Schwingkreisgeneratoren sind als Quellen für sinusförmige Hochfrequenzschwingungen unersetzlich. Schwingungen mit Frequenzen kleiner 15 ... 20 kHz zu erzeugen, sind unbequem, da der Schwingkreis zu umständlich ist.
Ein weiterer Nachteil von niederfrequenten LC - Generatoren ist die Schwierigkeit, diese im Frequenzbereich abzustimmen. All dies hat zur weit verbreiteten Verwendung von RC-Generatoren bei den oben genannten Frequenzen geführt, bei denen elektrische RC-Filter anstelle eines Schwingkreises verwendet werden. Generatoren dieser Art können ziemlich stabile Sinusschwingungen über einen relativ breiten Frequenzbereich von Bruchteilen eines Hertz bis hin zu Hunderten von Kilohertz erzeugen. Sie sind klein und leicht, und diese Vorteile von RC-Generatoren kommen im Niederfrequenzbereich am besten zur Geltung.
4.2 Blockschaltbild des RC-Generators
Diese Schaltung ist in Abb. Nr. 7.
Abb. Nr. 7. Strukturschema RC-Autogenerator.
Die Schaltung enthält einen Verstärker 1, der mit einem Widerstand geladen ist und Strom von einer Konstantspannungsquelle 3 erhält. Zur Selbsterregung des Verstärkers, d.h. um anhaltende Schwingungen zu erhalten, ist es erforderlich, seinem Eingang einen Teil der Ausgangsspannung zuzuführen, der die Eingangsspannung überschreitet (oder dieser entspricht) und mit dieser in Phase übereinstimmt. Mit anderen Worten, der Verstärker muss mit Mitkopplung bedeckt sein und die vierpolige Rückkopplung 2 muss einen ausreichenden Transmissionskoeffizienten aufweisen. Dieses Problem wird in dem Fall gelöst, wenn das zweipolige Gerät 2 eine Phasenschieberschaltung aus Widerständen und Kondensatoren enthält, die Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung beträgt 180 0.
4.3 Das Funktionsprinzip der Phasenschieberschaltung
Das Diagramm davon ist in Abb. Nr. 8a, dargestellt anhand des Vektordiagramms in Abb. Nr. 8b.
Abb. 8. Phasenschieberschaltungen: a - schematisches Diagramm; b - Vektordiagramm; c, d - dreigliedrige Ketten
An den Eingang dieses RC-Gliedes sei die Spannung U1 angelegt. Es verursacht einen Strom I im Stromkreis, der einen Spannungsabfall am Kondensator erzeugt
(wobei ω die Frequenz der Spannung U1 ist) und am Widerstand U R = IR, der gleichzeitig die Ausgangsspannung U2 ist. In diesem Fall ist der Phasenverschiebungswinkel zwischen dem Strom I und der Spannung Uc gleich 90 0 und zwischen dem Strom I und der Spannung U R - Null. Der Spannungsvektor U1 ist gleich der geometrischen Summe der Vektoren U C und U R und bildet mit dem Vektor U2 einen Winkel φ. Je kleiner die Kapazität des Kondensators C ist, desto näher ist der Winkel φ an 90 0.
4.4 Bedingungen für die Selbsterregung von rc - self-oscillator
Der größte Winkel φ, der durch Ändern der Werte der Elemente des RC-Kreises erhalten werden kann, liegt nahe 90 0. In der Praxis werden die Schaltungselemente R und C wie folgt ausgewählt. Damit ist der Winkel φ = 60 0. Daher erhält man den Phasenwinkel φ = 180 0, der notwendig ist, um die Phasengleichheitsbedingung zu erfüllen. Es ist erforderlich, drei RC-Links in Reihe zu schalten.
In Abb. Nr. 8 c, d zeigt zwei Varianten von dreigliedrigen Phasenschieberschaltungen. Die Phasenverschiebung zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung um einen Winkel von 180 0 bei R1 = R2 = R3 = R und C1 = C2 = C3 = C ergibt sich bei den Frequenzen: f 01 ≈ (in der Schaltung in Abb. 8c) und f 02 ≈ (in der Schaltung 8d), wobei R in Ohm, C- in Farad und f 0 - in Hertz ausgedrückt wird. Die Werte von f 01 und f 02 sind gleichzeitig die Frequenz der Eigenschwingungen.
Um den Amplitudenausgleich zu gewährleisten, sollte die Verstärkung des Verstärkers K us nicht kleiner sein als der Übertragungskoeffizient der Rückkopplungsschaltung K o.s. =. Berechnungen zeigen, dass für die gegebenen Schemata K o.c =. So sind Eigenschwingungen in RC-Generatoren mit dreigliedrigen Phasenschieberschaltungen mit gleichen Gliedern nur möglich, wenn die Bedingungen
f auto = f 01 (oder f auto = f 02); K Schnurrbart ≥29.
Sinusoszillatoren werden mit einem schwingenden LC-Kreis und frequenzabhängigen RC-Kreisen ausgeführt. LC-Generatoren sind für die Erzeugung von Hochfrequenzsignalen (über mehrere zehn Kilohertz) ausgelegt, und RC-Generatoren werden bei niedrige Frequenzen(bis zu Einheiten von Hertz).
