37286

Автогенератор с автотрансформаторной обратной связью

Доклад

Производство и промышленные технологии

Коэффициент обратной связи на резонансной частоте 8. Поэтому коэффициент обратной связи оказался независимым от частоты что справедливо при относительно невысоких частотах в половину меньших граничной частоты транзистора. С повышением частоты схема замещения автогенератора усложняется и коэффициент обратной связи должен рассматриваться с учетом перечисленных факторов. Амплитуда генерируемых колебаний определяется из уравнения баланса амплитуд Регулировка амплитуды колебаний производится изменением величины коэффициента обратной...

Русский

2013-09-24

815.67 KB

41 чел.

180

1. Схемы автогенераторов

Автогенератор с автотрансформаторной обратной связью

Схема генератора представлена на рисунке 1

Рис. 1 Автогенератор с автотрансформаторной ОС

В этой схеме индуктивность LБЭ по переменному току включена между базой и эмиттером, индуктивность LКЭмежду коллектором и эмиттером, а емкость СКмежду коллектором и базой. Таким образом, правило построения индуктивной трехточки выполнено и, значит, выполняется фазовое условие самовозбуждения. Конденсатор СБ предотвращает непосредственную связь источника ЕК с базой транзистора по постоянному току. Конденсатор СБЛ шунтирует источник питания по переменному току, исключая потери энергии на его внутреннем сопротивлении. Конденсатор СР разделяет генератор и его нагрузку по постоянному току.

Амплитудное условие самовозбуждения достигается выбором

где КРЕЗ = S p2RЭ0коэффициент усиления на резонансной частоте контура;

S –крутизна проходной характеристики в рабочей точке, определяемой величиной начального смещения на эмиттерном переходе;

 

–коэффициент включения контура в коллекторную цепь;

RЭ0 = Qрезонансное сопротивление контура.

Коэффициент обратной связи на резонансной частоте

 (8.43)

Это же соотношение можно получить, используя выражения (8.40) и (8.41), полученные для обобщенной схемы трехточечного автогенератора

Частота генерируемых колебаний определяется из уравнения баланса фаз S + ОС + Z = 0.

Если S = 180, ОС = 180, то Z = 0 и частота генератора

 (8.44)

При рассмотрении схемы не учитывались паразитные параметрымеждуэлектродные емкости и инерционность усилительного элемента. Поэтому коэффициент обратной связи оказался независимым от частоты, что справедливо при относительно невысоких частотах (в половину меньших граничной частоты транзистора). С повышением частоты схема замещения автогенератора усложняется, и коэффициент обратной связи должен рассматриваться с учетом перечисленных факторов.

Амплитуда генерируемых колебаний определяется из уравнения баланса амплитуд

Регулировка амплитуды колебаний производится изменением величины коэффициента обратной связи , т. е. точки подключения эмиттера к контуру по переменному току. Кроме того, для осуществления плавной регулировки  необходимо, чтобы контурная катушка имела не менее 20 витков и однослойную намотку.

Достоинства схемы заключаются в возможности применения в диапазоне весьма высоких радиочастот (УКВ).

Недостатком автогенератора является невозможность заземлить ротор конденсатора переменной емкости.

Автогенератор с емкостной обратной связью

Схема генератора представлена на рисунке 2

В этой схеме контур составлен из элементов LK, CКЭ, СБЭ, причем между базой и эмиттером включена емкость СБЭ, между коллектором и эмиттеромемкость СКЭ, а между коллектором и базойиндуктивность LК, значит правило построения емкостной трехточки выполнено, чем гарантировано выполнение фазового условия самовозбуждения.


Рис. 2 Автогенератор с емкостной обратной связью

Последовательное питание коллекторной цепи в емкостной трехточке реализовать не удается ввиду того, что нет пути протекания постоянному току через контур. Поэтому применено параллельное питание, включающее элементы фильтра СБЛ, СР1 и LДР.

Амплитудное условие самовозбуждения достигается выбором

где КРЕЗ = S p2RЭ0коэффициент усиления на резонансной частоте контура;

S –крутизна проходной характеристики в рабочей точке, определяемой величиной начального смещения на эмиттерном переходе, обеспечиваемым базовым делителем RБ1, RБ2;

–коэффициент включения контура в коллекторную цепь;

RЭ0 = Qрезонансное сопротивление контура.

