Генераторы синусоидальных колебаний

4. ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ Колебания синусоидальной формы являются одним из наиболее распространенных в радиоэлектронике видом колебаний. Существует много устройств на различных активных элементах для генерации таких колебаний. Генераторами называются электронные схемы, формирующие переменное напря­жение требуемой формы. Сначала в этой главе будут рассмотрены генераторы сину­соидальных сигналов, а затем генераторы сигналов специальной формы, в частности генераторы треугольного и прямоугольно­го напряжения. 4.1. УСЛОВИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ Рис. 4.1. Блок-схема генератора На рис. 4.1 показана блок-схема генератора. Усилитель усиливает входной сигнал в А раз. При этом между выходным U2 и входным U1 напряжениями усили­теля возникает паразитный фазовый сдвиг . К выходу усилителя подключены нагрузочное сопротивление Rv и схема частотно-зависимой обратной связи, которая может представлять собой, например, колеба­тельный контур. При этом, напряжение, используемое для осуществления обратной связи, составляет U 3 = кU2. Обозначим фазовый сдвиг между напряжениями U3 и U 2 символом . Для того чтобы определить, будет ли схема с замкнутой обратной связью гене­рировать переменное напряжение, нагру­зим выход схемы обратной связи разомк­нутого генератора на резистор с сопротив­лением Rе, которое равно входному сопро­тивлению усилителя, и оценим величину выходного напряжения U3 при подаче на вход усилителя переменного напряжения U1. Условием генерации замкнутой схемы является равенство выходного напряжения схемы обратной связи и входного напряже­ния усилителя. Это условие записывается следующим образом: U1=U3=kAU1 Коэффициент петлевого усиления должен, таким образом, равняться g = к А = 1. (4.1) Из этого соотношения следуют два усло­вия: \g\ = \к\ * \а\ = 1, (4.2) +  = 0; 2л, .... (4.3) Соотношение (4.2) называется условием баланса амплитуд. Оно заключается в том, что схема генератора может возбуждаться только тогда, когда усилитель компенси­рует потери в схеме обратной связи. Соот­ношение (4.3) называется условием баланса фаз. Оно означает, что колебания в замк­нутой системе могут возбуждаться только тогда, когда фаза выходного напряжения схемы обратной связи и фаза входного на­пряжения усилителя совпадают, т.е. обратная связь является положительной. Широкополосность цепи ОС является характерным призна­ком всех генераторов импульсов, причем во всех случаях на частоте  > 0 выполняется условие g < 1. В противном случае устройство превратится в триггер. Это условие свидетельствует о наличии накопителя энергии, уменьшающего петлевое усиле­ние на низких или инфранизких частотах до уровня, при котором невозможно появление устойчивого состояния. Генераторы синусоидального напряжения отличаются тем, что у них цепь обратной связи имеет резонансные свойства. Поэтому условия возникновения колебаний выполняются толь­ко на одной частоте, а не в полосе частот, как у генераторов импульсов. В качестве резонаторов, обеспечивающих получение резонансных свойств, используют LC-контуры, RC-цепи опре­деленного вида, кварцевые резонаторы, электромеханические колебательные системы и др. Различают «мягкий» и «жесткий» режимы возбуждения генераторов. При мягком режиме петлевое усиление больше единицы (\g\>1) в момент включения напряжения питания. Тогда любые шумы или возмущения в системе, вызванные случайными факторами, усиливаются и через цепь обратной связи подаются на вход усилителя в фазе, совпадающей с фазой входного сигнала, причем величина этого дополнительного сигнала больше того возмущения, которое вызвало его появле­ние. Соответственно увеличится выходное напряжение, что приведет к дальнейшему увеличению входного сигнала и т. д. В итоге случайно возникшее возмущение приведет к непрерыв­ному нарастанию выходного сигнала, которое достигло бы бесконечного большого значения, если бы это было возможно. Однако при определенном уровне сигнала начинают проявлять­ся нелинейные свойства электронного усилителя. Коэффициент усиления начинает уменьшаться с увеличением значения сигнала в системе. При выполнении условия g = 1 амплитуда автоколе­баний стабилизируется и автогенератор начинает давать колеба­ния, имеющие постоянную амплитуду. Рис. 4.2. «Жесткий» режим возникновения автоколебаний. Жесткий режим возбуждения отличается от рассмотренного тем, что при нем для возникновения автоколебаний необходимо приложить к устройству дополнитель­ный внешний сигнал, не меньший определенного значения. Это связано с осо­бенностями нелинейности усилительного устройства. В момент включения на­пряжения питания и отсут­ствия автоколебаний g < 1. Поэтому они сами собой возникнуть не могут. Коэффициент усиления зависит от амплитуды выходного сигнала. Поэтому если на вход усилителя подать дополнительный