тюменский государственный нефтегазовый университет

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Тираж: 10 экз.
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Методические указания к лабораторной работе
«Исследование RC-автогенераторов»
по курсу «Электроника и микросхемотехника» для студентов
направлений «Автоматизация и управление» и «Информатика и
вычислительная техника» дневной и заочной
формы обучения
Тюмень 2002
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Утверждено редакционно-издательским советом Тюменского
Государственного
нефтегазового университета
Составили: к.т.н. доцент Крамнюк А.И. ст. преп. Гурьева Л.В.
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Электронную копию данных материалов
исполнил
студент
группы
АТПс-1
заочного отделения ТГНГУ Харченко Г.Г.
адрес: ЯНАО, Надымский район, пос.
Пангоды, ул. Энергетиков, 29, к.7. 2002 г.
2
15
Для заметок

































14
1. ИССЛЕДОВАНИЕ RC-АВТОГЕНЕРАТОРОВ
К автогенераторам относятся устройства, преобразующие энергию
источника постоянного тока в переменный ток или напряжение
определённой частоты и формы.
В большинстве случаев для автогенератора не требуется внешнего
возбуждающего воздействия, а формирование переменного напряжения
или тока происходит за счёт внутренних процессов.
Если на выходах автогенераторов формируется переменное
напряжение по форме близкой к синусоидальной, то они относятся к
автогенераторам гармонических колебаний. Если же форма выходного
напряжения близка к прямоугольной, пилообразной и прочее, то такие
устройства относятся к генераторам релаксационных или разрывных
колебаний.
В данной работе исследуются автогенераторы гармонических или
синусоидальных колебаний.
Блок-схема автогенератора представлена на рис.1, где он представлен
в виде замкнутой системы с положительной обратной связью. В схеме
обозначено:
1
блок
─
усилитель,
восполняющий потери энергии в
избирательной
цепи и
цепи
обратной связи;
2 блок ─ избирательная цепь (в
RC-автогенераторах фазирующая
или частотозадающая цепь). Эти
цепи определяют частоту, на
которой работает автогенератор;
3 блок ─ цепь положительной
обратной связи (ПОС).
В автогенраторах наличие цепи ПОС принципиально необходимо.
Иногда используют дополнительно и цепь отрицательной обратной связи,
но только с целью улучшения характеристик автогенератора.
В реальных автогенераторах могут объединяться блок 1 и блок 2, т.е.
будет реализован избирательный усилитель, или же блок 2 и блок 3, т.е.
будет введена частото-зависимая избирательная цепь ПОС.
Для возникновения и существования колебаний в замкнутой системе
3
необходимо выполнение двух условий:
а) баланс амплитуд:
Ко∙β+≥1
б) баланс фаз:
22.
23.
Σφi=2π∙n
где n=0, 1, 2......
24.
Условие баланса амплитуд требует, чтобы общий коэффициент
передачи по замкнутой петле обратной связи был больше единицы для
возникновения и нарастания амплитуды колебаний и равен единице для
установившегося режима.
Условие баланса фаз требует, чтобы суммарный фазовый сдвиг по
замкнутой петле обратной связи был равен нулю градусов или же был
кратным 2π. Тогда система будет охвачена положительной обратной
связью.
25.
26.
27.
2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И СУЩЕСТВОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ В
АВТОГЕНЕРАТОРЕ
Интересующие нас процессы рассмотрим на примере LCавтогенератора, схема которого приведена на рис.2.
На транзисторе VT1 совместно с
контуром LC выполнен избирательный
усилитель. Резонансная частота, как и
частота генерации, будут определяться
резонансной частотой контура:
1
fгенер=fрез=
2π 2LC
Обратная
связь
выполнена
трансформаторной
за
счёт
дополнительной
обмотки
Loc,
напряжение с которой поступает на вход
усилителя.
Для проверки выполнения условий баланса амплитуд и баланса фаз
разорвем цепь ОС между точками "а" и "б", а на вход избирательного
усилителя подадим переменное напряжение от внешнего генератора Uвх
4
На основе анализа цепи Вина определите требования к
усилителю, используемому в атогенераторе с указанной цепью.
С какой целью в автогенераторах типа RC используется
нелинейные инерционные и безинерционные: лампочки
накаливания, термистор, диоды, выпрямители?
Рассмотрите процесс стабилизации амплитуды колебаний в
автогенераторах типа RC с нелинейными элементами.
За счет чего в автогенераторах типа RC формируется
синусоидальный сигнал с малыми нелинейными искажениями,
несмотря на то, что избирательность RC-цепей очень низкая?
С какой целью в автогенераторах синусоидальных колебаний
применяют кварцевые резонаторы (кварц)? Чем определяется
частота сигнала у такого генератора?
