На головну

Воронеж 2010 | ПРИСТРОЇВ | ПАСИВНІ ЧАСТОТНІ ФІЛЬТРИ | ПІДСИЛЮВАЧІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ | ПІДСИЛЮВАЧІ СИГНАЛОВ | АКТИВНІ RC ФІЛЬТРИ | РЕЗОНАНСНИЙ УСИЛИТЕЛЬ | ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ | ДОДАТОК 1 | Додаток 3 |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати

ГЕНЕРАТОРИ СИГНАЛІВ

  1. V5: Підсилювачі і нелінійне перетворення сигналів
  2. V6: Цифрова обробка сигналів.
  3. Вагони-транспортери різної вантажопідйомності будують для перевезення великовагових і великогабаритних вантажів (ротори, генератори, турбіни, трансформатори та ін.).
  4. Вітрогенератори
  5. види сигналів
  6. Виявлення слабких сигналів

8.1. Генератори гармонійних коливань RC типу

Схема RC генератора показана на рис. 8.1. Він побудований на базі підсилювача з резистивної-ємнісними зв'язками (транзистор VT2), на вході якого для підвищення вхідного опору і розв'язки каскадів включений емітерний повторювач (транзистор VT1).

Мал. 8.1

У ланцюг позитивного зворотного зв'язку включений RC фазообертач  (Фільтр нижніх частот), показаний на рис. 8.2, який забезпечує поворот фази на 1800 на частоті автоколивань .

Мал. 8.2

Фазовращатель можна досліджувати аналітично, отримавши формули для АЧХ, ФЧХ і визначивши частоту  , На якій забезпечується поворот фази на 1800 (виконайте розрахунок самостійно).

Проведемо схемотехническое моделювання фазообертача на рис. 8.2. і визначимо необхідні характеристики, схема показана на рис. 8.3. Як приклад вибрані однакові значення опорів 10 кОм і ємностей 1 нФ. На рис. 8.4 показані отримані АЧХ (у децибелах) і ФЧХ.

Мал. 8.3

Мал. 8.4

Як видно, поворот фази на 1800 має місце на частоті 38 кГц. У загальному випадку при однакових и  вона визначається формулою (отримаєте її в ході аналітичних розрахунків)

 . (8.1)

коефіцієнт передачі  фазообертача на частоті автоколивань дорівнює  або -29,2 дБ.

Емітерний повторювач має одиничний коефіцієнт посилення по напрузі, тоді підсилювач з резистивної-ємнісними зв'язками повинен забезпечувати посилення по напрузі в 1,5-2 рази більше 29.

Використовувані підсилювачі були розраховані раніше. Відмінність полягає в тому, що в підсилювачі з резистивно-ємнісними зв'язками опір навантаження приблизно дорівнює 10 кому (рис. 8.3), при цьому коефіцієнт посилення по напрузі  дорівнює 85, що цілком достатньо для виникнення автоколивань (виконання умови самозбудження [7]). Повторіть відповідні розрахунки самостійно.

Модель RC генератора показана на рис. 8.5.

Мал. 8.5

На рис. 8.6 наведені тимчасові діаграми автоколивань на виході (колекторі VT2) і вході (базі VT1) підсилювальної частини генератора. Як видно, вихідний сигнал (верхня крива на рис. 8.6) сильно відрізняється від гармонійного, що є спільною особливістю RC генераторів.

Мал. 8.6

Для зниження нелінійних спотворень необхідно обмежити коефіцієнт посилення транзистора, що забезпечується пристроєм автоматизованого управління, що входить до складу генератора.

Для реалізації RC генератора зручно застосовувати операційні підсилювачі. Приклад схеми генератора показаний на рис. 8.8. У його склад входять активний RC фільтр нижніх частот другого порядку на ОУ VA1 і RC фільтр - фазообертач нижніх частот першого порядку на ОУ VA2. У колі зворотного зв'язку (резистори ,  ) Зустрічно включені стабілітрони VD1 і VD2, що обмежують рівень напруги.