Oszillatoren vom LC-Typ basieren auf der Verwendung von selektiven LC-Verstärkern mit schmaler Bandbreite. Die Bedingungen zur Erzeugung von Sinusschwingungen (8.1) und (8.2) sind für die Abstimmfrequenz . geschaffen f 0 ein Schwingkreis, wenn sein Widerstand rein aktiv ist. Voraussetzung für die Erfüllung der Beziehung (8.1) für die Frequenz f 0 dient als Änderung der Phasenverschiebung j at vom Verstärker eingeführt, wenn die Frequenz von der Resonanzfrequenz abweicht, da der Widerstand Resonanzkreis hört auf, aktiv zu sein und erhält einen reaktiven (induktiven oder kapazitiven) Charakter. Die Gültigkeit der Beziehung (38) für die Resonanzfrequenz ergibt sich aus dem maximalen Wert der Verstärkung bei der Frequenz f 0.
Die Schaltungsimplementierung von LC-Generatoren ist recht vielfältig. Sie können sich darin unterscheiden, wie sie mit einem LC-Schwingkreis an den Verstärker angeschlossen sind und eine positive Rückkopplung erzeugen. Eine der Schaltungen von LC-Generatoren ist in Abb. 8.2.
Die Verstärkerstufe besteht aus einem Transistor VT nach dem OE-Schema enthalten. Die Elemente R1, R2, R e, C e dienen zum Einstellen des Ruhemodus und der Temperaturstabilisierung. Das Ausgangssignal wird vom Kollektor des Transistors über einen Sperrkondensator abgenommen C p2.
Die Parameter des Schwingkreises sind die Kapazität des Kondensators MIT und Primärinduktivität w 1 Transformator. Das Rückführsignal wird von der Sekundärwicklung entfernt w 2 induktiv mit der Wicklung gekoppelt w 1 und über einen Entkopplungskondensator р1 an den Eingang des Transistors angelegt. Die erforderliche Phasenlage der Rückkopplungsspannung wird durch geeignetes Verbinden der Enden der Sekundärwicklung erreicht. Das Verhältnis der Windungszahl der Primär- und Sekundärwicklung w 1 /w 2 >1.
Nehmen wir die induktive Kopplung von M Wicklungen w 1 und w 2 ideal ist, dann ist es zur Gewährleistung des Amplitudengleichgewichts erforderlich, dass der Stromübertragungskoeffizient des Transistors β im Ruhepunkt die Beziehung β ≥ . erfüllt w 1 /w 2 .
Frequenz F erzeugte Vibrationen sind nahe Resonanzfrequenz Schwingkreis
Parameterabhängigkeit L und MIT und die Parameter des Transistors von der Temperatur führen zu einer Temperaturabhängigkeit der Frequenz F... Bei konstanter Temperatur wird die Frequenzinstabilität durch eine Änderung der Differenzparameter des Transistors gegenüber einer Änderung der Position des Ruhepunkts der Verstärkerstufe verursacht.
Die Frequenzinstabilität von Generatoren wird durch den Koeffizienten der relativen Instabilität d . geschätzt F= D f / f * 100%, wobei D F- absolute Frequenzabweichung vom Nennwert F... Der Koeffizient der relativen Frequenzinstabilität von Transistor-LC-Generatoren beträgt ohne besondere zusätzliche Stabilisierungsmaßnahmen einige Prozent. Höchste Frequenzstabilität mit Koeffizient d F= (10 -3 ¸ 10 -5)% wird bei Verwendung eines Schwingquarzes in Oszillatoren erreicht.
LC-Generatoren werden als Hybrid realisiert integrierte Schaltkreise in denen die reaktiven Elemente L und C als Scharnier verwendet.
Generatoren für Frequenzen unter mehreren zehn Kilohertz werden mit frequenzabhängigen RC-Schaltungen gebaut. Als verstärkendes Glied werden üblicherweise Operationsverstärker in integrierter Bauform verwendet. OU-Generatorschaltungen sind in Abb. 8.3.
Das Funktionsprinzip des einfachsten RC-Generators für Sinusschwingungen (Abb. 8.3, a) besteht darin, dass bei einer bestimmten Frequenz die Phasenverschiebung der drei Glieder des RC-Kreises beträgt jw = 180 °.
Wenn eine solche Schaltung zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltet wird, beträgt die Gesamtphasenverschiebung 360 °, d. positives Feedback entsteht. Frequenz f 0, bei dem der Winkel jw = 180°, heißt quasiresonant. Mit Parametern R und C (R1 = R2 = R3 ||R 0 = R, C1 = C2 = C3 = C) hängt es zusammen durch die Beziehung
Eine solche Kette dämpft das Signal um den Faktor 29. Um stabile Schwingungen zu erzeugen, ist es daher erforderlich, dass der Verstärker eine Verstärkung hat ZU≥ 29. Dann ist die Bedingung Amplitudenbalance ||| ẁ | 1... Dieses Problem wird durch die Wahl der Widerstandswerte der Widerstände gelöst. R 0 und R os (K = R os / R 0 ≥ 29).
Von den RC-Schaltungen, die das übertragene Signal nicht bei einer Quasi-Resonanzfrequenz phasenverschieben, ist die Wien-Brückenschaltung am weitesten verbreitet. Ein Diagramm eines Sinusoszillators basierend auf einem Operationsverstärker mit einer Wien-Brücke ist in Abb. 8.3, b. Frequenzabhängige Rückkopplungsverbindung C1, R1, C2, R2(Wine Bridge) wird zwischen den Ausgang und den direkten Eingang des Operationsverstärkers geschaltet. Die Elemente R 0 und R os sind so ausgelegt, dass sie die erforderliche Verstärkung der verstärkenden Verbindung erhalten.
