Autogeneraattorin tyyppinen rc-piiri, toimintaperiaate. RC-tyyppiset autogeneraattorit

Tässä artikkelissa tarkastelemme RC-generaattoria ja sen toimintaperiaatetta, tarkastelemme yksityiskohtaisesti sen piirejä, mukaan lukien operaatiovahvistin.

Kuvaus ja toimintaperiaate

Vahvistimen opetusohjelmissa olemme nähneet, että yksivaiheinen transistorivahvistin voi tuottaa 180 o vaihesiirron lähtö- ja tulosignaalien välillä, kun se on kytketty luokan A tyyppiseen konfiguraatioon.

Jotta oskillaattori värähtelee loputtomasti, on annettava riittävästi oikean vaiheen takaisinkytkentää eli "positiivista takaisinkytkentää" ja invertoivana asteena käytetään transistorivahvistinta tämän tavoitteen saavuttamiseksi.

SISÄÄN RC-oskillaattoripiirit tuloa siirretään 180 o vahvistinasteen läpi ja 180 o jälleen toisen invertointiasteen kautta, jolloin saadaan "180 o + 180 o = 360 o" vaihesiirto, joka on itse asiassa 0 o, jolloin saamme tarvittavan positiivisen palautteen. Toisin sanoen takaisinkytkentäsilmukan vaihesiirron on oltava yhtä suuri kuin "0".

SISÄÄN vastus-kapasitanssi generaattori tai vain generaattorissa R.C. hyödynnämme sitä tosiasiaa, että RC-verkkoon tulevan tulon ja saman verkon lähdön välillä tapahtuu vaihesiirto, esimerkiksi käyttämällä RC-elementtejä takaisinkytkentähaarassa.

RC-vaihepiiri

Vasemmalla oleva kaavio esittää yhtä vastus-kondensaattoriverkkoa, jonka lähtöjännite "johtaa" tulojännitteen alle 90 o kulmassa. Ihanteellinen yksinapainen RC-piiri tuottaa täsmälleen 90 o vaihesiirron, ja koska värähtely vaatii 180 o vaihesiirtoa, suunnittelu RC generaattori Vähintään kahta yksinapaista on käytettävä.

Todellisuudessa on kuitenkin vaikea saada täsmälleen 90° vaihesiirtoa, joten käytetään enemmän asteita. Piirin todellisen vaihesiirron määrä riippuu vastuksen ja kondensaattorin arvoista, ja valittu värähtelytaajuus vaihekulmalla (Φ) saadaan kaavalla:

Missä: X C on kondensaattorin kapasitanssi, R on vastuksen resistanssi ja ƒ on taajuus.

Yllä olevassa yksinkertaisessa esimerkissämme R:n ja C:n arvot valittiin siten, että halutulla taajuudella lähtöjännite johtaa sisääntulojännitettä noin 60 o kulmassa. Kunkin seuraavan RC-osan välinen vaihekulma kasvaa sitten vielä 60 o, jolloin tulon ja lähdön välinen vaihe-ero on 180 o (3 x 60 o), kuten seuraavassa osoitinkaaviossa näkyy.

Sitten kytkemällä kolme tällaista RC-verkkoa yhteen sarjaan, voimme tuottaa piiriin täyden 180 o vaihesiirron valitulla taajuudella, ja tämä muodostaa perustan "vaihesiirtooskillaattorille", muuten ns. RC generaattori .

Tiedämme, että vahvistinpiirissä, jossa käytetään bipolaarista transistoria tai operaatiovahvistinta, se tuottaa 180 o:n vaihesiirron tulonsa ja lähtönsä välillä. Jos tämän tulon ja vahvistimen lähdön väliin on kytketty kolmivaiheinen vaihesiirtoverkko, regeneratiivisen takaisinkytkennän vaatima kokonaisvaihesiirto on 3 x 60 o + 180 o = 360 o, kuten alla on esitetty.

Kolme RC-astetta peräkkäin, jotta saadaan vaadittu kaltevuus vakaata värähtelytaajuutta varten. Takaisinkytkentäsilmukan vaihesiirto on -180 o, kun kunkin portaan vaihesiirto on -60 o. Tämä tapahtuu, kun ω = 2πƒ = 1,732 / RC(rusketus 60 o = 1,732). Sitten vaaditun vaihesiirron saavuttamiseksi RC-oskillaattoripiirissä on käytettävä useita RC-vaiheensiirtoverkkoja, kuten alla olevaa piiriä.

RC-oskillaattorin peruspiiri

Pohja rc generaattori, tunnetaan myös vaihesiirtogeneraattori, generoi sinimuotoisen lähtösignaalin käyttämällä regeneratiivista takaisinkytkentää, joka on saatu vastus-kondensaattoriyhdistelmästä. Tämä regeneratiivinen takaisinkytkentä RC-verkosta johtuu kondensaattorin kyvystä varastoida sähkövarausta (samanlainen kuin LC-säiliöpiirissä).

Tämä vastus-kondensaattori takaisinkytkentäverkko voidaan liittää yllä olevan kuvan mukaisesti alkuvaiheen siirron luomiseksi (vaiheenvaihtoverkko) tai vaihtaa viivästetyn vaihesiirron luomiseksi (vaiheviiveverkko), tulos pysyy samana kuin siniaalto. taajuudella, jolla kokonaisvaihesiirto on 360 o.

Vaiheensiirtoverkossa yhtä tai useampaa vastusta tai kondensaattoria vaihtamalla taajuutta voidaan muuttaa, ja tämä tehdään tyypillisesti pitämällä vastukset ennallaan ja käyttämällä 3-numeroista muuttuvaa kondensaattoria.

Jos kaikki vaihesiirtoverkon vastukset R ja kondensaattorit C ovat samanarvoisia, RC-oskillaattorin synnyttämien värähtelyjen taajuus määritetään seuraavasti:

Missä:
ƒ r - lähtötaajuus hertseinä
R - vastus ohmeina
C - kapasitanssi Faradeissa
N on RC-vaiheiden lukumäärä (N = 3)

Koska vastus-kondensaattori yhdistelmä sisään RC-oskillaattoripiirit toimii myös vaimentimena, mikä luo täydellisen vaimennuksen -1/29. (Vo / Vi = β) kaikissa kolmessa vaiheessa vahvistimen jännitevahvistuksen on oltava riittävän suuri näiden RC-häviöiden voittamiseksi. Siksi myös yllä olevassa kolmivaiheisessa RC-verkossamme vahvistimen vahvistuksen on oltava yhtä suuri tai suurempi kuin 29.

