Лабораторна робота 3

ГЕНЕРАТОРИ ГАРМОНІЧНИХ КОЛИВАНЬ

Мета роботи – вивчення LC- та RC-генераторів гармонічних коливань та умов їх стабільної роботи, побудова і дослідження електронних схем генераторів в програмі моделювання “Electronics Workbench”.

1 короткі теоретичні відомості

1.1 Основні поняття

Генератором гармонічних коливань називають пристрій, що без стороннього збудження перетворює енергію джерела живлення в енергію гармонічного коливання.

Схемотехнічний генератор – це підсилювач із глибоким позитивним зворотнім зв’язком (ЗЗ). Глибина ЗЗ підбирається такою, при якій підсилювач самозбуджується та генерує незатухаючі коливання. Розрізняють генератори з зовнішнім та внутрішнім ЗЗ. Генератори з зовнішнім ЗЗ реалізуються на вузькополосному підсилювачі, з виходу якого частина енергії коливання повертається на вхід. Частотна вибірковість, як і в фільтрах, може забезпечуватись за допомогою резонансних LC-контурів, п’єзоелектричних та електромеханічних резонаторів, а також RC-кіл. Найбільш поширені LC- та RC-генератори.

Частота коливань в LC-генераторі f_г близька до резонансної частоти контуру:

(1.1)

Звідси бачимо, що для генерування коливань із низькими частотами потрібні великі індуктивності та ємності, використання яких ані технологічно, ані конструктивно не обгрунтоване.

Частота коливань RC-генераторів пропорційна частоті зрізу RC-кіл:

(1.2)

Малогабаритні резистори та конденсатори можуть мати великі номінальні значення параметрів, тому RC-генератори більше використовуються в нижній частині діапазону.

Генератори гармонічних коливань використовують в якості джерел сигналів у передавачах, у гетеродинах радіоприймачів, у вимірювальних приладах та системах та ін. Основні показники: потужність генерованого коливання, діапазон перестроювання частоти, похибка номінальної частоти δ _f та нестабільність частоти δ _f(τ).

Вихідна напруга генератора

(1.3)

де U_m та f₀ – середні амплітуда та частота;

Δ U(t) та Ψ (t) – випадкові складники амплітуди та фази коливань.

1.2 Умови самозбудження та стаціонарності

Генератор із зовнішнім ЗЗ містить у собі вузькополосний підсилювач та коло ЗЗ. Згідно критерію Найквиста, лінійний підсилювач зі ЗЗ буде нестійким, та, як наслідок, генератор буде самозбуджуватися, якщо для деякої частоти ω _г виконані умови

(1.4)

де n=0, 1, 2…

T(ω _Г) та φ _Г(ω _Г) – модуль та фаза зворотного відношення

(1.5)

Перша умова (1.4) позначає, що початкова фаза сигналу, що повернувся по колу ЗЗ на вхід підсилювача, співпадає з початковою фазою вхідного сигналу. Цю умову з урахуванням (1.5) часто записують так:

(1.6)

де n=0, 1, 2…

та називають умовою балансу фаз.

Другий вираз (1.4) також можна переписати з використанням (1.5):

(1.7)

Ця умова означає, що амплітуда сигналу, о повернувся по колу ЗЗ, більше амплітуди вхідного сигналу, внаслідок чого після замикання кола ЗЗ амплітуда коливань повинна наростати.