В радиоэлектронике, вычислительной технике, системах автоматического управления используют генераторы сигналов — устройства, которые служат для получения периодических незатухающих колебаний заданной формы.
Главная особенность колебаний, наблюдаемых в генераторе, состоит в том, что они обусловлены не внешними воздействиями, а свойствами устройства. Такие колебания, возникающие самостоятельно, в отсутствие внешних воздействий, называют автоколебаниями.
Структурная схема генератора сигналов показана на рис. 1. Она со-стоит из двух частей- усилителя (активного элемента) и частотно-селективной цепи положительной обратной связи с передаточной функцией Kос ( jw), по которой колебания с выхода усилителя поступают на его вход.
Рис. 1
Рассмотрим качественно процессы, происходящие в генераторах гармоничных колебаний. Причиной возникновения колебаний служат флуктуации. — слабые колебания, происходящие случайным образом. Флуктуации наблюдаются в любой реальной цепи. Колебания, возникающие на входе активного элемента, усиливаются и через цепь обратной связи вновь поступают на вход. Поскольку обратная связь положительна, сигналы на входе складываются, а выходной сигнал лавинообразно растет. Такой процесс называют самовозбуждением генератора. На рис.2 показан процесс самовозбуждения генератора синусоидальных колебаний.
Самовозбуждение имеет место, если коэффициент передачи в замкнутой петле обратной связи больше единицы:
- K = A Ч K ос ( jw) > 1 .
В (1) мы полагаем, что коэффициент передачи усилителя А не зависит от частоты.
Рис. 2
Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока активный элемент не перейдет в нелинейный режим. При этом коэффициент усиления уменьшается до значения, при котором коэффициент передачи в замкнутой петле обратной связи становится равным единице:
K = A Ч K ос ( jw) = 1 .
При выполнении такого условия в генераторе устанавливается стационарный режим (рис.2).
В этом режиме колебания имеют постоянную амплитуду и частоту. Если условие (2) выполняется только на частоте щ0 , колебания имеют синусоидальную форму. Если это условие выполняется на нескольких частотах, колебания на выходе генератора имеют сложную форму, а спектр содержит гармоники с частотами, на которых выполняется условие (2).
Таким образом, в зависимости от частотных характеристик цепи -об ратной связи форма колебаний может иметь синусоидальную или несинусоидальную форму. Соответственно различают генераторы гармонических колебаний и импульсные. Для получения гармонических колебаний необходимо использовать цепь обратной связи второго или более высокого порядка, имеющую, как правило, резонансные характеристики. Цепи обратной связи импульсных генераторов имеют обычно первый порядок.
Измерение параметров и характеристик сверхвысокочастотных линий ...
... 2 – панорамные измерители коэффициентов отражения и передачи (скалярные анализаторы цепей – САЦ); Р 3 – измерители полных сопротивлений; Р 4 – измерители S-параметров (векторные анализаторы цепей – ВАЦ); Р 5 ... Высш. шк., 2005. 2Бакланов И.Г. Технологии измерений в современных телекоммуникациях. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2007. 3Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: Учеб. пособие для вузов / ...
Рассмотрим подробнее условия, при которых в генераторе наступает стационарный режим. Представим коэффициент передачи цепи обратной связи в комплексной форме:
Kос ( jw) = Kос ( jw)e jj(w) .
Тогда условие (2) можно записать в виде
Равенство (3) называют условием баланса амплитуд, а равенство (4) — условием баланса фаз. Одновременное выполнение условий (3) и (4) соответствует установившемуся режиму работы генератора. Эти условия называют в специальной литературе критерием Баркхаузена.
Генераторы гармонических колебаний классифицируют по виду — из пользуемых частотно-избирательных цепей. Широкое распространение получили LC- и RC-генераторы. В кварцевых генераторах в качестве частотно-избирательной цепи используют кварцевый резонатор — пластину кварца, обработанную таким образом, что она имеет определенную частоту колебаний.
2. RC-генераторы гармонических колебаний
Для получения гармонических колебаний низкой частоты использование LC-генераторов нецелесообразно, так как элементы колебательного кон-тура имеют слишком большие размеры. Для получения колебаний низких частот (менее 10 кГц) используют RC-генераторы. В качестве цепей обратной связи применяют многозвенные RC-цепи, мост Вина — Робинсона, двойные Т-образные мосты. Наибольшее распространение получили генераторы с мостом Вина — Робинсона, а также генераторы с фазосдвигающей RC-цепью.
