70750

Генерирование электрических колебаний

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Цель работы экспериментально изучить некоторые схемы RС-генераторов квазигармонических и релаксационных колебаний.Это условие можно отдельно записать в виде двух условий для амплитуд и для фаз...

Русский

2014-10-26

414 KB

0 чел.

Лабораторная работа № 8.

Генерирование электрических колебаний.

Цель работы - экспериментально изучить некоторые схемы -генераторов квазигармонических и релаксационных колебаний.

Приборы и модули: электронный осциллограф, генератор звуковых частот, модули N2, 9, 14.

Сведения из теории.

Важное место в радиоэлектронике принадлежит устройствам, генерирующим электрические колебания. Они строятся на основе нелинейных элементов. В состав любого генератора входят источник постоянного тока и усилитель с цепью обратной связи.

Генераторы (автогенераторы) - устройства, преобразующие энергию источника постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. Генератор можно рассматривать как усилитель с положительной обратной связью. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью равен:

где  - коэффициент усиления усилителя без обратной связи;

- коэффициент передачи цепи обратной связи.

Возможность самовозбуждения усилителя с обратной связью определяется неравенством . Действительно, при  коэффициент усиления усилителя с обратной связью становится равным бесконечности или даже отрицательным. Физический смысл этого заключается в том, что при отсутствии входного напряжения есть напряжение на выходе усилителя. Т.е. усилитель при этом самовозбуждается, превращаясь в генератор. Таким образом, условие самовозбуждения генератора записывается следующим образом: .Это условие можно отдельно записать в виде двух условий для амплитуд и для фаз: 

При выполнении этих условий в решении линейных уравнений, описывающих систем, появляются экспоненциальные множители с положительным показателем свидетельствующие о возрастании амплитуды свободных колебаний. Если же |К||χ|<1 для всех частот то свободные колебания в системе затухают. Таким образом, на основе рассмотрения процессов в усилителе с положительной обратной связью (рис.1) можно сделать вывод о возможности самовозбуждения, т.е. о возможности превращения усилителя в источник электрических колебаний – генератор.

Для схемы (рис.1) при работе генератора в стационарном режиме (во всех точках схемы установились стабильные по амплитуде колебания) можно получить следующие| соотношения:

- условие работы автогенератора в стационарном режиме. Оно записывается в виде двух условий - условия баланса амплитуд и условия баланс фаз:

- условие баланса амплитуд,

- условие баланса фаз,

где n=0,1,2, ... Таким образом, в генераторе при работе в стационарном режиме петлевое усиление  равно единице и сумма фазовых сдвигов в петле обратной связи равна или кратна .

Частота колебаний в генераторе определяется зависимостью К и χ от частоты.

Амплитуда колебаний, установившихся в системе, полностью определяется нелинейными свойствами усилителя, в частности, для узкополосного усилителя - его амплитудной характеристикой.

Возможно 2 характерных режима работы генератора, зависящих от выбора начальной рабочей точки на динамической характеристике нелинейного элемента. Для биполярного транзистора динамическая характеристика представляет собой зависимость iK=f(UБЭ) (рис.2).

Рассмотрим узкополосный усилитель, исследуя его амплитудную характеристику UmВЫХ=f(UmВХ). Очевидно, что характер амплитудной характеристики зависит от начального положения рабочей точки на динамической характеристике транзистора.

Для случая, показанного на рис.2, амплитудная характеристика и зависимость К от UmВХ представлены на рис.3. При малых амплитудах входного сигнала напряжение на выходе монотонно увеличивается. По достижении входным сигналом значения напряжения насыщения UmНАС ток коллектора (выходное напряжение) окажется ограниченным сверху и снизу. Дальнейшее увеличение входного напряжения не вызывает увеличения выходного напряжения, что видно из рис.3.

Во втором случае (рис.4), когда рабочая точка находится в начале динамической характеристики, при малых входных амплитудах напряжений коллекторный ток отсутствует. По мере роста входных амплитуд выходное напряжение вначале очень медленно увеличивается. Затем процесс нарастания амплитуды ускоряется, а затем наступает насыщение и прекращение роста выходного напряжения. Амплитудная характеристика, соответствующая этому случаю, показана на рис.5.

Таким образом, в зависимости от положения рабочей точки в узкополосном усилителе могут быть получены амплитудные характеристики того или иного вида, основное различие которых состоит в характере их изменения при малых входных сигналах. В первом случае - постоянный конечный наклон, во втором - нулевой наклон вначале с постоянным возрастанием при увеличении UmВХ.На рис.3,5 представлены также зависимости коэффициента усиления усилителя K=f(UmВХ), построенные в соответствии с выражением:

Положительная обратная связь в таком усилителе может быть осуществлена применением трансформатора в коллекторной цепи (рис.6). Напряжение обратной связи подается в цепь базы со вторичной обмотки трансформатора, направление включения которой выбирается так, чтобы обратная связь была положительной.