Bei der Erzeugungsfrequenz f 0Übersetzungsverhältnis Wien-Brücke w= 1/3, daher ist eine Selbsterregung des Generators möglich, wenn ZU> 3. Für den in dieser Schaltung verwendeten nicht invertierenden Verstärker entspricht dies der Auswahl R os/ R 0 ≥ 3.
RC-Generator wird ein Generator von harmonischen Schwingungen genannt, bei dem anstelle eines schwingungsfähigen Systems mit Elementen L und MIT, wird eine ohmsch-kapazitive Schaltung verwendet ( RC-kette), die Frequenzselektivität hat.
Der Ausschluss von Induktoren aus der Schaltung ermöglicht es, die Abmessungen und das Gewicht des Generators insbesondere bei niedrigen Frequenzen erheblich zu reduzieren, da die Abmessungen der Induktoren mit abnehmender Frequenz stark zunehmen. Ein wichtiger Vorteil RC-Generatoren im Vergleich zu LC- Generatoren sind die Fähigkeit, sie mit integrierter Technologie herzustellen. aber RC- Generatoren haben aufgrund des geringen Gütefaktors eine geringe Stabilität der Frequenz der erzeugten Schwingungen RC- Schaltungen, sowie eine schlechte Form von Schwingungen durch schlechte Filterung der höheren Harmonischen im Spektrum der Ausgangsschwingung.
RC- Generatoren können in einem weiten Frequenzbereich betrieben werden (von Bruchteilen eines Hertz bis zu mehreren zehn Megahertz), sie finden jedoch Anwendung in Kommunikationsgeräten und Messgeräten hauptsächlich bei niedrigen Frequenzen.
Grundlagen der Theorie RC-Generatoren wurden von den sowjetischen Wissenschaftlern V. P. Aseev, K. F. Teodorchik, E. O. Saakov, V. G. Kriksunov und anderen entwickelt.
RC- der Generator enthält normalerweise einen Breitbandverstärker, der auf einer Lampe, einem Transistor oder einem integrierten Schaltkreis aufgebaut ist, und RC- eine Rückkopplungsschaltung mit selektiven Eigenschaften und Bestimmung der Schwingungsfrequenz. Der Verstärker kompensiert Energieverluste in passiven Elementen und stellt die Erfüllung der Amplituden-Selbsterregungsbedingung sicher. Die Rückkopplungsschleife stellt sicher, dass die Selbsterregungsphasenbedingung nur bei einer Frequenz erfüllt ist. Nach der Art der Rückkopplungsschaltung RC-Generatoren sind in zwei Gruppen unterteilt:
mit Null-Phasenverschiebung in der Rückkopplungsschleife;
mit einer Phasenverschiebung im Rückkopplungskreis um 180.
Zur Verbesserung der Form der erzeugten Schwingungen in RC-Generatoren verwenden Elemente mit Nichtlinearität, die den Anstieg der Schwingungsamplitude begrenzen. Die Parameter eines solchen Elements ändern sich abhängig von der Amplitude der Schwingungen und nicht von ihren Momentanwerten (ein Thermistor, dessen Widerstand vom Erwärmungsgrad durch den durch ihn fließenden Strom abhängt). Bei einer solchen Begrenzung ändert sich die Form der Schwingungen nicht, sie bleiben auch im stationären Modus harmonisch.
Betrachten Sie beide Arten RC- Autogeneratoren.
Oszillator mit 180 Phasenverschiebung im Rückkopplungskreis.
Ein solcher Autogenerator wird auch Autogenerator mit einer dreigliedrigen Kette genannt. RC.
In den Schemata RC- Generatoren mit einer Phasenverschiebung im Rückkopplungskreis um 180, es werden Verstärker verwendet, die die Phase der Eingangsspannung invertieren. Ein solcher Verstärker kann beispielsweise ein Operationsverstärker mit invertierendem Eingang, ein einstufiger Verstärker oder ein mehrstufiger Verstärker mit einer ungeraden Anzahl von invertierenden Stufen sein.
Damit die Phasengleichheitsgleichung erfüllt wird, muss die Rückkopplungsschaltung eine Phasenverschiebung OC = 180 bereitstellen.
Um die Struktur der Rückkopplungsschleife zu untermauern, reproduzieren wir die Phasen-Frequenz-Charakteristik der einfachsten RC-Links (Abb. 3.4).
Reis. Option 3 RC-Link und sein FFC
Reis. Option 4 RC-Link und sein FFC
Aus den Grafiken ist ersichtlich, dass man am einfachsten RC-link führt eine Phasenverschiebung von nicht mehr als 90 ein. Daher kann eine Phasenverschiebung von 180 durch Kaskadieren von drei elementaren RC-Links (Abb. 5).
