При этом необходимо обеспечить коэффициент усиления собственно усилителя К > 18,4, поскольку коэффициент передачи такой цепи β ≈ 0,055.

Недостатки RС-генератора на инвертирующем усилителе и трехзвенной RС-цепъю — довольно большое количество элементов в петле положительной ОС и, как следствие, трудность перестройки частоты генерации в широком диапазоне. Поэтому чаще применяют автогенераторы с неинвертирующим включением операционного усилителя и мостом Вина в цепи положительной обратной связи.

RC-генератор с мостом Вина. Данный автогенератор имеет более компактную структуру построения схемы. В ней цепь положительной ОС включается между выходом и неинвертирующим входом ОУ (рис. 5.9, а).

Мост Вина представляет собой частотно-избирательную последовательно-параллельную RС-цепь, состоящую из двух емкостей С и двух сопротивлений R. Частотная β(f) и фазовая φ_β(f) характеристики моста Вина (рис. 5.9, б) известны и изучаются в курсе ТОЭ. Из графика частотной характеристики следует, что на квазирезонансной частоте генерации коэффициент передачи моста Вина β = 1/3. Значит, самовозбуждение автогенератора обеспечивается при коэффициенте усиления усилителя |К| = R₂/R₁> 3.

Фазовый сдвиг в выходном сигнале отсутствует (φ_β = 0) только на квазирезонансной частоте (рис. 9, б), которая определяется известной формулой:

(15)

Перестройка частоты в схеме осуществляется обычно с помощью удвоенного конденсатора.

Пример 2. Частота колебаний в RC-генераторе с мостом Вина f_k = 500 Гц. Определите параметры схемы, обеспечивающие требуемую частоту.

Решение. Зададим сопротивление моста Вина R= 3,9 кОм. Тогда, согласно (15), С= 1/(2πf_KR) = 0,08 мкФ. Так как в автогенераторе |К| = R₂/R₁ > 3, то, выбрав сопротивление R₂ = 30 кОм, находим R₁= 10 кОм.
1.4. Способы стабилизации частоты в автогенераторах
Одним из важнейших требований, предъявляемых к автогенераторам, является высокая стабильность частоты выходных колебаний. Это связано с тем, что во время работы любого автогенератора частота колебаний изменяется в некоторых пределах по случайному закону под воздействием различных дестабилизирующих факторов: изменений температуры, влажности и напряжения питания, наличия внешних электромагнитных полей, механических воздействий и прочее. Влияние дестабилизирующих факторов проявляется в изменениях величин индуктивностей катушек, емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов, входящих в состав колебательных контуров и частотно-избирательных RС-цепей.

---

Качество работы автогенераторов принято оценивать абсолютной и относительной нестабильностями частоты. Абсолютная нестабильность представляет собой разность Δf между текущим f и номинальным f_р значениями частоты колебаний. Относительная нестабильность частоты определяется коэффициентом нестабильности Δf/f_pили Δf/f_k.

При расчете коэффициентов нестабильности используют следующие формулы:


(16)
для LC-генераторов

Δf/f_p= -0,5(ΔL/L + ΔC/Q;


(17)
для RC-генераторов

Δf/f_k = -(ΔС/С + ΔR/R).

Здесь параметры ΔL, ΔС и ΔR — величины изменений индуктивностей катушек, емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов от номинальных значений, вызванные воздействием любого из дестабилизирующих факторов.

В схемах автогенераторов гармонических (часто и импульсных) колебаний применяют два основных способа стабилизации частоты: параметрический и кварцевый.

Параметрический способ стабилизации частоты.

Данный способ стабилизации частоты заключается в ослаблении влияния дестабилизирующих факторов и подборе высокочастотных и прецизионных элементов колебательных контуров автогенераторов. Для исключения

влияния температуры на параметры усилительных элементов, автогенераторы в отдельных случаях помещают в термостаты. Уменьшение влияния механических воздействий обеспечивает применение печатного монтажа и проводов индуктивностей, вжигаемых в керамику. Параметрическая стабилизация частоты позволяет снизить нестабильность до 10^-5 (уход частоты на Δf= 10 Гц при генерируемых колебаниях f_p= 1 МГц).


а) б)

Рис 10. Кварцевый резонатор: а — эквивалентная схема; б— зависимость реактивного сопротивления от частоты
Кварцевая стабилизация частоты. Данный способ стабилизации основан на применении в электрических схемах вместо LС-контуров кварцевого резонатора, что позволяет снизить нестабильность частоты автогенератора до 10^-7 (отклонение частоты на Δf= 0,1 Гц от генерируемой в f_p = 1 МГц).