Vahvistimen kuorman vaikutus takaisinkytkentäverkkoon vaikuttaa värähtelytaajuuteen ja voi saada generaattorin taajuuden 25 % suunnitellusta taajuudesta korkeammaksi. Takaisinkytkentäverkko on sitten ohjattava suuren impedanssin lähtölähteestä ja ohjattava matalaimpedanssiseen kuormaan, kutenimeen, mutta on parempi käyttää operaatiovahvistinta, koska se täyttää nämä ehdot täydellisesti.

RC-oskillaattorioperaatiovahvistin

Käytettäessä RC-oskillaattorit, RC-oskillaattorit operaatiovahvistin ovat yleisempiä kuin niiden bipolaariset transistorivastineet. Oskillaattoripiiri koostuu negatiivisesta vahvistuksesta operaatiovahvistimesta ja kolmiosaisesta RC-verkosta, joka tuottaa 180 o vaihesiirron. Vaihesiirtoverkko on kytketty operaatiovahvistimen lähdöstä takaisin sen "invertoivaan" tuloon alla olevan kuvan mukaisesti.

Koska takaisinkytkentä on kytketty invertoivaan tuloon, operaatiovahvistin on siis kytketty "invertoivassa vahvistimessa", joka tuottaa vaaditun 180 o vaihesiirron, kun taas RC-verkko tuottaa toisen 180 o vaihesiirron vaaditulla taajuudella (180 o + 180 o O).

Vaikka on mahdollista kaskadoida vain kaksi yksinapaista RC-portasta vaaditun 180 o (90 o + 90 o) vaihesiirron saavuttamiseksi, oskillaattorin stabiilisuus matalilla taajuuksilla on yleensä huono.

Yksi tärkeimmistä ominaisuuksista RC generaattori on sen taajuuden vakaus, joka perustuu sen kykyyn tarjota vakiotaajuinen sinimuotoinen lähtösignaali vaihtelevissa kuormitusolosuhteissa. Kolmella tai jopa neljällä RC-portaalla (4 x 45 o) voidaan generaattorin vakautta parantaa merkittävästi.

Yleisesti käytetty RC generaattorit neliportaisella, koska kaupallisesti saatavilla olevat operaatiovahvistimet tulevat nelikerroksisissa integroiduissa piireissä, joten nelivaiheisen oskillaattorin suunnittelu 45 o:n vaihesiirrolla toisiinsa nähden on suhteellisen helppoa.

RC generaattorit ovat vakaita ja tarjoavat hyvin muodostuneen sinimuotoisen lähdön taajuudella, joka on verrannollinen 1/RC, ja siten laajempi taajuusalue on mahdollista käytettäessä muuttuvaa kondensaattoria. RC-oskillaattorit on kuitenkin rajoitettu taajuussovelluksiin kaistanleveyden rajoitusten vuoksi halutun vaihesiirron saavuttamiseksi korkeilla taajuuksilla.

Seuraavalla oppitunnilla oskillaattorista tarkastelemme eri tyyppiä RC generaattori, nimeltään siltaoskillaattorit Wien, joka käyttää vastuksia ja kondensaattoreita piirinä luodakseen matalataajuisen siniaaltosignaalin.

Tarkastelimme yhtä generaattorityyppiä käyttämällä värähtelypiiriä. Tällaisia ​​generaattoreita käytetään pääosin vain korkeilla taajuuksilla, mutta alemmilla taajuuksilla tapahtuvan tuotannon osalta LC-generaattorin käyttö voi olla vaikeaa. Miksi? Muistakaamme kaava: KC-generaattorin taajuus lasketaan kaavalla

Toisin sanoen: generointitaajuuden vähentämiseksi on tarpeen lisätä pääkondensaattorin kapasitanssia ja induktorin induktanssia, ja tämä tietysti merkitsee koon kasvua.
Siksi he käyttävät suhteellisen alhaisten taajuuksien tuottamiseksi RC generaattorit
jonka toimintaperiaatetta harkitsemme.

Yksinkertaisimman RC-generaattorin piiri(setä kutsutaan myös piiriksi, jossa on kolmivaiheinen vaiheistusketju), joka näkyy kuvassa:

Kaavio osoittaa, että tämä on vain vahvistin. Lisäksi se on positiivisen takaisinkytkennän (POF) peitossa: sen tulo on kytketty lähtöön ja siksi se on jatkuvasti itseherätyksessä. Ja RC-oskillaattorin taajuutta ohjataan niin sanotulla vaiheensiirtoketjulla, joka koostuu elementeistä C1R1, C2R2, C3R3.
Yhdellä vastuksen ja kondensaattorin ketjulla voit saada vaihesiirron enintään 90º. Todellisuudessa siirtymä osoittautuu lähelle 60º. Siksi 180º vaihesiirron saavuttamiseksi on asennettava kolme ketjua. Viimeisen RC-piirin lähdöstä signaali syötetään transistorin kantaan.

Toiminta alkaa heti, kun virtalähde kytketään päälle. Tuloksena oleva kollektorivirtapulssi sisältää laajan ja jatkuvan taajuuksien spektrin, joka sisältää välttämättä tarvittavan generointitaajuuden. Tässä tapauksessa taajuuden värähtelyt, jolle vaiheensiirtopiiri on viritetty, vaimentuvat. Värähtelytaajuus määritetään kaavalla:

Tässä tapauksessa seuraavan ehdon on täytyttävä:

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

Tällaiset generaattorit voivat toimia vain kiinteällä taajuudella.