Reis. 5 Schemata und Phasencharakteristik von Drei-Link RC-Ketten
Die Elemente RC-Schaltungen werden so berechnet, dass bei der Erzeugungsfrequenz eine Phasenverschiebung von 180. Eine der Varianten des Generators mit einem Drei-Link-Kreis RC gezeigt in Abbildung 6
Reis. 6 Generator mit dreigliedriger Kette RC
Der Generator besteht aus einem Widerstandstransistorverstärker und einer Rückkopplungsschaltung. Ein einstufiger Verstärker mit gemeinsamem Emitter führt eine Phasenverschiebung zwischen der Spannung am Kollektor und der Basis K = 180 durch. Um den Phasenausgleich durchzuführen, muss die Rückkopplungsschaltung daher die Frequenz der erzeugten Schwingungen OC . bereitstellen = 180.
Lassen Sie uns die Rückkopplungsschleife analysieren, für die wir ein Gleichungssystem mit der Schleifenstrommethode erstellen werden.
Lösen wir das resultierende System nach dem Rückkopplungskoeffizienten auf, erhalten wir den Ausdruck
Aus dem Ausdruck folgt, dass die 180-Phasenverschiebung für den Fall erhalten wird, dass es sich um einen reellen und negativen Wert handelt, d. h.
daher ist die Erzeugung bei einer Frequenz möglich
Bei dieser Frequenz ist das Modul des Rückkopplungskoeffizienten
Das heißt, um Eigenschwingungen anzuregen, muss der Verstärkerkoeffizient größer als 29 sein.
Die Generatorausgangsspannung wird normalerweise vom Kollektor des Transistors abgenommen. Um harmonische Schwingungen zu erhalten, ist ein Thermistor in der Emitterschaltung enthalten R T mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands. Mit zunehmender Amplitude der Schwingungen wird der Widerstand R T nimmt zu und die Tiefe der Gegenkopplung im AC-Verstärker nimmt zu bzw. die Verstärkung nimmt ab. Wenn ein stationärer Schwingungsmodus auftritt ( ZU= 1) bleibt der Verstärker linear und die Kollektorstromwellenform wird nicht verzerrt.
Oszillator mit Null-Phasenverschiebung im Rückkopplungskreis.
Ein charakteristisches Merkmal der Schaltungen RC- Generatoren mit Null-Phasenverschiebung im Rückkopplungskreis ist die Verwendung von Verstärkern in ihnen, die keine Phasenumkehrung durchführen Eingangssignal... Ein solcher Verstärker kann beispielsweise ein Operationsverstärker mit einem nicht invertierenden Eingang oder ein mehrstufiger Verstärker mit einer geraden Anzahl von invertierenden Stufen sein. Betrachten wir einige mögliche Optionen für Rückkopplungsschaltungen, die eine Phasenverschiebung von Null bieten (Abb. 7).
Reis. 7 Varianten von Rückkopplungskreisen mit Null-Phasenverschiebung
Sie bestehen aus zwei Links, von denen einer repräsentiert RС- eine Verbindung mit einer positiven Phasenverschiebung und die zweite - mit einer negativen Phasenverschiebung. Durch die Addition des Phasengangs bei einer bestimmten Frequenz (Erzeugungsfrequenz) kann eine Phasenverschiebung von Null erreicht werden.
In der Praxis wird als selektive Schaltung mit Null-Phasenverschiebung am häufigsten eine phasensymmetrische Brücke oder anders eine Wien-Brücke verwendet (Abb. 7 c), deren Anwendung im Diagramm dargestellt ist RC-Generator mit Null-Phasenverschiebung, hergestellt am Operationsverstärker (Abb. 8).
Reis. acht RC- Generator mit Null-Phasenverschiebung im OS-Kreis
In dieser Schaltung wird die Spannung vom Ausgang des Verstärkers über die Rückkopplungsschaltung, die aus den Elementen der Wien-Brücke gebildet wird, an seinen nicht invertierenden Eingang angelegt R 1 C 1 und R 2 C 2. Widerstandskette RR T bildet ein anderes Rückmeldung- negativ, das den Anstieg der Amplitude der Schwingungen begrenzen und ihre harmonische Form bewahren soll. Die Gegenkopplungsspannung wird an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angelegt. Thermistor R T muss einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstands haben.
Verstärkung der Rückkopplungsschleife
muss echt und positiv sein, und dies ist möglich, wenn die Gleichheit
Hieraus wird die Frequenz der erzeugten Schwingungen bestimmt. Wenn R 1 = R 2 =R, C 1 = C 2 = C, dann
Die Amplitudenbedingung für die Selbsterregung bei Frequenz 0 erfordert die Erfüllung der Ungleichung
Mit Gleichberechtigung R 1 = R 2 = R und C 1 = C 2 = C gewinnen ZU > 3.
Die Vibrationsfrequenz kann durch Ändern der Widerstände verändert werden R oder Kondensatoren MIT, die Teil der Wienbrücke sind, und die Amplitude der Schwingungen wird durch den Widerstand geregelt R.
Hauptvorteil RC-Generatoren vorher LC-Generatoren liegt darin, dass erstere für niedrige Frequenzen einfacher zu implementieren sind. Zum Beispiel, wenn in einer Generatorschaltung mit Null-Phasenverschiebung im Rückkopplungskreis (Abb. 8) R 1 = R 2 = 1 MOhm, C 1 = C 2 = 1 μF, dann die erzeugte Frequenz
.
Um die gleiche Frequenz in . zu erhalten LC-Generator, Induktivität wäre erforderlich L= 10 16 H bei MIT= 1 μF, was schwer zu implementieren ist.
