Автогенератор типа rc схема принцип работы. Автогенераторы типа RC

В данной статье мы рассмотрим RC генератор и принцип его работы, подробно рассмотрим его схемы, в том числе на операционном усилителе.

Описание и принцип работы

В руководствах по усилителю мы видели, что одноступенчатый транзисторный усилитель может генерировать 180 o фазового сдвига между его выходным и входным сигналами при подключении в конфигурации типа класса А.

Чтобы генератор мог бесконечно выдерживать колебания, должна быть обеспечена достаточная обратная связь правильной фазы, то есть «положительная обратная связь», а транзисторный усилитель используется в качестве инвертирующего каскада для достижения этой цели.

В цепи RC-генератора вход смещен на 180 o через ступень усилителя и на 180 o снова через вторую инвертирующую ступень, что дает нам «180 o + 180 o = 360 o » фазового сдвига, который фактически равен 0 o , тем самым давая нам требуемый положительный отзыв. Другими словами, фазовый сдвиг контура обратной связи должен быть равен «0».

В генераторе сопротивления-емкости или просто в генераторе RC мы используем тот факт, что фазовый сдвиг происходит между входом в сеть RC и выходом из той же сети, например, с использованием элементов RC в ветви обратной связи.

Фазовая цепь RC

Схема слева показывает одну сеть резистор-конденсатор, выходное напряжение которой «опережает» входное напряжение на угол менее 90 o . Идеальная однополюсная RC-цепь будет производить фазовый сдвиг точно на 90 o , а поскольку для колебаний требуется 180 o фазового сдвига, в конструкции RC-генератора необходимо использовать как минимум два однополюсных.

Однако в действительности трудно получить ровно 90 o фазового сдвига, поэтому используется больше стадий. Величина фактического фазового сдвига в цепи зависит от значений резистора и конденсатора, а выбранная частота колебаний с фазовым углом (Φ) задается как:

Где: X C — емкостное сопротивление конденсатора, R — сопротивление резистора, а ƒ — частота.

В нашем простом примере выше значения R и C были выбраны таким образом, чтобы на требуемой частоте выходное напряжение опережало входное напряжение под углом около 60 o . Затем фазовый угол между каждым последующим участком RC увеличивается еще на 60 o, давая разность фаз между входом и выходом 180 o (3 x 60 o), как показано на следующей векторной диаграмме.

Затем, соединяя вместе три такие RC-сети последовательно, мы можем произвести полный фазовый сдвиг в цепи 180 o на выбранной частоте, и это образует основы «генератора фазового сдвига», иначе называемого RC-генератором .

Мы знаем, что в схеме усилителя, использующей биполярный транзистор или операционный усилитель, он будет производить сдвиг фазы на 180 o между своим входом и выходом. Если трехступенчатая RC-сеть с фазовым сдвигом подключена между этим входом и выходом усилителя, общий фазовый сдвиг, необходимый для регенеративной обратной связи, составит 3 x 60 o + 180 o = 360 o , как показано ниже.

Три каскада RC каскадно соединены, чтобы получить необходимый наклон для стабильной частоты колебаний. Сдвиг фазы контура обратной связи составляет -180 o , когда фазовый сдвиг каждой ступени составляет -60 o . Это происходит, когда ω = 2πƒ = 1.732 / RC (tan 60 o = 1.732). Затем для достижения требуемого фазового сдвига в цепи генератора RC необходимо использовать несколько RC-фазосдвигающих сетей, таких как схема ниже.

Основная схема генератора RC

Базовый RC генератор, также известный как генератор фазового сдвига , генерирует выходной синусоидальный сигнал, используя регенеративную обратную связь, полученную из комбинации резистор-конденсатор. Эта регенеративная обратная связь от RC- сети обусловлена ​​способностью конденсатора накапливать электрический заряд (аналогично схеме LC-бака).

Эта сеть обратной связи резистор-конденсатор может быть подключена, как показано выше, для создания начального фазового сдвига (сеть с фазовым переходом) или взаимозаменяться для создания запаздывающего фазового сдвига (сеть с фазовым запаздыванием), результат остается тем же, что и синусоидальные колебания, которые возникают только при частота, на которой общий фазовый сдвиг составляет 360 o .

Изменяя один или несколько резисторов или конденсаторов в сети с фазовым сдвигом, можно изменять частоту, и, как правило, это делается путем поддержания одинаковых резисторов и использования 3-х значного переменного конденсатора.

