Автогенераторы электрических колебаний (АГ).

АГ - это устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию электрических колебаний требуемой частоты и формы.

АГ состоит из нелинейного усилителя, цепи положительной обратной связи (ОС) и источника питания постоянного тока. При этом АГ гармонических колебаний должны содержать узкополосную колебательную систему.

Обобщенная структурная схема АГ представлена на рис.5.8.1.

Рис.5.8.1

На этом рисунке введены следующие обозначения:

- комплексные коэффициент усиления усилителя , цепи положительной ОС с коэффициентом передачи по напряжению ;

- комплексные амплитуды: входного напряжения - , выходного - и напряжения ОС - .

Выражение для напряжения ОС на частоте ω равно

, а для выходного напряжения равно

. Тогда можно записать

.

При устанавливается стационарный (без изменения амплитуды) режим АГ, когда вся расходуемая источником энергия выделяется в нагрузке АГ.

При , амплитуда выходных колебаний АГ возрастает, что и определяет необходимое условие самовозбуждения АГ.

Представим условие стационарности АГ в комплексном виде

. (5.1)

Это условие принято записывать в виде:

- условия баланса амплитуд

, где К_ос – коэффициент усиления усилителя с ОС;

- условия баланса фаз

φ_к + φ_β = 2π n, где n = 0,1,2,…

Таким образом, для стационарного режима АГ на частоте ω необходимо обеспечить баланс амплитуд (К_ос = 1) и баланс фаз, кратный 2π, для суммарного фазового сдвига сигнала в усилителе и цепи положительной ОС. При этом, только условие баланса фаз определяет частоту ω; АГ. Поэтому, для АГ гармонических колебаний резонансная частота ω_р узкополосной колебательной системы определяет частоту АГ.

Различают LC-генераторы с узкополосными резонансными LC контурами и RC- генераторы c частотно-зависимыми фазирующими RC -цепями.

LC-генераторы.

В таких АГ напряжение обратной связи снимается с части колебатель-ного контура согласно рис. 5.8.2 (т. е. контур имеет три вывода и АГ называют трехточечным). Реактивные z₁, z₂, z₃ образуют резонансный контур, с помощью которого создается частотно- зависимая положительная ОС. При анализе можно учитывать только реактивные сопротивления х₁, х_2,х₃.

Рис.5.8.2

Полагая z_вх>>z₁ получим:

и

. Тогда, коэффициент передачи петли положительной ОС равен

. (5.2)

Согласно условию баланса фаз необходимо φ_к + φ_β = 0, т.е. φ_к =0. φ_β = 0.

φ_к =0, если ОУ в автогенераторе включен по не инвертирующей схеме, а полное реактивное сопротивление контура на резонансной частоте равно х₁+ х₂ + х₃ = 0.

Таким образом, φ_β = 0 и φ_к =0, если в (5.2) х₁ и х₃ реактивные сопротивления одинакового знака(т.е. либо оба элемента – ёмкости, либо – индуктивности), а х₂ должно иметь знак, противоположный знаку х₁ и х₃. Варианты построения схем АГ индуктивной и ёмкостной трехточки даны на рис.5.8.2б,в.

RC- генератор с мостом Вина

Наиболее распространены АГ с фазо-сдвигающей RC -цепью в виде моста Вина.

Рис.5.8.3.

Цепь положительной ОС включена между выходом и не инвертирующим входом ОУ.

Мост Вина – частотно - избирательная последовательно-параллельная RC-цепь из двух ёмкостей и двух сопротивлений R. Частотная β(f) и фазовая φ_ß(f) характеристики моста представлены на рис.5.8.3б, где на резонансной частоте генерации f_к коэффициент передачи цепи ОС (моста Вина) равен β;=1/3. Следовательно, самовозбуждение и стационарный режим АГ обеспечивается при коэффициенте усиления усилителя .

Баланс фаз и φ_β = 0 обеспечивается на частоте f_к, равной

f_к = 1/2π RC. Однако, стабильность рассмотренных выше АГ низкая и применяют методы стабилизации частоты, например, кварцевой.

Кварцевая стабилизация частоты основана на замене нестабильных элементов LC -контура на стабильные элементы кварцевого резонатора высокой добротности в сотни тысяч, эквивалентная схема которого представлена на рис.5.8.4a.

Рис.5.8.4

Зависимость реактивного сопротивления х(f) резонатора от частоты приведена на рис.5.8.4б.

Обычно используют последовательный резонанс, который обеспечивается элементами L_кв и С_кв и равен

.

Чаще всего кварц в LС -генераторах применяют в качестве индуктивности рис.5.8.5а.

Рис.5.8.5

 

Схема АГ с мостом Вина и резонатором дана на рис.5.8.5б.

Для того чтобы резонансная частота кварца совпадала с квазирезонансной частотой моста Вина, сопротивление R моста должно быть равным R_кв. Терморезистор R₂ компенсирует температурные изменения R_кв и, тем самым, стабилизирует амплитуду выходных колебаний.

Подстройку частоты АГ осуществляют изменением ёмкости конденсатора (варикапа).