WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

«ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ И ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ План 1. Принцип работы генераторов. 2. RC-генераторы гармонических колебаний. 3. Генераторы прямоугольных импульсов. 4. Генераторы ...»

127

Лекция 12

ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ

И ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

План

1. Принцип работы генераторов .

2. RC-генераторы гармонических колебаний .

3. Генераторы прямоугольных импульсов .

4. Генераторы прямоугольных импульсов на специализированных ИС .

5. Выводы .

1. Принцип работы генераторов

В радиоэлектронике, вычислительной технике, системах автоматического управления используют генераторы сигналов – устройства, которые служат для получения периодических незатухающих колебаний заданной формы .

Главная особенность колебаний, наблюдаемых в генераторе, состоит в том, что они обусловлены не внешними воздействиями, а свойствами устройства. Такие колебания, возникающие самостоятельно, в отсутствие внешних воздействий, называют автоколебаниями .

Структурная схема генератора сигналов показана на рис. 12.1. Она состоит из двух частей – усилителя (активного элемента) и частотноселективной цепи положительной обратной связи с передаточной функцией K ос j, по которой колебания с выхода усилителя поступают на его вход .

Uвых Uвх=0 A Uос K oc ( j ) Рис. 12.1 Рассмотрим качественно процессы, происходящие в генераторах периодических колебаний. Причиной возникновения колебаний служат флуктуации – слабые колебания, происходящие случайным образом. Флуктуации наблюдаются в любой реальной цепи. Колебания, возникающие на входе активного элемента, усиливаются и через цепь обратной связи вновь поступают на вход. Поскольку обратная связь положительна, сигналы на входе складываются, а выходной сигнал лавинообразно растет. Такой процесс называют самовозбуждением генератора. На рис. 12.2 показан процесс самовозбуждения генератора синусоидальных колебаний .



Самовозбуждение имеет место, если коэффициент передачи в замкнутой петле обратной связи больше единицы:

K A K ос j 1. (12 .

1) В (12.1) мы полагаем, что коэффициент передачи усилителя А не зависит от частоты .

Рис. 12.2 Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока активный элемент не перейдет в нелинейный режим.

При этом коэффициент усиления уменьшается до значения, при котором коэффициент передачи в замкнутой петле обратной связи становится равным единице:

K A K ос j 1. (12 .

2) При выполнении такого условия в генераторе устанавливается стационарный режим (рис. 12.2). В этом режиме колебания имеют постоянную амплитуду и частоту. Если условие (12.2) выполняется только на частоте 0, колебанияимеют синусоидальную форму. Если это условие выполняется на нескольких частотах, колебания на выходе генератора имеют сложную форму, а спектр содержит гармоники с частотами, на которых выполняется условие (12.2) .

Таким образом, в зависимости от частотных характеристик цепи обратной связи форма колебаний может иметь синусоидальную или несинусоидальную форму. Соответственно различают генераторы гармонических колебаний и импульсные. Для получения гармонических колебаний необходимо использовать цепь обратной связи второго или более высокого порядка, имеющую, как правило, резонансные характеристики. Цепи обратной связи импульсных генераторов имеют обычно первый порядок .

Рассмотрим подробнее условия, при которых в генераторе наступает стационарный режим.

Представим коэффициент передачи цепи обратной связи в комплексной форме:



–  –  –

Равенство (12.3) называют условием баланса амплитуд, а равенство (12.4) – условием баланса фаз. Одновременное выполнение условий (12.3) и (12.4) соответствует установившемуся режиму работы генератора. Эти условия называют в специальной литературе критерием Баркхаузена .

Генераторы гармонических колебаний классифицируют по виду используемых частотно-избирательных цепей. Широкое распространение получили LC- и RC-генераторы. В кварцевых генераторах в качестве частотноизбирательной цепи используют кварцевый резонатор – пластину кварца, обработанную таким образом, что она имеет определенную частоту колебаний .