Vaiheensiirtoketjun käytön lisäksi on toinen, yleisempi vaihtoehto. Generaattori on myös rakennettu transistorivahvistimelle, mutta vaiheensiirtoketjun sijaan käytetään ns. Wien-Robinson-siltaa (sukunimi Vin kirjoitetaan yhdellä "H"!!). Tältä se näyttää:

Piirin vasen puoli on passiivinen RC-kaistanpäästösuodatin, pisteessä A lähtöjännite poistetaan.
Oikea puoli on kuin taajuudesta riippumaton jakaja.
Yleisesti hyväksytään, että R1=R2=R, C1=C2=C. Sitten resonanssitaajuus määritetään seuraavalla lausekkeella:

Tässä tapauksessa vahvistusmoduuli on maksimi ja yhtä suuri kuin 1/3, ja vaihesiirto on nolla. Jos jakajan vahvistus on yhtä suuri kuin kaistanpäästösuodattimen vahvistus, niin resonanssitaajuudella pisteiden A ja B välinen jännite on nolla ja vaihevaste resonanssitaajuudella hyppää -90º:sta +90º. Yleensä seuraavan ehdon on täytyttävä:

R3 = 2R4

Mutta on vain yksi ongelma: kaikki tämä voidaan ottaa huomioon vain ihanteellisissa olosuhteissa. Todellisuudessa kaikki ei ole niin yksinkertaista: pieninkin poikkeama ehdosta R3 = 2R4 johtaa joko sukupolven katkeamiseen tai vahvistimen kyllästymiseen. Selventääksesi asiaa, yhdistetään Wien-silta operaatiovahvistimeen:

Yleensä tätä järjestelmää ei voida käyttää tällä tavalla, koska joka tapauksessa siltaparametreissa on hajontaa. Siksi vastuksen R4 sijasta otetaan käyttöön jonkinlainen epälineaarinen tai kontrolloitu vastus.
Esimerkiksi epälineaarinen vastus: ohjattu vastus transistoreilla. Tai voit myös korvata vastuksen R4 mikrotehoisella hehkulampulla, jonka dynaaminen resistanssi kasvaa virran amplitudin kasvaessa. Hehkulangalla on melko suuri lämpöinertia, ja useiden satojen hertsien taajuuksilla se ei käytännössä vaikuta piirin toimintaan yhden jakson sisällä.

Wien-sillalla varustetuilla generaattoreilla on yksi hyvä ominaisuus: jos R1 ja R2 korvataan muuttuvalla muuttujalla (mutta vain kaksoismuuttujalla), generointitaajuutta voidaan säätää tietyissä rajoissa.
On mahdollista jakaa kondensaattorit C1 ja C2 osiin, jolloin on mahdollista vaihtaa alueita ja käyttämällä kaksoismuuttuvaa vastusta R1R2 säätämään tasaisesti taajuutta alueella.

Lähes käytännöllinen Wien-sillalla varustetun RC-oskillaattorin piiri on esitetty alla olevassa kuvassa:

Tässä: kytkin SA1 voi vaihtaa aluetta ja kaksoisvastus R1 voi säätää taajuutta. Vahvistin DA2 sovittaa generaattorin kuormaan.

R.C.itseoskillaattori, jossa on sovitusaste ja vaiheensiirtopiiri

RC-itseoskillaattorien tärkein etu on kyky tuottaa vakaita matalataajuisia värähtelyjä (jopa 20 kHz). Tällaisten generaattoreiden haittana on, että ne eivät ole taloudellisia verrattuna LC-itseoskillaattoriin, koska RC-itseoskillaattorit toimivat pehmeässä itseherätystilassa.

RC-itseoskillaattorissa RC-suodattimia käytetään selektiivisen piirin rakentamiseen, tarkasteltavana olevassa itseoskillaattorissa positiivinen takaisinkytkentäpiiri rakennetaan yhdistämällä peräkkäin useita RC-suotimia.

Tarkastellaan kuvan 16 RC-suodattimessa tapahtuvia prosesseja, a. Selvyyden vuoksi selitämme selityksen vektorikaavion avulla (Kuva 16, b). Kun tuloon kytketään jännite Uin, virta i kulkee piirissä. Tämä virta aiheuttaa jännitehäviön kondensaattorin U C ja vastuksen UR yli. Jännite U R on myös lähtöjännite Uout. Jännite Uout on vaiheessa i virran kanssa ja jännite U C on siirtynyt suhteessa Uoutiin 90°. Jännite piirin sisääntulossa on yhtä suuri kuin vektorien Uout ja U C geometrinen summa ja vastaa vektoria Uin. Vektorit Uin ja Uout siirtyvät vaiheittain suhteessa toisiinsa kulmalla j.

Kuva 16 - RC-suodattimen kaavio ja siinä tapahtuvia prosesseja kuvaava vektorikaavio.

Kulmaa j voidaan suurentaa pienentämällä kondensaattorin kapasitanssia. Kuten kaaviosta j voidaan nähdä<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.

Kuva 17 - Kaaviokaaviot kolmen linkin vaiheensiirtopiireistä

Syntyneiden värähtelyjen taajuus näitä piirejä käytettäessä määräytyy lausekkeilla:

kuvassa 17 esitetylle kaaviolle a

fg=0,065/R.C. (27)

Kuva 18 - Aikakaaviot jännitteistä vaiheensiirtopiirilinkkien lähdössä

kuvassa 17 esitetylle kaaviolle, b

fg=0,39/R.C. (28)

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

Näin ollen tarkasteltavana olevan generaattorin suodattimet suorittavat useita toimintoja kerralla: ne määrittävät syntyvien värähtelyjen taajuuden, määrittävät värähtelyjen muodon ja osallistuvat vaihetasapainon toteuttamiseen.

RC-itseoskillaattorin, jossa on sovitusaste ja vaiheensiirtopiiri, piirikaavio on esitetty kuvassa 19.

