RC генераторы. 3_RC_генераторы. Rcгенераторы
 Скачать 0.65 Mb.
|
|
RC-генераторы. RC-генераторы (RСГ) применяются для генерирования НЧ гармонических колебаний. В области НЧ и инфраНЧ колебаний, RCГ обладают преимуществами по сравнению с LC-генераторами (LCГ), так как на частотах ниже 15÷20 кГц LC-контур получается слишком громоздким, обладает низкой добротностью (и избирательностью), его трудно перестраивать. RCГ имеют более широкий диапазон перестройки. Для RC-генератора где fГ пропорциональна 1/C; K зависит от типа RC – фильтра, кроме того, в RCГ fГ можно изменять с помощью R. Для LC-генератора где f пропорциональна . Генератор с 3-звенным Г - образным ФВЧ. Каждое RC- звено дает сдвиг по фазе ≤ 90°, т.е. для сдвига на 180° необходимо 3 звена. При R1=R2=R3=R и C1=C2=С3=C найдем: Т.к. фазовый сдвиг в цепи обратной связи на частоте генерации д.б. равен 180°, то b на ωГ должен быть действительным отрицательным числом, а мнимая часть b должна равняться 0: Коэффициент передачи цепи ОС при 1/ω2=6 R2C2 Поэтому в стационарном режиме каскад на VT2, с учетом потерь, должен иметь в VT1 коэффициент усиления К ≥ 29. Частота колебаний На практике часто применяется RС-генератор с мостом Вина, т.к. он при полной амплитуде обеспечивает малые нелинейные искажения (НИ). Он представляет собой усилитель с коэффициентом передачи КУ, между входом и выходом которого включена RC-цепь (мост Вина). а) Схема RС-генератора с мостом Вина, б) Схема генератора с разомкнутой ОС Усилитель с заданным коэффициентом передачи можно реализовать на ОУ по схеме неинвертирующего масштабного усилителя. Коэффициент передачи цепи ОС При R1 = R2 = R и С1 = С2= С , после упрощения и замены получим При RC=1 KОС Если обеспечить КУ>3, то на частоте RC произойдет самовозбуждение RC –генератора. Следует отметить, что в отличие от LC-генераторов, в которых синусоидальная форма колебаний обеспечивается резонансными свойствами высокодобротного LC-контура, в RC-генераторах амплитуда и форма колебаний зависит от величины коэффициента усиления КУ АЭ и его стабильности. Стабилизация амплитуды АГ Даже незначительное уменьшение или увеличение КУ от КУ=3 вызовет затухание колебаний или приведет к нарастанию амплитуды колебаний вплоть до насыщения усилителя. И, как следствие, к появлению заметных нелинейных искажений формы выходного напряжения (от трапецеидальной до прямоугольной) . Для стабилизации амплитуды колебаний и уменьшения искажений их формы в цепь ОС включают нелинейный элемент, который обеспечит КУ>3 при включении питания и точное значение КУ=3 в установившемся режиме. Схема генератора - а) и частотные характеристики моста Вина – б) Для обеспечения баланса амплитуд ОУ должен иметь КУ=1+R1/R2=3, т.е. R1=2*R2. В простейшем случае вместо R2 используют нелинейный элемент – микромощную лампу накаливания, сопротивление которой с ростом амплитуды тока увеличивается или металлический терморезистор (ТКС>0). Другой вариант – заменить R1 полупроводниковым терморезистором (с ТКС<0). Колебания со стабильной амплитудой можно получить реализуя следующую структурную схему. Структурная схема RC-генератора со стабилизацией амплитуды Применение полевого транзистора в качестве управляемого резистора для авторегулировки амплитуды RCГ – RС-генератор; СУ – сравнивающее устройство; УУ - устройство управления амплитудой; U0 - источник опорного напряжения. В качестве управляемых сопротивлений могут использоваться полевые транзисторы, фоторезисторы, терморезисторы и т.