Если все резисторы R и конденсаторы C в сети фазового сдвига равны по величине, то частота колебаний, создаваемых RC-генератором, определяется как:

Где:
ƒ r — выходная частота в герцах
R — сопротивление в омах
C — емкость в Фарадах
N — количество стадий RC, (N = 3)

Поскольку комбинация резистор-конденсатор в цепи RC-генератора также действует как аттенюатор, создавая полное затухание -1 / 29th (Vo / Vi = β) на всех трех ступенях, усиление напряжения усилителя должно быть достаточно высоким, чтобы преодолеть эти потери RC. Следовательно, в нашей трехступенчатой ​​RC-сети, приведенной выше, усиление усилителя тоже должно быть равно или больше 29.

Влияние нагрузки усилителя на сеть обратной связи влияет на частоту колебаний и может привести к тому, что частота генератора будет на 25% выше расчетной. Затем сеть обратной связи должна управляться от выходного источника с высоким импедансом и подаваться на нагрузку с низким импедансом, такую ​​как транзисторный усилитель с общим эмиттером, но лучше использовать операционный усилитель, поскольку он полностью удовлетворяет этим условиям.

Операционный усилитель RC генератора

При использовании в качестве RC-генераторов RC-генераторы с операционным усилителем встречаются чаще, чем их аналоги на биполярных транзисторах. Цепь генератора состоит из операционного усилителя с отрицательным усилением и трехсекционной RC- сети, которая генерирует сдвиг фазы на 180 o . Сеть с фазовым сдвигом подключается от выхода операционного усилителя обратно к его «инвертирующему» входу, как показано ниже.

Поскольку обратная связь подключена к инвертирующему входу, операционный усилитель, следовательно, подключен в своей конфигурации «инвертирующего усилителя», которая создает требуемый сдвиг фазы на 180 o, тогда как сеть RC производит другой сдвиг фазы на 180 o на требуемой частоте (180 o + 180 о).

Хотя возможно обеспечить каскадное соединение только двух однополюсных RC-каскадов, чтобы обеспечить требуемый сдвиг фазы на 180 o (90 o + 90 o), стабильность генератора на низких частотах обычно плохая.

Одной из наиболее важных особенностей RC-генератора является его стабильность частоты, которая заключается в его способности обеспечивать выходной синусоидальный сигнал постоянной частоты при различных условиях нагрузки. При каскадном соединении трех или даже четырех каскадов RC (4 x 45 o) стабильность генератора может быть значительно улучшена.

Обычно используются RC-генераторы с четырьмя каскадами, потому что общедоступные операционные усилители поставляются в четырехслойных интегральных схемах, поэтому проектирование четырехступенчатого генератора с фазовым сдвигом 45 o относительно друг друга относительно легкое.

RC-генераторы стабильны и обеспечивают хорошо сформированный синусоидальный выход с частотой, пропорциональной 1 / RC , и, следовательно, более широкий диапазон частот возможен при использовании переменного конденсатора. Однако RC-генераторы ограничены частотными приложениями из-за ограничений полосы пропускания для получения желаемого сдвига фазы на высоких частотах.

В следующем уроке об Осцилляторах мы рассмотрим другой тип RC-генератора, называемый мостовыми осцилляторами Wien, который использует резисторы и конденсаторы в качестве контура для создания низкочастотного синусоидального сигнала.

Мы рассмотрели одну из разновидностей генераторов с применением колебательного контура. Такие генераторы применяются в основном лишь на высоких частотах, а вот доля генерации более низких частот применение LC генератора может быть затруднительным. Почему? Давайте вспомним формулу: частота KC-генератора рассчитывается по формуле

То есть: для того чтобы уменьшить частоту генерации необходимо увеличить емкость задающего конденсатора и индуктивность дросселя и то, конечно, повлечет увеличение размеров.
Поэтому для генерации относительно низких частот применяются RC-генераторы
принцип работы которых мы и рассмотрим.

Схема самого простого RC-генератора (её еще называют схема с трехфазной фазирующей цепочкой), показана на рисунке:

По схеме видно, что это всего-навсего усилитель. Причем он охвачен положительной обратной связью (ПОС): вход его соединен с выходом и поэтому он постоянно находится в самовозбуждении. А частотой RC-генератора управляет так называемая,фазовращающая цепочка, которая состоит из элементов С1R1, C2R2, C3R3.
С помощью одной цепочки из резистора и конденсатора можно получить сдвиг фаз не более чем на 90º. Реально же сдвиг получается близким к 60º. Поэтому для получения сдвига фазы на 180º приходится ставить три цепочки. С выхода последней RC-цепи сигнал подается на базу транзистора.

Работа начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, в котором обязательно будет и необходимая частота генерации. При этом колебания частоты, на которую настроена фазовращающая цепь, станут незатухающими. Частота колебаний определяется по формуле:

При этом должно соблюдаться условие:

R1=R2=R3=R
C1=C2=C3=C

Такие генераторы способны работать только на фиксированной частоте.