электрический сигнал, то при опре­деленном его значении начнет выполняться условие g > 1. При этом возникнут автоколебания, амплитуда которых будет нарастать и примет стационарное значение при g = 1. Процесс возникновения колебаний поясняет рис. 4.2. При приложении входного сигнала, большего UвхА, например UBXl, он усилива­ется до напряжения, определяемого точкой 1, и снова подается на вход. Входное напряжение станет равным UBx2. Выходное напряжение будет определяться точками 2—6 и т. д. Процесс увеличения амплитуды прекратится при достижении выходным сигналом значения Uуст (точка 6, в которой g=1). Если каким-либо путем амплитуду выходного сигнала уменьшить до значения, меньшего UвхА, то автоколебания прекратятся. На практике активные приборы в автогенераторах часто работают с отсечкой тока. Поэтому подход, основанный на использовании теории обратной связи, обычно применяют для пояснения физической картины процессов. Анализ и расчет автогенераторов проводят другими методами, в основе которых лежит баланс энергий, рассеиваемых в устройстве и отбираемых от источника питания. 4.2. Генераторы LC-типа. Эти генераторы имеют сравнительно высокую стабильность частоты колебаний, устойчиво работают при значительных изменениях параметров транзисторов, обес­печивают получение колебаний, имеющих малый коэффициент гармоник. К недостаткам их относятся трудности изготовления высокостабильных температурно-независимых индуктивностей, а также высокая стоимость и громоздкость последних. Особен­но это проявляется при создании автогенераторов диапазона инфранизких частот, в которых даже при применении фер­ромагнитных сердечников габаритные размеры, масса и сто­имость получаются большими. В генераторе LC-типа формы выходного напряжения весьма близка к гармонической. Это обусловлено хорошими фильтру­ющими свойствами колебательного LC-контура. Они, как правило, работают с «отсечкой» тока активных приборов усилителя. Соответственно форма выходного тока усилителя резко отличается от синусоидальной. При этом в начальный момент возникновения автоколебаний |g|»1, что обеспечи­вает устойчивую работу автогенератора даже при значительных изменениях параметров его элементов. Для самовозбуждения генератора LC-типа также необходимо наличие положительной обратной связи. Сущность самовозбуждения заключается в следующем. При включении источника питания конденсатор колебатель­ного контура, включенного чаще всего в коллекторную цепь транзистора, заряжается. В контуре возникают за­тухающие автоколебания, причем часть тока (напряжения) этих колебаний подается на управляющие электроды активного прибора, образуя положительную обратную связь. Это приводит к пополнению энергии LC-контура. Автоколебания превращаются в незатухающие. Частота автоколебаний в первом приближении определяется резонансной частотой LC-контура: Многочисленные схемы автогенераторов LC-типа различа­ются в основном схемами введения сигнала обратной связи и способами подключения к усилителю колебательного контура. На рис. 4.3, а показано введение положительной ОС с помощью трансформаторной обратной связи (обмотка 2). Напряжение ОС зависит от соотношения числа витков обмоток 1 и 2. На рис. 4.3, б использована автотрансформаторная обратная связь. Источник питания Е подключен к части витков катушки индуктивности L, что уменьшает его шун­тирующее действие и повышает добротность колебательного контура LCV. Сопротивление разделительного конденсатора С2 на частоте колебаний близко к нулю. На рис. 4.3, в показан генератор, собранный по схеме емкостной трехточки. В нем напряжение обратной связи снимается с конденсатора С2. Энергия, поддерживающая автоколебания, вводится в форме импульсов тока /э. Для уменьшения шунтирующего действия транзистора он подключен к контуру через емкостный делитель напряжения. Рис. 4.3. LC- автогенераторы: а – с трансформаторной ОС; б – с автотрансформаторной ОС; в – с емкостной трехточкой. Для количественной оценки устойчивости автоколебаний часто вводят коэффициент регенарации. Это безразмер­ный коэффициент, характеризующий режим работы автогене­ратора и показывающий, во сколько раз можно уменьшить добротность Q колебательной системы по сравнению с ее исходным значением, чтобы автогенератор оказался на границе срыва колебаний: где XL — реактивное сопротивление индуктивности контура; R—экви­валентное активное сопротивление контура, включающее и сопротив­ление активного элемента, шунти­рующего его. В низкочастотных автогенераторах коэффициент реге­нерации обычно не менее 1,5—3. Следует отметить, что в тран­зисторных генераторах источник возбуждающих колебаний имеет, как правило, малое внутреннее со­противление. Следовательно, в цепи базы протекает ток несинусоидаль­ной формы, а напряжение база — эмиттер остается синусоидальным. Рис. 4.4. Форма коллекторного тока и генерируемого автогенератором