Коэффициент обратной связи на резонансной частоте контура


Частота генерируемых колебаний определяется из уравнения баланса фаз, и пока транзистор можно считать безынерционным, примерно равна резонансной частоте контура

где 

Для регулировки частоты колебаний ставится конденсатор переменной емкости СК параллельно катушке контура, тогда

Амплитуда генерируемых колебаний определяется из уравнения баланса амплитуд 

Регулировка амплитуды колебаний осуществляется изменением величины , т. е. изменением емкостей СБЭ, либо СКЭ. Катушка контура не должна иметь отводов (должна быть многослойной или с малым числом витков).

Достоинства схемы заключаются в возможности плавной регулировки амплитуды колебаний и использовании автогенератора в диапазоне весьма высоких радиочастот (КВ и УКВ).

Недостатками являются необходимость применения параллельного питания коллекторной цепи и невозможности заземления ротора конденсатора переменной емкости СК.

RC-генераторы

RC-генератором называют генератор гармонических колебаний, в котором вместо колебательной системы, содержащей элементы L и С, применяется резистивно-емкостная цепь (RC-цепь), обладающая частотной избирательностью.

Исключение из схемы катушек индуктивности позволяет существенно уменьшить габариты и массу генератора, особенно на низких частотах, так как с понижением частоты резко увеличиваются размеры катушек индуктивности. Важным достоинством RC-генераторов по сравнению с LC-генераторами является возможность их изготовления по интегральной технологии. Однако RC-генераторы имеют низкую стабильность частоты генерируемых колебаний, обусловленную низкой добротностью RC-цепей, а также плохую форму колебаний в силу плохой фильтрации высших гармоник в спектре выходного колебания.

RC-генераторы могут работать в широком диапазоне частот (от долей герца до десятков мегагерц), однако нашли применение в аппаратуре связи и измерительной технике преимущественно на низких частотах.

Основы теории RC-генераторов были разработаны советскими учеными В. П. Асеевым, К. Ф. Теодорчиком, Э. О. Сааковым, В. Г. Криксуновым и др.

RC-генератор обычно включает в себя широкополосный усилитель, выполненный на лампе, транзисторе или интегральной схеме и RC-цепь обратной связи, обладающую избирательными свойствами и определяющую частоту колебаний. Усилитель компенсирует потери энергии в пассивных элементах и обеспечивает выполнение амплитудного условия самовозбуждения. Цепь обратной связи обеспечивает выполнение фазового условия самовозбуждения только на одной частоте. По виду цепи обратной связи RC-генераторы делятся на две группы:

  1.  с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи;
  2.  со сдвигом фазы в цепи обратной связи на 180.

Для улучшения формы генерируемых колебаний в RC-генераторах применяют элементы, обладающие нелинейностью, которые ограничивают нарастание амплитуды колебаний. Параметры такого элемента изменяются в зависимости от амплитуды колебаний, а не от их мгновенных значений (терморезистор, сопротивление которого зависит от степени нагрева проходящим через него током). При таком ограничении форма колебаний не меняется, они остаются гармоническими и в стационарном режиме.

Рассмотрим оба типа RC-автогенераторов. 

Автогенератор со сдвигом фазы на 180 в цепи обратной связи.

Такой автогенератор еще называют автогенератором с трехзвенной цепью RC.

В схемах RC-генераторов со сдвигом фазы в цепи обратной связи на 180 используются усилители, инвертирующие фазу входного напряжения. В качестве такого усилителя может, например, использоваться операционный усилитель с инвертирующим входом, однокаскадный усилитель или многокаскадный усилитель с нечетным числом инвертирующих каскадов.

Для того, чтобы выполнялось уравнение баланса фаз, цепь обратной связи должна обеспечить фазовый сдвиг ОС = 180.

Для обоснования структуры цепи обратной связи воспроизведем фазочастотные характеристики простейших RC-звеньев (рис. 3,4).

Рис. 3 Вариант RC-звена и его ФЧХ


Рис. 4 Вариант RC-звена и его ФЧХ

Из графиков видно, что одно простейшее RC-звено вносит сдвиг фаз, не превышающий 90. Поэтому сдвиг по фазе величиной 180 можно осуществить путем каскадного соединения трех элементарных RC-звеньев (рис.5).