Кроме использования фазовращающей цепи есть еще один, более распространенный вариант. Генератор так-же построен на транзисторном усилителе, но вместо фазовращающей цепочки применен так называемый мост Вина- Робинсона (Фамилия Вин пишется с одной "Н"!!). Вот так он выглядит:

Левая часть схемы- пассивный полосовой RC-фильтр, в точке А снимается выходное напряжение.
Правая часть- как частотно-независимый делитель.
Принято считать, что R1=R2=R, C1=C2=C. Тогда резонансная частота будет определяться следующим выражением:

При этом модуль коэффициента усиления максимален и равен 1/3, а фазовый сдвиг нулевой. Если коэффициент передачи делителя равен коэффициенту передачи полосового фильтра, то на резонансной частоте напряжение между точками А и В будет равно нулю, а ФЧХ на резонансной частоте делает скачок от -90º до +90º. Вообще же должно выполнятся условие:

R3=2R4

Но только вот одна проблема: все это можно рассматривать лишь для идеальных условий. Реально-же все не так уж просто: малейшее отклонение от условия R3=2R4 приведет либо к срыву генерации или к насыщению усилителя. Чтобы было более понятно, давайте подключим мост Вина к операционному усилителю:

Вообще же именно так использовать эту схему не получится, поскольку в любом случае будет разброс параметров моста. Поэтому вместо резистора R4 вводят какое-либо нелинейное или управляемое сопротивление.
К примеру нелинейный резистор: управляемое сопротивление с помощью транзисторов. Или можно еще заменить резистор R4 микромощной лампой накаливания, динамическое сопротивление которой с ростом амплитуды тока увеличивается. Нить накаливания обладает достаточно большой тепловой инерцией, и на частотах несколько сотен герц уже практически не влияет на работу схемы в пределах одного периода.

Генераторы с мостом Вина обладают одним хорошим свойством: если R1 и R2 заменить переменным,(но только сдвоенным), то можно будет регулировать в некоторых пределах частоту генерации.
Можно и емкости С1 и С2 разбить на секции, тогда можно будет переключать диапазоны, а сдвоенным переменным резистором R1R2 плавно регулировать частоту в диапазонах.

Почти практическая схема RC-генератора с мостом Вина на рисунке ниже:

Здесь: переключателем SA1 можно переключать диапазон, а сдвоенным резистором R1 можно регулировать частоту. Усилитель DA2 служит для согласования генератора с нагрузкой.

RC автогенератор с согласующим каскадом и фазосдвигающей цепью

Основным достоинством RC автогенераторов является возможность генерирования стабильных низкочастотных колебаний (до 20 кГц). Недостатком таких генераторов является не экономичность по сравнению с LC автогенераторами, т. к. RC автогенераторы работают в мягком режиме самовозбуждения.

В RC автогенераторах для построения избирательной цепи используются RC фильтры В рассматриваемом автогенераторе цепь положительной обратной связи строится последовательным включением нескольких RC фильтров.

Рассмотрим процессы, происходящие в RC фильтре представленном на рисунке 16, а. Для наглядности, пояснение будем пояснять с помощью векторной диаграммы (рисунок 16, б). При подаче на вход напряжения Uвх в цепи протекает ток i. Этот ток создает падение напряжение на конденсаторе U С и резисторе U R . Напряжение U R одновременно является выходным напряжением Uвых. Напряжение Uвых совпадает по фазе с током i, а напряжение U C сдвинуто относительно Uвых на 90°. Напряжение на входе цепи равно геометрической сумме векторов Uвых и U С и соответствует вектору Uвх. Вектора Uвх и Uвых сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол j.

Рисунок 16 - Принципиальная электрическая схема RC фильтра и векторная диаграмма поясняющая процессы происходящие в нем.

Угол j можно увеличивать, уменьшая емкость конденсатора. Как видно из диаграммы j<90°. Поэтому для выполнения баланса фаз необходимо последовательное включение нескольких фильтров. При этом главным условием является равенство сдвига фаз каждым из фильтров, в противном случае каждый из фильтров будет иметь свою резонансную частоту, отличную от других фильтров и колебания будут отсутствовать. На практике используют последовательное включение трех фазосдвигающих звеньев, каждое из которых дает сдвиг фазы 60°, или четырех звеньев, каждое из которых дает сдвиг фазы 45°. На рисунке 17 приведены две возможные трехзвенные фазосдвигающие цепи. Временные диаграммы напряжений на выходе каждого звена этих цепей приведены на рисунке 18.

Рисунок 17 - Принципиальные электрические схемы трехзвенных фазосдвигающих цепей

Частота генерируемых колебаний при использовании этих схем определяется выражениями:

для схемы приведенной на рисунке 17, а

fг=0,065/ RC (27)

Рисунок 18 - Временные диаграммы напряжений на выходе звеньев фазосдвигающей цепи

для схемы приведенной на рисунке 17, б

fг=0,39/ RC (28)

где R=R 1 = R 2 =R 3 и С=С 1 = С 2 =С 3

Таким образом, фильтры в рассматриваемом генераторе выполняют сразу несколько функций: определяют частоту генерируемых колебаний, определяют форму колебаний и участвуют в выполнении баланса фаз.

Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с согласующим каскадом и фазосдвигающей цепью представлена на рисунке 19.

В этом генераторе усилительный каскад собран на транзисторе VT1. Нагрузкой усилителя является резистор R3. Трехзвенная фазосдвигающая цепь состоит из элементов C4 C5 C6 и R4 R5 R6. Для согласования низкого входного сопротивления транзистора VT1 с сопротивлением фазосдвигающей цепи используется согласующий каскад? эмиттерный повторитель. Данный каскад собран на транзисторе VT2 включенный по схеме с общим коллектором. При отсутствии этого каскада низкое входное сопротивление VT1 будет шунтировать цепь обратной связи и значительно уменьшать коэффициент обратной связи, а это

Рисунок 19 - Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с согласующим каскадом и фазосдвигающей цепью

приведет к несоблюдению условия баланса амплитуд. Нагрузкой эмиттерного повторителя служит резистор R9. Напряжение смещение на транзисторы подаются делителями напряжения R1 R2 и R7 R8. Элементы С1 R10 являются фильтром питания. С2 С3 С7 являются разделительными конденсаторами. Коэффициент обратной связи такого генератора равен 1/29, поэтому для выполнения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя должен быть Кус?29.

RC автогенератор с фазобалансной цепью

В генераторах с четным числом усилительных каскадов нет необходимости использовать в цепи положительной обратной связи фазосдвигающие цепи. Для выделения колебаний требуемой частоты в выходном напряжении таких генераторов, в цепь обратной связи включают четырехполюсник, обладающий частотно-избирательными свойствами (фазобалансную цепь). Принципиальная электрическая схема такого четырехполюсника представлена на рисунке 20.

Для генерирования колебаний необходимо, чтобы данный четырехполюсник не вносил сдвига фаз между входным напряжением Uвх и выходным напряжением Uвых, т. е. j вх должна быть равна j вых. Частота, на которой j вх =j вых определяется по выражению

Рисунок 20 - Принципиальная электрическая схема частотно-избирательного четырехполюсника

f г=1/2 p ? R 1 C 1 R 2 C 2 (29)

Удобно выбирать R 1 =R 2 =R, C 1 =C 2 =C тогда выражение 26 примет вид

f г=1/2 p RC (30)

На всех остальных частотах будет происходить сдвиг фазы, а значит на этих частотах не будет выполняться условие баланса фаз и колебания с этими частотами будут отсутствовать.

Коэффициент обратной связи в этом случае будет равен 1/3, а следовательно, для выполнения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя автогенератора должен быть не менее 3.

Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с фазобалансной цепью представлена на рисунке 21.

Рисунок 21 - Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с фазобалансной цепью

В этом генераторе усилитель собран на двух усилительных каскадах собранных на транзисторах VT1 и VT2. Нагрузкой этих каскадов являются резисторы R3 и R5. Напряжение смещения на транзисторы подается фиксированным током базы через резисторы R2 и R4. Элементы С1 R1 C2 R2 образуют фазобалансную цепь в цепи положительной обратной связи. Элементы С4 С5 являются разделительными конденсаторами. R6 С3 элементы фильтра питания. Условие баланса амплитуд в этой схеме выполняется за счет двух усилительных каскадов, с помощью которых легко достигается коэффициент усиления равный 3. Баланс фаз достигается включением двух транзисторов по схеме с общим эмиттером (суммарный сдвиг фаз в этом случае 180°+180°=360°).

RC автогенератор с мостом Вина

Достоинством этого генератора является возможность изменения частоты генерируемых колебаний. Принципиальная электрическая схема этого генератора представлена на рисунке 22.

Рисунок 22 - Принципиальная электрическая схема RC автогенератора с мостом Вина

В этом генераторе усилитель также имеет два усилительных каскада собранные на транзисторах VT1 и VT2. Нагрузкой этих каскадов являются резисторы R4 и R9. Напряжение смещения на резисторы поступает через делители напряжения R2 R3 и R7 R8.