2. RC-генераторы гармонических колебаний

Для получения гармонических колебаний низкой частоты использование LC-генераторов нецелесообразно, так как элементы колебательного контура имеют слишком большие размеры. Для получения колебаний низких частот (менее 10 кГц) используют RC-генераторы. В качестве цепей обратной связи применяют многозвенные RC-цепи, мост Вина – Робинсона, двойные Т-образные мосты. Наибольшее распространение получили генераторы с мостом Вина – Робинсона, а также генераторы с фазосдвигающей RC-цепью .

–  –  –

Цепью обратной связи служит мост Вина – Робинсона (мост Вина), показанный на рис. 12.6. Для упрощения выводимых соотношений сопротивления резисторов и емкости конденсаторов в продольной и поперечной ветвях моста выбраны одинаковыми .

Передаточная функция моста Вина

–  –  –

Амплитудно-частотная характеристика принимает максимальное значение, равное 1/3, на частоте 0 1 RC. Значение фазочастотной характеристики на этой частоте равно нулю. Условие баланса амплитуд на частоте 0 выполняется, если коэффициент передачи усилителя A 3. Такое усиление обеспечивается при R2 2 .

R1 На этапе самовозбуждения для нарастания амплитуды колебаний должно выполняться условие A 3. В установившемся режиме коэффициент передачи усилителя должен уменьшиться до 3. Для стабилизации коэффициента усиления в цепь обратной связи ОУ включают нелинейные элементы. В простейшем случае в качестве резистора R1 включают маломощную лампу накаливания, сопротивление которой увеличивается по мере ее нагрева. При включении генератора сопротивление лампы мало и коэффициент передачи усилителя R1 R2 A 3 .

R1 По мере увеличения тока через лампу ее сопротивление увеличивается, а коэффициент усиления А падает. В генераторе наступает установившийся режим. Такая нелинейная обратная связь в усилителе является инерционной и не искажает форму сигнала .

Другой вариант RC-генератора с нелинейной цепью обратной связи показан на рис. 12.7. Нелинейной цепью является двухполюсник, образованный параллельным соединением резистора R0 и двух встречно включенных диодов .

Напряжение на зажимах нелинейного двухполюсника не превышает





0.7 В (в случае кремниевых диодов). Поэтому по мере нарастания выходного напряжения коэффициент усиления уменьшается до 3 .

RC-генераторы с мостом Вина используют для получения гармонических колебаний частотой от 1 Гц до 200 кГц. Перестройку частоты осуществляют путем одновременного изменения сопротивлений резисторов в мосте .

RC-генератор с фазосдвигающей цепью. Другой тип низкочастотного RC-генератора – генератор с фазосдвигающей цепью. Один из вариантов такого генератора показан на рис. 12.8. Операционный усилитель и резистор R1 реализуют преобразователь ток-напряжение (ИНУТ), передаточное сопротивление которого равно R0. В качестве цепи обратной связи используется трехзвенная фазосдвигающая RC-цепь. Сопротивления резисторов и емкости конденсаторов выбраны одинаковыми. Трехзвенная цепь выбрана потому, что это RC-цепь минимального порядка, обеспечивающая требуемый фазовый сдвиг .

Передаточная проводимость цепи обратной связи

–  –  –

С ростом амплитуды выходного напряжения операционный усилитель перейдет в насыщение и колебания будут иметь несинусоидальную форму .

Для ограничения размаха выходных колебаний в установившемся режиме цепь обратной связи должна быть нелинейной. Например, последовательно с резистором R0 можно включить нелинейный двухполюсник подобно тому, как это сделано в схеме на рис. 12.7 .

3. Генераторы прямоугольных импульсов В вычислительной технике, радиотехнике, телевидении, системах автоматического управления используют релаксационные генераторы, предназначенные для получения колебаний несинусоидальной формы (прямоугольной, треугольной и т. д.). Генераторы, предназначенные для получения колебаний прямоугольной формы, называют мультивибраторами .