Tässä generaattorissa vahvistinaste kootaan käyttämällä transistoria VT1. Vahvistimen kuormitus on vastus R3. Kolmilenktinen vaiheensiirtoketju koostuu elementeistä C4 C5 C6 ja R4 R5 R6. Käytetäänkö sovitusastetta sovittamaan transistorin VT1 pieni tuloresistanssi vaiheensiirtopiirin resistanssiin? emitterin seuraaja. Tämä kaskadi on koottu transistoriin VT2, joka on kytketty yhteisellä kollektorilla varustetun piirin mukaisesti. Tämän kaskadin puuttuessa VT1:n pieni tuloresistanssi ohittaa takaisinkytkentäpiirin ja vähentää merkittävästi takaisinkytkentäkerrointa, ja tämä

Kuva 19 - Kaavio RC-oskillaattorista, jossa on sovitusaste ja vaiheensiirtopiiri

johtaa amplituditasapainon ehdon noudattamatta jättämiseen. Emitterin seuraajakuorma on vastus R9. Bias-jännite syötetään transistoreille jännitteenjakajilla R1 R2 ja R7 R8. Elementit C1 R10 ovat tehosuodatin. C2 C3 C7 ovat eristyskondensaattoreita. Tällaisen generaattorin takaisinkytkentäkerroin on 1/29, joten amplitudien tasapainottamiseksi vahvistimen vahvistuksen on oltava Kus?29.

RC-itseoskillaattori vaihetasapainopiirillä

Generaattoreissa, joissa on parillinen määrä vahvistusasteita, ei ole tarvetta käyttää vaiheensiirtopiirejä positiivisessa takaisinkytkentäpiirissä. Vaaditun taajuuden värähtelyjen eristämiseksi tällaisten generaattoreiden lähtöjännitteessä takaisinkytkentäpiiriin on sisällytetty nelinapainen verkko, jolla on taajuusselektiiviset ominaisuudet (vaihetasapainopiiri). Tällaisen nelipääteverkon piirikaavio on esitetty kuvassa 20.

Värähtelyjen synnyttämiseksi on välttämätöntä, että tämä nelinapainen verkko ei aiheuta vaihesiirtoa tulojännitteen Uin ja lähtöjännitteen Uout välille, eli jin:n on oltava yhtä suuri kuin jout. Taajuus, jolla j in = j out määräytyy lausekkeen avulla

Kuva 20 - Kaaviokaavio taajuusselektiivisestä kvadripolista

fg = 1/2s ? R1C1R2C2 (29)

On kätevää valita R 1 =R 2 =R, C 1 =C 2 =C, jolloin lauseke 26 saa muotoa

fg = 1/2s R.C. (30)

Kaikilla muilla taajuuksilla tapahtuu vaihesiirtoa, mikä tarkoittaa, että näillä taajuuksilla vaihetasapainoehto ei täyty eikä näillä taajuuksilla esiinny värähtelyjä.

Takaisinkytkentäkerroin tässä tapauksessa on 1/3, ja siksi amplitudien tasapainottamiseksi oskillaattorivahvistimen vahvistuksen on oltava vähintään 3.

Vaihetasapainopiirillä varustetun RC-itseoskillaattorin piirikaavio on esitetty kuvassa 21.

Kuva 21 - Kaavio RC-oskillaattorista vaihetasapainopiirillä

Tässä generaattorissa vahvistin on koottu kahdelle vahvistusasteelle, jotka on koottu transistoreille VT1 ja VT2. Näiden portaiden kuormitus on vastukset R3 ja R5. Bias-jännite syötetään transistoreille kiinteällä kantavirralla vastusten R2 ja R4 kautta. Elementit C1 R1 C2 R2 muodostavat vaihetasapainopiirin positiivisessa takaisinkytkentäpiirissä. Elementit C4 C5 ovat erotuskondensaattoreita. R6 C3 tehosuodatinelementit. Amplituditasapainon ehto tässä piirissä täytetään kahdella vahvistusportaalla, joiden avulla saadaan helposti vahvistus 3. Vaihetasapaino saavutetaan yhdistämällä kaksi transistoria piirin mukaan, jossa on yhteinen emitteri (koko vaihesiirto tässä kotelo on 180°+180°=360°).

RC-oskillaattori Wien-sillalla

Tämän generaattorin etuna on kyky muuttaa generoitujen värähtelyjen taajuutta. Tämän generaattorin sähköinen kytkentäkaavio on esitetty kuvassa 22.

Kuva 22 - Kaavio RC-oskillaattorista Wien-sillalla

Tässä generaattorissa vahvistimessa on myös kaksi vahvistusastetta, jotka on koottu transistoreille VT1 ja VT2. Näiden portaiden kuormitus on vastukset R4 ja R9. Bias-jännite syötetään vastuksiin jännitteenjakajien R2 R3 ja R7 R8 kautta.

Lähtöjännite syötetään vahvistimen sisääntuloon vaihetasapainopiirin C1 R1 C2 R3 kautta, joka on yksi Wien-sillan haaroista, toisen haaran muodostavat elementit R6 R5. Toinen haara on kytketty vahvistimen lähtöön suuren kondensaattorin C5 kautta, minkä vuoksi piiri R5 R6 ei aiheuta havaittavaa vaihesiirtoa. Positiivisen palautteen ohella saadaan aikaan negatiivinen palaute, joka muodostuu elementeistä R5 R10 C5 R6. Negatiivinen takaisinkytkentä pienentämällä vahvistusta vähentää merkittävästi synnytettyjen värähtelyjen epälineaarisia vääristymiä. Vahvistuksen pienentäminen ei johda amplitudien epätasapainoon, koska todellisen kaksivaiheisen vahvistimen vahvistus on paljon suurempi kuin 3. Lisäksi elementit R5 R10 stabiloivat transistorien toimintapisteen lämpötilaa. Tarkasteltavana olevan generaattorin syntyneiden värähtelyjen taajuuden säätö suoritetaan säätämällä samanaikaisesti vastusten R1 R3 resistanssit, mutta se voidaan suorittaa myös säätämällä samanaikaisesti kondensaattoreiden C1 C2 kapasitanssit.

