Генератор гармоничных колебаний

Реферат

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.

23 стр., 11145 слов

Организация волоконно-оптической линии связи на участке железной дороги

... вопросы строительства волоконно-оптической линии связи, оценены технико-экономические показатели и приведены требования по охране труда. Целью данного дипломного проекта является повышение эффективности и безопасности грузовых и пассажирских перевозок на участке ...

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

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.

4 стр., 1632 слов

Для чего применяют RC-генераторы?

... генераторов гармонических колебаний используют как правило три последовательно включенных Г-образных фильтра. При этом обеспечивается возможность фазового сдвига сигнала в цепи обратной связи ... Рис.1.1. Г-образные звенья ОС Рис.1.2. Мост Вина Рис.1.3. Двойной Т-образный мост RC-генераторы с ... напряжение обозначено «U»; цепочка эмиттерной термостабилизации − «RC»; делитель напряжения − «Rg 1 », «Rg2 ...

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