост Вина-Робинсона, хотя наиболее часто встречается название просто мост Вина. Ещё некоторые грамотеи пишут мост Вина с двумя "н".

Левая часть энтой конструкции представляет собой пассивный полосовой RC-фильтр, в точке А снимается выходное напряжение. Правая часть есть ни что иное, как частотно-независимый делитель. Принято считать, что R1=R2=R, C1=C2=C. Тогда резонансная частота будет определяться следующим выражением:

Конечно, все как обычно рассматривается в идеальном или приближенном к идеальному случаях. Ну а реально дело, как всегда, обстоит немного хуже. Поскольку каждый реальный элемент моста Вина имеет некоторый разброс параметров, даже незначительное несоблюдение условия R3=2R4 приведет либо к нарастанию амплитуды колебаний вплоть до насыщения усилителя, либо к затуханию колебаний или полной их невозможности.

Для того, чтобы было совсем понятно, втулим в мост Вина усилительный каскад. Для простоты воткнем операционный усилитель (ОУ).

Рис. 3 - Простейший генератор с мостом Вина

Вообще же именно так использовать эту схему не получится, поскольку в любом случае будет разброс параметров моста. Поэтому вместо резика R4 вводят какое-либо нелинейное или управляемое сопротивление. К примеру, нелинейный резик, управляемое сопротивление с помощью транзисторов, как полевых, так и биполярных, и прочая хрень. Очень часто резик R4 в мосте заменяют микромощной лампой накаливания, динамическое сопротивление которой с ростом амплитуды тока увеличивается. Нить накаливания обладает достаточно большой тепловой инерцией, и на частотах несколько сотен герц уже практически не влияет на работу схемы в пределах одного периода.

Генераторы с мостом Вина обладают одним хорошим свойством: если резики R1 и R2 заменить переменным, но только сдвоенным, то можно будет регулировать в некоторых пределах частоту генерации. Можно и кондеры С1 и С2 разбить на секции, тогда можно будет переключать диапазоны, а сдвоенным переменным резиком плавно регулировать частоту в диапазонах. Для тех, кто в танке, почти практическая схема генератора с мостом Вина показана на рисунке 4.

Рис. 4 - RC-генератор с мостом Вина

Итак, мост Вина образуют кондеры С1-С8, сдвоенный резик R1 и резики R2R3. Переключателем SA1 осуществляется выбор диапазона, резиком R1 - плавная регулировка в выбранном диапазоне. ОУ DA2 представляет собой повторитель напряжения для согласования с нагрузкой.