Структурная схема релаксационного генератора аналогична структуре генератора гармонических колебаний (рис. 12.1). Отличие заключается в том, что в релаксационном генераторе используется цепь обратной связи первого порядка, а активный элемент работает в нелинейном режиме .

Схема мультивибратора на операционном усилителе показана на рис. 12.9. Активным элементом является инвертирующий триггер Шмитта, реализованный на ОУ и резисторах R1, R2. Резистор R3 и конденсатор C формируют времязадающую цепь, определяющую длительность формируемых импульсов .

Операционный усилитель охвачен положительной обратной связью (цепь R1 – R2 ) и находится в режиме насыщения, поэтому напряжение на выходе U вых U нас. Переключение ОУ из положительного насыщения в отрицательное и обратно происходит, когда напряжение на инвертирующем входе достигает положительного и отрицательного порогов срабатывания, равных U нас и U нас соответственно. Здесь – коэффициент обратной связи: R1 R1 R2 .

Передаточная характеристика триггера Шмитта показана на рис. 12.10 .

Рассмотрим работу мультивибратора, предположив, что в момент t 0 напряжение на выходе схемы U вых U нас, а напряжение конденсатора U C 0 U нас. Напряжение uC t изменяется по закону

–  –  –

Постоянная времени R3C. В момент t1 напряжение uC t достигает величины U нас, ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения .

Выходное напряжение скачком принимает значение, равное U нас. Начинается перезарядка конденсатора. Напряжение uC t изменяется по закону

–  –  –

В момент t 2 напряжение uC t становится равным U нас и ОУ переключается в состояние положительного насыщения. Далее процесс периодически повторяется. Временные диаграммы напряжений uC t и uвых t показаны на рис. 12.11 .

<

–  –  –

На выходе мультивибратора наблюдаются прямоугольные импульсы амплитудой U нас. Период повторения импульсов T 2R3C ln 1 2R1 R2 .

При R1 R2 период колебаний T 2.2R3C .

Положительные и отрицательные импульсы различной длительности можно получить в несимметричном мультивибраторе, показанном на рис. 12.12. Перезарядка конденсатора во время формирования положительных и отрицательных импульсов осуществляется через различные резисторы .

Когда напряжение на выходе ОУ положительно, открыт диод VD1 и перезарядка происходит с постоянной времени 1 R3C. Когда напряжение на выходе ОУ отрицательно, открыт диод VD2 и постоянная времени 2 R4C .

Изменяя сопротивления резисторов R3 и R4, мы можем менять длительность положительных и отрицательных импульсов .

–  –  –

4. Генераторы импульсов на специализированных ИС Помимо операционных усилителей для реализации генераторов прямоугольных импульсов используют специализированные микросхемы – таймеры. Таймерами называют устройства, предназначенные для получения точных интервалов времени. Такие устройства реализуют в настоящее время как на биполярных, так и на МОП-транзисторах .

Упрощенная схема таймера КР1006ВИ1 (зарубежный аналог – NE555) показана на рис. 12.15. Цепь на рис. 12.15 содержит два компаратора, RS-триггер, транзистор VT, работающий в ключевом режиме. Делитель напряжения, образованный тремя одинаковыми резисторами, формирует опорные напряжения для компараторов .

–  –  –

Микросхема таймера имеет восемь выводов. Цифрами на рис.

12.15 обозначены:

1 – общий; 5 – порог;

2 – вход 2; 6 – вход 1;

3 – выход; 7 – разряд .

Напряжение питания может изменяться в широких пределах (от 4.5 до 16 В). Пороговое напряжение компаратора А1 U 01 Eпит. Пороговое напряжение второго компаратора U 02 Eпит. Неинвертирующий вход компаратора А1 является пороговым входом таймера. На инвертирующий вход компаратора А2 подается сигнал, управляющий запуском RS-триггера .

Схема мультивибратора на основе таймера показана на рис. 12.16 .