сигнала Хорошие энергетические показатели у генератора могут быть получены только при работе с «отсечкой тока» (ток через транзистор имеет форму импульсов; рис. 4.4, а). При этом считается, что наилучшие энергетические характеристики имеют место при угле отсечки 50о-70°. В то же время для возникновения автоколебаний необходимо, чтобы угол отсечки составлял 90°. В противном случае до возникновения автоколебаний на базе транзистора будет только запирающее напряжение и без воздействия дополнитель­ного внешнего отпирающего напряжения («жесткий» режим возбуждения) автоколебания не возникнут. При «мягком» режиме возбуждения на базу должно быть подано отпирающее напряжение порядка 0,3—0,5 В. При возникновении автоколебаний смещение должно автоматиче­ски изменяться в зависимости от амплитуды колебаний до получения нужного угла отсечки. Здесь нетрудно увидеть взаимосвязь с рассмотренным выше положением о необ­ходимости введения цепи, изменяющей смещение до получения |g| = 1. При достаточно глубокой ОС и неправильно подобранных емкостях конденсаторов Сэ, Сб (рис. 4.3, а) может возникнуть прерывистая генерация или автомодуляция. В этом случае амплитуда колебаний имеет переменное значение или умень­шается до нуля на определенные промежутки времени (рис. 4.3, б). Прерывистая генерация обусловлена тем, что при определенных условиях напряжение автоматического смещения вследствие зарядки конденсаторов Сб, Сэ и Сэ может при­близиться к амплитуде напряжения ОС. Транзистор перестанет открываться и пополнять энергию колебательного контура. В итоге автоколебания быстро затухнут до нуля и возникнут снова только после разрядки конденсаторов С6 и Сэ. Затем процесс нарастания амплитуды, зарядки конденсаторов и срыва автоколебаний повторится. Поэтому цепи, обеспечивающие 4.3. АВТОГЕНЕРАТОРЫ ТИПА RС Применение генераторов с колебательными контурами (типа LC) для генерирования колебаний с частотами меньше 15—20 кГц затруд­нено и неудобно из-за громоздкости контуров. В настоящее время для этих целей широко используются генераторы типа RC, в которых вместо колебательного контура применяются избирательные RС-фильтры. Генераторы типа RC могут генерировать весьма стабильные синусоидальные колебания в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Кроме того, они имеют малые габа­риты и массу. Наиболее полно преимущества генераторов типа RC проявляются в области низких частот. Структурная схема генератора синусоидальных колебаний типа RC приведена на рис. 4.5. Рис. 4.5. Структурная схема RC-генератора Усилитель строится по обычной резистивной схеме. Для само­возбуждения усилителя, т. е. для превращения первоначально возникших колебаний в незатухающие, необходимо на вход усилителя подавать часть выходного напряжения, превы­шающую входное напряжение или рав­ную ему по величине и совпадающую с ним по фазе, иными словами, охватить усилитель положительной обратной связью достаточной глубины. При непо­средственном соединении выхода усили­теля с его входом происходит само­возбуждение, однако форма генерируемых колебаний будет резко отличаться от синусоидальной, поскольку условия самовозбуждения будут одновременно выполнять­ся для колебаний многих частот. Для получения синусоидальных ко­лебаний необходимо, чтобы эти условия выполнялись только на одной определенной частоте и резко нарушались на всех других частотах. Рис. 4.6. Трехзвенные фазовращающие цепочки: а – типа «R-параллель»; б – типа «C-параллель» Эта задача решается с помощью фазовращающей цепочки, которая имеет несколько звеньев RC и служит для поворота фазы выходного напря­жения усилителя на 180°. Изменение фазы зависит от числа звеньев п и равно В связи с тем что одно звено RC изменяет фазу на угол < 90°, ми­нимальное число звеньев фазовращающей цепочки п — 3. В практи­ческих схемах генераторов обычно используют трехзвенные фазовращающие цепочки. На рис. 4.6 изображены два варианта таких цепочек, получив­ших название соответственно «R-параллель» и «С-параллель». Час­тота генерируемых синусоидальных колебаний для этих схем при условии R1 = R2 = R3 = R и Ct = С2 = С3 = С рассчитывается по следующим формулам: для схемы на рис. 4.6, а: для схемы на рис. 4.6, б: Для обеспечения баланса амплитуд коэффициент усиления уси­лителя должен быть равен затуханию, вносимому фазовращающей цепочкой, через которую напряжение с выхода поступает на вход усилителя, или превышать его. Расчеты показывают, что для приведенных схем затухание Следовательно, схемы с использованием трехзвенных фазовращающих цепочек, имеющих одинаковые звенья, могут генерировать синусоидальные колебания с частотой f0 лишь в том случае, если коэф­фициент усиления усилителя превышает 29. В фазовращающей цепи с одинаковыми звеньями каждое после­дующее звено оказывает шунтирующее действие на предыдущее. Для уменьшения шунтирующего действия звеньев и снижения