Generaattorien käyttö värähtelevillä piireillä (esim LC) värähtelyjen synnyttäminen alle 15-20 kHz:n taajuuksilla on vaikeaa ja hankalaa piirien tilavuuden vuoksi. Tällä hetkellä generaattorit, kuten R.C. jossa käytetään selektiivisiä RC-suodattimia värähtelevän piirin sijasta. Generaattorin tyyppi R.C. voi tuottaa erittäin stabiileja sinivärähtelyjä suhteellisen laajalla taajuusalueella hertsin murto-osista satoihin kilohertseihin. Lisäksi niillä on pienet mitat ja paino. Tyyppigeneraattoreiden täydellisimmät edut R.C. näkyvät matalien taajuuksien alueella.

Lohkokaavio sinimuotoisesta värähtelygeneraattorityypistä R.C. esitetty kuvassa. 1.5.

Riisi. 1.5

Vahvistin on rakennettu tavanomaisen resistiivisen piirin mukaan. Vahvistimen itsevirittämiseksi eli alun perin esiintyvien värähtelyjen muuttamiseksi vaimentamattomiksi, on vahvistimen sisäänmenoon syötettävä osa lähtöjännitteestä, joka ylittää tulojännitteen tai on sen suuruinen ja osuu yhteen sen kanssa vaiheessa, toisin sanoen peittämään vahvistimen riittävän syvällä positiivisella takaisinkytkennällä . Kun vahvistimen lähtö on kytketty suoraan sen tuloon, tapahtuu itseherätystä, mutta syntyneiden värähtelyjen muoto eroaa jyrkästi sinimuotoisesta, koska itseherätyksen ehdot täyttyvät samanaikaisesti useiden taajuuksien värähtelyillä. Sinimuotoisten värähtelyjen saamiseksi on välttämätöntä, että nämä ehdot täyttyvät vain yhdellä tietyllä taajuudella ja niitä rikotaan jyrkästi kaikilla muilla taajuuksilla.

Riisi. 1.6

Tämä ongelma ratkaistaan ​​käyttämällä vaiheensiirtoketju, jossa on useita linkkejä R.C. ja kiertää vahvistimen lähtöjännitteen vaihetta 180°. Vaiheenmuutos riippuu linkkien määrästä P ja tasa-arvoinen

Johtuen siitä, että yksi linkki R.C. muuttuu vaiheittain< 90°, минимальное число звеньев фазовращающей цепочки P -- 3. Käytännön generaattoripiireissä käytetään yleensä kolmilenkkeisiä vaiheensiirtoketjuja.

Kuvassa Kuvassa 1.6 on kaksi tällaisten ketjujen muunnelmaa, joita kutsutaan "R-rinnakkaisiksi" ja "C-rinnakkaisiksi". Muodostettujen sinivärähtelyjen taajuus näille piireille ehdolla R1 = R 2 = R 3 = R Ja C t = C 2 = C3 = C lasketaan seuraavilla kaavoilla: kuvan 1 piirille. 1.6, a:

kuvan kaaviolle. 4.6, b:

Amplituditasapainon varmistamiseksi vahvistimen vahvistuksen on oltava yhtä suuri tai suurempi kuin vaimennus, jonka vaimentaa vaiheensiirtoketju, jonka kautta lähtöjännite syötetään vahvistimen tuloon.

Laskelmat osoittavat, että edellä olevissa järjestelmissä vaimennus

Näin ollen piirit, jotka käyttävät kolmilenkisiä vaiheensiirtoketjuja, joissa on identtiset linkit, voivat tuottaa sinimuotoisia värähtelyjä taajuudella f 0 vain jos vahvistimen vahvistus ylittää 29.

Vaiheensiirtoketjussa, jossa on identtiset lenkit, jokaisella seuraavalla linkillä on ohitusvaikutus edelliseen. Linkkien shunting-vaikutuksen vähentämiseksi ja vaimennuksen vähentämiseksi vaiheensiirron takaisinkytkentäpiirissä ns. progressiivinen ketjut. Tässä tapauksessa jokaisen seuraavan linkin vastuksen vastus valitaan tn kertaa edellisen linkin vastus, ja seuraavien linkkien kapasitanssi pienenee saman verran:

Yleensä arvo T ei ylitä 4--5.

Kuvassa 1.7 esittää yhden tyyppisen itseoskillaattorin mahdollisista piireistä R.C. vaiheenvaihtoketjulla.

Vaihetasapainoolosuhteiden varmistamisen kannalta tällainen generaattori voitaisiin rakentaa yhdelle transistorille (T2) yhteisellä emitterillä. Tässä tapauksessa takaisinkytkentäpiiri kuitenkin ohittaa vastuksen R K vahvistintransistori ja vähentää sen vahvistusta, ja transistorin pieni tuloresistanssi lisää jyrkästi vaimennusta takaisinkytkentäpiirissä. Siksi on suositeltavaa erottaa vaiheensiirtopiirin lähtö ja vahvistimen tulo käyttämällä transistoriin T1 koottua emitteriseurainta.

Itsegeneraattorin toiminta alkaa heti, kun virtalähde kytketään päälle. Tuloksena oleva kollektorivirtapulssi sisältää laajan ja jatkuvan taajuusspektrin, joka sisältää välttämättä tarvittavan generointitaajuuden. Itseherätysehtojen täyttymisestä johtuen tämän taajuuden värähtelyt vaimentuvat, kun taas kaikkien muiden taajuuksien värähtelyt, joiden vaihetasapainoehto ei täyty, vaimentuvat nopeasti.

Vaiheensiirtopiireillä varustettuja autogeneraattoreita käytetään yleensä tuottamaan kiinteätaajuisia sinivärähtelyjä. Tämä johtuu taajuuden virityksen vaikeudesta laajalla alueella. Autogeneraattorien valikoima R.C. rakennetaan hieman eri tavalla. Tarkastellaan tätä asiaa tarkemmin.

Jos vahvistin kiertää tulosignaalin vaihetta 2? (esimerkiksi vahvistin, jossa on parillinen määrä porrastuksia), niin riittävän syvän positiivisen takaisinkytkennän peitossa se voi synnyttää sähköisiä värähtelyjä kytkemättä päälle erityistä vaiheensiirtopiiriä. Sinivärähtelyjen vaaditun taajuuden eristämiseksi tällaisen piirin muodostamasta koko taajuusspektristä on varmistettava, että itseherätyksen ehdot täyttyvät vain yhdellä taajuudella. Tätä tarkoitusta varten takaisinkytkentäpiiriin voidaan sisällyttää sarja-rinnakkaisvalintapiiri, jonka kaavio on esitetty kuvassa. 1.8.