V RC-Generatoren ist es durch gleichzeitiges Ändern der Werte der Kapazitäten möglich MIT 1 und MIT 2, erhalten Sie einen breiteren Frequenzabstimmbereich als dies in der Fall ist LC-Generatoren. Für LC-Generatoren
während für RC-Generatoren, at MIT 1 = MIT 2
Zu den Nachteilen RC-Generatoren ist darauf zurückzuführen, dass sie bei relativ hohen Frequenzen schwieriger zu implementieren sind als LC-Generatoren. Tatsächlich kann der Wert der Kapazität nicht auf weniger als die Montagekapazität reduziert werden, und eine Verringerung der Widerstandswerte der Widerstände führt zu einem Abfall der Verstärkung, was es schwierig macht, die Amplitudenbedingung für die Selbsterregung zu erfüllen.
Die aufgeführten Vor- und Nachteile RC-Generatoren verursachten ihren Einsatz im Niederfrequenzbereich mit einem großen Frequenzüberlappungskoeffizienten.
In diesem Artikel werden wir einen RC-Oszillator und sein Funktionsprinzip betrachten und seine Schaltungen einschließlich eines Operationsverstärkers im Detail betrachten.
Beschreibung und Arbeitsprinzip
Wir haben in den Verstärkerhandbüchern gesehen, dass die Einzelstufe Transistorverstärker kann eine Phasenverschiebung von 180 o zwischen seinen Ausgangs- und Eingangssignalen erzeugen, wenn er in einer Konfiguration vom Typ Klasse A angeschlossen wird.
Damit der Oszillator unbegrenzt standhält, muss eine ausreichende Rückkopplung der richtigen Phase, dh "Mitkopplung", vorhanden sein, und der Transistorverstärker wird dazu als invertierende Stufe verwendet.
V RC-Generatorschaltungen der Eingang wird 180 o durch die Verstärkerstufe und 180 o durch die zweite invertierende Stufe vorgespannt, was uns eine Phasenverschiebung von "180 o + 180 o = 360 o" gibt, die effektiv 0 o ist, wodurch wir die erforderliche positives Feedback... Mit anderen Worten, die Phasenverschiebung der Rückkopplungsschleife sollte "0" sein.
V Widerstands-Kapazitäts-Generator oder einfach im Generator RC wir nutzen die Tatsache aus, dass zwischen dem Eingang des RC-Netzwerks und dem Ausgang desselben Netzwerks eine Phasenverschiebung auftritt, beispielsweise durch Verwendung von RC-Gliedern im Rückkopplungszweig.
RC-Phasenschaltung
Das Diagramm links zeigt ein Widerstands-Kondensator-Netzwerk, dessen Ausgangsspannung der Eingangsspannung weniger als 90 Grad „voreilt“. Eine ideale einpolige RC-Schaltung erzeugt eine Phasenverschiebung von genau 90 o, und da die Schwingung eine Phasenverschiebung von 180 o erfordert, ist das Design RC-Oszillator Sie müssen mindestens zwei einpolige verwenden.
In der Realität ist es jedoch schwierig, eine exakte Phasenverschiebung von 90° zu erzielen, daher werden mehr Stufen verwendet. Die Größe der tatsächlichen Phasenverschiebung in der Schaltung hängt von den Werten des Widerstands und des Kondensators ab, und die ausgewählte Schwingungsfrequenz mit einem Phasenwinkel (Φ) wird wie folgt angegeben:
Wobei: X C die Kapazität des Kondensators ist, R der Widerstand des Widerstands ist und ƒ die Frequenz ist.
In unserem einfaches Beispiel oben wurden die Werte von R und C so gewählt, dass bei der erforderlichen Frequenz die Ausgangsspannung der Eingangsspannung in einem Winkel von etwa 60 ° voraus ist. Der Phasenwinkel zwischen jedem aufeinanderfolgenden RC-Abschnitt wird dann um weitere 60° erhöht, was eine Phasendifferenz von 180° (3 x 60°) zwischen Eingang und Ausgang ergibt, wie im folgenden Vektordiagramm gezeigt.
Dann können wir durch die Reihenschaltung von drei solchen RC-Netzwerken eine volle 180 o Phasenverschiebung in der Schaltung bei der gewählten Frequenz erzeugen, und dies bildet die Grundlage des "Phasenverschiebungsgenerators", auch genannt RC-Generator .
Wir wissen, dass in einer Verstärkerschaltung mit einem Bipolartransistor oder Operationsverstärker eine Phasenverschiebung von 180 ° zwischen Eingang und Ausgang erzeugt wird. Wird zwischen diesem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers ein dreistufiges RC-Netzwerk mit Phasenverschiebung geschaltet, beträgt die für die Rückkopplung erforderliche Gesamtphasenverschiebung 3 x 60 o + 180 o = 360 o, wie unten gezeigt.
Drei RC-Stufen sind kaskadiert, um die erforderliche Steilheit für eine stabile Oszillationsfrequenz zu erhalten. Die Phasenverschiebung der Rückkopplungsschleife beträgt -180 o, wenn die Phasenverschiebung jeder Stufe -60 o beträgt. Das passiert, wenn = 2πƒ = 1,732 / RC(tan 60 o = 1,732). Um die erforderliche Phasenverschiebung in der RC-Oszillatorschaltung zu erreichen, ist es dann notwendig, mehrere RC-Phasenverschiebungsnetzwerke zu verwenden, wie beispielsweise die folgende Schaltung.