затухания в фазовращающей цепи обратной связи могут применяться так назы­ваемые прогрессивные цепочки. В этом случае сопротивление рези­стора каждого последующего звена выбирается в tn раз больше сопро­тивления предыдущего звена, а емкости последующих звеньев во столько же раз уменьшаются: Обычно величина т не превышает 4—5. На рис. 4.7 приведена одна из возможных схем автогенератора типа RC с фазовращающей цепочкой. С точки зрения обеспечения условия баланса фаз такой генера­тор можно было бы построить и на одном транзисторе (Т2) с общим эмиттером. Однако в этом случае цепочка обратной связи шунтирует резистор RK усилительного транзистора и снижает его усиление, а малое входное сопротивление транзистора резко увеличивает затуха­ние в цепи обратной связи. Поэтому целесообразно разделить выход фазовращающей цепи и вход усилителя с помощью эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе Т1. Работа автогенератора начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содер­жит широкий и непрерывный спектр частот, обязательно включаю­щий в себя и необходимую частоту генерации. Благодаря выполнению условий самовозбуждения колебания этой частоты становятся неза­тухающими, тогда как колебания всех других частот, для которых условие баланса фаз не выполняется, быстро затухают. Автогенераторы с фазовращающими цепями обычно применяются для генерации синусоидальных колебаний фиксированной частоты. Это связано с трудностью перестройки частоты в широком диапазоне. Диапазонные автогенераторы типа RC строятся несколько иначе. Рассмотрим этот вопрос более подробно. Если усилитель поворачивает фазу входного сигнала на 2 (на­пример, усилитель, имеющий четное число каскадов), то при охвате положительной обратной связью достаточной глубины он может генерировать электрические ко­лебания без включения специальной фазовращающей цепочки. Для выделения требуемой частоты синусоидальных колебаний из всего спектра частот, генерируемых такой схемой, необходимо обеспечить выполнение условий самовоз­буждения только для одной частоты. С этой целью в цепь обратной связи может быть включена последовательно-параллельная избира­тельная цепочка, схема которой приведена на рис. 4.8. Рис. 4.7. RC-генератор Рис. 4.8. Последовательно-параллельной с фазовращающей цепью избирательная цепочка обратной связи Определим свойства этой цепочки, рассматривая ее как делитель напряжения. Между выходным и входным напряжениями существует очевидная зависимость Коэффициент передачи напряжения этой цепью На квазирезонансной частоте w0 коэффициент передачи напряжения должен быть равен действительному числу. Это возможно лишь в том случае, если сопротивления, выраженные соответствующей мате­матической записью в числителе и знаменателе последней формулы, будут иметь одинаковый характер. Данное условие обеспечивается лишь в том случае, если действительная часть знаменателя равна нулю, т. е. Отсюда частота квазирезонанса Что же касается коэффициента передачи напряжения, то на квази­резонансной частоте он равен Подставляя в эту формулу значение 0, получим Считая R1 = R2 = R и C1 = С2 = С, найдем окончательные значе­ния f0 и 0; Затухание, вносимое рассматриваемой избирательной цепочкой на квазирезонансной частоте, равно Это означает, что минимальный коэффициент усиления, при котором удовлетворяется условие баланса амплитуд, также должен быть ра­вен 3. Очевидно, что это требование выполнить достаточно легко. Ре­альный транзисторный усилитель, имеющий два каскада (наименьшее четное число), позволяет получить усиление по напряжению, намного превышающее Ко = 3. Поэтому целесообразно наряду с положитель­ной обратной связью ввести в усилитель отрицательную обратную связь, которая, снижая коэффициент усиления, в то же время суще­ственно уменьшает возможные нелинейные искажения генерируемых колебаний. Принципиальная схема такого генератора приведена на рис. 4.9. 4.9. Схема транзисторного RC-генератора с перестройкой частоты Терморезистор в цепи эмиттера транзистора Т1 пред­назначен для стабилизации амплитуды выходного напряжения при изменении температуры. Регулировка частоты осуществляется с по­мощью спаренного потенциометра R1R2. В настоящее время дискретные элементы (транзисторы) достаточно редко используются для постоения генераторов. Чаще всего для этих целей применяют различные типы интегральных микросхем. Схемы, построенные на ОУ, перемножителях, компараторах и таймерах, отличаются простотой, стабильностью параметров, уни­версальностью. Гибкость и универсальность ОУ позволяют с минимальным количеством внеш­них компонентов создавать простые, но в то же время удобные при настройке и регулировке генераторы практически всех типов с удовлетворительными параметрами. Принцип работы таких генераторов основан на использовании в цепях ОС фазосдвигающих или резонансных элементов: моста Вина, двойного Т-образного моста, сдвигающих RС-цепей. Суще­ствуют и другие способы генерирования синусоидальных колеба­ний, например фильтрацией импульсов треугольной формы или выделением первой гармонической составляющей прямоугольных импульсов. 