Политех в Сети

Сайт для Учебы

6.1.ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Рейтинг пользователей: / 5
ХудшийЛучший 

Схема с параллельным колебательным контуром в цепи обратной связи является классической схемой автогенератора. В большинстве таких автогенераторов напряжение обратной связи снимается с части колебательного контура, то есть используется неполное включение катушки индуктивности. Контур при этом имеет три точки соединения с усилителем. Такие генераторы получили название трехточечных. Упрощенная структурная схема трехточечного генератора на неинвертирующем операционном усилителе приведена на рис.6.9.

описание: трехточкаобщаясхема

Рис.6.9.Структурная схема трехточечного генератора

В соответствии с обозначениями на схеме можно записать:

. (6.19)

Напряжение обратной связи равно напряжению на входе усилителя

. (6.20)

Коэффициент передачи цепи обратной связи равен

. (6.21)

Так как активные составляющие сопротивлений катушек индуктивности и конденсаторов на частоте генерации намного меньше реактивных составляющих, то коэффициент передачи цепи обратной связи равен:

. (6.22)

Операционный усилитель включен по неинвертирующей схеме и не вносит фазовый сдвиг на резонансной частоте, на которой . Условие баланса амплитуд будет выполнено, если и одинакового знака (емкости или индуктивности), а - противоположного знака. Отсюда возможны два варианта схем автогенераторов: емкостная или индуктивная трехточечная схема. Идея построения таких генераторов поясняется рис.6.10.

описание: трехточка индуктивная описание: трехточка емкостная

Рис.6.10.Индуктивная и емкостная трехточечные схемы генераторов

На рис.6.11 приведена трехточечная схема автогенератора на транзисторе с индуктивной связью. Величина коэффициента самоиндукции дросселя Др в коллекторной цепи должна быть такой, чтобы ее сопротивление переменному току на частоте генерации было значительно больше сопротивления параллельного контура при резонансе. Сопротивление же разделительного конденсатора для переменного тока должно быть намного меньше сопротивления параллельного контура при резонансе.

описание: генератортрехточка

Рис.6.11.Трехточечная схема генератора на биполярном транзисторе

Рассмотренные генераторы с колебательными контурами называются Генераторами. Они используются для генерирования высокочастотных гармонических колебаний.

На низких частотах (единицы-десятки килогерц) увеличиваются значения емкости конденсатора и индуктивности катушки, что ведет к значительному увеличению их размеров. Поэтому на низких частотах в качестве частотно-избирательных цепей применяют различные фильтры из резисторов и конденсаторов. Схема одного из таких фильтров, называемого мостом Вина, приведена на рис.6.12.

описание: цепьвина

Рис.6.12. Мост Вина

Запишем выражение для коэффициента передачи такой цепи, применяемой в качестве цепи обратной связи в низкочастотных генераторах гармонических колебаний:

. (6.23)

Сопротивление цепочки из последовательно соединенных резистора и конденсатора равно

(6.24)

Сопротивление цепочки из параллельно соединенных резистора и конденсатора равно

. (6.25)

Подставим и В выражение (6.23) для коэффициента передачи:

, (6.26)

Где

. (6.27)

Для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы Максимального значения коэффициент передачи цепи достигает на частоте и это значение равно . Нормированный коэффициент передачи будет равен:

. (6.28)

Сравним полученное выражение с нормированным коэффициентом передачи параллельного контура, которое равно отношению входного сопротивления контура на любой частоте к входному сопротивлению на резонансной частоте:

. (6.29)

Из сравнения видно, что характер коэффициентов передачи одинаков, то есть частотные и фазовые характеристики обеих цепей изменяются по одним и тем же законам. Рассмотренная Цепочка эквивалентна колебательному контуру с добротностью и собственной частотой .

Схема генератора низкочастотных гармонических колебаний с мостом Вина приведена на рис.6.13

описание: генераторвина

Рис.6.13. Генератор с мостом Вина

Для обеспечения самовозбуждения необходимо, чтобы на частоте коэффициент усиления усилителя был , что легко обеспечивается резисторами в цепи отрицательной обратной связи.

Широкое применение получил также генератор гармонических колебаний с фазосдвигающими - цепочками, схема которого приведена на рис.6.14.

описание: генератор3звенаrc

Рис.6.14.Генератор с трехзвенной RC-цепью

В цепь обратной связи усилителя на полевом транзисторе по схеме с общим истоком включена трехзвенная Цепь. Каждое звено на некоторой частоте обеспечивает фазовый сдвиг . Частота, на которой фазовый сдвиг трехзвенной цепи равен , равна

. (6.30)

В итоге суммарный фазовый сдвиг в петле обратной связи равен:

. (6.31)

Коэффициент передачи трехзвенной Цепи на частоте равен . То есть на частоте генерации трехзвенная Цепь ослабляет сигнал в 29 раз. Следовательно, для выполнения условия самовозбуждения необходимо, чтобы коэффициент усиления усилителя был .