Напряжение обратной связи в данной схеме совпадает с  и определяется из выражения:

где М - коэффициент взаимной индукции катушек L1 и L2;

j - ток первичной обмотки. 

В свою очередь  Следовательно,  Но коэффициент обратной связи χ равен отношению амплитуд (в предположении, что в системе действуют только гармонические напряжения):

Таким образом, значение χ не зависит от UmВХ . Построим на графике зависимости K=f(UmВХ) для случая, когда начальное смещение не равно нулю и 1/χ=const (прямую обратной связи).

На основании рис.7 можно сделать выводы о физических процессах в системе. Для всех UmВХ<Uа справедливо неравенство Kχ>1 и, значит, свободные колебания системе нарастают (усилитель самовозбуждается), а UmВХ стремится к значению UmВХ=Uа.

Для всех же UmВХ>Uа существует обратное неравенство Kχ<1 свободные колебания с такими амплитудами уменьшаются (затухают), вновь приближаясь по значению к Uа Амплитуда же колебаний UmВХ=Uа оказывается устойчивой в том случае, что любые возмущения приводят к процессам нарастания или затухания ее до тех пор, пока она вновь не примет значения UmВХ=Uа . В устойчивой точке a выполняется равенство Kχ=1.

Это равенство и есть условие генерации для амплитуд, из которого может быть определена стационарная амплитуда колебаний генератора. В нашем случае она равна Uа.

Характерная особенность рассмотренного режима генерации состоит в том ,что условие самовозбуждения выполняется для любых сколь угодно малых начальных значений амплитуды колебаний в системе. Это значит, что колебания в ней могут возникнуть от любых флуктуационных возмущений. Такой режим генерации получил название мягкого.

Иной характер развития процесса самовозбуждения наблюдается в резонансном усилителе при нулевом начальном смещении рабочей точки.

Диаграмма режима самовозбуждения для этого случая приведена на рис.8.

Кривая K=f(UmВХ) пересекается с прямой 1/χ в двух точках. Однако, если точка а ничем практически не отличается от аналогичной для мягкого режима, то точка б называется неустойчивой.

Действительно, для всех значений UmВХ<Uб произведение Kχ<1 и свободные колебания затухают, т.е. любое начальное значение UmВХ уменьшается, стремясь к нулю, а значит удаляясь от Uб. Для амплитуд, лежащих между значениями Uб и Uа свободные колебания нарастают, а их амплитуда стремится к значению Uа. Генератор в этом режиме не может возбуждаться от флуктуационных возмущений. Для самовозбуждения генератора необходим начальный толчок, создающий начальные колебания с амплитудой, превышающей Uб. Стационарные колебания в генераторе по-прежнему описываются уравнением Kχ=1. Этот режим самовозбуждения генератора называется жестким. По сравнению с мягким режимом, жесткий режим оказывается энергетически более выгодным.

Таким образом, в основу генератора колебаний может быть положен узкополосный усилитель с положительной обратной связью, за счет которой возникает самовозбуждение. Установление стационарной амплитуды колебаний определяется нелинейностью характеристики нелинейного элемента. Частота колебаний которого частотных характеристик усилителя и цепи обратной связи и определяется, главным образом, условием баланса фаз.

-генераторы почти не используются для получения низкочастотных колебаний так как при этом требуются большие величины индуктивности и емкости. В этом частотном диапазоне преимущественно используются генераторы с частотно избирательными -цепями. Из лабораторной работы №3 известно, что теоретическое значение фазового сдвига, создаваемого однозвенной -цепью может составлять ±π/2. Значит, реально достаточно 3-х звенной -цепи для обеспечения фазового сдвига, равного π. Если включить такую 3-х звенную -цепь в цепь обратной связи усилителя на транзисторе по схеме с общим эмиттером (истоком), и обеспечивается положительная обратная связь. Действительно, суммарный фазовый сдвиг в петле обратной связи равен:

где φК - сдвиг фазы в усилителе;

φχ - сдвиг фазы в цепи обратной связи.

Таким образом, условие баланса фаз выполняется. Для самовозбуждения необходимо выполнить еще условие баланса амплитуд.

