RC-генераторы гармонических колебаний

Для получения гармонических колебаний низкой частоты использование LC-генераторов нецелесообразно, так как элементы колебательного контура имеют слишком большие размеры. Для получения колебаний низких частот (менее 10 кГц) используют RC-генераторы. В качестве цепей обратной связи применяют многозвенные RC-цепи, мост Вина – Робинсона, двойные Т-образные мосты. Наибольшее распространение получили генераторы с мостом Вина – Робинсона, а также генераторы с фазосдвигающей RC-цепью.

RC-генератор с мостом Вина – Робинсона.Схема генератора показана на рис. 3. Операционный усилитель и резисторы R1, R2 реализуют усилитель с коэффициентом передачи

Рисунок 3 –RC-генератор с мостом Вина – Робинсона

Цепью обратной связи служит мост Вина – Робинсона (мост Вина), показанный на рис. 4. Для упрощения выводимых соотношений сопротивления резисторов и емкости конденсаторов в продольной и поперечной ветвях моста выбраны одинаковыми. Передаточная функция моста Вина

Рисунок 4 – Мост Вина – Робинсона (мост Вина)

Амплитудно-частотная характеристика принимает максимальное значение, равное 1/3, на частоте

.

Значение фазочастотной характеристики на этой частоте равно нулю. Условие баланса амплитуд на частоте выполняется, если коэффициент передачи усилителя A = 3. Такое усиление обеспечивается при

На этапе самовозбуждения для нарастания амплитуды колебаний должно выполняться условие, когда коэффициент передачи A > 3. В установившемся режиме коэффициент передачи усилителя должен уменьшиться до 3. Для стабилизации коэффициента усиления в цепь обратной связи ОУ включают нелинейные элементы. В простейшем случае в качестве резистора R1 включают маломощную лампу накаливания, сопротивление которой увеличивается по мере ее нагрева. При включении генератора сопротивление лампы мало и коэффициент передачи усилителя

По мере увеличения тока через лампу ее сопротивление увеличивается, а коэффициент усиления А падает. В генераторе наступает установившийся режим. Такая нелинейная обратная связь в усилителе является инерционной и не искажает форму сигнала.

Другой вариант RC-генератора с нелинейной цепью обратной связи показан на рис. 5. Нелинейной цепью является двухполюсник, образованный параллельным соединением резистора R0 и двух встречно включенных диодов.

Рисунок 5 – RC-генератор с нелинейной цепью обратной связи

Напряжение на зажимах нелинейного двухполюсника не превышает 0.7 В (в случае кремниевых диодов). Поэтому по мере нарастания выходного напряжения коэффициент усиления уменьшается до 3.

RC-генераторы с мостом Вина используют для получения гармонических колебаний частотой от 1 Гц до 200 кГц. Перестройку частоты осуществляют путем одновременного изменения сопротивлений резисторов в мосте.

RC-генератор с фазосдвигающей цепью.Другой тип низкочастотного RC-генератора – генератор с фазосдвигающей цепью. Один из вариантов такого генератора показан на рис. 6.

Рисунок 6 – RC-генератор с фазосдвигающей цепью

Операционный усилитель и резистор R0 реализуют преобразователь ток-напряжение (ИНУТ), передаточное сопротивление которого равно R0. В качестве цепи обратной связи используется трехзвенная фазосдвигающая RC-цепь. Сопротивления резисторов и емкости конденсаторов выбраны одинаковыми. Трехзвенная цепь выбрана потому, что это RC-цепь минимального порядка, обеспечивающая требуемый фазовый сдвиг.

Передаточная проводимость цепи обратной связи

На частоте передаточная проводимость принимает вещественное значение, равное

Условие баланса амплитуд на частоте выполняется, если

С ростом амплитуды выходного напряжения операционный усилитель

перейдет в насыщение и колебания будут иметь несинусоидальную форму. Для ограничения размаха выходных колебаний в установившемся режиме цепь обратной связи должна быть нелинейной. Например, последовательно с резистором R0 можно включить нелинейный двухполюсник.

50. Генераторы прямоугольных импульсов.

В вычислительной технике, радиотехнике, телевидении, системах автоматического управления используют релаксационные генераторы, предназначенные для получения колебаний несинусоидальной формы (прямоугольной, треугольной и т. д.). Генераторы, предназначенные для получения колебаний прямоугольной формы, называют мультивибраторами.

Структурная схема релаксационного генератора аналогична структуре генератора гармонических колебаний. Отличие заключается в том,

что в релаксационном генераторе используется цепь обратной связи первого порядка, а активный элемент работает в нелинейном режиме.

Схема мультивибратора на операционном усилителе показана на рис. 7.

Рисунок 7 – Схема мультивибратора на операционном усилителе

Активным элементом является инвертирующий триггер Шмитта, реализованный на ОУ и резисторах R1 , R2 . Резистор R3 и конденсатор C формируют времязадающую цепь, определяющую длительность формируемых импульсов. Операционный усилитель охвачен положительной обратной связью (цепь R1 – R2 ) и находится в режиме насыщения, поэтому напряжение на выходе Uвых = ±Uнас . Переключение ОУ из положительного насыщения в отрицательное и обратно происходит, когда напряжение на инвертирующем входе достигает положительного и отрицательного порогов срабатывания, равных + Uнас и - Uнас соответственно. Здесь – коэффициент обратной связи:

Передаточная характеристика триггера Шмитта показана на рис. 8.

Рисунок 8 – Передаточная характеристика триггера Шмитта

Рассмотрим работу мультивибратора, предположив, что в момент t = 0

напряжение на выходе схемы Uвых = +Uнас , а напряжение конденсатора

.

Напряжение изменяется по закону

Постоянная времени .

В момент t₁ напряжение u_C (t) достигает величины - U_нас , ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения.

Выходное напряжение скачком принимает значение, равное –U_нас. Начинается перезарядка конденсатора. Напряжение u_C (t)изменяется по закону

В момент t₂ напряжение u_C (t) становится равным - U_нас и ОУ переключается в состояние положительного насыщения. Далее процесс периодически повторяется. Временные диаграммы напряжений u_C (t) и u_вых (t) показаны на рис. 9.

Рисунок 9 – Временные диаграммы напряжений u_C (t) и u_вых (t)

На выходе мультивибратора наблюдаются прямоугольные импульсы амплитудой ±U_нас. Период повторения импульсов T = 2R₃Cln [1+ (2R1/ R2 )].

При R1 = R2 период колебаний T 2.2R₃C .

Положительные и отрицательные импульсы различной длительности можно получить в несимметричном мультивибраторе, показанном на рис. 10. Перезарядка конденсатора во время формирования положительных и отрицательных импульсов осуществляется через различные резисторы. Когда напряжение на выходе ОУ положительно, открыт диод VD1 и перезарядка происходит с постоянной времени = R₃C . Когда напряжение на выходе ОУ отрицательно, открыт диод VD2 и постоянная времени = R₄C .

Изменяя сопротивления резисторов R₃ и R₄ , мы можем менять длительность

положительных и отрицательных импульсов.

51. Генераторы прямоугольных импульсов на специализированных ИС.