Приведите схему автогенератора с кварцем, поясните принцип
действия и выполнения условий баланса фаз и амплитуд.
8. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
Забродин Ю.С.: Промышленная электроника. ─ М.: Высшая
школа, 1982.
Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. ─ М.:Высшая школа, 1982.
Горшков Б.И. Радиоэлектронные устройства. ─ М.:. Радио и связь,
1984.
Гоноровский И.Г. Радиотехнические цепи и сигналы. ─ М.: Сов.
радио, 1978.
13
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
В каком случае выполняются следующие условия:
а)
β+∙К>1;
б)
β+∙К=1;
в)
β+∙К<1?
Поясните, почему указанные условия должны изменяться и за
счёт чего эти изменения происходят.
Докажите,
что
для
обеспечения
нормальной
работы
автогенератора в его схеме обязательно присутствие нелинейного
элемента. Определите в реальных схемах указанный нелинейный
элемент.
Проиллюстрируйте процесс стабилизации амплитуды выходного
напряжения. Что влияет на стабильность амплитуды?
Получите дифференциальное уравнение, описывающее работу
автогенератора, и определите условия возникновения и
существования автоколебаний.
Какие элементы определяют стабильность частоты колебаний
автогенератора, и какие меры предпринимаются для повышения
указанной стабильности? Приведите примерные значения
нестабильности частоты, достижимые в автогенераторах типа LC.
Почему у автогенератора форма выходного сигнала близка к
синусоидальной, несмотря на то, что усилительный элемент
(транзистор) работает в резко нелинейном режиме?
Приведите схемы индуктивной и емкостной трехточки
автогенераторов. С помощью векторных диаграмм покажите
выполнение условий баланса фаз и баланса амплитуд.
Приведите схемы автогенераторов типа RC на транзисторах и
операционных усилителях. Как в таких автогенераторах
выполняются условия баланса фаз и баланса амплитуд? Почему у
таких автогенераторов цепь Вина включена в цепи
положительной обратной связи, а при применении двойного Тмоста последний включается в цепь отрицательной обратной
связи?
Получите аналитическое выражение АЧХ и ФЧХ для цепи Вина.
На основе анализа определите частоту квазирезонанса,
коэффициент передачи и фазовый сдвиг на частоте
квазирезонанса.
12
с частотой, равной резонансной частоте избирательного контура. На
обмотке Loc (в точке "а" относительно общего провода) появится
напряжение обратной связи.
Допустим, на вход от внешнего генератора поступила положительная
полуволна входного сигнала (полярность показана на рис.2). Сигнал
усилится транзистором, повернется на 180° и выделится на контуре. Т.к
контур на резонансной частоте имеет фазовый сдвиг равный 0 градусов,
то напряжение на контуре будет находиться в противофазе с входным. С
учетом фазировки обмоток Loc и L (начало обмоток показано точками) на
нижнем выводе обмотки Loc, а, следовательно, и в точке "а" появится
положительный потенциал относительно общего провода. Таким
образом, фазовый сдвиг между напряжением Uoc и Uвх будет равен 360°
(или 0°). Условие баланса фаз выполнено.
Если замкнуть ранее разорванные точки "а" и "б", то будет введена
положительная обратная связь. Условие баланса амплитуд будет
выполнено, если путем изменения числа витков в обмотке Loc
обеспечить равенство амплитуд Uoc и Uвх. После этого, для превращения
рассматриваемой схемы в автогенератор, необходимо отключить
внешний источник переменного напряжения Uвx и замкнуть точки "а" и
"6". Выполнются условия баланса фаз и амплитуд, и в замкнутой системе
начнутся процессы, направленные на нарастание амплитуды колебаний.
Рассмотрим подробнее эти процессы. При включении источника
питания в цепи коллектора и через контур начинает протекать ток.
Несмотря на то, что питание осуществляется от источника постоянного
тока, реальный ток через контур и транзистор не остаётся постоянным. У
него имеется переменная составляющая, амплитуда которой может быть
очень маленькой, но она присутствует. Это явление обусловлено
шумовыми свойствами транзистора, а также флуктуационными
изменениями значений резисторов, конденсаторов, индуктивностей,
использованных в схеме.
Как показали теоретические и экспериментальные исследования,
спектр этой переменной составляющей очень широкий. В нём
присутствуют все частоты от 0Гц до ∞Гц, в том числе и та частота, на
которую настроен избирательный котур. При достаточно высокой
добротности (Q=5…100) контур из широкого спектра частот выделит
5
сигнал с частотой, равной его резонансной, что соответствует первому
этапу ─ стадии возникновения колебаний.