RC-генератор с мостом Вина — Робинсона. Схема генератора показана на рис. 5. Операционный усилитель и резисторы R1, R2 реализуют усилитель с коэффициентом передачи
Рис.5
гармоничный колебание вин робинсон
Цепью обратной связи служит мост Вина — Робинсона (мост Вина), показанный на рис 6. Для упрощения выводимых соотношений сопротивления резисторов и емкости конденсаторов в продольной и поперечной ветвях моста выбраны одинаковыми.
Передаточная функция моста Вина
Рис.6
Амплитудно-частотная характеристика принимает максимальное значение, равное 1/3, на частоте w0 = 1RC. Значение фаз частотной характеристики на этой частоте равно нулю. Условие баланса амплитуд на частоте w0 выполняется, если коэффициент передачи усилителя A = 3. Такое усиление обеспечивается при
На этапе самовозбуждения для нарастания амплитуды колебаний должно выполняться условие A> 3. В установившемся режиме коэффициент передачи усилителя должен уменьшиться до3. Для стабилизации коэффициента усиления в цепь обратной связи ОУ включают нелинейные элементы. В простейшем случае в качестве резистора R1 включают маломощную лампу накаливания, сопротивление которой увеличивается по мере ее нагрева. При включении генератора сопротивление лампы мало и коэффициент передачи усилителя
Для чего применяют RC-генераторы?
... 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 ... 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 ...
По мере увеличения тока через лампу ее сопротивление увеличивается, а коэффициент усиления А падает. В генераторе наступает установившийся режим. Такая нелинейная обратная связь в усилителе является инерционной и не искажает форму сигнала.
Другой вариант RC-генератора с нелинейной цепью обратной связи показан на рис. 7. Нелинейной цепью является двухполюсник, образованный параллельным соединением резистора R0 и двух встречно включенных диодов.
Рис.7
Напряжение на зажимах нелинейного двухполюсника не превышает 0.7 В (в случае кремниевых диодов).
Поэтому по мере нарастания выходного напряжения коэффициент усиления уменьшается до 3.
RC-генераторы с мостом Вина используют для получения гармонических колебаний частотой от 1 Гц до 200 кГц. Перестройку частоты осуществляют путем одновременного изменения сопротивлений резисторов в мосте.
RC-генератор с фазосдвигающей цепью. Другой тип низкочастотного RC-генератора — генератор с фазосдвигающей цепью. Один из вариантов такого генератора показан на рис 8. Операционный усилитель и резистор R1 реализуют преобразователь ток-напряжение(ИНУТ), передаточное сопротивление которого равно R0. В качестве цепи обратной связи используется трехзвенная фазосдвигающая RC-цепь. Сопротивления резисторов и емкости конденсаторов выбраны одинаковыми. Трехзвенная цепь выбрана потому, что это RC-цепь минимального порядка, обеспечивающая требуемый фазовый сдвиг.
Передаточная проводимость цепи обратной связи
На частоте w0 = 1(3RC ) передаточная проводимость принимает вещественное значение, равное 112R . Условие баланса амплитуд на частоте w0 выполняется, если R0 і 12R .
Рис. 8
С ростом амплитуды выходного напряжения операционный усилитель перейдет в насыщение и колебания будут иметь несинусоидальную форму. Для ограничения размаха выходных колебаний в установившемся режиме цепь обратной связи должна быть нелинейной. Например, последовательно с резистором R0 можно включить нелинейный двухполюсник подобно тому, как это сделано в схеме на рис.7.
3. Назначение генератора
Гармонические колебания в генераторах поддерживаются резонансными контурами либо другими резонирующими элементами (кварцы, объемные резонаторы и т.п.) или с помощью фазирующих RC-цепей, включаемых в цепь обратной связи усилителей. Первые называются LC-, а вторые RC- генераторами гармонических колебаний. Маломощные LC-генераторы применяются в измерительных и регулирующих устройствах, а также служат в качестве задающих генераторов в радиопередатчиках. LC-генераторы средней и большой мощности широко используются для питания технологических установок ультразвуковой обработки материалов, установок индукционного нагрева металлов и диэлектриков, электронных микроскопов и др. RC-генераторы применяются как задающие устройства в системах преобразования постоянного тока в переменный, а также различного рода измерительных приборах и системах.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/most-vina-robinsona/
1. http://ikit.edu.sfu-kras.ru/files/3/L_33.pdf
2. http://studopedia.ru/13_138012_generatori-garmonicheskih-kolebaniy.html
Аккумулятор и генератор для автомобиля
... карманы поступает из внутренней полости каждого аккумулятора. Нагревательные элементы соединены параллельно и подключены через термовыключатель к двум зажимам колодки , закрепленной на наружной стенке бака. При необходимости ... автоматически включает нагревательные элементы при температуре электролита ниже 10 С и отключает их из цепи при 15 С . Электроподогреватель используют только в зимнее время ...