Рис. 5 Схемы и ФЧХ трехзвенных RC-цепей

Элементы RC-цепи рассчитываются так, чтобы на частоте генерации получить сдвиг фаз 180. Один из вариантов генератора с трехзвенной цепью RC показан на рисунке 6

Рис. 6 Генератор с трехзвенной цепью RC


Генератор состоит из резистивного усилителя на транзисторе и цепи обратной связи. Однокаскадный усилитель с общим эмиттером осуществляет сдвиг фазы между напряжением на коллекторе и базе К = 180. Следовательно, для выполнения баланса фаз цепь обратной связи должна обеспечивать на частоте генерируемых колебаний ОС = 180.

Проведем анализ цепи обратной связи, для чего составим систему уравнений по методу контурных токов.

Решая полученную систему относительно коэффициента обратной связи , получим выражение

Из выражения следует, что фазовый сдвиг 180 получается в том случае, когда  будет вещественной и отрицательной величиной, т. е.

,

следовательно, генерация возможна на частоте


На этой частоте модуль коэффициента обратной связи

Это означает, что для возбуждения автоколебаний коэффициент усилителя должен быть больше 29.

Выходное напряжение генератора обычно снимают с коллектора транзистора. Для получения колебаний гармонической формы в цепь эмиттера включен терморезистор RТ с положительным температурным коэффициентом сопротивления. При увеличении амплитуды колебаний сопротивление RТ возрастает и увеличивается глубина отрицательной обратной связи в усилителе по переменному току, соответственно, падает коэффициент усиления. Когда наступает стационарный режим колебаний (К = 1), усилитель остается линейным и искажения формы коллекторного тока не происходит.

Автогенератор с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи.

Характерной особенностью схем RC-генераторов с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи является использование в них усилителей, не инвертирующих фазу входного сигнала. В качестве такого усилителя может, например, использоваться операционный усилитель с неинвертирующим входом или многокаскадный усилитель с четным числом инвертирующих каскадов. Рассмотрим некоторые возможные варианты цепей обратной связи, обеспечивающих нулевой фазовый сдвиг (рис. 7).


Рис. 7 Варианты цепей ОС, обеспечивающие нулевой фазовый сдвиг

Они состоят из двух звеньев, одно из которых представляет -звено с положительным фазовым сдвигом, а второес отрицательным сдвигом фазы. В результате сложения ФЧХ на определенной частоте (частоте генерации) можно получить фазовый сдвиг, равный нулю.

На практике наиболее часто в качестве избирательной цепи с нулевым фазовым сдвигом применяют фазобалансный мост, или по-другому мост Вина (рис. 7 в), применение которого показано в схеме RC-генератора с нулевым фазовым сдвигом, выполненного на операционном усилителе (рис. 8).

Рис. 8 RC-генератор с нулевым фазовым сдвигом в цепи ОС

В этой схеме напряжение с выхода усилителя подается на его неинвертирующий вход через цепь обратной связи, образованную элементами моста Вина R1C1 и R 2C2. Резистивная цепочка RRТ образует еще одну обратную связьотрицательную, которая предназначена для ограничения нарастания амплитуды колебаний и сохранения их гармонической формы. Напряжение отрицательной обратной связи поступает на инвертирующий вход операционного усилителя. Терморезистор RТ должен иметь отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Коэффициент передачи цепи обратной связи

должен быть вещественной и положительной величиной, а это возможно при выполнении равенства

Отсюда определяется частота генерируемых колебаний. Если R1 = R2 =R, C1 = C2 = C, то 

Амплитудное условие самовозбуждения на частоте 0 требует выполнения неравенства

При равенстве R1 = R2 = R и C1 = C2 = C коэффициент усиления К > 3.

Частоту колебаний можно изменять путем изменения сопротивлений R или емкостей конденсаторов С, входящих в состав моста Вина, а амплитуда колебаний регулируется сопротивлением R.

Основное преимущество RC-генераторов перед LC-генераторами заключается в том, что первые легче реализовать для низких частот. Например, если в схеме генератора с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи (рис. 8) R1 = R2 = 1 МОм, C1 = C2 = 1 мкФ, то генерируемая частота

.

Чтобы получить такую же частоту в LC-генераторе, потребовалась бы индуктивность L = 1016 Гн при С = 1 мкФ, что трудно осуществить.