4.3.1. Стабилизация амплитуды выходного напряжения генератора. Для того чтобы амплитуда сигналов на выходе генератора синусоидальных колебаний оставалась постоянной, необходима строго регулируемая ОС. Однако в ряде случаев это значительно усложняет схему генератора. Обычно для стабилизация амплитуды выходного сигнала генератора применяются нелинейные эле­менты: диоды, стабилитроны, лампочки накаливания, терморезисторы, полевые транзисторы и др. В таблице 4.1. приведены схемы основные характеристики некоторых распространенных типов генераторов. Табл. 4.1. Один из наиболее простых способов стабилизации показан на рис. 4.10. Рис. 4.10. Стабилизация амплитуды выходного напряжения генератора терморезистором. Он заключается о использовании делителя напряжения, включенного в цепь положительной ОС ОУ в состоящего из постоянного резистора R4 и терморезистора RТ с отрицательным температурным коэффициентом сопротив­ления. Терморезистор стабилизирует цепь ОС если выходная амплитуда воз­растает, сопротивление терморезистора падает и обратная связь уменьшается и наоборот. Резисторы R1 и R2 в цепи ОС предотвращают искажение выходного сигнала, не позволяя амплитуде возра­стать слишком сильно. В результате уровень выходного сигнала остается постоянным даже при изменении частоты генерации и замене элементов R3 или С. Величина напряжения питания Un может изменяться от 5 до 18 В. Амплитуда выход­ного сигнала задается величиной R2; во из­бежание искажений она должна быть значи­тельно меньше Uп. Частота генерации в схе­ме с указанными номиналами компонентов равна 2 кГц. Другой метод стабилизации амплитуды выходного напряжения генератора синусои­дальных сигналов с применением в цепи ОС светодиодов представлен на рис. 4.11. Для нормальной работы этого генератора с мо­стом Вина нужно, чтобы коэффициент усиления ОУ был равен 3 при требуемом уровне выходного сигнала. В дополнительной цепи ОС желательно использовать низкоомные резис­торы R5 и R6, что позволит пропускать значительный ток (до 5 мА) через светодиоды. При этом диоды будут находиться в оптимальном режиме. Рис. 4.11. Генератор с АРУ Рис. 4.12. Генератор с АРУ на светодиодах на основе диодного моста Рассмотренная схема обеспечивает нелинейные искажения выходного синусоидального напряжения на уровне 1%. Резистор R5 может быть исполь­зован для регулировки амплитуды выходного сигнала в пределах ±5—10 B. Выходная частота генерируемого сигнала определяется элементами моста Вина и при указанных номиналах равна 400 Гц. Изменяя эти элементы моста Вина, можно управлять частотой генератора в диапазоне, ограниченном лишь шириной полосы и скоростью нарастания выходного напряжения используе­мого ОУ. Для достижения стабильной работы генератора желательно при­менять высококачественные элементы в мосте Вина. На рис. 4.12 показана схема, основанная, как и предыдущая, на мосте Ви­на, с тем лишь отличием, что АРУ в эюй схеме осуществляется диодным мос­том и стабилитроном в цепи отрицательной ОС ОУ. При наличии АРУ в такой схеме первоначальное значение коэффициента усиления по петле отрицательной ОС устанавливается несколько выше необходимого для обеспечения запуска генератора. Впоследствии цепь АРУ, включаясь, снижает усиление и предотвращает дальнейшее повышение ампли­туды выходного напряжения, которое без АРУ ограничивается лишь при насыщении усилителя, что приводит к большим искажениям. Пo этой же при­чине первоначальное превышение коэффициента усиления ОУ по сравнению с требуемым для нормальной работы генератора значением (в данном случае равное 3) не должно быть значительным. Рис. 4.13. Генератор с АРУ на полевом транзисторе Амплитуда выходного сигнала определяется пороговым напряжением стабилитрона. Коэффициент нелинейных искажений генератора при правиль­ном подборе резисторов и стабилитрона не превышает 0,5%. В схеме на рис. 4.13 в качестве нелинейного элемента, обеспечивающего АРУ, использован ПТ. Этот генератор состоит из пикового детектора и ПТ, который работает в режиме управляемого напряжения резистора и включен в двойную цепь с регенеративной ОС. В этой схеме выходной синусоидальный сигнал детектируется пиковым детектором и результирующее напряжение в виде постоянного потенциала, изменяющегося с изменением амплитуды на выходе, подается на затвор ПТ. Уровень этого управляющего напряжения подбирается потенциометром 5 кОм так, чтобы при изменении сопротивления канала транзистора автоматически выполнялось условие генерации и повышалась стабильность работы схемы при любых амплитудах выходного напряжения. При указанных на рисунке номиналах элементов схема генерирует си­нусоидальные Колебания