Выходное напряжение поступает на вход усилителя через фазобалансную цепь C1 R1 C2 R3, которая является одним из плеч моста Вина, второе плечо образовано элементами R6 R5. Вторая ветвь соединена с выходом усилителя через конденсатор С5 большой емкости, благодаря чему цепь R5 R6 не создает заметного сдвига фаз. Наряду с положительной обратной связью, вводится отрицательная обратная связь образованная элементами R5 R10 C5 R6. Отрицательная обратная связь, снижая коэффициент усиления, существенно снижает нелинейные искажения генерируемых колебаний. Снижение коэффициента усиления не приводит к нарушению баланса амплитуд т. к. реальный двухкаскадный усилитель имеет коэффициент усиления намного больше 3. Кроме того элементы R5 R10, обеспечивают температурную стабилизацию рабочей точки транзисторов. Регулировка частоты генерируемых колебаний в рассматриваемом генераторе осуществляется одновременной регулировкой сопротивлений резисторов R1 R3, однако, может осуществляться и одновременной регулировкой емкостей конденсаторов C1 C2.

Применение генераторов с колебательными контурами (типа LC) для генерирования колебаний с частотами меньше 15--20 кГц затруднено и неудобно из-за громоздкости контуров. В настоящее время для этих целей широко используются генераторы типа RC, в которых вместо колебательного контура применяются избирательные RС-фильтры. Генераторы типа RC могут генерировать весьма стабильные синусоидальные колебания в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Кроме того, они имеют малые габариты и массу. Наиболее полно преимущества генераторов типа RC проявляются в области низких частот.

Структурная схема генератора синусоидальных колебаний типа RC приведена на рис. 1.5.

Рис. 1.5

Усилитель строится по обычной резистивной схеме. Для самовозбуждения усилителя, т. е. для превращения первоначально возникших колебаний в незатухающие, необходимо на вход усилителя подавать часть выходного напряжения, превышающую входное напряжение или равную ему по величине и совпадающую с ним по фазе, иными словами, охватить усилитель положительной обратной связью достаточной глубины. При непосредственном соединении выхода усилителя с его входом происходит самовозбуждение, однако форма генерируемых колебаний будет резко отличаться от синусоидальной, поскольку условия самовозбуждения будут одновременно выполняться для колебаний многих частот. Для получения синусоидальных колебаний необходимо, чтобы эти условия выполнялись только на одной определенной частоте и резко нарушались на всех других частотах.

Рис. 1.6

Эта задача решается с помощью фазовращающей цепочки, которая имеет несколько звеньев RC и служит для поворота фазы выходного напряжения усилителя на 180°. Изменение фазы зависит от числа звеньев п и равно

В связи с тем что одно звено RC изменяет фазу на угол < 90°, минимальное число звеньев фазовращающей цепочки п -- 3. В практических схемах генераторов обычно используют трехзвенные фазовращающие цепочки.

На рис. 1.6 изображены два варианта таких цепочек, получивших название соответственно «R-параллель» и «С-параллель». Частота генерируемых синусоидальных колебаний для этих схем при условии R1 = R 2 = R 3 = R и C t = С 2 = С3 = С рассчитывается по следующим формулам: для схемы на рис. 1.6, а:

для схемы на рис. 4.6, б:

Для обеспечения баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя должен быть равен затуханию, вносимому фазовращающей цепочкой, через которую напряжение с выхода поступает на вход усилителя, или превышать его.

Расчеты показывают, что для приведенных схем затухание

Следовательно, схемы с использованием трехзвенных фазовращающих цепочек, имеющих одинаковые звенья, могут генерировать синусоидальные колебания с частотой f 0 лишь в том случае, если коэффициент усиления усилителя превышает 29.

В фазовращающей цепи с одинаковыми звеньями каждое последующее звено оказывает шунтирующее действие на предыдущее. Для уменьшения шунтирующего действия звеньев и снижения затухания в фазовращающей цепи обратной связи могут применяться так называемые прогрессивные цепочки. В этом случае сопротивление резистора каждого последующего звена выбирается в tn раз больше сопротивления предыдущего звена, а емкости последующих звеньев во столько же раз уменьшаются:

Обычно величина т не превышает 4--5.

На рис. 1.7 приведена одна из возможных схем автогенератора типа RC с фазовращающей цепочкой.

С точки зрения обеспечения условия баланса фаз такой генератор можно было бы построить и на одном транзисторе (Т2) с общим эмиттером. Однако в этом случае цепочка обратной связи шунтирует резистор R K усилительного транзистора и снижает его усиление, а малое входное сопротивление транзистора резко увеличивает затухание в цепи обратной связи. Поэтому целесообразно разделить выход фазовращающей цепи и вход усилителя с помощью эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе Т1.

Работа автогенератора начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, обязательно включающий в себя и необходимую частоту генерации. Благодаря выполнению условий самовозбуждения колебания этой частоты становятся незатухающими, тогда как колебания всех других частот, для которых условие баланса фаз не выполняется, быстро затухают.