В RC-генераторах можно, изменяя одновременно величины емкостей С1 и С2, получить более широкий диапазон перестройки частоты, чем это имеет место в LC-генераторах. Для LC-генераторов

в то время как для RC-генераторов, при С1 = С2

К недостаткам RC-генераторов следует отнести тот факт, что на относительно высоких частотах они труднее реализуются, чем LC-генераторы. Действительно, величину емкости нельзя снизить меньше емкости монтажа, а уменьшение сопротивлений резисторов приводит к падению коэффициента усиления, что затрудняет выполнение амплитудного условия самовозбуждения.

Перечисленные достоинства и недостатки RC-генераторов обусловили их применение в низкочастотном диапазоне с большим коэффициентом перекрытия по частоте.

2. Задача стабилизации частоты автогенераторов

Стабильность частоты автогенератора является одной из важнейших его характеристик, которая в значительной степени определяет надежность работы системы связи. В частности, высокая степень постоянства частоты обеспечивает возможность вхождения в связь без предварительного поиска корреспондента и ведение связи без подстройки.

Изменение частоты под воздействием различных дестабилизирующих факторов называется нестабильностью частоты.

Различают абсолютную нестабильность частоты, равную абсолютному значению отклонения частоты от её номинального значения 

и относительную нестабильность, выражаемую отношением 

,

где fтекущее (реальное) значение частоты;

fНОМноминальное ( заданное) значение частоты.

Современная техника стабилизации частоты дает возможность достаточно просто обеспечить относительную нестабильность до 10-4-5. Широко распространены автогенераторы, имеющие f / fНОМ = 10-7-8, а предельные возможности в настоящее время достигают 10-16.

Вычислим 00, имея в виду, что 0 = 1/ задается параметрами избирательной системы автогенератора (колебательным контуром). Полный дифференциал от 0 как функции двух переменных (С и L) равен 

Заменяя дифференциалы приращениями, получим окончательно:

Знак "минус" в формуле означает, что увеличение (положительное приращение) индуктивности или емкости вызывает уменьшение частоты 0.

Для обеспечения требуемой стабильности частоты необходимо применять комплекс специальных мер, направленных на ослабление влияния дестабилизирующих факторов на частоту колебаний автогенераторов:

  •  параметрическая стабилизациявыбор схемы автогенератора и расчет элементов, позволяющих стабилизировать режимы работы транзистора (лампы);
  •  термостабилизациявыбор элементов автогенератора с малыми температурными изменениями параметров; помещение колебательной системы или автогенератора в целом в термостат и т. д.;
  •  термокомпенсациявыбор элементов L и С, имеющих температурные коэффициенты противоположных знаков и взаимно компенсирующимися отклонениями L и С; при термокомпенсации вводится температурный коэффициент частоты


определяемый через температурные коэффициенты индуктивности L и емкости С. Если элементы контура L и С выбраны так, что у них L и С равны по величине и противоположны по знаку, то f = 0, т. е. исключается влияние температуры на частоту генерируемых колебаний;

  •  кварцевая стабилизация частоты, основанная на использовании высокодобротных кварцевых резонаторов, что позволяет обеспечить долговременную стабильность частоты порядка 10-6. При этом генераторы, содержащие в своем составе кварцевый резонатор выделяются в отдельную группу кварцевых генераторов;
  •  стабилизация напряжения источников питания;
  •  автоматическая стабилизация рабочего режима активных приборов, преследующая цель уменьшить влияние разброса параметров активных приборов на стабильность частоты;
  •  применение специальных схем автогенераторов, позволяющих уменьшить влияние нестабильности нагрузки на частоту генерируемых колебаний, например, двухконтурные генераторы с электронной связью между контурами. Принцип их работы прост. Задающий частоту генератор собран на внутренней (входной) части электронного прибора, затем эти колебания усиливаются и выделяются внешним (выходным) колебательным контуром, настроенным на частоту внутреннего. Этим обеспечивается электронная связь между контурами и исключается влияние внешнего контура на частоту генерируемых колебаний внутренним контуром. 

Один из вариантов такого автогенератора приведен на рисунке 8.57. 


Рис. 9 Двухконтурный автогенератор с электронной связью

Современные требования, предъявляемые к стабильности частоты автогенераторов, постоянно растут. В связи с этим необходимо применять комплекс вышеперечисленных мер по стабилизации частоты, чтобы обеспечить заданные требования.


