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

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

215

Лекция 33. 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. 33.1. Она состоит из двух частей – усилителя (активного элемента) и частотноселективной цепи положительной обратной связи с передаточной функцией K ос ( jw), по которой колебания с выхода усилителя поступают на его вход .

Uвых Uвх=0 A Uос K oc ( j ) Рис. 33.1 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. 33.2 показан процесс самовозбуждения генератора синусоидальных колебаний .



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

K = A K ос ( jw) 1. (33.1) В (33.1) мы полагаем, что коэффициент передачи усилителя А не зависит от частоты .

Рис. 33.2 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 ( jw) = 1. (33.2) При выполнении такого условия в генераторе устанавливается стационарный режим (рис. 33.2). В этом режиме колебания имеют постоянную амплитуду и частоту. Если условие (33.2) выполняется только на частоте 0, колебания имеют 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 (33.2) .

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 (33.3) называют условием баланса амплитуд, а равенство (33.4) – условием баланса фаз. Одновременное выполнение условий (33.3) и (33.4) 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 .

RC-генератор с мостом Вина – Робинсона. Схема генератора показана на рис. 33.5. Операционный усилитель и резисторы R1, R2 реализуют усилитель с коэффициентом передачи

–  –  –

Цепью обратной связи служит мост Вина – Робинсона (мост Вина), показанный на рис. 33.6. 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 w0 = 1 RC. Значение фазочастотной характеристики на этой частоте равно нулю. Условие баланса амплитуд на частоте w0 выполняется, если коэффициент передачи усилителя A = 3. Такое усилеR ние обеспечивается при 2 = 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. 33.7. 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. 33.8. 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. 33.7 .

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. 33.1). 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. 33.9. 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 + b U нас и - b U нас соответственно. Здесь b – коэффициент обратной связи: b = R1 (R1 + R2 ) .

Передаточная характеристика триггера Шмитта показана на рис. 33.10 .

Постоянная времени t = R3C. В момент t1 напряжение uC (t ) достигает величины b 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 - b U нас и ОУ переключается в состояние положительного насыщения. Далее процесс периодически повторяется. Временные диаграммы напряжений uC (t ) и u вых (t ) показаны на рис. 33.11 .

<

–  –  –

На выходе мультивибратора наблюдаются прямоугольные импульсы амплитудой ± U нас. Период повторения импульсов T = 2 R3C ln[1 + (2 R1 R2 )] .

При R1 = R2 период колебаний T » 2.2 R3C .

Положительные и отрицательные импульсы различной длительности можно получить в несимметричном мультивибраторе, показанном на рис. 33.12. 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 t1 = R3C. Когда напряжение на выходе ОУ отрицательно, открыт диод VD2 и постоянная времени t 2 = R4 C .

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. 33.15. Цепь на рис. 33.15 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.

33.15 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. 33.16 .

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. 33.16 используется как ключ, управляемый напряжением .

–  –  –

Процессы заряда и разряда конденсатора периодически повторяются .

При этом на выходе формируются импульсы с временными интервалами t1 » 0.69(R A + RB )C и t 2 » 0.69 RB C. Период повторения импульсов T » 0.69(R A + 2 RB )C. Временные диаграммы напряжений u С (t ) и u вых (t ) показаны на рис. 33.17 .

Величину S = T t1 называют скважностью импульсной последовательности. Скважность импульсов на выходе рассматриваемого мультивибратора

–  –  –

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 .

–  –  –

1. Периодические колебания, наблюдаемые в генераторе, обусловлены не внешними воздействиями, а свойствами устройства. Такие колебания, возникающие самостоятельно, в отсутствие внешних воздействий, называют автоколебаниями .

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

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

4. Генераторы, предназначенные для получения колебаний прямоугольной формы, называют мультивибраторами .






Похожие работы:

«Паспорт Содержание 1 Характеристика кабинета 2 План размещения оборудования 3 Спецификация оборудования 2. Методическое обеспечение 2.1 Учебно-методические документы (ФГОС, рабочие программы) 2.2 Учебники и методические пособия 3. Перечень докумен...»

«68th IFLA Council and General Conference August 18-24, 2002 Code Number: 050-093-R Division Number: VII Professional Group: Education and Training Joint Meeting with: Meeting Number: 93 Simultaneous Interpretation: Стимулирование развития навыков – ЦИКН Алан Брайн и Д...»

«СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ ЛЕБЕДЕВ К 100-летию со дня рождения основоположника отечественной электронной вычислительной техники Издание осуществлено при поддержке УДК 681.3 Российского фонда фундаментальных ББК 32.973 исследований по проекту 02-07-95008д...»

«Актуальные проблемы современной науки, 2005 (5). ISSN 1680-2721. МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ОСОБО ОХРАНЯЕМЫМИ ПРИРОДНЫМИ ТЕРРИТОРИЯМИ1 В. В. Стрижов, Вычислительный центр РАН Аннотация. Рассматривается модель управления ООПТ с обратной связью и с д...»

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА ФАКУЛЬТЕТ БИОИНЖЕНЕРИИ И БИОИНФОРМАТИКИ РЕФЕРАТ на тему ПРЕДСКАЗАНИЕ БЕЛКОВ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С НУКЛЕИНОВЫМИ КИСЛОТАМИ (основано на статье Shazman S, et al, 2007) Реферат...»

«Всероссийские олимпиады по информатике: 1997 – 1999 г.г. Период с 1997 по 1999 год был связан с проведением заключительного этапа Всероссийских олимпиад школьников по информатике в Санкт-Петербурге. Именно этот город дал нам в прежние годы большое количество победителей и призеров всероссийских и международных олимпиад по и...»

«Список литературы 1. Мировой опыт развития безналичных платежных систем: ориентиры для России [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/v/mirovoy-opyt-razvitiya-beznalichnyh-platezhnyh-sistem-orient...»




 
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.