Для 3-х звенной цепи показанной на рис.9, коэффициент передачи χ=1/29 на частоте

Следовательно, для выполнения условия самовозбуждения необходимо, чтобы коэффициент усиления усилителя был равен К≥29. Для этой фазосдвисающей цепи сдвиг фаз равен π на частоте

Широко применяются также генераторы, колебания которых имеют форму далекую от синусоидальной. Их называют релаксационными колебаниями. Релаксационные колебания возникают при очень сильной связи, когда вследствие больших амплитуд нелинейный элемент значительную часть времени находится в запертом состоянии или режиме насыщения, т.е. нелинейный элемент работает в ключевом режиме. Схема простого релаксационного генератора (мультивибратора) на основе операционного усилителя показана на рис.10.

Операционный усилитель охвачен цепью положительной обратной связи через делитель R1, R2. Схема самовозбуждается, поскольку выполняется условие Kχ>1 и  Напряжение на выходе мультивибратора изменяется скачкообразно от значения (+U) до значения (-U) и в некоторый момент времени достигает значения +U. При этом потенциал неинвертирующего входа равен:

Если то В этот же момент времени конденсатор С начинает заряжаться с постоянной времени τ=RC.Когда напряжение на конденсаторе (т.е. не инвертирующем входе ОУ) достигает значения (+U)/2, равного порогу срабатывания UПОР1 схема скачком переключается в противоположное состояние и напряжения на выходе ОУ становится равным (-U). При этом потенциал на неинвертирующем входе равен (-U)/2 и конденсатор начинает разряжаться с той же постоянной времени до тех пор, пока потенциал инвертирующего входа не станет равным (+U)/2 порогу срабатывания схемы UПОР. Временная диаграмма работы мультивибратора показана на рис.11.

В литературе (2) показано, что период колебаний мультивибратора зависит от R и С и равен: Т~2,2RС.

Задания и методические рекомендации.

1. Изучите -генератор квазигармонических колебаний. Экспериментально установите возможность выполнения условий самовозбуждения генератора собранного на основе модулей N4, 9.

1.1. Проверьте выполнение условий баланса амплитуд и баланса фаз генераторе. Для этого рассчитайте частоту генерации, исходя из параметров звенной -цепи в соответствии с выражением

1.2. Подайте на вход 3-х звенной RC-цепи напряжение с выхода генератора звуковых частот с амплитудой U=3 В на расчетной частоте f0. С помощью осциллографа измерьте напряжение на выходе и на входе 3-х звенной RC-цепи.Рассчитайте коэффициент передачи этой цепи. Используя осциллограф в режиме внешней синхронизации, измерьте сдвиг фаз между выходным и входным напряжениями.

1.3. Измерьте коэффициент усиления усилителя. Подайте на вход усилителя напряжение с генератора звуковых частот с амплитудой U=20 мВ на частоте f0.

С помощью осциллографа измерьте напряжения на входе и выходе усилителя и рассчитайте его коэффициент усиления. Используя осциллограф в режиме внешней синхронизации, измерьте сдвиг фаз между выходным и входным напряжением

1.4. Проверьте выполнение условия баланса амплитуд Kχ≥1 , где χ коэффициент передачи цепи обратной связи (3-х звенной -цепи) Проверьте выполнение условия баланса фаз: .

Сделайте вывод о возможности (невозможности) самовозбуждения схемы на рис.11.

2. Соберите схему генератора в соответствии с рис.12. Подключите к входу генератора осциллограф и определите экспериментально параметры генерируемого сигнала - частоту и амплитуду колебаний. Объясните почему генерируемые колебания отличаются по форме от синусоидальных?

3. На основе модуля N14 и конденсатора С=5,1 нф модули N9 соберите мультивибратор по схеме на рис.13.

значением. Наблюдайте и зарисуйте форму напряжений на конденсаторе и на выходе генератора.

Оформление отчета.

В отчет включите принципиальные электрические схемы исследованных генераторов, результаты расчетов, измерений и осциллограммы колебаний генераторов.

Контрольные вопросы.

1. Запишите условия баланса амплитуд и баланса фаз в автогенераторе в стационарном режиме работы.

2. Чем определяются частота и амплитуда генерируемых колебаний в автогенераторе?

3. Назовите известные Вам фазосдвигающие радиоэлектронные цепи.

4. Нарисуйте принципиальную электрическую схему известного Вам генератора гармонических колебаний.

5. Нарисуйте принципиальную электрическую схему известного Вам генератора квазигармонических колебаний. Объясните причину отличия формы колебаний от гармонических.

6. Нарисуйте схему генератора релаксационных колебаний (мультивибратора) и объясните принцип работы.

Литература.

1. А.П.Молчанов, П.Н.Занадворов. Курс электротехники и радиотехники. 1976.

2. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. 1982.

3. М.К.Ефимчик, С.С.Шушкевич. Основы радиоэлектроники. 1981.

