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

59502. Свято української писемності і мови 51.5 KB
  Дав слово дотримай його. Дав слово держись не дав кріпись. Слово не горобець вилетить не впіймаєш. Шабля ранить голову а слово душу.
59503. Козацькі забави в літніх таборах 48.5 KB
  Ведуча: Ось подивіться це наші козаки. Ведуча: А зараз довгожданий момент козацька старшина виносить своє рішення. Ведуча: Ось тобі і козаки Цікаво а що потрібно робити щоб такими стати Ведучий: Потрібно мати велику силу а щоб її мати треба багато їсти.
59504. Така любов буває раз в ніколи... - конкурсна програма до Дня святого Валентина 50.5 KB
  Про кохання не говорять, про нього вже все сказано... Тож сьогодні будемо мовчки вдихати аромат закоханості, насолоджуватися захоплюючим видовищем, представленим на сцені, цікавими і веселими конкурсами, романтичною музикою.
59505. Виховний захід: Свято зустрічі весни 50.5 KB
  Мета. Дати поняття про свято Сорока Святих, актуалізувати знання учнів про обрядові пісні, хороводи. Актуалізувати знання про птахів, користь, яку вони приносять.
59506. Ой весела в нас пора, білосніжная зима (розвага для середньої групи дошкільного закладу) 34.5 KB
  Мета: за допомогою вправ та розвивальних ігор закріпити в дошкільнят навички виконання циклічних вправ: біг по колу один за одним, ходьби на носках і по обмеженій площі, стрибків з місця з просуванням уперед...
59507. Сценарій :“Сію, сію, посіваю...” (народні звичаї та обряди) 48.5 KB
  Урожай дорідний в полі і Христос роздається Рік новий йде новим кроком Всі вітаєм з Новим Роком Здоров’я міцного щастя багато чистої води з криниці в полі ярої пшениці Хліба солі на столі і погоди на душі €œСію вію посіваю. На щастя на здоров’я На Новий рік на нове літо...
59508. Сценарій. Останній дзвоник, святкова лінійка 60.5 KB
  Дорогі випускники! Вмийтеся ще раз у нашу шкільну родину, вслухайтеся востаннє в переспів дзвінка і збережіть у своїй пам’яті ці неповторні хвилини прощання зі школою.
59509. Сценарій: Екологічний “КВК” у дошкільному закладі 35.5 KB
  Хід заняття: Діти заходять в зал оформлений у вигляді лісу Вихователь: Доброго дня тобі Лісовичко а ми до тебе в гості прийшли. Лісовичок: В гості А хто вас кликав Я ще від минулих гостей не оговтався: насмітили все понищили звіряток моїх образили ні Закрита сюди дорога...
59510. Теренкур – ігрова програма 52.5 KB
  Карта маршрутів теренкуру вивішується на загальний огляд. Готуються до прийому дітей пункти теренкуру Кросвордист Астролябія Скаут Міфліказ Апачі Арічамі Посмішка Ноти Вигадувалки. Ведучий: Ласкаво просимо до нас на Теренкур...