Библиографический список

1. Богданов Н. Г., Лисичкин В. Г. Основы радиотехники и электроники. Часть 8, 2000г..

2. Никольский И. Н., Хопов В. Б., Варокосин Н. П., Григорьев В. А., Колесников А. А. Нелинейные радиотехнические устройства связи, 1972.

19


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35680. Моя професійна кар’єра. Творчий проект 1.75 MB
  План роботи над проектом: Моє професійне самовизначення Додаток : Топ 20 найперспективніших Загальні відомості про дану професію: Завдання та обовязки; Вимоги до робітника; Особистості якості робітника. І найголовніше: людина повинна отримувати задоволення від своєї роботи Серед усіх пяти основних типів професій найбільше мені підходять людинатехніка до цього типу належать професії: водій машиністи потягів оператори верстатів з програмованим управлінням інженери слюсарі тощо. Умови роботи: Повна...
35682. Інформаційно-пошуковий проект «Олександр Матросов. 70 років подвигу» 36.14 KB
  Обґрунтування актуальності проекту Сучасна школа спрямована на забезпечення всебічного розвитку особистості шляхом навчання та виховання які ґрунтуються на загальнолюдських цінностях та принципах науковості інтегрованості єдності навчання і виховання на засадах гуманізму демократії громадянської свідомості взаємоповаги в інтересах людини родини суспільства держави. І саме тому я запропонувала своїм учням залучитися до реалізації цільового творчого проекту з громадянськопатріотичного виховання Олександр Матросов 70 років подвигу ....
35683. Квіткова фантазія. Творчий проект на виготовлення композиції з бісеру 1.75 MB
  ОРГАНІЗАЦІЙНО-ПІДГОТОВЧИЙ ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ Призначення виробу що проектується. Аналіз конкурентної спроможності виробу на ринку. Робочий ескіз виробу з описом. Моделювання виробу.
35684. Теплообменное оборудование второго контура реактора ВВЭР-1000 1.38 MB
  3 Принципиальная тепловая схема 3 Принципиальна тепловая второго контура схема установки К50060 1500 4 Принципиальная тепловая схема второго контура установки К100060 15001 4 Принципиальная тепловая схема второго контура установки К100060 15002 5 Принципиальная тепловая схема второго контура установки К100060 3000 5 Теплообменное оборудование второго контура реактора ВВЭР1000 6 Парогенератор 6 Паровая турбина 7 Система сепарации и промежуточного перегрева пара 8 Конденсационная установка паровой турбины 9 Деаэратор 10 Подогреватели...
35685. Проектуваня та виготовлення полиці з ДСП 4.65 MB
  Нашою дизайнерською групою було вирішено розробити проект полиці. Віками на полиці клали найрізноманітніші предмети. В українській традиції існує термін для позначення особливої полиці для посуду мисник.
35686. ПОДГОТОВКА ТВОРЧЕСКОГО ПРОЕКТА 107 KB
  Подготовка творческого проекта по дисциплине Этика и культура межнациональных отношений. Рекомендации помогают студентам организовать собственную самостоятельную работу по подготовке творческого проекта являющимся итоговой работой по дисциплине Этика и культура межнациональных отношений. Методические рекомендации разъясняют сущность творческого проекта содержат примерные темы для него описывают этапы работы над проектом.
35687. Создание творческого проекта 51 KB
  Кто предложил Метод фокальных объектов МФО Ч. К каким методам относится МФО ассоциативный эмпирический когнитивный 10. На чем базируется МФО рассмотрение задач других методов анализ случайных объектов и случайных признаков этих объектов анализ типовых объектов 11. В чем состоит принцип МФО перенесение ярких неожиданных свойств случайных объектов на совершенствуемый объект интерпретация свойств совершенствуемого объекта рассмотрение свойств объекта в разных ситуациях 12.
35688. Мой выбор: оператор ЭВМ. Творческий проект 148 KB
  Обоснование выбора профессии Профессиональное самоопределение важный и ответственный шаг в жизни каждого молодого человека. Но осуществить свободный выбор профессии очень не просто. Показатели Содержание Мои жизненные ценности Семья профессия благополучие Смысл и цель моей жизни Приобретение любимой профессии овладение ею в совершенстве достижение высокого профессионального мастерства Предполагаемая профессия Основной вариант: оператор ЭВМ Запасной вариант: оператор станков с программным управлением Мотивы выбора профессии Интерес к...