частотой 1460 Гц и амплитудой 5 В в нагрузке соп­ротивлением 1 кОм Изменение напряжения источника питания от ±8 до ±18 В практически не оказывает влияния на параметры выходного сигнала. В температурном диапазоне 0—65° С амплитуда колебаний изменяется на 6% и частота на 1,5%. Для генерирования сигнала другой частоты необхо­димо изменить соответствующий образом номиналы резисторов и конденса­торов в двойном Т-образном мосте Разновидность схемы генератора со стабилизацией амплитуды с по­мощью ПТ и использованием в цепи положительной ОС моста Вина, приведена на рис. 4.14. Выходное напряжение генератора выпрямляется, фильтру­ется и подается, в виде управляющего сигнала на затвор ПТ. До тех пор по­ка амплитуда выходного напряжения меньше порога открывания, стабилитро­на, напряжение затвор — исток ПТ равно нулю, и последний эквивалентен низкоомному резистору. Коэффициент передачи ОУ, определяемый цепью отрицательней ОС, в этом случае равен максимально возможному значению. Поэтому амплитуда выходного напряжения будет увеличиваться до тех пор, пока не откроется стабилитрон, который формирует управляющий сигнал, вызывающий запирание ПТ, т. е. повышение сопротивления сток—исток и соответственно увеличение глубины отрицательной ОС. При некотором зна­чении выходного напряжения полное усиление в цепях ОС генератора станет равным единице, что приведет к стабилизации амплитуды Uвых. Рис. 4.14. Генератор на мосте Рис. 4.15. Стабилизация частоты Вина с АРУ кварцевым резонатором В связи с тем, что цепь АРУ управляет усилением при любых амплиту­дах выходного сигнала, разброс сопротивлений резисторов в петле отрица­тельной ОС практически не оказывает влияния на работу схемы. Однако сле­дует отметить, что в течение периода выходного напряжения возможны неко­торые изменения коэффициента усиления в схеме за счет конечного значения времени разряда фильтрующего конденсатора С1 через резистор R2. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо выбирать постоянную времени R2C1, исходя из требуемого уровня стабилизации амплитуды выходного напряже­ния генератора н приемлемого значения времени передачи сигнала по цепи APУ. Схема генератора такого типа обеспечивает уровень искажений сину­соидального напряжения не хуже 0,2% 4.3.2. Стабилизация частоты выходного напряжения генератора. Рассмотрен­ные схемы генераторов синусоидальных колебаний имеют фиксированную частоту выходных сигналов, задаваемую RС-элементами в цепях ОС. Стабиль­ность частоты колебаний, генерируемых такими схемами, в большей степени зависит от качества этих элементов, чем от структуры фазосдвигающей цепи и характеристик ОУ. Поэтому при использовании высококачественных RС-элементов приведенные выше схемы обычно удовлетворяют требова­ниям, предъявляемым к генераторам синусоидальных колебаний в части стабильности частоты выходного сигнала. Однако в некоторых устройствах, например в эталонных генераторах, применяемых в прецизионных радиотехнических и измерительных системах, требуется дополнительная стабилизация частоты, которая обычно осущест­вляется с помощью кварцевого кристалла, включаемого в цепь положитель­ной ОС генератора рис. 4.15. Высокая избирательность кристалла в значительной степени стабилизирует резонансное значение частоты генерации, задаваемое цепью положи­тельной ОС. В этой схеме элементы R и С предназначены в основном для фильтрации высших гармонических составляющих сигнала и выбираются с уче­том резонансного импеданса кристалла. При резонансе кристалл обеспечивает фазовый сдвиг, равный нулю, т. е импеданс представляет собой активное сопротивление. Это сопротивление заменяет один из резисторов в цели поло­жительной ОС ОУ. Для того чтобы выполнить условие согласования резо­нансной частоты кристалла и частоты моста Вина, величину резистора R подбирают равной резонансному сопротивлению кристалла, а значение ем­кости конденсаторов С определяют из выражения RC = 1/(2fвыx). Цепь АРУ, подключенная к инвертирующему входу ОУ, компенсирует изменения резонансного сопротивления кристалла с температурой, поддер­живая тем самым амплитуду и частоту выходных сигналов постоянной. Од­нако при больших изменениях температуры для лучшей стабилизации пара­метров выходного напряжения генератора в цепь положительной ОС последо­вательно с кварцевый кристаллом следует включить добавочный резистор не большого номинала. В этом случае величина резистора R должка быть равна сумме значений добавочного резистора и резонансного сопротивления кри­сталла. Рис. 4.16. Регулировка амплитуды Рис. 4.17. Регулировка амплитуды выходного сигнала генератора выходного сигнала генератора в пределах 0 – 10 В резистором в цепи АРУ 4.3.3. Регулировка амплитуды выходного напряжения. Схема генератора сину­соидальных колебаний, амплитуда которых может регулироваться потен­циометром Rр приведена на рис. 4.16. Частота генераций