Следует отметить, что в Генераторах не удается одновременно обеспечить достаточную стабильность стационарной амплитуды колебаний и хорошую их форму из-за наличия высших гармоник в спектре выходного напряжения. Поэтому Генераторы называют генераторами квазигармонических колебаний.

6.1.1.Стабилизация частоты автогенераторов

Одновременная работа многих радиостанций без взаимных помех возможна при условии высокой стабильности несущей частоты радиосигнала. К стабильности частоты задающих генераторов радиостанций предъявляют высокие требования. Мерой количественной оценки изменения частоты является нестабильность, определяемая относительным изменением частоты генератора в процессе работы. Допустимое отклонение несущей частоты радиопередатчиков составляет Гц в диапазоне 150 кГц - 1650 кГц и Гц в диапазоне 66-73 МГц. Изменение частоты колебаний генераторов происходит в результате непостоянства различных его параметров под влиянием температуры (емкости, коэффициента самоиндукции, сопротивлений, питающих напряжений, параметров активных элементов). Для количественной характеристики зависимости реактивных параметров от температуры вводят температурный коэффициент индуктивности (ТКИ) и емкости (ТКЕ), который равен относительному изменению соответствующего реактивного параметра при изменении температуры на 1. У хороших катушек индуктивности ТКИ составляет величину (50100)*. У хороших слюдяных конденсаторов ТКЕ составляет величину (50100)*. Керамические конденсаторы выпускаются как с положительным, так и с отрицательным ТКЕ. Чтобы уменьшить зависимость реактивных параметров от температуры, используют катушки с низким значением ТКИ и конденсаторы с воздушным или твердым диэлектриком с отрицательным ТКЕ (емкость уменьшается с ростом температуры). Включение такого конденсатора в контур автогенератора позволяет скомпенсировать положительное значение ТКИ и ТКЕ других реактивных элементов. Нестабильность, обусловленная изменением температуры, оценивается температурным коэффициентом частоты (ТКЧ) – относительным изменением частоты при изменении температуры на 1. Для колебательного контура ТКЧ составляет примерно . Для уменьшения нестабильности частоты используют термостатирование контура или всего генератора. Для этого их помещают в термостат, где принудительно поддерживается постоянная температура. Термостатирование позволяет достичь долговременной нестабильности . Однако такие значения нестабильности частоты не удовлетворяют современным требованиям. Снизить относительную нестабильность до удается при использовании в качестве колебательных систем автогенераторов кварцевых резонаторов. Кварцевые пластинки, вырезанные из монокристаллов кварца под определенными углами к осям кристалла, обладают пьезоэлектрическим эффектом. Высокая стабильность частоты кварцевых резонаторов объясняется высокой стабильностью их собственных механических колебаний. Температурный коэффициент частоты кварцевых резонаторов составляет . Эквивалентная схема кварцевого резонатора и изменение его реактивного сопротивления приведены на рис.6.15.

описание: кварцэквивалентнаяописание: частотыкварца

Рис.6.15. Эквивалентная схема кварцевого резонатора и изменение его реактивного сопротивления

Величины , , и определяются геометрическими размерами пластинки кварца и типом механических колебаний, которые могут быть колебаниями по толщине или по длине пластинки. Для частоты МГц =0,4Г, =0,028 пФ, =35 Ом. Статическая емкость выводов кварцедержателя составляет величину 10….40 пФ. Добротность кварцевого резонатора на три порядка превышает добротность обычного колебательного контура и составляет величину . Кварц имеет две резонансные частоты: частоту последовательного резонанса и частоту параллельного резонанса . В полосе частот между двумя резонансными частотами реактивное сопротивление кварца имеет индуктивный характер. За пределами этой полосы реактивное сопротивление является емкостным. Резонансные частоты близки между собой и отличаются на 0,25% при . Зависимость реактивного сопротивления кварца от частоты позволяет использовать кварцевые резонаторы в автогенераторах. В Генераторах кварц используется в качестве индуктивности и включается в соответствующий участок схемы генератора. Примером могут служить трехточечные схемы автогенераторов на операционном усилителе и полевом транзисторе, показанные на рис.6.16

описание: кварцевыйтрехточка описание: кварцнаполевом

Рис.6.16.Трехточечные схемы кварцевых генераторов на ОУ и полевом транзисторе

В генераторе на полевом транзисторе так же, как и в генераторе на ОУ, кварц, включенный между затвором и истоком, эквивалентен индуктивности, поэтому схема генератора эквивалентна трехточечной схеме. Для этого необходимо, чтобы колебательный контур для частоты кварца представлял емкость (). В качестве другой емкости трехточки используется емкость затвор-исток.

Кварцевая стабилизация позволяет получить абсолютную нестабильность частоты Гц на частоте 1 МГц. Величина относительной нестабильности частоты термостатированных кварцевых генераторов составляет .