Переменное напряжение, появившееся на контуре, трансформируется
в обмотку Loc. Затем поступает на вход усилителя, усиливается
последним, и также выделяется на контуре. Т.к. суммарный фазовый
сдвиг по замкнутой петле ПОС равен 0 градусов, то усиленный сигнал в
контуре окажется в фазе с первоначальным сигналом. Они
просуммируются, и общая амплитуда колебаний возрастёт. Возросшая
амплитуда снова трансформируется в Loc, поступает на вход усилителя,
усиливается, выделяется на контуре и опять суммируется с тем сигналом,
который там имеется. Это приводит к дальнейшему увеличению
амплитуды колебаний и т.д. Система начинает сама себя "раскачивать" с
той частотой, на которую настроен контур, т.к. только на этой частоте
коэффициент
усиления
максимальный
и
имеются
наиболее
благоприятные условия для суммирования. Таким образом, в системе
наблюдается второй этап ─ стадия нарастания амплитуды колебаний, как
это показано на рис.3.
Итак, амплитуда переменного
напряжения ничинает расти. Теперь
рассмотрим, в какой момент
времени процесс роста закончится.
По мере роста амплитуды
захватывается всё более широкий
спектр характеристик транзистора.
А так как размах амплитуды
переменного
напряжения
в
усилителе не может превышать
значение напряжения источника
питания, то, в конечном счёте,
заходит в режим ограничения, где его усилительные свойства резко
падают, и дальнейший рост амплитуды прекращается. Система переходит
в установившийся режим, где амплитуда колебаний становится
постоянной.
Работа транзистора в режиме ограничения (в нелинейной области)
может привести к искажению формы выходного сигнала, обусловленому
6
7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Объясните назначение автогенераторов.
Приведите обобщенную блок-схему автогенератора и поясните
назначение основных блоков.
Какие условия должны быть выполнены в электронной схеме, для
того, чтобы эта схема стала выполнять функцию автогенератора?
Запишите указанные условия баланса фаз и баланса амплитуд в
аналитической форме и дайте необходимые пояснения.
Обязательно ли наличие в автогенераторе:
а)
положительной обратной связи?
б)
отрицательной обратной связи?
Какие элементы схемы определяют частоту и форму колебаний в
автогенераторе?
Приведите варианты выполнения частотозадающих цепей типа
LC и RC.
Укажите и дайте обоснование примерному диапазону частот, в
котором работают автогенераторе типа LC и типа RC.
Приведите принципиальную схему автогенератора типа LC с
трансформаторной связью и покажите, как в данной схеме
выполняются условия баланса фаз и баланса амплитуд.
Покажите в автогенераторе, с физической точки зрения, процессы
возникновения, нарастания и установления амплитуды колебаний
переменного напряжения на выходе.
Поясните, почему после включения источника питания амплитуда
колебаний возрастает не скачком, а постепенно.
Дайте
определение
колебательной
характеристики
и
характеристики цепи обратной связи автогенератора. Приведите
указанные характеристики на одном графике.
Покажите с помощью графиков процессы возникновения,
нарастания и установления колебаний. Докажите, что амплитуда в
установившемся режиме определяется точкой пересечения
амплитудной и колебательной характеристики.
11
6. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
1.
1.1.
2.
2.1.
2.2.
3.
4.
Для исследования цепи Вина на её вход подайте сигнал от
внешнего генератора низкой частоты и снимите амплитудночастотную характеристику (АЧХ). По АЧХ определите частоту,
на которой коэффициент передачи β+ имеет максимальное
значение. Эта частота и является частотой квазирезонанса.
Указанные АЧХ снимите для 4-х случаев, изменяя значения R и
С. При этом постоянные времени верхнего и нижнего плечей цепи
Вина должны быть равными 1=Rmin∙Cmin, 2=Rmax∙Cmin,
3=Rmin∙Cmax, 4=Rmax∙Cmax.
Охватите усилитель ПОС с помощью цепи Вина и, изменяя
коэффициент отрицательной ОС (R14 макета), добейтесь
устойчивых колебаний синусоидальной формы. Измерьте
амплитуды выходных колебаний.
С помощью фигур Лиссажу или частотомера определите частоту
колебаний автогенератора и сравните ее с частотой
квазирезонанса, найденной по АЧХ для данной цепи.
Проведите подобные измерения (пункт 2) для 4-х значений  (1,
2, 3, 4).
Измерьте значение коэффициента усиления усилителя на частоте
квазирезонанса (для одного значения ), для чего разомкните
цепь ПОС, не изменяя при этом положения регулятора цепи ООС.
На вход усилителя от внешнего генератора подайте сигнал такой
амплитуды, чтобы амплитуда выходного сигнала усилителя
равнялась амплитуде сигнала на выходе автогенератора в режиме
генерации. Измерив выходное и входное напряжение, определите
Коос. Проверьте выполнения условия баланса амплитуд в режиме
установившихся колебаний в соответствии с выражением
Кос∙β+=1.