Автогенераторы с фазовращающими цепями обычно применяются для генерации синусоидальных колебаний фиксированной частоты. Это связано с трудностью перестройки частоты в широком диапазоне. Диапазонные автогенераторы типа RC строятся несколько иначе. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Если усилитель поворачивает фазу входного сигнала на 2? (например, усилитель, имеющий четное число каскадов), то при охвате положительной обратной связью достаточной глубины он может генерировать электрические колебания без включения специальной фазовращающей цепочки. Для выделения требуемой частоты синусоидальных колебаний из всего спектра частот, генерируемых такой схемой, необходимо обеспечить выполнение условий самовозбуждения только для одной частоты. С этой целью в цепь обратной связи может быть включена последовательно-параллельная избирательная цепочка, схема которой приведена на рис. 1.8.

Рис. 1.7

Определим свойства этой цепочки, рассматривая ее как делитель напряжения.

Между выходным и входным напряжениями существует очевидная зависимость

Коэффициент передачи напряжения этой цепью

На квазирезонансной частоте w 0 коэффициент передачи напряжения должен быть равен действительному числу. Это возможно лишь в том случае, если сопротивления, выраженные соответствующей математической записью в числителе и знаменателе последней формулы, будут иметь одинаковый характер. Данное условие обеспечивается лишь в том случае, если действительная часть знаменателя равна нулю, т. е.

Отсюда частота квазирезонанса

Что же касается коэффициента передачи напряжения, то на квазирезонансной частоте он равен

Подставляя в эту формулу значение

Считая R1 = R 2 = R и C 1 = С 2 = С, найдем окончательные значения f 0

Затухание, вносимое рассматриваемой избирательной цепочкой на квазирезонансной частоте, равно

Это означает, что минимальный коэффициент усиления, при котором удовлетворяется условие баланса амплитуд, также должен быть равен 3. Очевидно, что это требование выполнить достаточно легко. Реальный транзисторный усилитель, имеющий два каскада (наименьшее четное число), позволяет получить усиление по напряжению, намного превышающее К о = 3. Поэтому целесообразно наряду с положительной обратной связью ввести в усилитель отрицательную обратную связь, которая, снижая коэффициент усиления, в то же время существенно уменьшает возможные нелинейные искажения генерируемых колебаний. Принципиальная схема такого генератора приведена на рис. 1.9.

Схема транзисторного RC-генератора с перестройкой частоты

Терморезистор в цепи эмиттера транзистора Т1 предназначен для стабилизации амплитуды выходного напряжения при изменении температуры. Регулировка частоты осуществляется с помощью спаренного потенциометра R1R2.

В настоящее время дискретные элементы (транзисторы) достаточно редко используются для постоения генераторов. Чаще всего для этих целей применяют различные типы интегральных микросхем. Схемы, построенные на ОУ, перемножителях, компараторах и таймерах, отличаются простотой, стабильностью параметров, универсальностью. Гибкость и универсальность ОУ позволяют с минимальным количеством внешних компонентов создавать простые, но в то же время удобные при настройке и регулировке генераторы практически всех типов с удовлетворительными параметрами.

Принцип работы таких генераторов основан на использовании в цепях ОС фазосдвигающих или резонансных элементов: моста Вина, двойного Т-образного моста, сдвигающих RС-цепей.

Существуют и другие способы генерирования синусоидальных колебаний, например фильтрацией импульсов треугольной формы или выделением первой гармонической составляющей прямоугольных импульсов.

Департамент внутренней и кадровой политики Белгородской области

областное государственное автономное

профессиональное образовательное учреждение

«Белгородский политехнический колледж»

МДК 01.02Технология монтажа и наладки электронного оборудования электронной части станков с ЧПУ

Тема : «Схемы RC генератора с «Г» образным фильтром и «Г» образным мостом, назначение элементов схемы. Принцип действия, устройство и назначение триггера работающего в ключевом и счётном режимах. »

Выполнил:

Студент группы №24АСУ

Шеховской Дмитрий

Проверила:

Ротару Т.А.

Белгород, 2018г.

ВВЕДЕНИЕ. 3

RC-генераторы.. 4

Тригеры.. 9

RS-триггер. 11

D-триггеры.. 13

JK-триггер. 14

Т-триггер. 15

Контрольные вопросы: 16

Список интернет-источников: 18

ВВЕДЕНИЕ

RC-генераторы применяются для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (до долей герц). В таких генераторах возможно получить частоту до 10 МГц. Следует отметить, что на таких низких частотах LC-генераторы были бы громоздкими и добротность была бы ниже необходимых требований. В то же время, RC-генераторы в НЧ-диапазоне имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем LC-генераторы.

В качестве активных элементов используются:

– биполярные транзисторы,

– полевые транзисторы,

– ОУ в интегральном исполнении.

RC-генераторы в своем составе имеют усилительный элемент (усилитель) и звено обратной связи (ОС).

RC-генераторы

Различаются следующие виды звеньев ОС:

− Г-образные звенья ОС (рис.1),

− мост Вина (рис.2),

− двойной Т-образный мост (рис.3) .

