RC-генераторы. RC-генераторы (RСГ) применяются для генерирования НЧ гармонических

RC-генераторы. RC-генераторы (RСГ) применяются для генерирования НЧ гармонических колебаний. В области НЧ и инфра. НЧ колебаний, RCГ обладают преимуществами по сравнению с LC-генераторами (LCГ), так как на частотах ниже 15÷ 20 к. Гц LC-контур получается слишком громоздким, обладает низкой добротностью (и избирательностью), его трудно перестраивать. RCГ имеют более широкий диапазон перестройки. Для RC-генератора где f. Г пропорциональна 1/C; K зависит от типа RC – фильтра, кроме того, в RCГ f. Г можно изменять с помощью R. Для LC-генератора где f пропорциональна . Генератор с 3 -звенным Г - образным ФВЧ. Каждое RC- звено дает сдвиг по фазе ≤ 90°, т. е. для сдвига на 180° необходимо 3 звена. 1

При R 1=R 2=R 3=R и C 1=C 2=С 3=C найдем: Т. к. фазовый сдвиг в цепи обратной связи на частоте генерации д. б. равен 180°, то b на ωГ должен быть действительным отрицательным числом, а мнимая часть b должна равняться 0: Коэффициент передачи цепи ОС при 1/ω2=6 R 2 C 2 2

Поэтому в стационарном режиме каскад на VT 2, с учетом потерь, должен иметь в VT 1 коэффициент усиления К ≥ 29. Частота колебаний На практике часто применяется RС-генератор с мостом Вина, т. к. он при полной амплитуде обеспечивает малые нелинейные искажения (НИ). Он представляет собой усилитель с коэффициентом передачи КУ, между входом и выходом которого включена RC-цепь (мост Вина). а) Схема RС-генератора с мостом Вина, б) Схема генератора с разомкнутой ОС 3

Усилитель с заданным коэффициентом передачи можно реализовать на ОУ по схеме неинвертирующего масштабного усилителя. Коэффициент передачи цепи ОС При R 1 = R 2 = R и С 1 = С 2= С , после упрощения и замены получим При =1 RC=1 =0, KОС=1/3. Если обеспечить КУ>3, то на частоте 0=1/RC произойдет самовозбуждение RC –генератора. Следует отметить, что в отличие от LC-генераторов, в которых синусоидальная форма колебаний обеспечивается резонансными свойствами высокодобротного LCконтура, в RC-генераторах амплитуда и форма колебаний зависит от величины коэффициента усиления КУ АЭ и его стабильности. 4

Даже незначительное уменьшение или увеличение КУ от КУ=3 вызовет затухание колебаний или приведет к нарастанию амплитуды колебаний вплоть до насыщения усилителя. И, как следствие, к появлению заметных нелинейных искажений формы выходного напряжения (от трапецеидальной до прямоугольной). Для стабилизации амплитуды колебаний и уменьшения искажений их формы в цепь ОС включают нелинейный элемент, который обеспечит КУ>3 при включении питания и точное значение КУ=3 в установившемся режиме. Стабилизация амплитуды АГ Для обеспечения баланса амплитуд ОУ должен иметь КУ=1+R 1/R 2=3, т. е. R 1=2*R 2. В простейшем случае вместо R 2 используют нелинейный элемент – микромощную лампу накаливания, сопротивление которой с ростом амплитуды тока увеличивается или металлический терморезистор (ТКС>0). Другой вариант – заменить R 1 полупроводниковым терморезистором (с ТКС<0). Схема генератора - а) и частотные характеристики моста Вина – б) 5

Колебания со стабильной амплитудой можно получить реализуя следующую структурную схему. RCГ – RС-генератор; СУ – сравнивающее устройство; УУ - устройство управления амплитудой; U 0 - источник опорного напряжения. В качестве управляемых сопротивлений могут использоваться полевые транзисторы, фоторезисторы, терморезисторы и т. д. Принципиальная схема RCГ с полевым Структурная схема RC-генератора транзистором в качестве управляемого со стабилизацией амплитуды резистора приведена на рисунке. При включении питания управляющее напряжение на затворе VT 1 мало и сопротивление исток минимально (КУ>3). При увеличении выходного напряжения генератора до величины, установленной на резисторе R 3, КУ уменьшается до КУ=3 и амплитуда колебаний стабилизируется. Резистором R 4 можно регулировать амплитуду, R 1, R 2 – частоту в диапазоне 1: 10. Постоянная С 4 R 7>10/2 pfмин, где fмин – Применение полевого транзистора минимальная частота генератора. C 3>>С 4. в качестве управляемого резистора 6 для авторегулировки амплитуды