д. Принципиальная схема RCГ с полевым транзистором в качестве управляемого резистора приведена на рисунке. При включении питания управляющее напряжение на затворе VT1 мало и сопротивление исток-сток минимально (КУ>3). При увеличении выходного напряжения генератора до величины, установленной на резисторе R3, КУ уменьшается до КУ=3 и амплитуда колебаний стабилизируется. Резистором R4 можно регулировать амплитуду, R1, R2 – частоту в диапазоне 1:10. Постоянная С4R7>10/2fмин, где fмин – минимальная частота генератора. C3>>С4. Сложность обеспечения высокой стабильности амплитуды колебаний при минимальных искажениях выходной синусоиды существенно усложняет построение генераторов синусоидальных колебаний и управление ими. Лучшие результаты, особенно на низких и инфранизких частотах, дает применение так называемых функциональных генераторов. Блок-схема простейшего функционального генератора приведена на рис. Он включает генератор прямоугольного и треугольного напряжений и блок формирования синусоидального сигнала. Как показано на рис., генератор прямоугольного и треугольного напряжения состоит из триггера Шмитта и интегратора, образующих замкнутый контур. Блок формирования синусоидального сигнала обычно представляет собой нелинейный функциональный преобразователь. При постоянной частоте генератора в качестве блока формирования синусоидального сигнала используют фильтр нижних частот с полосой пропускания несколько выше частоты требуемого синусоидального сигнала. Блок-схема функционального генератора Функциональные генераторы производятся некоторыми фирмами в виде ИМС. Например, микросхема МАХ038 генерирует синусоидальные, треугольные, прямоугольные и импульсные сигналы в области частот от 0,1 Гц до 20 МГц, причем синусоидальные сигналы имеют коэффициент гармоник не более 0,75%. Лучшие результаты дает применение прямого цифрового синтеза с использованием цифро-аналоговых преобразователей. Цифровой генератор. Цифровой генератор Сигнал любой формы. N таких работающих в такт могут дать любые сигналы, с заданным сдвигом по фазе. ПЗУ – постоянное запоминающее устройство; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; ГТИ – генератор тактовых импульсов. Если коэффициент в контуре ОС K>>1, то выходные колебания приобретают форму прямоугольных импульсов. Автогенератор на ТТЛ элементах Генераторы несинусоидальных колебаний Каждый из инверторов является усилительным элементом. Общий коэффициент, равный произведению, достаточно велик (>1000). Баланс амплитуд обеспечен. Конденсатор включен в цепь положительной обратной связи. Баланс фаз равен 3600. Резистор выводит первый инвертор в линейный режим. Частота колебаний обратно пропорциональна произведению RC f=1/2RC. Автогенератор на цифровых ТТЛ элементах Временные диаграммы работы автогенератора на ТТЛ элементах Эквивалентная схема перезаряда ёмкости в АГ на ТТЛ элементах R=150…600 Ом Предположим, что при подаче питания на Вх. а, значит, и на Вых. состояние “0”. Конденсатор С разряжен. Идет процесс заряда конденсатора с выхода первого инвертора “1” через резистор R и конденсатор С на Вых. (“0”), плюсом на обкладку конденсатора, обращенную по входу. Напряжение на Вх. растет. При достижении на Вх. уровня, при котором выход первого инвертора переключится в состояние “0”, второй инвертор установит на Вых. “1” (момент t1). Напряжение на Вх. увеличится скачком на уровень “1” (Uпит). Начинается перезаряд конденсатора. Конденсатор сначала разрядится, а затем перезарядится, компенсируя напряжение “1” с Вых. Напряжение на Вх. будет падать. При достижении напряжения на Вх. порогового уровня, при котором на выходе первого инвертора установится состояние “1”, а значит на выходе второго “0”, напряжение на Вх. скачком уменьшится (t2). Скачок должен быть равен “1”, но будет ограничен на уровне Uvd открытого диода на входе ТТЛ элемента. Начнется перезаряд конденсатора. Он разрядится до нуля, а затем начнет заряжаться как в случае t1. Автогенератор на КМОП элементах Автогенераторы на КМОП элементах Частота определяется временем заряда С до порогового напряжения включения 0.7 RC и равна 0.7/RC . R1 выводит первый инвертор в линейный режим, а также ограничивает токовую нагрузку на инвертор 2 . Пусть в момент подачи питания на входе первого инвертора состояние “0”, а на входе второго - “1” и Вых. “0”. Начинается заряд конденсатора через резистор R с выхода первого инвертора на выход второго. Динамика процесса не отличается от описанной выше для ТТЛ логики. Эквивалентные схемы перезаряда емкости Временные диаграммы работы автогенератора на КМОП элементах R1, R- десятки-сотни кОм |