определяется эле­ментами моста Вина и равна 400 Гц. Цепь АРУ на ПТ обеспечивает стабили­зацию амплитуды генерируемых сигналов на уровне 10 В. Такой метод изменения величины выходного напряжения может быть использован в любой из рассмотренных выше схем генераторов синусоидаль­ных сигналов. Однако при таком включении потенциометра стабильность ра­боты генератора и линейность регулировки величины напряжения на его вы­ходе существенно зависят от значения входного импеданса схемы, на которую нагружен данный генератор В схеме генератора на рис 4.17 амплитуда выходного напряжения регу­лируется потенциометром R7, который изменяет порог включения цепи АРУ, построенной на основе кремниевого диода Д. Когда прямое падение на­пряжения на диоде достигает нескольких сотен милливольт, диод открыва­ется и уменьшает коэффициент усиления ОУ, стабилизируя тем самым ам­плитуду выходного сигнала на уровне, определяемом положением движка потенциометра R7. Настройка схемы осуществляется следующим образом. Перемещением движка потенциометра R7 диод Д подключается к выходу генератора За­тем подбирается значение подстроечного резистора R4, при котором возникает генерация. В этих условиях размах амплитуды выходного сигнала схемы должен быть равен  300 мВ. Если это выполняется, то при перемеще­нии движка потенциометра R7 в другое крайнее положение размах напряже­ния на выходе генератора будет изменяться от 500 мВ до 9 В; при этом ис­кажения формы синусоидальных колебаний незначительны. При указанных на рисунке номиналах схема генерирует колебания частотой 1 кГц. Общим недостатком рассмотренных в этом разделе схем является то, что в них при регулировке амплитуды выходного напряжения существенно изменяются нелинейные искажения генерируемых сигналов и в определен­ных режимах они могут достигать нескольких процентов. Поэтому для построе­ния прецизионных генераторов колебаний с регулируемой амплитудой сле­дует выбрать усилители с управляемым коэффициентом усиления на выходе стабилизированного по амплитуде генератора. В качестве такого генератора можно использовать любой рассмотренный в этом разделе. 4.3.4. Регулировка частоты генератора. Чаще всего перестраиваемые по частоте генераторы строятся на основе моста Вина со стабилизируемой ампли­тудой, как показано на рис 4.18. Рис. 4.18. Генератор с регулировкой Рис. 4.19. Генератор колебаний частоты сдвоенным резистором с частотой 20 Гц – 20 кГц Изменение частоты генерации в схеме осуществляется с помощью спа­ренных резисторов R2 и R3 величиной 10 кОм. Чтобы амплитуда колебаний оставалась постоянной во всем диапазоне частот, на инвертирующем входе ОУ включен потенциальный делитель, сформированный резистором R5 и лампочкой накаливания, имеющей номинальное значение рабочего напря­жения в. пределах 12— 28 В и ток потребления не выше 50 мА. При настрой­ке схемы величину резистора R5 подбирают так, чтобы напряжение на выходе ОУ было равно 2,5 В. В этих условиях искажения выходного синусоидаль­ного сигнала генератора не превышают 0,1%. а ток, потребляемый схемой от источников питания, равен 6 мА С номиналами элементов, указанными на рисунке, схема имеет диапа­зон рабочих частот 150 Гц—1,5 кГц. При необходимости этот диапазон может быть сдвинут изменением номиналов конденсаторов С1 и С2. Однако макси­мальная частота генерации ограничена конечной скоростью нарастания выход­ного напряжении ОУ и для ОУ типа 140УД7 обычно не превышает 25 кГц (при допустимом уровне искажений выходного сигнала) Генератор синусоидального напряжения с регулируемой частотой может быть построен также по принципу фильтрации по первой гармонике прямо­угольных импульсов (табл 4.1) При этом метоле сигнал на выходе генерато­ра будет стабильным по амплитуде, так как стабилизация амплитуды прямоугольного напряжения осуществляется ограничителем. Поэтому, используя генератор прямоугольных импульсов с ограничителем, можно уп­ростить схему генератора синусоидальных колебаний с регулируемой часто­той за счет отсутствия петли АРУ, необходимой для схем с мостом Вина. Поэтому такой генератор быстро запускается, и амплитуда напряжения на его выходе устанавливается за несколько периодов колебаний. На рис. 4.19 представлена схема генератора, в которой перестройка частоты осуществляется одним потенциометром R3. В схеме ОУ1 типа 153УД2 используется в режиме активного фильтра, а компаратор ОУ2 типа 521САЗ является генератором прямоугольного напряжения. Частота сигналов за­висит от значений элементов R1, R3, С1 и С2 (табл. 4.2) Если выбрать номи­налы конденсаторов С1 и С2 одинаковыми, то частота генерируемых колеба­ний определится из выражения f = 1/(2С1 R1R3) В табл. 4.3 приведены значения номиналов конденсаторов, позволяющие получить различные частотные диапазоны. Табл. 4.2. Табл. 4.3. В рассмотренной схеме уровень нелинейных искажений изменяется от 0,75 до 2%, в зависимости от значения