Кварцевый резонатор (сокращенно кварц) представляет собой помещенную в кварцедержателъ тонкую прямоугольную пластинку минерала кварца, грани которой определенным образом ориентированы по отношению к осям кристалла. Как известно, кварц обладает прямым и обратным

---

пьезоэлектрическим эффектом (проще, пъезоэффектом). Из курса физики известно, что прямой пьезоэффект возникает при механическом сжатии или растяжении кварцевой пластинки и сопровождается появлением на ее противоположных гранях электрических зарядов.

При воздействии на кварцевую пластинку переменного электрического поля в ней возникают упругие механические колебания (обратный пьезоэффект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на гранях пластинки. Кварц можно рассматривать как электромеханическую колебательную систему и сравнивать ее свойства с обычным колебательным LC-контуром (рис. 10). Добротность кварцевого резонатора достигает сотен тысяч, тогда как у колебательного контура она не превышает 300...400. Механическая прочность и слабая зависимость частотных свойств от температуры обуславливает высокую эталонность частоты кварцевых резонаторов.


Рис. 11. Схемы кварцевых автогенераторов: а — кварц— аналог индуктивности; 6— кварц включен в мост Вина в качестве сопротивления

(18)
При расчетах кварцевый резонатор представляют эквивалентной схемой (рис. 10, а), в которой элементы L_кв, C_кви R_кв характеризуют, соответственно, индуктивность, емкость и омические потери собственно кварца. Емкость С_вк отражает наличие кварцедержателя. Зависимость реактивного сопротивления кварцевого резонатора от частоты x(f) приведена на рис. 10, б. Она имеет два резонанса: последовательный на частоте f_к1и параллельный на частоте f_k2. Последовательный резонанс обеспечивают элементы L_кви С_кв, отражающие резонансную частоту кварца


Параллельный резонанс в устройствах с кварцевым резонатором практически не используется.

Схемы кварцевых автогенераторов. Чаще всего кварц в LC-генераторах применяют в качестве индуктивности (рис. 11, а), что упрощает конструкцию, а также уменьшает мощность, рассеиваемую в резонаторе. Условия возникновения гармонических колебаний можно проанализировать, заменив кварцевый резонатор (К_в) его эквивалентной схемой и применив общие уравнения, характеризующие самовозбуждение автогенератора.

---

На рис. 11, б изображена упрощенная схема RС-генератора с мостом Вина, в котором вместо одного из резисторов включен кварцевый резонатор, работающий в режиме резонанса напряжений. Для того, чтобы резонансная частота кварца совпадала с квазирезонансной частотой моста Вина, сопротивление резистора Rподбирают равным резонансному активному сопротивлению кварца R_кв. Цепь отрицательной ОС с терморезистором R₂, включенная между выходом и инвертирующим входом ОУ, компенсирует температурные изменения резонансного сопротивления кварца и тем самым стабилизирует амплитуду выходных колебаний.

Отметим, что подстройку частоты в принципиальной электрической схеме данного автогенератора осуществляют с помощью конденсаторов. Для этого обычно используется полупроводниковая емкость — варикап.
Контрольные вопросы
1. К каким устройствам относятся автоколебательные системы и для чего они предназначены?

2. На какие основные типы подразделяются автогенераторы?

3. В чем состоит основное отличие автогенераторов гармонических и релаксационных колебаний?

4. Приведите структурную схему автогенератора.

5. Чем отличаются условия самовозбуждения автогенератора от условий его стационарного режима?

6. Представьте упрощенную схему LC-генератора на операционном усилителе.

7. Каким образом обеспечиваются баланс амплитуд и баланс фаз в LС-генераторе гармонических колебаний?

8. С помощью какого метода анализируются генераторы гармонических колебаний?

9. В чем состоит принципиальное отличие мягкого и жесткого режимов самовозбуждения автогенераторов?

10. Приведите упрощенные структурные схемы генераторов с индуктивной и емкостной трехточками.

11. Почему на относительно низких частотах выгоднее применять RС-генераторы?

12. Приведите схемы RС-генераторов с трехзвенной RС-цепью и с мостом Вина и дайте их сравнительный анализ.

13. Какие методы стабилизации частоты применяются в схемах автогенераторов?

14. В чем состоит принцип действия кварцевого резонатора, и какие его свойства используются в автогенераторах?

15. Почему нестабильность частоты кварцевых генераторов существенно меньше, чем нестабильность LC- и RС-генераторов с обычными элементами?

---

Смотрите также файлы

• Лучшие модели и практики наставничества педагогических работников в Российской Федерации.docx

• Психодиагностика 6, 6 пп 21) Задание 1 Сравните два метода Анализ продуктов деятельности.docx

• Практическая работа Раздел программы 1.doc

• Вопросы Финансы это.docx

• Задачи изучить историю создания приборов. Изучить вопросы, связанные с воздействием бытовых приборов на здоровье человека.docx