Сложность обеспечения высокой стабильности амплитуды колебаний при минимальных искажениях выходной синусоиды существенно усложняет построение генераторов синусоидальных колебаний и управление ими. Лучшие результаты, особенно на низких и инфранизких частотах, дает применение так называемых функциональных генераторов. Блок-схема простейшего функционального генератора приведена на рис. Он включает генератор прямоугольного и треугольного напряжений и блок формирования синусоидального сигнала. Блок-схема функционального генератора Как показано на рис. , генератор прямоугольного и треугольного напряжения состоит из триггера Шмитта и интегратора, образующих замкнутый контур. Блок формирования синусоидального сигнала обычно представляет собой нелинейный функциональный преобразователь. При постоянной частоте генератора в качестве блока формирования синусоидального сигнала используют фильтр нижних частот с полосой пропускания несколько выше частоты требуемого синусоидального сигнала. 7

Функциональные генераторы производятся некоторыми фирмами в виде ИМС. Например, микросхема МАХ 038 генерирует синусоидальные, треугольные, прямоугольные и импульсные сигналы в области частот от 0, 1 Гц до 20 МГц, причем синусоидальные сигналы имеют коэффициент гармоник не более 0, 75%. Лучшие результаты дает применение прямого цифрового синтеза с использованием цифроаналоговых преобразователей. Цифровой генератор ПЗУ – постоянное запоминающее устройство; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; ГТИ – генератор тактовых импульсов. Цифровой генератор. Сигнал любой формы. N таких работающих в такт могут дать любые сигналы, с заданным сдвигом по фазе. 8

Генераторы несинусоидальных колебаний Если коэффициент в контуре ОС Kb>>1, то выходные колебания приобретают форму прямоугольных импульсов. Автогенератор на цифровых ТТЛ элементах Автогенератор на ТТЛ элементах R=150… 600 Ом Временные диаграммы работы автогенератора на ТТЛ элементах Каждый из инверторов является усилительным элементом. Общий коэффициент, равный произведению, достаточно велик (>1000). Баланс амплитуд обеспечен. Конденсатор включен в цепь положительной обратной связи. Баланс фаз равен 3600. Резистор выводит первый инвертор в линейный режим. Частота колебаний обратно пропорциональна произведению RC f=1/2 RC. Эквивалентная схема перезаряда ёмкости в АГ на ТТЛ элементах 9

Предположим, что при подаче питания на Вх. а, значит, и на Вых. состояние “ 0”. Конденсатор С разряжен. Идет процесс заряда конденсатора с выхода первого инвертора “ 1” через резистор R и конденсатор С на Вых. (“ 0”), плюсом на обкладку конденсатора, обращенную по входу. Напряжение на Вх. растет. При достижении на Вх. уровня, при котором выход первого инвертора переключится в состояние “ 0”, второй инвертор установит на Вых. “ 1” (момент t 1). Напряжение на Вх. увеличится скачком на уровень “ 1” ( Uпит). Начинается перезаряд конденсатора. Конденсатор сначала разрядится, а затем перезарядится, компенсируя напряжение “ 1” с Вых. Напряжение на Вх. будет падать. При достижении напряжения на Вх. порогового уровня, при котором на выходе первого инвертора установится состояние “ 1”, а значит на выходе второго “ 0”, напряжение на Вх. скачком уменьшится (t 2). Скачок должен быть равен “ 1”, но будет ограничен на уровне Uvd открытого диода на входе ТТЛ элемента. Начнется перезаряд конденсатора. Он разрядится до нуля, а затем начнет заряжаться как в случае t 1. 10

Автогенераторы на КМОП элементах R 1, R- десятки-сотни к. Ом Автогенератор на КМОП элементах Временные диаграммы работы автогенератора на КМОП элементах Частота определяется временем заряда С до порогового напряжения включения ~0. 7 RC и равна ~0. 7/RC. R 1 выводит первый инвертор в линейный режим, а также ограничивает токовую нагрузку на инвертор 2. Пусть в момент подачи питания на входе первого инвертора состояние “ 0”, а на входе второго - “ 1” и Вых. “ 0”. Начинается заряд конденсатора через резистор R с выхода первого инвертора на выход второго. Динамика процесса не отличается от описанной выше для ТТЛ логики. Эквивалентные схемы перезаряда емкости 11