Grundlegende RC-Oszillatorschaltung
Base RC-Generator, auch bekannt als Phasenschiebergenerator, erzeugt eine Sinuswellenausgabe unter Verwendung einer regenerativen Rückkopplung, die von einer Widerstand-Kondensator-Kombination erhalten wird. Diese Rückkopplung aus dem RC-Netzwerk ist auf die Fähigkeit des Kondensators zurückzuführen, zu speichern elektrische Ladung(ähnlich dem LC-Schwingkreis).
Dieses Widerstand-Kondensator-Rückkopplungsnetzwerk kann wie oben gezeigt angeschlossen werden, um eine anfängliche Phasenverschiebung (Phasenänderungsnetzwerk) zu erzeugen, oder austauschbar, um eine verzögerte Phasenverschiebung zu erzeugen (Phasenverzögerungsnetzwerk), das Ergebnis bleibt dasselbe wie bei Sinusschwingungen, die nur bei . auftreten eine Frequenz, bei der die gesamte Phasenverschiebung 360 ° beträgt.
Durch Ändern eines oder mehrerer Widerstände oder Kondensatoren in einem phasenverschobenen Netzwerk kann die Frequenz geändert werden, was normalerweise durch Beibehaltung der gleichen Widerstände und Verwendung eines 3-stelligen variablen Kondensators erfolgt.
Wenn alle Widerstände R und Kondensatoren C im Phasenverschiebungsnetzwerk betragsmäßig gleich sind, wird die Frequenz der vom RC-Generator erzeugten Schwingungen bestimmt als:
Wo:
r - Ausgangsfrequenz in Hertz
R - Widerstand in Ohm
C - Kapazität in Farad
N - Anzahl der RC-Stufen, (N = 3)
Da die Widerstand-Kondensator-Kombination RC-Generatorschaltungen wirkt auch als Dämpfungsglied und erzeugt eine vollständige Dämpfung -1 / 29. (Vo / Vi = β) in allen drei Stufen muss die Spannungsverstärkung des Verstärkers hoch genug sein, um diese RC-Verluste zu überwinden. Daher muss in unserem obigen dreistufigen RC-Netzwerk die Verstärkerverstärkung ebenfalls gleich oder größer als 29 sein.
Der Einfluss der Verstärkerlast auf das Rückkopplungsnetzwerk beeinflusst die Schwingfrequenz und kann dazu führen, dass die Generatorfrequenz um 25 % höher ist als die berechnete. Das Rückkopplungsnetzwerk muss dann von einer hochohmigen Ausgangsquelle angesteuert und einer niederohmigen Last zugeführt werden, wie beispielsweise einem gemeinsamen Emitter-Transistorverstärker, aber es ist besser, einen Operationsverstärker zu verwenden, da er diese Bedingungen vollständig erfüllt.
Operationsverstärker RC-Oszillator
Bei Verwendung als RC-Generatoren, RC-Generatoren mit Operationsverstärker sind häufiger als ihre Gegenstücke mit Bipolartransistoren. Die Oszillatorschaltung besteht aus einem Operationsverstärker mit negativer Verstärkung und einem RC-Netzwerk mit drei Abschnitten, das eine Phasenverschiebung von 180 ° erzeugt. Das phasenverschobene Netzwerk ist vom Ausgang des Operationsverstärkers zurück mit seinem "invertierenden" Eingang verbunden, wie unten gezeigt.
Da die Rückkopplung mit dem invertierenden Eingang verbunden ist, wird der Operationsverstärker daher in seiner "invertierenden Verstärker"-Konfiguration angeschlossen, die die erforderliche Phasenverschiebung von 180 ° erzeugt, während das RC-Netzwerk bei der gewünschten Frequenz (180 o + 180 o).
Während es möglich ist, nur zwei einpolige RC-Stufen zu kaskadieren, um die erforderliche Phasenverschiebung von 180° (90° + 90°) zu erreichen, ist die Oszillatorstabilität bei niedrigen Frequenzen im Allgemeinen schlecht.
Eine der wichtigsten Funktionen RC-Oszillator ist seine Frequenzstabilität, d. h. seine Fähigkeit, unter verschiedenen Lastbedingungen eine Sinuswellenausgabe mit konstanter Frequenz bereitzustellen. Durch die Kaskadierung von drei oder sogar vier RC-Stufen (4 x 45 o) kann die Stabilität des Generators stark verbessert werden.
Häufig verwendet RC-Generatoren mit vier Stufen, da allgemein verfügbare Operationsverstärker in integrierten vierschichtigen Schaltungen geliefert werden, daher ist es relativ einfach, einen vierstufigen Generator mit einer Phasenverschiebung von 45 ° relativ zueinander zu entwerfen.
RC-Generatoren stabil und liefern einen wohlgeformten sinusförmigen Ausgang mit einer Frequenz proportional zu 1 / RC, und daher ist mit einem variablen Kondensator ein breiterer Frequenzbereich möglich. RC-Oszillatoren sind jedoch aufgrund von Bandbreitenbeschränkungen auf Frequenzanwendungen beschränkt, um die gewünschte Phasenverschiebung bei hohen Frequenzen zu erzielen.