Мал. 8.7

Проведемо розрахунок характеристик генератора для ідеальних ОУ при малий амплітудах сигналу (в режимі самозбудження), коли впливом закритих стабилитронов можна знехтувати. Для першого VA1  , Тоді можна записати

,

тоді

 . (8.2)

З іншого боку за першим законом Кірхгофа отримаємо

 . (8.3)

З (8.2) і (8.3) отримаємо вираз для комплексного коефіцієнта передачі першого ФНЧ другого порядку

 . (8.4)

Для другого каскаду на ОУ VA2 отримаємо

 (8.5)

(проведіть розрахунок самостійно). визначимо АЧХ

 , (8.6)

 , (8.7)

(Графіки наведені на рис. 8.8)) і ФЧХ

 (8.8)

 (8.9)

(Графіки - на рис. 8.9)) розглянутих фільтрів, де

 . (8.10)

Коефіцієнт петлевого посилення [7] генератора можна записати у вигляді

 (8.11)

Мал. 8.8

Мал. 8.9

Модуль коефіцієнта петлевого посилення дорівнює

 (8.12)

а аргумент

 (8.13)

їх графіки наведені на рис. 8.10 (повторіть розрахунки самостійно).

Мал. 8.10

Автоколебания виникають на частоті  (8.10), для якої зрушення фаз в петлі зворотного зв'язку дорівнює нулю (фільтр другого порядку забезпечує зрушення фаз  , А фільтр - фазообертач відповідно  ). Для виникнення автоколивань коефіцієнт петлевого посилення повинен бути більшим за одиницю, доцільно вибрати  . У міру наростання амплітуди коливань починають відкриватися стабілітрони VD1 і VD2, збільшення амплітуди коливань зупиняється і генератор переходить в стаціонарний режим роботи.

на частоті  модуль коефіцієнта петлевого посилення дорівнює

 (8.14)

Як видно, частота автоколивань  (8.10) не залежить від величин и  , Що дозволяє забезпечити необхідне значення коефіцієнта петлевого посилення незалежно від .

Визначимо параметри елементів генератора з частотою  Гц. Виберемо імпортні ОУ LM101A з напругою живлення  В.

резистор  спільно зі стабілітронами VD1 і VD2 утворює обмежувач амплітуди сигналу (напруга стабілізації повинно бути не більше половини напруги живлення). Виберемо стабілітрони КС133А (напруга стабілізації 3,3 В). приймемо  кОм.

Виберемо однаковими опору резисторів  і ємності конденсаторів  . приймемо  МОм і з (8.10) знайдемо ємність конденсаторів

З (8.14) отримаємо вираз

,

з якого визначимо ,

 кОм.

Схемотехнічна модель RC генератора показана на рис. 8.11, а на рис. 8.12 наведені часові діаграми напруг. Верхня крива - вихідна напруга генератора (вузол 6), середня - напруга на виході першого ОУ (вузол 2) і нижня - напруга на стабілітронах (вузол 8).

Мал. 8.11

Як видно, вихідний сигнал має задовільну гармонійну форму завдяки обмеженню амплітуди сигналу в ОУ в вузлі 8. На нижній кривій рис. 8.12 видно, що при наростанні амплітуди коливань обмеження відсутнє, а коли вона досягає рівня 4 В стабілітрони починають спрацьовувати, зростання амплітуди припиняється і ОУ залишаються в лінійному режимі.

Спроектуйте генератор з частотою 10 Гц і 100 Гц, проведіть схемотехническое моделювання.

Отримані результати свідчать про високу ефективність проектування електронної апаратури формування і обробки сигналів на базі ОУ.

Мал. 8.12

8.2. Генератори гармонійних коливань LC типу

Генератори гармонійних коливань на базі коливальних контурів (LC генератори) можна реалізувати на основі резонансних підсилювачів, як показано на рис. 8.13. Розрахунок резонансного підсилювача розглянуто вище. Визначивши резонансний коефіцієнт посилення  , Знаходимо коефіцієнт зворотного зв'язку  з умови

.

Частота автоколивань дорівнює резонансній частоті контуру

.

Значно простіше LC генератор за схемою «ємнісний трехточкі» [7], показаної на рис. 8.14.

Мал. 8.13

Мал. 8.14

У генераторі на рис. 8.14 коливальний контур містить елементи L, C1 і С2, Резонансна частота якого дорівнює

.

Транзистор включений в схемі із загальним колектором і розрахунок режиму роботи по постійному струму (резисторів  ) Проводиться так само, як і для емітерного повторювача. Потім вибирається величина ємності контуру

і коефіцієнт включення  в контур транзистора

,

зазвичай .

Наприклад, для розглянутого раніше емітерного повторювача на біполярному транзисторі КТ3102А  кОм,  кОм,  кому й на частоті  кГц виберемо  нФ і  , тоді

 мГн,

 нФ,

 нФ.