На рисунках 1.1, 1.2, 1.3 символом «U 1 » обозначено входное напряжение, символом «U 2 » − выходное напряжение.

Рис.1.1. Г-образные звенья ОС

Рис.1.2. Мост Вина Рис.1.3. Двойной Т-образный мост

RC-генераторы с Г-образным RC-звеном ОС

Рис.1.4. Принципиальная схема RC-генератора с Г-образным RC-звеном ОС

Как известно, в однокаскадном усилителе без ОС U ВХ и U ВЫХ сдвинуты по фазе друг относительно друга на 180º. Если U ВЫХ этого усилителя подать на его вход, то получится 100% ООС.

Для соблюдения баланса фаз (для введения ПОС) U ВЫХ, прежде чем подать его на вход усилителя, необходимо сдвинуть по фазе на 180º. Такой сдвиг можно осуществить с помощью трех одинаковых RC-звеньев (рис.4), каждое из которых изменяет фазу на 60º.

По расчетам, баланс фаз происходит на частоте , а баланс амплитуд – при коэффициенте усиления К≥29.

Г-образные RC-цепи могут выполняться с количеством звеньев больше 3 (чаще 4) – это может повысить частоту генерации.

Кроме того, частоту генерации можно повысить сменой мест резисторов и конденсаторов. Для изменения частоты генерации необходимо одновременно изменить все сопротивления R либо все емкости С.

RC-генераторы с Г-образными цепями обычно работают на фиксированной частоте или в узком диапазоне частот.

Одно звено Г- образного RC- фильтра позволяет осуществить фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного в предельном случае до p/2, и при построении генераторов гармонических колебаний используют как правило три последовательно включенных Г-образных фильтра.

При этом обеспечивается возможность фазового сдвига сигнала в цепи обратной связи равного p (по p/3 в каждом звене фильтра). И для обеспечения баланса фаз используются усилители сигналов, у которых выходной сигнал является противофазным входному, т.е. – инвертирующие усилители. В этом случае сдвиг фаз на p обеспечивается в усилителе и на p в канале обратной связи, что позволяет получить общий сдвиг фаз сигнала равным 2p и обеспечить требуемый баланс фаз.

При этом для построения генератора можно использовать любые схемы усилителей сигналов, обеспечивающие для выполнения баланса амплитуд требуемый коэффициент усиления К.

Мост Вина (рис.1.5) включен между выходом ОУ и его неинвертирующим входом, чем достигается ПОС. В таком автогенераторе усилитель должен иметь К≈3, однако в усилителе К>>3. Это может привести к большим искажениям. Во избежание этого вводят ООС, которая существенно повышает стабильность работы автогенератора.

Рис.1.5. Принципиальная схема RC-генератора с мостом Вина на ОУ

Резисторы R 3 , R 4 , R 5 соединяют выход с неинвертирующим входом ОУ. Резисторы R 4 и R 5 определяют требуемый коэффициент усиления, а терморезистор R 3 стабилизирует амплитуду и снижает искажения выходного напряжения.

На принципиальной схеме RC-автогенератора с несимметричным двойным Т-образным мостом (рис.1.6) выходное напряжение обозначено «U»; цепочка эмиттерной термостабилизации − «RC»; делитель напряжения − «Rg 1 », «Rg 2 ».

Рис. 1.6. Принципиальная схема RC-автогенератора

с несимметричным двойным Т-образным мостом

В данной схеме автогенератора К≈11. В таком автогенераторе двойной Т-образный мост включается как цепь ООС. Сдвиг фаз между U ВХ и U ВЫХ устанавливается при выполнении условия

; ; .

Частота колебаний определяется выражением .

Тригеры

Триггер (от английского “тrigger”) – цифровое устройство, которое может иметь всего два (0 или 1) устойчивых состояния. При этом переход из одного состояния в другое осуществляется максимально быстро, временем переходным процессов на практике принято пренебрегать. Триггеры – это основной элемент для построения различных запоминающих устройств. Их можно использоваться для хранения информации, но объем их память чрезвычайно мал – триггер может хранить биты, отдельные коды или сигналы.