Получив у преподавателя значения элементов цепи Вина,
рассчитайте значения частот квазирезонанса и сравните их с
полученными из АЧХ цепи Вина и частотами генерации
автогенератора.
10
наличием высших гармоник. Однако, применение высокодобротного
контура позволяет отфильтровать высшие гармоники. Поэтому выходной
сигнал будет иметь синусоидальную форму.
3. СХЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ RC-АВТОГЕНЕРАТОРА
В настоящей работе исследуется автогенератор типа RC, схема
которого приведена на рис.4. Все процессы, связанные с возникновением,
нарастанием и установлением амплитуды колебаний в автогенераторах
типа RC, не отличаются от процессов рассмотренных выше, в
автогенераторах типа LC. Поэтому на них мы в данном случае
останавливаться не будем, а рассмотрим только некоторые, специфичные
особенности, касающиеся RC-автогенераторов.
В качестве фазирующей (или частотозадающей) цепи использована
цепь Вина, которая включается в цепь ПОС. Фазовый сдвиг цепи Вина на
7
частоте квазирезонанса равен 0 градусов. Для выполнения условия
баланса фаз использован двухкаскадный усилитель на транзисторах VT2,
VT3, который обеспечивает фазовый сдвиг на 360°. Коэффициент
передачи цепи Вина β+ на частоте квазирезонанса равен 1/3. Поэтому для
выполнения условия баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя
должен быть равен или больше 3.
Но двухкаскадный усилитель обеспечивает значительно больший
коэффициент усиления. И для его снижения усилитель дополнительно
охвачен общей отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению
(цепь Rд, Rл, R14). Причём ООС выполнена с использованием
нелинейных инерционных элементов, в качестве которых применяют
термистор или лампочку накаливания (Н1=Rл). В настоящее время для
этой же цели используют и другую элементную базу, но суть от этого не
изменяется.
Применяемые элементы обладают таким свойством, что их
сопротивление зависит от значения протекающего тока. У термистора,
например, с увеличением тока сопротивление уменьшается, в тоже время
у лампочки накаливания с ростом тока сопротивление возрастает. Эти
элементы являются инерционными, а тепловая постоянная времени у них
больше периода колебаний переменного тока, который через них
протекает. Поэтому для мгновенных значений тока они ведут себя как
линейные элементы, а значение их сопротивления изменяется только в
зависимости от действующего значения протекающего тока. Рассмотрим,
с какой целью применяют эти элементы.
Цепь Вина обладает очень слабыми избирательными свойствами. Если
допустить заход транзисторов усилителя в режим ограничения, то
появляющиеся в результате этого высшие гармонические составляющие
пройдут на выход автогенератора. Форма выходного напряженния
исказится, и появятся большие нелинейные искажения. Применение же
нелинейных элементов позволяет избежать указанного явления.
Предположим, что соотношение резисторов в цепи отрицательной
обратной связи, с учетом сопротивлений нелинейных элементов, выбрано
таким, что обеспечивается значение коэффицента усиления усилителя с
обратной связью, равное трём. Это необходимо для выполнения условия
баланса амплитуды выходного напряжения, при которой транзисторы
8
работают в линейном режиме для обеспечения минимальных нелинейных
искажений.
Допустим, что амплитуда выходного напряжения по какой-либо
причине возросла. Появляется возможность перехода транзистора VT2 в
нелинейный режим. В этот же момент возрастёт ток в цепи ООС и ток,
протекающий через лампочку. Сопротивление лампочки также возрастёт.
А так как именно на ней выделяется напряжение общей отрицательной
обратной связи, то увеличится общая глубина ООС. Это приведёт к
уменьшению коэффициента усиления усилителя, а, следовательно, и
выходного напряжения. Это не позволяет транзистору перейти в
нелинейный режим.
Если же произошло уменьшение амплитуды входного напряжения, то,
рассуждая аналогичным образом, мы прийдём к выводу, что амплитуда
будет возрастать. Наблюдается процесс стабилизации амплитуды
выходного напряжения. При условии того, что работа транзистора будет
осуществляться в линейной области, нелинейные искажения выходного
сигнала будут минимальными, несмотря на низкую добротность цепи
Вина.
4. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследовать процессы возникновения и установления колебаний в
RC-автогенераторах.
5. ПРОГРАММА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ
1.
2.
Исследование избирательных свойств цепи Вина, используемой в
цепи положительной обратной связи (ПОС) автогенератора, с
целью определения частоты квазирезонанса и коэффицента
передачи цепи также на частоте квазирезонанса для цепей с
разной постоянной времени.
Исследование автогенератора, в котором в ПОС использована
цепь Вина, с целью определения условий возникновения и
существования колебаний, а также частоты генерации.
9