Разделы сайта

Проектирование генератора гармонических колебаний

Генераторы гармонических колебаний представляют собой электронные устройства, формирующие на своем выходе периодические гармонические колебания при отсутствии входного сигнала. Генерирование выходного сигнала осуществляется за счет энергии источника питания.

Условие возникновения автоколебаний можно разделить на две составляющие:

) Условие баланса амплитуд: К∙β=1. Физический смысл: результирующее усиление в контуре, состоящем из последовательного соединения усилителя и цепи ОС должно быть равно единице. Если цепь ОС ослабляет сигнал, то усилитель должен на 100% компенсировать это ослабление. То есть если в любом месте разорвать контур ПОС и на вход подать сигнал от внешнего источника, то пройдя по контуру К∙β с выхода разрыва цепи ОС вернется сигнал точно такой же амплитуды, что был подан на вход разрыва.

) Условие баланса фаз: arg(K·β)=0. Физический смысл: результирующий фазовый сдвиг, вносимый усилителем и цепью ОС должен быть равен нулю (или кратен 2π). То есть при подаче сигнала на разрыв, вернувшийся сигнал будет иметь точно такую же фазу. При выполнении этого условия ОС будет положительна.

Для существования автоколебаний необходимо одновременное выполнение этих условий. Если эти условия выполняются не для одной частоты, а для целого спектра частот, то генерируемый выходной сигнал будет сложным (не гармоническим). Для обеспечения синусоидальности выходного сигнала генератор должен генерировать сигнал только одной единственной частоты. Для этого необходимо, чтобы условия возникновения автоколебаний выполнялись для единственной частоты, которая и будет генерироваться. Для этого делают К или β частотно-зависимыми. Как правило β имеет максимум β0 на некоторой частоте ω0. Поэтому на ω0 и коэффициент усиления будет иметь максимум К0. Величины К0 и β0 обеспечивают такими, чтобы они удовлетворяли условиям возникновения автоколебаний. Тогда при отклонении частоты от ω0 и условия возникновения автоколебаний выполняться не будут, что приведет к затуханию колебаний этой частоты и на выходе генератора будут только гармонические колебания частоты ω0.

В зависимости от того, каким способом в генераторе обеспечивается условие баланса фаз и амплитуд, различают генераторы:

) RC-типа

Рис. 1 - Принципиальная схема генератора с последовательно-параллельной RC-цепью на ОУ

Регулирование частоты в этом генераторе осуществляется одновременным изменением сопротивлений R или емкостей С. Для стабилизации амплитуды генерируемых колебаний в качестве сопротивления R1 применяют терморезистор с положительным температурным коэффициентом. Если при этом амплитуда выходного сигнала возрастет выше установившегося уровня, то возросший сигнал на выходе генератора приведет к увеличению напряжения и тока (то есть мощности) на R1. При нагреве R1 его сопротивление возрастет и коэффициент усиления по неинвертирующему входу уменьшится (то есть уменьшится наклон амплитудной характеристики усилителя по неинвертирующему входу). Это приведет к уменьшению амплитуды автоколебаний на выходе. Если же амплитуда автоколебаний уменьшится, то мощность, выделяемая на R1, уменьшится. Его температура также уменьшится, что вызовет уменьшение его температуры. Коэффициент усиления возрастет, увеличится наклон характеристики, точка пересечения характеристик сместится вверх и обеспечит большую амплитуду. В качестве такого терморезистора можно использовать маломощную лампу накаливания.

) LC-типа

Такой генератор строят на основе усилительного каскада на транзисторе, включая в его коллекторную цепь колебательный LC-контур.

Рис. 2 - Генератор LC-типа

По принципу работы схемному построению различают генераторы с самовозбуждением и генераторы с внешним возбуждением, которые по существу являются усилителями мощности генерируемых колебаний заданной частоты.

Электронные автогенераторы подразделяются на автогенераторы синусоидальных колебаний и автогенераторы колебаний не синусоидальной формы, которые принято называть релаксационными автогенераторами.

По диапазону генерируемых частот генераторы делятся на низкочастотные (от 0,01Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц) и сверхвысокочастотные (от 100 МГц и выше)

Генератор может работать в нескольких режимах самовозбуждения.

- мягкий

- жесткий.

Рис.3 Мягкий режим самовозбуждения

Мягкий режим самовозбуждения - когда колебательная характеристика начинается с нулевой точки и ее угол наклона к оси абсцисс в области малых амплитуд больше, чем угол наклона линии обратной связи.

При мягком режиме автоколебания возникают и самостоятельно устанавливаются сразу же после включения. Баланс амплитуд при мягком самовозбуждении выполняется в одной точке M (рис.3).

Рис.4 Жесткий режим самовозбуждения

Жесткий режим самовозбуждения - когда колебательная характеристика не удовлетворяет приведенным условиям мягкого режима.

Жесткий режим характерен тем, что малые колебания на входе усилительного элемента не могут вызвать самовозбуждение автогенератора, в жестком режиме существуют две и более точки, в которых соблюдается баланс амплитуд (рис.4).

Сравнивая автоколебательные системы с мягким и жестким самовозбуждением, можно заметить, что система с мягким самовозбуждением имеет неустойчивое, а с жестким самовозбуждением устойчивое состояние покоя. При мягком самовозбуждении и малых амплитудах колебания усилительный элемент работает без отсечки тока, а при жестком - с отсечкой. Таким образом, можно сделать вывод, что мягкое самовозбуждение удобно для эксплуатации, т.к. колебания быстро и легко устанавливаются. Однако, при установившимся режиме удобно работать при малых углах отсечки выходного тока усилительно элемента, т.к. при этом можно получить более высокий КПД и меньше тепловые потери, что влияет на стабильность работы автогенератора, а, следовательно, и на стабильность частоты на выходе передатчика. Поэтому часто используют смешанный режим самовозбуждения, при котором в момент включения автогенератор начинает работать сначала в мягком режиме (подача на усилительный элемент напряжения смещения), а затем в жестком (изменение напряжения смещения в процессе установления автоколебаний). Для изменения напряжения смещения в автогенераторе предусматривают специальную цепь - цепь автоматического смещения. При режиме отсечки тока используют понятие коэффициента регенерации, который показывает во сколько раз может быль уменьшена добротность колебательной системы по сравнению с ее исходным значением, чтобы автогенератор оказался на границе срыва автоколебаний

Анализ технического задания

В данной курсовой работе необходимо разработать генератор гармонических колебаний, который имел бы такие параметры:

Выходная мощность Uвых = 5 В

Сопротивление нагрузки Rн = 1 кОм

Частота генерируемых колебаний fн = 4,5 МГц

В результате анализа задания можно сделать вывод, что для проектируемого генератора лучше использовать схему типа LC.

Интересное из раздела

Шлюз ZigBee и GPRS
Беспроводные сенсорные сети получили большое развитие в последнее время. Такие сети, состоящие из множества миниатюрных узлов, оснащенных маломощным приемо- ...

Программное обеспечение для предварительных испытаний манипулятора грунтозаборного комплекса космического аппарата Фобос-грунт
Важным этапом отработки агрегатов и устройств КА является процесс их испытаний. Современные испытания немыслимы без автоматизации испытаний, наряду с исполь ...

20-разрядный аналого-цифровой преобразователь, изготовленный по технологии КМОП 0,9 пм
Традиционные конструкции аналого-цифровых преобразователей (АЦП) использовали параллельную архитектуру и биполярные технологии для получения 8-битного разрешени ...