По тому, как информация записывается в триггер, они делятся на:

· асинхронные – информация записывается непрерывно и зависит от информационных сигналов, которые подаются на вход триггера

· синхронные – информация записывается только при наличии дополнительного сигнала – синхронизирующего, фактически – открывающего работу триггера

В цифровойсхемотехнике используют такие обозначения для входов триггера:
S – раздельный вход, устанавливающий триггер в единичное состояние (на Q (прямом выходе) единица)
R - раздельный вход, устанавливающий триггер в нулевое состояние (на Q (прямом выходе) ноль)
С – вход синхронизации
D – информационный вход (на этот вход подается информация для дальнейшего занесения её в триггер)
Т - счетный вход

Исходя из функционального назначения, триггеры классифицируют:

· RS-триггеры

· D-триггеры

· Т-тригеры

· JK-триггер

· RS-триггер

RS-триггер

Простейший тип триггеров, на основе которого в дальнейшем создаются другие типы. Он может быть построен как на логических элементах 2ИЛИ-НЕ (прямые входы) или 2И-НЕ (инверсные входы)

Рис. 2.1. RS-триггер, схема построения и обозначение. А – на элементах ИЛИ-НЕ. Б – на элементах И-НЕ

Самостоятельно, из-за очень низкой помехоустойчивости, в цифровой технике RS-триггеры практически не используются. Исключение – устранение влияния дребезжания контактов, возникающее при коммутации механических переключателей. В этом случае потребуется тумблер (кнопка), имеющий три вывода, при этом один из выводов подключается попеременно к двум остальным. Для получения RS-триггера используют D-триггер, у которого входы D и C замкнуты на «ноль».

Принцип работы приведен на временной диаграмме:

Рис.2.2. Схема устранения влияния дребезжания контактов

Первым отрицательный сигнал, поступивший на вход –R переводит триггер в «0»-состояние, а первый отрицательный сигнал на на входе –S перебрасывает триггер в состояние единицы. Все остальные сигналы, которые вызваны дребезгом контактов, уже не смогут никак повлиять на триггер. При данной схеме подключения переключателя его верхнее положение будет соответствовать единице на выходе триггера, нижнее – нулю.

RS-триггер – асинхронный, но возникают случаи, когда есть необходимость зафиксировать (сохранить) записанную информацию. Для этого используют синхронный (синхронизируемый) RS-триггер, который в этом случае состоит из двух частей: обычного RS-триггера и схемы управления.

Рис.2.3. Синхронизируемый RS-триггер

При такой схеме, пока на входе С=0, значение импульсов, поступающих на Х1 и Х2 не имеет значение, RS-триггер находится в режиме «хранение». При С=1 триггер активизируется и переходит в режим записи.

D-триггеры

Триггер задержки, который используют для создания регистров сдвига и регистров хранения, неотъемлемая часть любого микропроцессора.

Рис. 3.1. Схема D-тригера

Имеет два входа – информационный и синхронизации. При состоянии С=0 тригер устойчив и при этом сигнал на выходе не зависит от сигналов, поступающих на информационный вход. При С=1 на прямом выходе информация будет точно повторять ту информацию, которая подается на вход D. На временной диаграмме приведен принцип работы D-триггера

Рис.3.2. D-триггер. а) схематическое изображение б) временная диаграмма работы

JK-триггер

По принципу работы JK-триггер практически полностью соответствует RS-триггеру, но при этом удалось избежать неопределенности, вызванной при одновременном поступлении на вход двух «единиц».

Рис. 4.1. Графическое изображение JK-триггера

Рис.4.2. JK-триггер на входе с логикой 3И

В этом случае JK-триггер переходит в режим счетного триггера. На практике это приводит к тому, что при одновременном поступлении на вход «единичных» сигналов, триггер меняет свое состояние – на противоположное. Ниже приводится таблица истинности для JK-триггера:

JK триггеры – очень универсальные устройства, при этом их универсальность носит двойной характер. С одной стороны, эти триггеры успешно используются для цифровых устройствах, так сказать, в чистом виде: в цифровых счетчиках, регистрах, делителях частоты и т.д. С другой стороны – очень легко из JK-триггера, соединив определенные выводы, получить любой необходимый тип триггера. Ниже приводится пример получения D – триггера из исходного JK – триггера, задействовав дополнительный инвертор

Т-триггер

Другое название – счетные триггеры, на основе которых создают двоичные счетчики и делители частоты. Триггеры такого типа имеют только один вход. Принцип его работы – когда импульс поступает на вход тригерра, его состояние меняется на противоположное, при поступлении второго импульса – возвращается в исходное.

Рис. 5.1. Временная диаграмма делителя частоты на основе Т-триггера

Из неё становится понятно, почему Т-тригер называют делителем частоты. Переключение триггера происходит в момент, когда на вход поступает передний фронт синхроимпульса. В результате частота, с которой следуют импульсы на выходе триггера, оказывается в 2 раза меньше исходной – частоты синхроимпульсов, поступающих на вход. Если установка одного счетного триггера позволяет частоту импульсов разделить на два, то два последовательно подключенных триггера, соответственно, уменьшат эту частоту в 4 раза.
Ниже приведен пример получения Т-тригерра из JK-триггера:

Рис. 5.2. Т-тригер на основе JK-триггера

Контрольные вопросы:

Для чего применяют RC-генераторы?

RC-генераторы применяются для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (до долей герц)