In der nächsten Lektion zu Oszillatoren werden wir uns einen anderen Typ ansehen RC-Generator, namens Brückenoszillatoren Wien, das Widerstände und Kondensatoren als Schaltung verwendet, um eine niederfrequente Sinuswelle zu erzeugen.
Die Verwendung von Generatoren mit Schwingkreisen (Typ LC) Schwingungen mit Frequenzen von weniger als 15-20 kHz zu erzeugen, ist aufgrund der Sperrigkeit der Schaltungen schwierig und unbequem. Derzeit sind für diese Zwecke Generatoren des Typs RC, bei dem anstelle eines Schwingkreises selektive RC-Filter verwendet werden. Generatortyp RC kann sehr stabile Sinusschwingungen in einem relativ weiten Frequenzbereich von Bruchteilen eines Hertz bis hin zu Hunderten von Kilohertz erzeugen. Außerdem sind sie klein und leicht. Die umfassendsten Vorteile von Typengeneratoren RC erscheinen im niederfrequenten Bereich.
Blockschaltbild eines Sinusoszillatortyps RC ist in Abb. 1.5.
Reis. 1,5
Der Verstärker ist in eine konventionelle Widerstandsschaltung eingebaut. Zur Selbsterregung des Verstärkers, d. h. um die anfänglich auftretenden Schwingungen in kontinuierliche umzuwandeln, ist es erforderlich, einen Teil der Ausgangsspannung am Eingang des Verstärkers anzulegen, der die Eingangsspannung übersteigt oder dieser gleich ist in Größe und stimmt mit dieser in Phase überein, mit anderen Worten, um den Verstärker mit einer ausreichend tiefen Mitkopplung zu bedecken ... Wenn der Ausgang des Verstärkers direkt mit seinem Eingang verbunden ist, tritt eine Selbsterregung auf, jedoch wird die Form der erzeugten Schwingungen stark von der Sinusform abweichen, da die Bedingungen für die Selbsterregung für Schwingungen vieler Frequenzen gleichzeitig erfüllt sind. Um Sinusschwingungen zu erhalten, ist es erforderlich, dass diese Bedingungen nur bei einer bestimmten Frequenz erfüllt sind und bei allen anderen Frequenzen stark verletzt werden.
Reis. 1,6
Diese Aufgabe wird gelöst mit Phasenverschiebungskette, das hat mehrere links RC und dient dazu, die Phase der Ausgangsspannung des Verstärkers um 180° zu drehen. Die Phasenänderung hängt von der Anzahl der Glieder ab P und gleich
Aufgrund der Tatsache, dass ein Link RCändert die Phase um einen Winkel< 90°, минимальное число звеньев фазовращающей цепочки P -- 3. In praktischen Generatorschaltungen werden üblicherweise dreigliedrige Phasenschieberketten verwendet.
In Abb. 1.6 zeigt zwei Varianten solcher Ketten, die jeweils "R-parallel" und "C-parallel" genannt werden. Die Frequenz der erzeugten Sinusschwingungen für diese Schaltungen unter der Bedingung R1 = R 2 = R 3 = R und C T = C 2 = C3 = C wird nach folgenden Formeln berechnet: für die Schaltung in Abb. 1.6, a:
für die Schaltung in Abb. 4.6, B:
Um den Amplitudenausgleich zu gewährleisten, muss die Verstärkung des Verstärkers gleich der Dämpfung sein, die durch die Phasenverschiebungsschaltung eingeführt wird, durch die die Spannung vom Ausgang in den Eingang des Verstärkers eintritt, oder diese überschreiten.
Berechnungen zeigen, dass für die obigen Schemata die Dämpfung
Folglich können Schaltungen, die dreigliedrige Phasenschieberketten mit den gleichen Gliedern verwenden, Sinusschwingungen mit einer Frequenz . erzeugen F 0 nur wenn die Verstärkung des Verstärkers 29 überschreitet.
In einer Phasenverschiebungsschaltung mit den gleichen Verbindungen hat jede nachfolgende Verbindung einen Nebenschlusseffekt auf die vorherige. Um die Nebenschlusswirkung der Verbindungen zu reduzieren und die Dämpfung im phasenschiebenden Rückkopplungskreis zu reduzieren, wird der sogenannte progressiv Ketten. In diesem Fall wird der Widerstandswert des Widerstands jeder nachfolgenden Verbindung in gewählt tn mal größer als der Widerstand der vorherigen Verbindung, und die Kapazitäten der nachfolgenden Verbindungen nehmen um den gleichen Betrag ab:
Normalerweise der Wert T 4-5 nicht überschreitet.
In Abb. 1.7 zeigt einen von mögliche Schemata Autogeneratortyp RC mit einer Phasenverschiebungskette.
Im Hinblick auf die Gewährleistung des Phasengleichgewichts könnte ein solcher Generator auf einem Transistor gebaut werden (T2) mit einem gemeinsamen Emitter. In diesem Fall jedoch überbrückt die Rückkopplungsschleife den Widerstand R K Verstärkungstransistor und verringert seine Verstärkung, und der niedrige Eingangswiderstand des Transistors erhöht die Dämpfung in der Rückkopplungsschaltung dramatisch. Daher empfiehlt es sich, den Ausgang der Phasenschieberschaltung und den Eingang des Verstärkers durch einen auf einem Transistor T1 montierten Emitterfolger zu trennen.