Riisi. 1.7

Määritetään tämän ketjun ominaisuudet, pitäen sitä jännitteenjakajana.

Lähtö- ja tulojännitteiden välillä on ilmeinen suhde

Tämän piirin jännitteensiirtokerroin

Kvasiresonanssitaajuudella w 0 jännitteensiirtokertoimen on oltava yhtä suuri kuin reaaliluku. Tämä on mahdollista vain, jos viimeisen kaavan osoittajassa ja nimittäjässä vastaavalla matemaattisella merkinnällä ilmaistut vastukset ovat luonteeltaan samanlaisia. Tämä ehto täyttyy vain, jos nimittäjän reaaliosa on nolla, ts.

Tästä johtuu kvasiresonanssitaajuus

Mitä tulee jännitteensiirtokertoimeen, se on kvasiresonanssitaajuudella yhtä suuri kuin

Arvon korvaaminen tähän kaavaan

Ottaen huomioon R1 = R 2 = R Ja C 1 = C 2 = C, etsitään f 0:n lopulliset arvot

Tarkasteltavan valikoivan piirin aiheuttama vaimennus kvasiresonanssitaajuudella on yhtä suuri kuin

Tämä tarkoittaa, että minimivahvistuksen, jolla amplituditasapainon ehto täyttyy, on myös oltava 3. Ilmeisesti tämä vaatimus on melko helppo täyttää. Todellinen transistorivahvistin, jossa on kaksi porrasta (pienin parillinen luku), mahdollistaa jännitevahvistuksen, joka on paljon suurempi kuin TO O = 3. Tästä syystä on suositeltavaa tuoda vahvistimeen positiivisen palautteen ohella negatiivista takaisinkytkentää, joka, vaikka pienentää vahvistusta, vähentää merkittävästi synnytettyjen värähtelyjen mahdollisia epälineaarisia vääristymiä. Tällaisen generaattorin kaavio on esitetty kuvassa. 1.9.

Transistorin RC-oskillaattorin piirikaavio taajuuden virityksellä

Transistorin T1 emitteripiirissä oleva termistori on suunniteltu stabiloimaan lähtöjännitteen amplitudi lämpötilan muuttuessa. Taajuuden säätö suoritetaan parillisen potentiometrin avulla R1R2.

Tällä hetkellä erillisiä elementtejä (transistoreita) käytetään harvoin generaattoreiden rakentamiseen. Useimmiten näihin tarkoituksiin käytetään erilaisia ​​integroituja piirejä. Op-vahvistimille, kertoimille, vertailijoille ja ajastimille rakennetut piirit erottuvat yksinkertaisuudestaan, vakaista parametreistaan ​​ja monipuolisuudestaan. Op-vahvistimen joustavuus ja monipuolisuus mahdollistavat lähes kaikentyyppisten generaattoreiden luomisen tyydyttävillä parametreilla ja vähimmäismäärällä ulkoisia komponentteja, mutta samalla helppoja konfiguroida ja säätää.

Tällaisten generaattoreiden toimintaperiaate perustuu vaiheensiirto- tai resonanssielementtien käyttöön OS-piireissä: Wien-silta, kaksois-T-silta, siirtyvät RC-piirit.

On muitakin tapoja synnyttää sinimuotoisia värähtelyjä, esimerkiksi suodattamalla kolmiomaisia ​​pulsseja tai erottamalla suorakulmaisten pulssien ensimmäinen harmoninen komponentti.

Belgorodin alueen sisä- ja henkilöstöpolitiikan osasto

alueellinen valtion itsehallinto

ammatillinen oppilaitos

"Belgorodin ammattikorkeakoulu"

MDK 01.02 CNC-koneiden elektronisen osan elektronisten laitteiden asennus- ja säätötekniikka

Aihe: "RC-generaattoripiirit, joissa on "L"-muotoinen suodatin ja "L"-muotoinen silta, piirielementtien tarkoitus. Avain- ja laskentatiloissa toimivan liipaisimen toimintaperiaate, rakenne ja tarkoitus. »

Valmistunut:

Ryhmän nro 24ASU opiskelija

Shekhovskoy Dmitry

Tarkistettu:

Rotaru T.A.

Belgorod, 2018

JOHDANTO 3

RC-generaattorit... 4

Laukaisimet.. 9

RS-liipaisin. yksitoista

D-laukaisimet.. 13

JK laukaisu. 14

T-liipaisin. 15

Testikysymykset: 16

Luettelo Internet-lähteistä: 18

JOHDANTO

RC-generaattoreita käytetään tuottamaan matalien ja inframatalien taajuuksien harmonisia värähtelyjä (hertsin murto-osaan asti). Tällaisissa generaattoreissa on mahdollista saada jopa 10 MHz taajuus. On huomattava, että tällaisilla matalilla taajuuksilla LC-oskillaattorit olisivat tilaa vieviä ja laatukerroin olisi tarpeen. Samaan aikaan matalataajuusalueen RC-generaattoreiden mitat, paino ja kustannukset ovat pienemmät kuin LC-generaattoreilla.

Aktiivisina elementteinä käytetään seuraavia:

- bipolaaritransistorit,

- kenttätransistorit,

- Integroitu op-amp.

RC-generaattorit sisältävät vahvistuselementin (vahvistimen) ja takaisinkytkentälinkin (FE).

RC generaattorit

Seuraavat käyttöjärjestelmälinkkien tyypit erotellaan:

− L-muotoiset käyttöjärjestelmälinkit (kuva 1),

− Wienin silta (kuva 2),

− T-muotoinen kaksoissilta (kuva 3).

Kuvissa 1.1, 1.2, 1.3 symboli "U 1" tarkoittaa tulojännitettä ja symboli "U 2" osoittaa lähtöjännitettä.

