Генератор синусоидальных колебаний

Введение

 

Одним из важнейших  направлений электроники являются автогенераторы. Автогенераторы –  это электронные устройства, в  которых по какому-либо периодическому закону происходит изменение напряжений и токов соответствующей закону формы. Эти цепи следует рассматривать как преобразователи энергии источника питания постоянного напряжения в энергию периодических колебаний.

Автогенераторы  можно разделить на генераторы импульсов  и генераторы синусоидальных колебаний. Генераторы импульсов в зависимости  от формы  выходного напряжения делят на генераторы: напряжений прямоугольной формы; напряжений экспоненциальной формы; линейно изменяющегося напряжения; напряжения треугольной формы; ступенчато изменяющегося напряжения.

Одним из видов  автогенераторов являются генераторы синусоидальных колебаний. На их выходе возникают гармонические колебания напряжения синусоидальной формы. Их отличие заключается в наличии у них цепи или компонента с резонансными свойствами. Благодаря ней условия возникновения автоколебаний выполняются для узкой полосы частот. Компоненты и цепи с резонансными свойствами  могут быть установлены в цепях межкаскадной связи усилителя или в цепях, создающих положительную или отрицательную обратную связь.

Генераторы  синусоидальных колебаний делятся  на генераторы: с избирательными RC – цепочками, с избирательными LC – цепочками, с кварцевыми резонаторами.

Генераторы  с кварцевыми резонаторами обычно применяют  на повышенных частотах, когда требуется  получить колебания известной и  стабильной частоты. Они значительно сложнее и дороже генераторов с RC и LC цепочками. Однако при создании прецизионных преобразовательных устройства без них обойтись невозможно.

Генераторы с LC – цепочками имеют большую стабильность частоты, из–за хороших избирательных свойств LC контура. В основном такие генераторы применяются для получения высокочастотных колебаний. Не возможность использовать эти цепи на низких частотах обуславливается необходимостью больших емкостей и индуктивностей. К их недостаткам относится трудность изготовления высокостабильных температурно-независимых индуктивностей, а также стоимость и громоздкость последних.

Генераторы  с RC – цепочками применяются в основном для генерирования сигналов низких частот. Резонансные RC цепи делятся на фазосдвигающие и мост Вина. В генераторах с мостом Вина достигается меньший коэффициент нелинейных искажений. В общем случае, для генераторов с RC – резонансной цепью коэффициент нелинейных искажений лежит в пределах от долей до нескольких процентов. К их недостаткам можно отнести низкий коэффициент полезного действия, который не превышает 50%.

Напряжение синусоидальной формы используется во многих отраслях человеческой деятельности, а именно: в радиолокации и телевидении, в  медицине, в радиосвязи и радиовещании, при различных измерениях, для автоматизации производственных процессов, для уничтожения вредителей. В качестве примера можно привести напряжение, которое используется у нас в домах и квартирах.

Высокая интеграция электронных компонент на сегодняшний  день позволяет получать генераторы синусоидальных колебаний малых габаритов и более высоким КПД.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор структурной схемы

 

 

Генератор синусоидальных колебаний представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию  источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний.

Для генератора необходимо наличие частотно-избирательной  цепи, то есть фильтра. Так как в  фильтре происходят потери энергии, то необходим усилитель генератора (УГ). Таким образом, можно сделать  вывод, что сам генератор состоит из фильтра (Ф) и усилителя. Так как существует необходимость регулировать коэффициент усиления по напряжению, то выход генератора подается на вход усилителя напряжения (УН) с переменным коэффициентом усиления.

В результате получаем следующую структурную схему генератора, показанную на рисунке 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Выбор  принципиальной схемы

 

 

2.1 Выбор  усилителя генератора

 

Усилитель генератора выполняется  на основе операционного усилителя. У него в обратной связи помимо резистора R3 присутствует корректирующая цепь амплитуды, состоящая из двух параллельно соединенных диодов VD1 и VD2 и последовательно с ними соединенного резистора R2. Эта цепь необходима для самовозбуждения генератора при запуске, и последующей стабилизации напряжения на выходе данного усилителя. Схема приведена на рисунке 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 - усилитель генератора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Выбор  схемы фильтра 

 

Фильтром называется устройство, которое пропускает синусоидальные сигналы в определённом диапазоне  частот (в полосе пропускания) и не пропускает их в остальном диапазоне.

В качестве фильтра используется схема на основе операционного усилителя и моста Вина. Помимо схемы с мостом Вина существуют также схемы с LC-цепями и фазосдвигающими RC-цепями. Схема с LC-цепями отвергается из-за непригодности в генераторах низкой частоты. Схема с мостом Вина  выбрана как более подходящая за счёт высокого по сравнению с фазосдвигающей RC-цепью КПД, а также меньшего количества пассивных элементов, и, как следствие, меньшего количества выделяемой мощности на элементах . Схема приведена на рисунке 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – фильтр генератора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Выбор  схемы усилителя напряжения

 

В качестве усилителя напряжения используется операционный усилитель  с отрицательной обратной связью, обеспечивающей требуемый коэффициент  усиления. Так как ОУ обладает большим входным и небольшим выходным сопротивлением, исчезает необходимость в согласовании с последующим усилителем тока, то есть необходимость в применении буферных каскадов. Отрицательная обратная связь способствует повышению стабильности усилителя. Регулировка коэффициента усиления по напряжению осуществляется при помощи переменного резистора R8. Схема приведена на рисунке 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 –  усилитель напряжения

 

 

 

3 Расчёт принципиальной  схемы

 

 

3.1 Расчёт  фильтра генератора

 

Активный фильтр состоит из операционного усилителя, в цепи обратной связи которого находится  мост Вина. Мост Вина состоит из двух конденсаторов С1, С2 и двух резисторов R4, R5. Резистор R4 и конденсатор С1 включены последовательно и представляют собой комплексное сопротивление Z1.