Der Autogenerator startet in dem Moment, in dem die Stromquelle eingeschaltet wird. Der resultierende Kollektorstromimpuls enthält ein breites und kontinuierliches Frequenzspektrum, das notwendigerweise die erforderliche Erzeugungsfrequenz enthält. Durch die Erfüllung der Selbsterregungsbedingungen werden die Schwingungen dieser Frequenz ungedämpft, während die Schwingungen aller anderen Frequenzen, für die die Phasengleichheitsbedingung nicht erfüllt ist, schnell abgeschwächt werden.
Selbstschwinger mit Phasenschieberschaltungen werden üblicherweise verwendet, um Sinusschwingungen fester Frequenz zu erzeugen. Dies liegt an der Schwierigkeit, die Frequenz über einen weiten Bereich abzustimmen. Reichweite Autogeneratoren Typ RC sind etwas anders aufgebaut. Betrachten wir dieses Problem genauer.
Wenn der Verstärker die Phase des Eingangssignals um . dreht 2? (zum Beispiel ein Verstärker mit einer geraden Stufenzahl), dann kann er, wenn er mit einer ausreichend tiefen Mitkopplung bedeckt ist, elektrische Schwingungen erzeugen, ohne eine spezielle Phasenverschiebungskette einschalten zu müssen. Um die erforderliche Frequenz von Sinusschwingungen aus dem gesamten Spektrum der von einer solchen Schaltung erzeugten Frequenzen zu isolieren, muss sichergestellt werden, dass die Bedingungen der Selbsterregung nur für eine Frequenz erfüllt sind. Zu diesem Zweck kann in die Rückkopplungsschaltung eine Reihen-Parallel-Selektivschaltung eingefügt werden, deren Schaltplan in Abb. 1.8.
Reis. 1.7
Lassen Sie uns die Eigenschaften dieser Kette definieren und sie als Spannungsteiler betrachten.
Es gibt einen offensichtlichen Zusammenhang zwischen den Ausgangs- und Eingangsspannungen.
Das Spannungsübertragungsverhältnis dieser Schaltung
Bei der Quasi-Resonanzfrequenz w 0 muss der Spannungsübertragungskoeffizient gleich einer reellen Zahl sein. Dies ist nur möglich, wenn die Widerstände, die durch die entsprechende mathematische Schreibweise im Zähler und Nenner der letzten Formel ausgedrückt werden, den gleichen Charakter haben. Diese Bedingung ist nur erfüllt, wenn der Realteil des Nenners Null ist, d.h.
Daher die Quasi-Resonanzfrequenz
Der Spannungsübertragungskoeffizient ist bei der Quasi-Resonanzfrequenz gleich
Setzen Sie in diese Formel den Wert ein
Unter Berücksichtigung von R1 = R 2 = R und C 1 = С 2 = С, wir finden die Endwerte von f 0
Die durch die betrachtete Wahlkette bei der Quasi-Resonanzfrequenz eingeführte Dämpfung beträgt
Dies bedeutet, dass die minimale Verstärkung, bei der die Amplitudensymmetriebedingung erfüllt ist, ebenfalls 3 betragen muss. Diese Anforderung ist offensichtlich ziemlich einfach zu erfüllen. Ein echter Transistorverstärker mit zwei Stufen (der kleinsten geraden Zahl) erlaubt eine Spannungsverstärkung viel größer als ZU Ö = 3. Daher ist es ratsam, neben der positiven Rückkopplung auch eine negative Rückkopplung in den Verstärker einzuführen, die bei gleichzeitiger Reduzierung der Verstärkung gleichzeitig die möglichen nichtlinearen Verzerrungen der erzeugten Schwingungen deutlich reduziert. Schematische Darstellung Ein solcher Generator ist in Abb. 1.9.
Frequenzsprungtransistor RC-Oszillatorschaltung
Der Thermistor im Emitterkreis des Transistors T1 soll die Amplitude der Ausgangsspannung bei Temperaturänderungen stabilisieren. Die Frequenzeinstellung erfolgt über ein paarweise Potentiometer R1R2.
Derzeit werden diskrete Elemente (Transistoren) selten verwendet, um Generatoren mit Strom zu versorgen. Am häufigsten für diese Zwecke verwendet verschiedene Typen integrierte Schaltkreise. Schaltungen auf Basis von Operationsverstärkern, Multiplikatoren, Komparatoren und Timern zeichnen sich durch ihre Einfachheit, Parameterstabilität und Vielseitigkeit aus. Die Flexibilität und Vielseitigkeit des Operationsverstärkers ermöglicht es, mit einer minimalen Anzahl externer Komponenten einfache, aber gleichzeitig bequeme Generatoren fast aller Typen mit zufriedenstellenden Parametern abzustimmen und einzustellen.
Das Funktionsprinzip solcher Generatoren basiert auf der Verwendung von Phasenverschiebungs- oder Resonanzelementen in den OS-Kreisen: einer Wien-Brücke, einer Doppel-T-förmigen Brücke und verschiebenden RC-Kreisen.
Es gibt andere Möglichkeiten, Sinusschwingungen zu erzeugen, beispielsweise durch Filtern von Dreieckspulsen oder Extrahieren der ersten Harmonischen von Rechteckpulsen.