EMBED Unknown  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  

EMBED Word.Picture.8  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73832. Проектирование операционных технологических процессов обработки заготовок 67.5 KB
  обработки позволяет правильно выбрать станок из имеющегося парка или по каталогу. По типу обработки устанавливают группу станков: токарный сверлильный В соответствии с назначением станка его компоновкой степенью автоматизации определяют тип станка: токарный одношпиндельный многошпиндельный револьверный полуавтомат и т. Если эти требования выполнимы на различных станках то при выборе учитывают следующие факторы: 1 соответствие основных размеров станка габаритным размерам обрабатываемой заготовки или нескольких одновременно...
73833. Анализ технологичности конструкции деталей 43 KB
  Ее следует отрабатывать на технологичность комплексно учитывая зависимость технологичности от следующих факторов: исходной заготовки вида обработки технологичности СЕ в которую эта деталь входит. Конструкция должна быть такой чтобы для ее изготовления можно было применять высокопроизводительные методы обработки. Повышение технологичности конструкции изделия предусматривает проведение следующих мероприятий: Создание конфигурации деталей и подбор их материалов позволяющих применение наиболее совершенных исходных заготовок сокращающих объем...
73834. Выбор вариантов схем базирования 40.5 KB
  Для создания возможности повышения уровня концентрации обработки в операции и снижения разнообразия технологической оснастки лучше принять в качестве базы для обработки всех поверхностей детали одну и туже базу Е. Синтез маршрута обработки заготовки Первый шаг синтеза маршрута обработки заготовки распределение отобранных переходов обработки типовых поверхностей заготовки по этапам типовой схемы изготовления деталей соответствующего класса или подкласса. Типовая схема обработки является вариантом полного типового решения. Причиной...
73835. Проектирование маршрутных технологических процессов механической обработки 52 KB
  Маршрутное описание ТП заключается в сокращенном описании всех технологических операций в маршрутной карте в последовательности их выполнения без переходов и технологических режимов. Операционное описание ТП характеризуется полным описанием всех технологических операций в последовательности их выполнения с указанием переходов и технологических режимов. Маршрутнооперационным описанием ТП называют сокращенное описание технологических операций в маршрутной карте в последовательности их выполнения с полным описанием отдельных операций в других...
73836. Особенности проектирования технологических процессов обработки заготовок на автоматизированных участках и автоматических линиях 51.5 KB
  В необходимых случаях подготовку технологических баз при обработке на автоматической линии или при установке заготовки в приспособлениеспутник производят на отдельных операциях вне автоматической линии; маршрутный технологический процесс разрабатывают с учетом максимальной концентрации операций соблюдения принципа единства баз выполнения чистовых и отделочных операций в конце технологического процесса; при проектировании автоматических операций анализируют возможность совмещения технологических и вспомогательных переходов во времени. Для...
73837. Особенности проектирования технологических процессов для станков с ЧПУ и ГПС 58 KB
  Особенности проектирования технологических процессов для станков с ЧПУ и ГПС При проектировании технологических операций для станков с ЧПУ необходимо учитывать ряд особенностей обработки. Порядок обработки поверхностей заготовок для деталей типа валов следующий. Черновая и чистовая обработка дополнительных форм поверхности если имеются дополнительные формы требующие черновой обработки. Обработка дополнительных форм поверхности не требующих черновой обработки.
73838. Технология изготовления втулок 80.5 KB
  Технологические задачи Отличительной технологической задачей является обеспечение концентричности наружных поверхностей с отверстием и перпендикулярности торцов к оси отверстия. Диаметры наружных поверхностей выполняют по h6 h7; отверстия по H7 реже по H8 для ответственных сопряжений по Н6.015 мм; перпендикулярность торцовых поверхностей к оси отверстия 02 мм на радиусе 100 мм при осевой нагрузке на торцы отклонение от перпендикулярности не должно превышать 002. Заготовками для втулок с диаметром отверстия до 20 мм служат...
73839. Технология изготовления корпусных деталей 1.63 MB
  Обрабатывают направляющие начерно резцами на продольнострогальных станках торцевыми фрезами и наборами фрез на продольнофрезерных станках. Обрабатывают начерно поверхности расположенные перпендикулярно направляющим на продольнофрезерных станках если станина по длине проходит между колонами станка; на горизонтальнорасточных станках фрезой или на торцефрезерных станках если станина длинная. Обрабатывают отверстия начерно на горизонтальнорасточных станках в приспособлении. Чистовую обработку лучше выполнять на продольнофрезерных...
73840. Процессы обработки деталей типа некруглые стержни 191.5 KB
  Технология изготовления рычагов. Характеристика рычагов К деталям класса рычагов относятся собственно рычаги тяги серьги вилки балансиры шатуны. Детали класса рычагов имеют два отверстия или больше оси которых расположены параллельно или под прямым углом.