резистора R3. Увеличение номинала этого резистора выше 1 кОм приведет к недопустимым искажениям, а умень­шение ниже 50 Ом — к автогенерации схемы фильтра. Получить частоты свы­ше 20 кГц от таких генераторов затруднительно, так как на более высоких частотах падает добротность фильтра, и на выходе появляются импульсы кли­нообразной формы. Нижняя частота генератора ограничивается лишь ем­костью конденсаторов. Для усилителя ОУ1 в схеме использована компенса­ция с опережением, расширяющая полосу усиления свыше 1 МГц и увеличивающая скорость нарастания выходного напряжения до 10 В/мкс. При стандартной схеме компенсации максимальная частота, на которой име­ет место полный размах амплитуды сигнала, ограничена на уровне 6 кГц. Для повышения температурной стабильности схемы следует правильно вы­бирать типы применяемых резисторов и конденсаторов. Используя коммутаторы на МДП-транзисторах, можно построить гене­ратор синусоидальных колебаний с фиксированным набором частот. Схема такого генератора на основе моста Вина изображена на рис. 4.20. Выходная частота задается одним из подключаемых с помощью коммутатора моста Ви­на в соответствии с табл. 5.3. Выбор частоты f1 .., f4 производится при помощи напряжения отрица­тельной полярности величиной — 9 В, подаваемого на один из входов схемы. Управление частотой такого генератора может осуществляться с выхода логических схем. Если необходимо, последовательность изменения выходной частоты может быть запрограммирована программно-временным устройством, управляющим МДП-транзисторами. Диапазон генерируемых частот легко из­менить дополнительными частотозадающими цепями и коммутаторами. Рис. 4.20. Генератор с цифровым управлением частотой 4.3.5. Квадратурные генераторы. В тех случаях, когда необходимо получить два вида колебаний, сдвинутых на 90° друг относительно друга (синусоидальные и косинусоидальные колебания), можно использовать схему, изображен­ную на рис. 4.21. Усилитель ОУ1 включен по схеме активного фильтра низ­ких частот с двумя полюсами. Усилитель ОУ2 работает в режиме интеграто­ра. Поскольку фазовый сдвиг на отставание, вносимый обоими каскадами, составляет 270о, схема может возбудиться при достаточно большом коэффициенте усиления и при сдвиге фаз меньше 180о. Существующий в схеме запас коэффициента усиления обеспечивает устойчивое возбуждение генератора. Стабилизация размаха амплитуды выходного сигнала осуществляется включением в схему генератора ограничивающих стабилитронов Д1и Д2. Наличие диодов приводит к возникновению нелинейных искажений синусо­идального сигнала, однако влияние последних уменьшается при использовании фильтров, пропускающих низкие частоты. Если диоды Д1 и Д2 имеют одинаковые пороговые напряжения, то в результате симметричного ограничения сигнала практически исключаются искажения в виде четных гармоник. Поэтому основной помехой будет третья гармоника, причем ее уровень составляет — 40 дБ от уровня полезной первой гармоники на выходе усилителя OУ 1 и — 50 дБ на выводе ОУ2. Это означает, что гармонические искажения синусоидального и косинусоидального сигналов не превышают 1 и 0,3% соответственно. Рис. 4.21. Квадратурный генератор на двух ОУ Частота генерации и порог возбуждения схемы определяются выбором номиналов прецизионных элементов R1—R3 и С1—СЗ, которые должны иметь малые разбросы и температурные коэффициенты. Номинал резистора R3 можно выбрать меньшим, чем указано на рис. 4.21; при этом допускается использовать другие элементы с большим разбросом без существенного ухуд­шения условий возбуждения. Номинал резистора R4 не критичен, но следует учитывать, что он должен быть значительно меньше номинала резистора R2, чтобы падение напряжения на резисторе R4 было незначительным, когда ог­раничивающие диоды открыты. С указанными номиналами элементов схема генерирует колебания частотой 1 Гц Заменив элементы, задающие частоту выходных сигналов, можно расширить рабочий диапазон частот схемы до 1 кГц. Рис. 4.22. Квадратурный генератор с регулируемой частотой колебаний Более совершенная схема квадратурного оператора с использованием перемножителей напряжения для управления цепью ОС показана на рис. 4.22. В этой схеме имеется возможность регулировки частоты синусоидальных и косинусоидальных сигналов с помощью управляющего напряжения Uупр. При изменении управляющего напряжения меняется частота колебаний в соответствии с выражением f = Uупр/20RC) Следует отметить, что в приведенной схеме генератора наблюдается некоторая зависимость ампли­туды выходных сигналов от частоты Поэтому для ликвидации этой зависи­мости необходимо дополнить схему одной из рассмотренных выше цепей АРУ. Схему такого генератора с регулируемой частотой удобно использовать в качестве частотного или амплитудно-частотного модулятора. Диапазон из­менения рабочих частот генератора определяется перемножителями и равен 100. .