(1)

Резистор R5 и конденсатор С2 соединены параллельно и их комплексное сопротивление Z2 будет рассчитываться по формуле:

(2)

Передаточная  функция данного каскада будет  записана в виде

(3)

где p=jw.

Если рассмотреть  данный каскад вместе с предыдущим, то получим передаточную функцию  замкнутой системы можно записать в виде:

(4)

где W(p) – передаточная функция фильтра, зависящая от частоты;

K – передаточная функция пропорционального звена (усилителя генератора) независящая от частоты.

Подставляя  в последнее уравнение передаточные функции фильтра и усилителя генератора, упростив их, получим следующее выражение:

Последнее выражение  является произведением передаточных функций апериодического звена  второго порядка и дифференцирующего  звена первого порядка, которое  в общем случае выглядит как:

(5)

 

где x – коэффициент затухания;

T – период колебаний.

Условием поддержания  незатухающих колебаний является равенство  нулю коэффициента затухания  . Получаем формулу (6) для расчёта коэффициента усиления усилителя генератора:

(6)

По условию  задания данный фильтр должен пропускать ток в диапазоне от КГц до КГц, причём: 

(7) (8)

Пусть в качестве конденсаторов будут С₁ К53-1-1 мкФ ± 5% и С₂ К53-1-0,33 мкФ ± 5% /6/. Выразим и определим номиналы сопротивлений из формул (7) и (8):

Найдём K:

K=2, то есть для возникновения незатухающих колебаний нам необходим усилитель с коэффициентом усиления, равным 2. По причине того, что операционный усилитель генератора по инвертирующей схеме, мы сможем достичь коэффициента усиления равного минус 2. Из этого следует, что коэффициент усиления фильтра заданного диапазона частот должен быть равен минус 0,5. Только при соблюдении этих пропорций возникнут незатухающие колебания.

Выберем  в  качестве R₄ резистор МЛТ-0,125-160 Ом ± 2% и в качестве R₅ МЛТ-0,125-100 Ом ± 5% /7/.

В качестве операционного  усилителя (ОУ) выбираем 140УД6 /1/. Его параметры приведены в таблице 1.

 

 

 

 

 

 

Кu	70000
f, МГц	1
Rвх, МОм	2
Rвых, Ом	200
Vuвых, В/мкс	2,5
Uвых макс, В	12
Iвых макс, мА	6
Uпит, B	15
Iпотр, мА	2,8

 

Таблица 1 – Параметры  ОУ 140УД6

 

Его скоростные характеристики нас вполне устраивают ввиду малой частоты колебаний входного сигнала. Выходные напряжения и токи в данном случае не будут превышать заданные напряжения и токи усилителя по причине присутствия корректирующих диодов в усилителе генератора.

Предыдущий  каскад имеет малое выходное сопротивление, поэтому все его выходное напряжение будет падать на входном сопротивлении операционного усилителя фильтра генератора. Так как фильтр ослабляет сигнал в два раза, то выходное напряжение усилителя генератора будет ослаблено до значения:

(9)

Окончательный расчет выходного напряжения произведем в следующем пункте.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Расчёт  усилителя генератора

 

Усилитель генератора состоит из операционного усилителя DA1, резисторов R₁, R₂, R₃ и диодов VD1 и VD2. Из тех же соображений выбираем в качестве DA1 ОУ 140УД6, параметры которого приведены в таблице 1.

В реальности, в  начальный момент времени на выходе фильтра генератора будет напряжение шумов, приблизительно равное 0. Появление  синусоидальных колебаний  станет невозможным, так как общий коэффициент усиления усилителя и фильтра генератора, равен:                       (10)

По этой причине  в начальный момент времени К_УГ устанавливается несколько большим по модулю, чем 2. Делается это при помощи диодов VD1 и VD2.  В начальный момент времени, когда напряжение на выходе фильтра генератора равно напряжению шумов, напряжение на выходе усилителя генератора будет тоже практически равно нулю. Поэтому напряжение, приложенное к открывающемуся диоду, будет мало, а его сопротивление будет велико. Суммарное сопротивление диода и резистора R₂ будет шунтироваться резистором R₃. Таким образом, резисторы R₁ и R₃ задают коэффициент усиления усилителя генератора в начальный момент времени. Они выбираются таким образом, чтобы К_УГ по абсолютной величине был больше 2.Выбор диодов осуществляется на основании выполнения условия баланса амплитуд в некоторый момент времени. В этот момент должно выполниться условие