Kuva 1.1. L-muotoiset käyttöjärjestelmälinkit

Kuva 1.2. Viinin silta Kuva 1.3. Kaksinkertainen T-silta

RC-generaattorit L-muotoisella RC OS -linkillä

Kuva 1.4. Kaavio RC-generaattorista, jossa on L-muotoinen RC OS -linkki

Kuten tiedetään, yksiportaisessa vahvistimessa ilman takaisinkytkentää U IN ja U OUT on siirretty vaiheittain suhteessa toisiinsa 180º. Jos tämän vahvistimen U OUT syötetään sen tuloon, saadaan 100 % OOS.

Vaihetasapainon ylläpitämiseksi (PIC:n käyttöönottoa varten), U OUT on siirrettävä vaiheittain 180º ennen sen kytkemistä vahvistimen tuloon. Tällainen siirto voidaan suorittaa käyttämällä kolmea identtistä RC-linkkiä (kuva 4), joista jokainen muuttaa vaihetta 60º.

Laskelmien mukaan vaihetasapaino esiintyy taajuudella ja amplituditasapaino vahvistuksella K≥29.

L-muotoisia RC-piirejä voidaan tehdä useammalla kuin 3 linkillä (yleensä 4) - tämä voi lisätä generointitaajuutta.

Lisäksi generointitaajuutta voidaan lisätä muuttamalla vastusten ja kondensaattoreiden paikkaa. Sukupolven taajuuden muuttamiseksi on välttämätöntä muuttaa samanaikaisesti kaikkia resistanssia R tai kaikkia kapasitansseja C.

L-muotoiset RC-oskillaattorit toimivat tyypillisesti kiinteällä taajuudella tai kapealla taajuusalueella.

Yksi L-muotoisen RC-suotimen linkki mahdollistaa lähtöjännitteen vaihesiirron tulojännitteeseen nähden rajoitustapauksessa p/2:een asti ja harmonisia värähtelygeneraattoreita rakennettaessa pääsääntöisesti kolme L-muotoista suodatinta kytkettynä. sarjassa käytetään.

Tämä varmistaa signaalin vaihesiirron mahdollisuuden takaisinkytkentäpiirissä, joka on yhtä suuri kuin p (p/3 kussakin suodatinlinkissä). Ja vaihetasapainon varmistamiseksi käytetään signaalivahvistimia, joiden lähtösignaali on vastavaiheinen tuloon nähden, ts. – invertoivat vahvistimet. Tällöin vahvistimessa on p:n ja takaisinkytkentäkanavan p:n vaihesiirto, joka mahdollistaa signaalin kokonaisvaihesiirron, joka on yhtä suuri kuin 2p, ja varmistaa vaaditun vaihetasapainon.

Tässä tapauksessa generaattorin rakentamiseen voit käyttää mitä tahansa signaalivahvistinpiirejä, jotka tarjoavat vaaditun vahvistuksen K amplitudien tasapainottamiseksi.

Wien-silta (kuva 1.5) on kytketty operaatiovahvistimen lähdön ja sen ei-invertoivan tulon väliin, jolloin saavutetaan PIC. Tällaisessa itseoskillaattorissa vahvistimen pitäisi olla K≈3, mutta vahvistimessa K>>3. Tämä voi johtaa suuriin vääristymiin. Tämän välttämiseksi otetaan käyttöön ympäristönsuojelujärjestelmä, joka lisää merkittävästi oskillaattorin vakautta.

Kuva 1.5. Kaavio RC-generaattorista, jossa on Wien-silta op-vahvistimessa

Vastukset R3, R4, R5 yhdistävät lähdön operaatiovahvistimen ei-invertoivaan tuloon. Vastukset R4 ja R5 määrittävät vaaditun vahvistuksen, ja termistori R3 stabiloi amplitudin ja vähentää lähtöjännitteen vääristymiä.

Epäsymmetrisellä kaksoissillalla varustetun RC-oskillaattorin piirikaaviossa (kuva 1.6) lähtöjännite on merkitty "U"; emitterin lämpöstabilointiketju - "RC"; jännitteen jakaja - “Rg 1”, “Rg 2”.

Riisi. 1.6. Kaavio RC-oskillaattorista

epäsymmetrisellä kaksoissillalla

Tässä oskillaattoripiirissä K≈11. Tällaisessa itseoskillaattorissa kaksois-T-silta on kytketty päälle OOS-piirinä. Vaihesiirto U IN ja U OUT välillä määritetään, kun ehto täyttyy

; ; .

Värähtelytaajuus määräytyy lausekkeen avulla.

Liipaisimet

Trigger (englannin sanasta "trigger") on digitaalinen laite, jolla voi olla vain kaksi (0 tai 1) vakaata tilaa. Tällöin siirtyminen tilasta toiseen tapahtuu mahdollisimman nopeasti, käytännössä siirtymäprosessien aika yleensä jätetään huomiotta. Liipaisimet ovat pääelementti erilaisten tallennuslaitteiden rakentamisessa. Niitä voidaan käyttää tietojen tallentamiseen, mutta niiden muistikapasiteetti on erittäin pieni - flip-flop voi tallentaa bittejä, yksittäisiä koodeja tai signaaleja.

Sen mukaan, miten tiedot kirjoitetaan laukaisuun, ne jaetaan:

· asynkroninen - tietoa tallennetaan jatkuvasti ja riippuu informaatiosignaaleista, jotka syötetään liipaisutuloon

· synkroninen - tiedot tallennetaan vain lisäsignaalin läsnä ollessa - synkronointi, itse asiassa - laukaisimen toiminnan avaaminen

Digitaalisissa piireissä liipaisutuloille käytetään seuraavia nimityksiä:
S – erillinen tulo, joka asettaa liipaisimen yhteen tilaan (yksi Q (suora lähtö))
R - erillinen tulo, joka asettaa liipaisimen nollatilaan (nolla Q:ssa (suora lähtö))
C – synkronointitulo
D – tiedon syöttö (tiedot syötetään tähän tuloon liipaisimen syöttämistä varten)
T - laskentatulo

Toiminnallisen tarkoituksensa perusteella laukaisimet luokitellaan:

RS laukaisee

D-laukaisimet

· T-laukaisimet

JK laukaisu

RS-liipaisin

RS-liipaisin

Yksinkertaisin laukaisutyyppi, jonka perusteella luodaan myöhemmin muita tyyppejä. Se voidaan rakentaa joko loogisille elementeille 2OR-NOT (suorat tulot) tai 2AND-NOT (käänteiset tulot)

Riisi. 2.1. RS-liipaisin, rakennekaavio ja nimitys. A – OR-NOT-elementeillä. B – JA-EI-elementeillä

RS-triggereitä ei yksinään käytetä digitaalitekniikassa niiden erittäin alhaisen kohinansietokyvyn vuoksi. Poikkeuksena on mekaanisten kytkimien vaihdon yhteydessä esiintyvän koskettimen kolinavaikutuksen eliminointi. Tässä tapauksessa tarvitset vaihtokytkimen (painikkeen), jossa on kolme lähtöä, ja yksi lähdöistä on kytketty vuorotellen kahteen muuhun. RS-kiikkun saamiseksi käytetään D-kiikkua, jonka tulot D ja C on oikosuljettu nollaan.

Toimintaperiaate näkyy ajoituskaaviossa:

Kuva 2.2. Kaavio kosketushelinän vaikutuksen poistamiseksi

Ensimmäinen negatiivinen signaali, joka vastaanotetaan -R-tulossa, asettaa liipaisimen "0"-tilaan, ja ensimmäinen negatiivinen signaali -S-tulossa heittää liipaisimen yhteen tilaan. Mikään muut signaalit, jotka johtuvat kosketuksen pomppimisesta, eivät enää voi vaikuttaa liipaisuun millään tavalla. Tällä kytkimen kytkentäkaaviolla sen yläasento vastaa yhtä liipaisimen lähdössä ja alempi asento vastaa nollaa.

RS-laukaisu on asynkroninen, mutta on tapauksia, joissa on tarve tallentaa (tallentaa) tallennettuja tietoja. Käytä tätä varten synkronista (synkronoitua) RS-liipaisinta, joka tässä tapauksessa koostuu kahdesta osasta: tavallisesta RS-liipaisusta ja ohjauspiiristä.

Kuva 2.3. Synkronoitu RS-liipaisin

Tällä menetelmällä niin kauan kuin tulo C = 0, X1:een ja X2:een saapuvien pulssien arvolla ei ole väliä, RS-liipaisin on "tallennustilassa". Kun C=1, liipaisin aktivoituu ja siirtyy tallennustilaan.

D-laukaisimet

Viivekiikku, jota käytetään siirtorekisterien ja pitorekisterien luomiseen, on olennainen osa mitä tahansa mikroprosessoria.

Riisi. 3.1. D flip-flop piiri

Siinä on kaksi tuloa - tiedot ja synkronointi. C=0-tilassa liipaisin on vakaa eikä lähtösignaali ole riippuvainen informaatiotuloon saapuvista signaaleista. Kun C = 1, suoran lähdön tiedot toistavat täsmälleen tuloon D syötetyt tiedot. Ajoituskaavio näyttää D-kiikun toimintaperiaatteen

Kuva 3.2. D-liipaisin. a) kaavio b) työn ajoituskaavio

JK laukaisu

Toimintaperiaatteen mukaan JK-kiikku vastaa lähes täysin RS-kiikkua, mutta samalla pystyttiin välttämään epävarmuus, joka aiheutui kahden ”yksikön” samanaikaisesta saapumisesta sisääntuloon.

Riisi. 4.1. Graafinen esitys JK-flip-flopista

Kuva 4.2. JK-flip-flop sisääntulossa 3I-logiikalla

Tässä tapauksessa JK-flip-flop siirtyy laskenta-kiikkutilaan. Käytännössä tämä johtaa siihen, että kun "yksittäisiä" signaaleja vastaanotetaan samanaikaisesti sisääntulossa, liipaisin muuttaa tilan päinvastaiseksi. Alla on JK-flip-flopin totuustaulukko:

JK-laukaisimet ovat erittäin monipuolisia laitteita, ja niiden monipuolisuus on kaksinkertainen. Toisaalta näitä liipaisimia käytetään menestyksekkäästi digitaalisissa laitteissa niin sanotusti puhtaassa muodossaan: digitaalisissa laskureissa, rekistereissä, taajuudenjakajissa jne. Toisaalta on erittäin helppoa saada minkä tahansa tyyppinen laukaisu JK-liipaisimesta yhdistämällä tietyt nastat. Alla on esimerkki D-liipaisimen hankkimisesta alkuperäisestä JK-liipaisusta käyttämällä lisäinvertteriä

T-liipaisin

Toinen nimi on laskentakiikut, joiden perusteella luodaan binäärilaskurit ja taajuudenjakajat. Tämän tyyppisellä laukaisimella on vain yksi tulo. Sen toimintaperiaate on, että kun pulssi saapuu liipaisimen tuloon, sen tila muuttuu päinvastaiseksi, kun toinen pulssi saapuu, se palaa alkuperäiseen tilaansa.

Riisi. 5.1. Taajuusjakajan ajoituskaavio T-kiikun perusteella

Siitä käy selväksi, miksi T-liipaisinta kutsutaan taajuudenjakajaksi. Liipaisin kytkeytyy sillä hetkellä, kun kellopulssin etureuna saapuu tuloon. Tämän seurauksena taajuus, jolla pulssit seuraavat liipaisimen lähdössä, on 2 kertaa pienempi kuin alkuperäinen - tuloon saapuvien kellopulssien taajuus. Jos yhden laskentaliipaisimen asennus mahdollistaa pulssitaajuuden jakamisen kahdeksi, kaksi sarjaan kytkettyä liipaisinta pienentää vastaavasti tätä taajuutta 4 kertaa.
Alla on esimerkki T-kiikun saamisesta JK-kiivastosta:

Riisi. 5.2. T-liipaisu perustuu JK-liipaisuun

Kontrollikysymykset:

Mihin RC-generaattoreita käytetään?

RC-generaattoreita käytetään tuottamaan matalien ja inframatalien taajuuksien harmonisia värähtelyjä (hertsin murto-osaan asti)