Схемотехнічна модель генератора показана на рис. 8.15, а на рис. 8.16 - тимчасова діаграма вихідного сигналу генератора (вузол 3). У вихідному сигналі спостерігаються помітні нелінійні спотворення, для усунення яких необхідно обмежувати амплітуду автоколивань.

Мал. 8.15

Мал. 8.16

Хороші результати можна отримати з використанням операційних підсилювачів. Приклад моделі LC генератора на базі імпортного ОУ LM118 показаний на рис. 8.18. Діоди D1 і D2 обмежують рівень сигналів, цей прийом уже використовувався при проектуванні RC генераторів.

Мал. 8.17

Генератор включає в себе неинвертирующий підсилювач на базі ОУ, в колі зворотного зв'язку якого включений паралельний коливальний контур [6]. Його коефіцієнт посилення дорівнює

 , (8.15)

де  - Резонансне опір,

 , (8.16)

 - Характеристичний опір,

 , (8.17)

 - Добротність контуру,

 (8.18)

- Узагальнена розладі,

 (8.19)

- Абсолютна розладі контуру,

 (8.20)

- Його резонансна частота.

Підсилювач охоплений позитивним зворотним зв'язком [7] з коефіцієнтом передачі (в режимі малого сигналу)

 . (8.21)

Коефіцієнт петлевого посилення з урахуванням (8.15) і (8.21) дорівнює

 , (8.22)

а для його аргументу отримаємо рівняння балансу фаз автогенератора

 . (8.23)

Рішення рівняння має вигляд  або  , Тобто частота коливань дорівнює резонансній частоті контуру (8.20).

На частоті автоколивань коефіцієнт петлевого посилення дорівнює

 . (8.24)

Для виникнення автоколивань необхідно забезпечити значення .

Проведемо розрахунок генератора на рис. 8.17 з ОУ LM118 на частоті автоколивань  кГц. виберемо  кОм, ,  мГн,  кому й  кОм.

Визначимо ємність контуру

 нФ,

його характеристичний опір

 Ом,

еквівалентний опір втрат

 Ом

і еквівалентну резонансне опір

 кОм.

Коефіцієнт посилення ОУ в неінвертуючому включенні на резонансній частоті  дорівнює

,

тоді визначимо необхідний коефіцієнт зворотного зв'язку

.

З (8.21) знайдемо суму опорів

 кОм. (8.25)

напруга  на діодах обмежувача (в вузлі 7 на рис. 8.17) дорівнює  В. Приймемо  В і вихідна напруга генератора  В. Стаціонарні коливання будуть мати місце за умови рівності напруги на неінвертуючий вхід ОП від діодного обмежувача,

,

і напруги на тому ж вході, яке формує вихідний сигнал,

,

тоді отримаємо рівняння для опору ,

,

і в результаті

 кОм. (8.26)

З (8.25) з урахуванням (8.26) визначимо опір  кОм.

Проведемо схемотехническое моделювання генератора на рис. 8.18. На рис. 8.18 показані тимчасові діаграми напруг на виході генератора в вузлі 5 (верхня крива) і на діодному обмежувачі в вузлі 7 (нижня крива). На рис. 8.19 в розтягнутому вигляді показана тимчасова діаграма вихідної напруги. Як видно, результати моделювання узгоджуються з розрахунковими значеннями параметрів сигналів, частота автоколивань дорівнює 100 кГц і форма вихідного сигналу близька до гармонійної (ОУ не переходить в нелінійний режим).

Мал. 8.18

Мал. 8.19

8.3. релаксаційні генератори

Релаксаційні генератори формують імпульсні сигнали різної форми. Найчастіше застосовуються генератори прямокутних і пилкоподібних імпульсів.

Зручною основою для побудови імпульсних генераторів є тригер Шмідта - Електронного пристрою з передавальної характеристикою гістерезисного типу, яке можна реалізувати на ОУ (рис. 8.20а). залежність  від  показана на рис. 8.20б, и  - Напруги живлення ОП, зазвичай и .

Мал. 8.20

Як видно (рис. 8.20а), ОУ охоплений позитивним зворотним зв'язком через резистивний дільник  , Що призводить до появи тільки двох стійких значень вихідної напруги, близьких до напруг харчування и .

якщо  , То напруга на неінвертуючий вхід ОП одно

 . (8.27)

Поки вхідна напруга  , Зберігається значення

коли  досягає величини порога  , Вихідна напруга за рахунок позитивного зворотного зв'язку лавиноподібно перемикається до значення  , При цьому напруга на неінвертуючий вхід ОП стає рівним

 (8.28)

і стан виходу  виявляється стійким.