Конденсатор С заряжается через цепочку R A, RB до напряжения, равного U 01 2 Eпит. В этот момент срабатывает компаратор А1 и RS-триггер переводит транзистор VT в режим насыщения. Конденсатор разряжается через резистор Rв. Когда напряжение конденсатора достигает значения 1 Eпит, компаратор А2 переключает триггер и транзистор переходит в режим отсечки. Конденсатор вновь начинает заряжаться. Таким образом, таймер в схеме на рис. 12.16 используется как ключ, управляемый напряжением .

–  –  –

Процессы заряда и разряда конденсатора периодически повторяются .

При этом на выходе формируются импульсы с временными интервалами t1 0.69RA RB C и t 2 0.69RB C. Период повторения импульсов T 0.69RA 2RB C. Временные диаграммы напряжений uС t и uвых t показаны на рис. 12.17 .

–  –  –

Мультивибраторы на основе интегральных таймеров обеспечивают высокую стабильность частоты повторения импульсов. Это объясняется тем, что длительность временных интервалов задает внешняя цепь С – R A – RB, параметры которой не зависят от напряжения источника питания и слабо зависят от температуры .

На основе интегральных таймеров можно реализовать и другие устройства: ждущие мультивибраторы, преобразователи напряжение – частота и т. д .

–  –  –

Периодические колебания, наблюдаемые в генераторе, обусловлены не 1 .

внешними воздействиями, а свойствами устройства. Такие колебания, возникающие самостоятельно, в отсутствие внешних воздействий, называют автоколебаниями .

Генераторы гармонических колебаний классифицируют по виду используемых частотно-избирательных цепей .

Для получения колебаний низких частот (менее 10 кГц) используют RCгенераторы. В качестве цепей обратной связи применяют многозвенные RC-цепи, мост Вина – Робинсона .

Генераторы, предназначенные для получения колебаний прямоугольной 4 .

формы, называют мультивибраторами .






Похожие работы:

«Всероссийские олимпиады по информатике: 1989 – 1991 г.г. Всероссийские олимпиады школьников по информатике с 1989 года по 1991 год являлись республиканским этапом Всесоюзной олимпиады. Поскольку после распада СССР статус этих олимпиад изменился, то...»

«See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/264944690 Population models with nonlinear diffusion Article · January 1997 CITATIONS READS 2 authors, including: Alexey I Lobanov Moscow Institute of Physics and Technology 68...»

«Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Институт Космических и Информационных Технологий институт В...»

«Р. И. Идрисов ПРОТЯГИВАНИЕ КОНСТАНТ В ГРАФЕ IR2 ВНУТРЕННЕГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЯЗЫКА SISAL ВВЕДЕНИЕ Потоковый язык SISAL 3.2 [1], разрабатываемый в Институте систем информатики им. А . П. Ершова, является функцион...»

«УТВЕРЖДАЮ А. А. Климонтов 23.10.2017 М.П. ПОЛИТИКА В ОТНОШЕНИИ ОБРАБОТКИ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ДАННЫХ В ИП Климонтов А. А. 1. Общие положения 1.1. Политика в отношении обработки персональных данных (далее — Политика) направлена на защиту прав и свобод физических лиц, персональные данные...»

«РАЗВЕРТЫВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ТРОСОВОЙ СИСТЕМЫ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА И НАНОСПУТНИКА Ермаков С.Н. Email: Ermakov1135@scientifictext.ru Ермаков Сергей Николаевич – магистрант, кафедра программных систем, факультет и...»

«МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ) Кафедра “САПР транспортных конструкций и сооружений” С. Н . НАЗАРЕНКО М.А. ГУРКОВА Утверждадено редакционно-издательским советом университета ПРОГРАММИР...»

«ISSN 1994-0351. Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Строит. информатика. 2012. Вып. 8 (24). www.vestnik.vgasu.ru УДК 504.3:666.964.3:691.327 М. О. Карпушко, В. Н. Учаев, С. В. Шульга О ВЫБРОСАХ ЗАГРЯЗ...»




 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.