Зворотне лавиноподібне перемикання тригера Шмідта в стан  відбудеться, коли вхідна напруга зменшиться до величини порога  з (8.28). В результаті передавальна характеристика пристрою  приймає вигляд, показаний на рис. 8.20б.

Промисловість випускає інтегральні схеми тригерів Шмідта з однополярним живленням, наприклад, К561ТЛ1 (додаток 4, зарубіжний аналог CD4093), КР1561ТЛ1, К155ТЛ1, К155ТЛ2 (зарубіжний аналог 7414).

На рис. 8.21а показана схема імпульсного генератора на тригері Шмідта. На рис. 8.21 показані тимчасові діаграми напруг на виході  і на ємності .

Мал. 8.21

Розрахунок генератора можна провести методами аналізу перехідних процесів [7].

У момент включення напруги живлення ємність розряджена (  ), На виході напруга дорівнює  і ємність заряджається до порогового напруги  , Еквівалентна схема показана на рис. 8.22а. Класичним або операційним методами розрахунку перехідних процесів неважко показати, що на інтервалі часу від 0 до  (Рис. 8.21б) напруга на ємності дорівнює

 . (8.29)

Мал. 8.22

У момент часу  напруга на ємності стає рівним верхній порогу спрацьовування тригера Шмідта  , Він переключається, і напруга на виході стає близьким до напруги харчування  . Еквівалентна схема ланцюга з моменту комутації  до  (Рис. 8.21б) показана на рис. 8.22б, початкова напруга на ємності  . Для напруги на ємності отримаємо

 . (8.30)

при  напруга на ємності досягає нижнього порога спрацьовування тригера Шмідта і напруга на його виході стає близьким до  . відповідна еквівалента

лентний схема показана на рис. 8.22а, але при початковій напрузі на ємності  , При цьому напруга на ємності дорівнює

 . (8.31)

Далі розрахунки повторюються.

Визначимо інтервал часу  . З (8.30)  , Тоді отримаємо рівняння

,

з якого випливає

 . (8.32)

Аналогічно з умови  з урахуванням (8.31) визначимо інтервал

 . (8.33)

період коливань  дорівнює  , Тоді з (8.32) і (8.33)

 . (8.34)

Проведіть розрахунки самостійно, побудуйте тимчасові діаграми напруги на ємності.

при и  отримаємо

и ,

тоді з (8.32) - (8.34) отримаємо

и .

Якщо задана частота автоколивань  Гц, то  мс. виберемо  кОм, тоді

 нФ.

приймемо  кому й  В. Схемотехнічна модель генератор показана на рис. 8.23, а на рис. 8.24 наведені часові діаграми напруг на виході (вгорі) і ємності (внизу).

Мал. 8.23

Як видно, форма сигналів відповідає теоретичним співвідношенням, період автоколивань дорівнює 2 мс, що збігається з заданим значенням  . Відмінність від теоретичних розрахунків полягає в тому, що на першому інтервалі часу  вихідна напруга дорівнює .

Мал. 8.24

Проведіть розрахунок тимчасових діаграм на рис. 8.24 самостійно.

На рис. 4.25 показана схемотехнічна модель імпульсного генератора на основі тригера Шмідта. Тимчасові діаграми вихідної напруги (у вузлі 2) і напруги на ємності (у вузлі 1) показані на рис. 8.26, проведіть їх розрахунок самостійно.

Мал. 8.25

Мал. 8.26

Генератор пилкоподібної напруги зручно реалізувати на основі інтегратора напруги. Якщо інтегрується прямокутний імпульс (постійна напруга), то результуюча напруга буде змінюватися прямолінійно. Приклад схемотехнической моделі показаний на рис. 8.27.

Мал. 8.27

На рис. 8.28 показані тимчасові діаграми напруг в ланцюзі на рис. 8.27 (прямокутний імпульси на верхньому графіку - напруга на виході ОУ1, пилковидні імпульси - на виході ОУ2 генератора, на нижня крива відповідає напрузі в вузлі 3).

Мал. 8.28

інтеграторна базі ОУ X2 перетворює прямокутні імпульси  на виході ОУ X1 в лінійно зростаюче або падаюче вихідна напруга  в вузлі 6. компаратор на ОУ X1 порівнює з нульовим рівнем напруга  в вузлі 3 і формує на виході (у вузлі 1) позитивне або негативне напруга. Для самозбудження генератора необхідне виконання умови

.

 



ПЕРЕТВОРЮВАЧІ СИГНАЛІВ | ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИСТРОЇ