План лекции. «Условие самовозбуждения автогенератора (АГ)

Лекция № 8

Тема лекции:

«Условие самовозбуждения автогенератора (АГ). Одноконтурный АГ. Кварцевый АГ. Понятие про частотный синтезатор. Безиндуктивные автогенераторы»

Оптическое изображение и особенности восприятия 2

Литература

Е. А. Москатов Основы телевидения, 2005р. - 162 с

Г л а в а 12. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ

КОЛЕБАНИЙ

12.1. УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ АВТОГЕНЕРАТОРА

Общие сведения. Автогенератор (АГ) или генератор с самовозбуждением является первичным источником электрических колебаний. В АГ энергия источников питания преобразуется в энергию колебаний без использования внешнего воздействия.

Автогенераторы широко применяются в качестве задающих генераторов (возбудителей) в РПДУ, гетеродинов в РПУ, в измерительных генераторах и другом РЭО. Они задают частоту PC, формируемого в РПДУ или принимаемого РПУ. Поэтому ими определяется диапазон изменения или фиксированное значение рабочей частоты и ее стабильность.

Стабильность частоты оценивается абсолютным или относительным значением отклонения частоты сигнала от ее номинального значения.

Абсолютное отклонение (или "уход") частоты равно разности между ее фактическим (измеренным) и номинальным (установленным, первоначальным) значениями:. Относительная нестабильность

Чем выше стабильность частоты РПДУ (меньше), тем уже частотный канал, больше число каналов в данном диапазоне и тем устойчивее бесподстроечная радиосвязь. Однополосная связь, для которой необходимо точное восстановление несущей частоты, возможна при весьма высокой стабильности частоты (). Поэтому требования к ней непрерывно повышаются, а сама она является одной из важнейших проблем радиотехники.

Автогенератор как усилитель с ПОС. Для усилителя с обратной связью была получена формула коэффициента усиления:. Вновь обратимся к структурной схеме такого усилителя (рис. 12.1, а)и рассмотрим случай положительной обратной связи. Для превращения ООС в ПОС надо изменить на обратную фазу напряжения обратной связи поменяв местами провода в цепи ОС.

Режим регенерации. При ПОС знаменатель в формуле меньше единицы и. Возрастание усиления связано с тем, что при ПОС напряжения и совпадают по фазе и складываются, амплитуды тока и выходного напряжения растут. Такой режим, называемый регенеративным, широко использовался в резонансных УРЧ в досупергетеродинный период. Энергия, вносимая во входной контур через цепь ПОС, компенсирует часть потерь. Это приводит к росту добротности, избирательности и усиления, а также сужению полосы, т. е. к улучшению показателей РПУ прямого усиления, а также сужению полосы, т. е. к улучшению показателей РПУ прямого усиления на высоких радиочастотах, когда полоса оказывается чрезмерно широкой. Однако этот режим неустойчив и поэтому в современном РЭО практически не используется.

Режим самовозбуждения. Если принять, то окажется, что. Бесконечно большое значение коэффициента усиления возможно только в случае, если при отсутствии сигнала на входе на выходе он существует, ибо другой случай нереален. Это означает, что если отключить возбудитель и замкнуть входные зажимы, то на выходе будет действовать напряжение, т. е. усилитель превратится в автогенератор.

Условия самовозбуждения, при которых возможен этот режим, могут быть качественными (необходимыми) − баланс фаз и количественными (достаточными) − баланс амплитуд.

Баланс фаз (БС) − это условие существования ПОС, необходимой для режимов регенерации и самовозбуждения. В усилителе при ПОС напряжеeния совпадают по фазе. В автогенераторе, поэтому условие формулируется следующим образом: обратная связь положительна, если сумма сдвигов фаз напряжения в цепях прямой и обратной связи равна нулю или (что то же самое) целому числу полных углов (рис. 12.1, а, б):

где

При выполнении этого условия напряжение имеет такую же фазу, как если бы оно поступало от внешнего возбудителя. Если усилитель в цепи ПС собран на схеме с общим эмиттером (катодом, истоком), он поворачивает фазу на угол. На такой же угол ее надо повернуть в цепи ОС, как это обозначено на рис. 12.1, а. Если в цепи ПС использован усилитель по схеме с общей базой (сеткой, затвором), в котором фаза напряжения не изменяется, то сдвига фаз в цепи ПОС не требуется.

Баланс амплитуд (БА) выполняется, если ПОС достаточно сильна для самовозбуждения. Поскольку для получения потребовалось, то минимально необходимый для самовозбуждения (критический) коэффициент обратной связи равен величине, обратной коэффициенту усиления:. Это значение соответствует порогу самовозбуждения − границе между режимами регенерации и генерации. При наличии запаса (практически 2 − 3− кратного) условие БА имеет вид:

или.

Для усилителя частота колебаний определяется возбудителем. А на какой частоте возбуждается АГ и одна ли она? Поскольку фазовые соотношения в АГ частотно-зависимы, то автогенератор возбуждается на той частоте на которой точно выполняется условие баланса фаз. Если она одна, имеем моновибратор − АГ гармониче ских колебаний, если их больше, то АГ не гармонических периодических колебаний, в частности импульсных.

Схемы автогенераторов различают в зависимости от того, какой усилитель использован в цепи ПС и каким способом обеспечивается ОС. Радиочастотные АГ строятся на базе резонансных УРЧ, а звуковой частоты − на базе УЗЧ.

Анализ схемы АГ в процессе его изучения можно свести к решению двух задач. Во-первых, надо выяснить, выполняется ли в данной схеме условие БФ и если да, то от чего зависит частота колебаний и как ее можно изменять. Во-вторых, от чего зависит выполнение условия БА и как его можно регулировать. На основе такого подхода рассмотрим простейшие и наиболее типичные схемы АГ.

12.2. ОДНОКОНТУРНЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ

Автогенератор с индуктивной ОС. Автогенератор (рис. 12.2, а)построен на основе резонансного УРЧ на биполярном транзисторе с общим эмиттером. Обратная связь индуктивная через взаимоиндукцию между катушками контура и обратной связи.

В цепь питания коллектора включен развязывающий фильтр Включение конденсатора в контур позволяет непосредственно заземлить ротор КПЕ.

В цепь базы включено два источника напряжения смещения. Фиксированное прямое напряжение исходного смещения подается со средней точки делителя (с резистора заблокированного). Благодаря ему ТИР располагается на линейном участке ВАХ с максимальной крутизной (рис. 12.2, б).

Обратное напряжение автосмещения возникает на узле при наличии колебаний за счет выпрямления напряжения на переходе Э-Б. Этот же узел обеспечивает термостабилизацию режима. Целесообразность такой схемы будет обоснована ниже.

Баланс фаз (рис. 12.2, а)выполняется на той частоте, на которой векторы и (и направлены противоположно друг другу (напряжения сдвинуты по фазе на 180°). Предположим, что частота совпадает с резонансной, а сопротивление не влияет на фазу тока в катушке.

В этих условиях ток отстает по фазе от на, а напряжение − на от тока. Поэтому. В схеме с ОЭ при настроенном контуре и условие БФ выполняется. Следовательно,

Частота АГ определяется параметрами контура и изменяется при помощи КПЕ.

Реально за счет влияния угол между и меньше, а и БФ на частоте не обеспечивается. Это приводит к изменению частоты, расстройке контура и изменению фазы до установления БФ. Однако разница между оказывается настолько малой, что ее в данном случае можно не учитывать.

Баланс амплитуд обеспечен, если. Коэффициент обратной связи или.

Его регулируют, изменяя взаимоиндукцию. Критический коэффициент ОС равен. Для УРЧ при резонансе и

С учетом увеличения за счет расстройки контура и создания запаса устанавливают практически.

Процесс установления автоколебаний (рис. 12.2, б)возникает в ТИР, если выполнены условия БФ и БА. Первоначально колебания очень малой амплитуды возникают за счет шумовых напряжений, в сплошном спектре которых есть составляющая частоты. Для нее усиление в цени ПС больше, чем ослабление в цепи ОС. Поэтому ее амплитуда растет. Возникает нелинейный режим, отсечка. За счет растущего напряжения автобазового смещения точка рабочего режима (ТРР) смещается влево и выходит за пределы ВАХ. В этих условиях уменьшается средняя крутизна, коэффициент усиления,. и возрастает.

При определенной амплитуде колебаний устанавливается баланс () и рост амплитуды прекращается. Этому режиму соответствует точка пересечения графиков. В установившемся режиме С () обеспечен высокий КПД и малая мощность − легкий тепловой режим, что положительно сказывается на стабильности частоты. Таким образом достигается сочетание достоинств линейного режима, при котором легко возникают колебания в начале процесса, и нелинейного, при котором стабильна амплитуда и мала в конце процесса установления.

Трехточечные автогенераторы. Трехточечные автогенераторы (рис. 12.2, в) отличаются видом обратной связи. В схеме индуктивной трехтонки связь автотрансформаторная. Условие БФ выполняется при подключении общего электрода − эмиттера (катода, истока) к средней точке катушки, относительно которой напряжения на крайних точках и противофазны. Условие БА выполняется, если ему удовлетворяет значение, которое для этой схемы равно

Для увеличения надо точку переместить вверх по катушке. Подключение ПРК в точках к БТ превращает схему в трехточечную.

В схеме емкостной трехточки использован емкостный делитель в цепи ОС. Для этой схемы в отличие от предыдущей

так как. Если задана емкость контура, то для последовательного соединения конденсаторов, а, поэтому.

По основным свойствам одноконтурные схемы равноценны. Их общий недостаток − низкая стабильность частоты.

Понятие о параметрической стабилизации частоты. Под влиянием дестабилизирующих факторов (изменения температуры, давления и влажности воздуха, нестабильности нагрузки и питающих напряжений, паразитных связей, механических воздействий) частота колебаний изменяется. Совокупность мер, направленных на ослабление этих влияний, называют мерами параметрической стабилизации частоты. К ним относятся: термостабилизация режима, компенсация температурных изменений и контура, термостатирование, экранирование и герметизация, стабилизация иитаюши: напряжений, выбор элементов, схем и режимов АГ, минимально подверженных деста билизирующим влияниям, конструктивно-технологические меры. Все это позволяет достичь относительной нестабильности, что на один − два порядка хуже значений, достигнутых в современном бортовом РЭО.

Понятие о частотной модуляции. Поскольку частота PC определяется автогене ратором, в нем производится и модуляция частоты путем изменения одного из парамет ров контура и под воздействием управляющего сигнала. В качестве частотного модулятора широко используется емкостный НЭ − варикап, включенный в контур АГ (рис. 12.2, г). Его начальная емкость определяется положением ТИР на вольт-фарадной характеристике, которое зависит от напряжения смещения, Элементы − разделительные. Высокоомное предотвращает шунтирование контура внутренними сопротивлениями источников напряжений, а конденсатор − короткое замыкание варикапа по постоянному току через катушку.

Под воздействием напряжения управляющего сигнала емкость варикапа изменяется. Это приводит к изменению частоты АГ. Неискаженная ЧМ возможна при использовании короткого, практически линейного, участка характеристики. Поэтому амплитуда изменения емкости должна быть мала по сравнению со средним ее значением. Соответственно малыми оказываются и девиация частоты и индекс ЧМ.

Для его увеличения применяют умножение частоты в промежуточных каскадах РПДУ. В этом случае.

Для повышения стабильности средней частоты ЧМС используют ее автоподстройку к высокостабильной опорной частоте. Система АПЧ должна быть инерционной. Компенсируя медленные нестабильные изменения, она не должна реагировать на быстрые изменения с частотой модуляции.

12.3. КВАРЦЕВЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР. ПОНЯТИЕ О ЧАСТОТНОМ СИНТЕЗАТОРЕ

Кварцевая стабилизация частоты. Недостаточно высокая стабильность частоты -автогенератора обусловлена низкой фиксирующей способностью его контура. Как отмечалось в предыдущем параграфе, нарушение баланса фаз влечет за собой изменение частоты до тех пор, пока он не восстановится. Чем выше добротность контура, тем уже его полоса пропускания и тем круче его ФЧХ, т. е. тем больше изменение фазы тока в контуре на каждый герц расстройки. Поэтому при одинаковом нарушении БФ уход частоты меньше в АГ с контуром более высокой добротности. Его фиксирующая способность выше.

Теперь понятно, что если вместо контура с добротностью, например, 100 применить кварцевый резонатор с добротностью 100000, то фиксирующая способность возрастет в 1000 раз и резко повысится стабильность частоты. Поэтому практически во всех современных авиационных РПУ и РПДУ связи и навигации используется кварцевая стабилизация частоты, обеспечивающая.

Процесс стабилизации частоты наиболее просто и наглядно можно объяснить на примере одного из фильтровых кварцевых автогенераторов (КАГ), в котором кварцевый резонатор Кв, используемый в качестве узкополосного фильтра, включен в контур АГ. На рис. 12.3, а приведены контур КАГ с кварцевым резонатором, а также графики процесса стабилизации. Полная схема может быть любой одноконтурной.

Если колебания происходят на частоте последовательного резонанса кварца, то сопротивление кварца чисто активное и он не влияет на процесс колебаний. При повышении частоты, когда оно становится индуктивным и резко возрастает. Это равноценно увеличению индуктивности контура и приводит к понижению частоты до ее совпадения с

Аналогичный процесс, но в обратном направлении, произойдет при понижении В этом случае за счет последовательного соединения двух емкостей общая емкость уменьшится, а повысится. Описанный процесс называют затягиванием частоты. Он используется, в частности, в опорном КАГ радиостанции "Микрон".

Понитие о частотном синтезаторе. Каждый КАГ вырабатывает только одно колебание высокостабильной частоты. А как быть, если требуется получить широкий дискретный диапазон высокостабильных частот? Например, в диапазоне радиостанции "Микрон" их 220000, "Ядро" − 160000 при.

Возникает проблема "размножения" частот, т. е. получения (синтеза) множеств высокостабильных частот при использовании малого числа КАГ и резонаторов. Очевидно, наиболее эффективным был бы такой синтезатор, который при использование единственного опорного КАГ с одним резонатором обеспечивал бы получение любой требуемого числа частот с любым межчастотным интервалом в любом заданном ди апазоне. В этом случае можно создать оптимальные условия работы опорного КАГ, применив наряду с кварцевой параметрическую стабилизацию его частоты, и добиться наивысшей стабильности.

Попробуем "изобрести" такой синтезатор. Вначале выясним, какие арифметические действия надо произвести с опорной частотой для получения произвольной частоты сигнала. Пусть, например, требуется получить

1. Запишем это значение в виде суммы:

.

Показатель степени в каждом слагаемом назовем номером десятичного разряда (например, − пять единиц третьего разряда).

2. Выберем частоту опорного генератора (например, − единица третьего разряда) и получим опорные частоты младших разрядов путем деления на.

3. В каждом разряде умножим опорную частоту на число единиц: 5 − в третьем, 3 − во втором, 6 − в первом и 2 − в нулевом.

4. Произведем сложение полученных частот. В общем случае:

где − целое число от 0 до 9.

Теперь разработаем структурную схему синтезатора (рис. 12.3, б). Она состоит из опорного КАГ и однородных функциональных горизонтально расположенных элементов (линеек). Каждая из них содержит аналогичные каскады, относящиеся к различным разрядам.

Линейка делителей (умножителей) частоты на 10 формирует опорные частоты всех разрядов. Линейка генераторов гармоник формирует в каждом разряде с первой по девятую гармоники. Линейка гребенчатых фильтров разделяет эти гармоники. Линейка коммутаторов (диодных матричных) управляется через декадные (на 10 положений) переключатели установки частоты каждого разряда на пульте дистанционного управления (ПДУ). В данном примере положения четырех переключателей: 5, 3, 6, 2. Соответствующие этим положениям гармоники проходят через коммутаторы на смесители. Линейка смесителей производит сложение частот (выделение верхних боковых колебаний) соседних разрядов, начиная с младшего. Численные значения частот на выходе каскадов обозначены на схеме.

Для изменения частоты надо установить переключатели на ПДУ в соответствующие положения. Тогда через коммутаторы будут пропущены другие гармоники.

Для расширения диапазона в сторону высоких частот надо добавлять разряды слева, а в сторону низких − справа. Ширина межчастотного интервала (интервала дискретности) равна частоте младшего разряда. В нашем примере.

В рассмотренном синтезаторе алгоритм формирования частоты реализован простейшим образом − "напрямую". В реальных синтезаторах использованы схемы, в которых тот же результат достигается более экономичным путем. Среди них наиболее современными являются цифровые схемы, использованные, например, в АРК-15М и КРС "Баклан".

Рассмотренная схема декадного синтезатора относится к числу синтезаторов с прямым синтезом частоты. Такие схемы наряду с основным колебанием вырабатывают и побочные, когорых тем больше, чем больше смесителей. Поэтому несмотря на все меры по "очищению" спектра в диапазоне возникает значительное число пораженных точек.

И вновь мы сталкиваемся с проблемой фильтрации, решить которую в данных условиях очень трудно. В самом деле, во-первых, расстройка побочного колебания может быть сколь угодно малой, вплоть до совпадения частот. Во-вторых, фильтрацию надо обеспечить на любой частоте диапазона. Для этого требуется широкодиапазонный ПФ с бесконечно узкой полосой пропускания. Как быть? А что если вернуться к простейшему одноконтурному АГ? Ведь он вырабатывает "чистое" гармоническое колебание. Мы отказались от его применения из-за низкой стабильности частоты. А нельзя ли ее повысить, используя автоматическую подстройку этой частоты к высокостабильной опорной частоте, которую вырабатывает датчик опорных частот (ДОЧ) − синтезатор с прямым синтезом? Если обеспечить абсолютную точность АПЧ, то лежащее в основе проблемы противоречие между высокой стабильностью, но "грязным" спектром частот и низкой стабильностью, но "чистым" спектром частот будет разрешено. Следовательно, идея косвенного синтеза по своему результату и есть решение проблемы динамического диапазонного ПФ с бесконечно узкой полосой пропускания.

Разработаем структурную схему ФАП, поскольку фазовая автоподстройка обеспечивает наивысшую точность АПЧ, вплоть до полного совпадения частот и. Что из уже известного арсенала средств можно использовать для того, чтобы решить эту задачу?

Видимо, результатом должна быть система автоматического управления частотой ведомого автогенератора (ВАГ), в которой датчиком частоты является ДОЧ, а сравнивающим устройством − фазовый детектор ФД (рис. 12.3, в). Выходное напряжение ФД должно управлять частотой. Оно поступает в кольцо автоподстройки, в котором исполнительным элементом − управителем (У) является варикап, включенный в контур ВАГ. Его емкость, зависящая от, изменяется, изменяя до полного совпадения с. Между ФД и У в кольцо включены ФНЧ и комбинированный каскад ГПИ − УПТ (генератор пилообразных импульсов и усилитель постоянного тока), роль которых предстоит выяснить. Очевидно, система ФАП должна работать в двух режимах: поиска и слежения. В первом режиме и происходит автоматическая настройка ВАГ до совпадения частот. Во втором система "следит" за частотой, компенсируя любые ее отклонения от. Рассмотрим эти режимы подробнее.

На графиках рис. 12.3, в штриховыми линиями показано изменение во времени напряжения генератора пилообразных импульсов ГПИ, под действием которого изменяется емкость управителя и частота сигнала. В этом режиме ФД работает как гетеродинный детектор. Его напряжение изменяется с частотой биений (или. Интегрирующим звеном является ФНЧ с очень низкой частотой среза.При достаточно больших расстройках, когда, напряжение на выходе ФНЧ ниже порогового значения. По мере приближения и уменьшения растет (см. АЧХ ФНЧ на рис. 12.3, а). Как только оно превысит пороговое значение, в комбинированном каскаде произойдет переключение и ГПИ превратится в УПТ.

В этот момент начинается так называемое "схватывание" частоты, которая под действием медленно меняющихся и приближается и совпадает с. Начинается фазовое детектирование. Управляющие напряжения становятся постоянными и зависимыми от угла сдвига фаз между колебаниями и на входах ФД. Когда, (см. рис. 11.4, ж) и система сбалансирована. На любое нарушение баланса она реагирует появлением положительного или отрицательного, которое воздействуя через управитель на ВАГ, компенсирует это нарушение. В этом и состоит слежение. При установке на ПДУ другой частоты изменяется и вновь начинается поиск.

Подобные системы нашли применение в бортовых СРСТ с однополосным режимом "Микрон" и "Ядро".

12.4. БЕЗЫНДУКТИВНЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ

Постановка учебной проблемы. "Изобретем" автогенератор нового класса. Прежде всего выясним, при каких условиях и почему становятся непригодными известные АГ, а затем, вскрыв противоречие, лежащее в основе этой непригодности, попытаемся его разрешить.

Частота колебаний одноконтурного АГ. Для генерирования колебаний ЗЧ нужен контур с очень большими индуктивностью (единицы генри) и емкостью (сотни микрофарад). Такой контур оказывается громоздким и низкодобротным. Он неприемлем по массогабаритным параметрам для РЭО в миниатюрном исполнении.

Наряду с этим еще более существенный недостаток проявляется в том, что плавное изменение его параметров для изменения частоты колебаний практически невозможно. Действительно, применение КПЕ или варикапов бессмысленно, так как их емкость (сотни пикофарад) пренебрежимо мала по сравнению с емкостью контура, а плавное изменение индуктивности с замкнутым магнитопроводом практически невозможно.

Конечный результат − разработка бесконтурного (безындуктивного или)автогенератора, перестройку частоты которого в широких пределах можно производить при помощи КПЕ, варикапов или переменных резисторов.

Технические требования разработаем применительно к структурной схеме АГ (12.1, а), в которой и входные зажимы замкнуты.

1. В цепи прямой связи должен быть использован резисторный усилитель (с ОЭ, ОК или ОИ), так как резонансный неприемлем.

2. Для обеспечения моночастотности в цепи обратной связи должен быть использован частотно-зависимый -фазовращатель, обеспечивающий баланс фаз только на одной частоте которая должна изменяться при изменении его параметров,

3. Для обеспечения баланса амплитуд усиление в цепи ПС должно компенсировать затухание в цепи ОС:.

4. Для получения гармонической формы колебаний АГ необходимо не допускать нелинейных искажений, которые могут возникнуть в нелинейном режиме, так как контура, подавляющего высшие гармоники выходного напряжения, нет. С этой целью наряду с ПОС можно использовать ООС, подобранную так, чтобы обеспечивать.При этом условии избыточное усиление скомпенсировано ООС и амплитуда практически не выходит за пределы линейного участка ВАХ. Перейдем к поиску технических решений.

Автогенератор по схеме Сифорова. Идея автогенератора проста. В качестве элементов фазовращателя использованы Г-образные - звенья. Сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями такого звена зависит от частоты и находится в пределах. Поскольку для выполнения условия БФ сдвиг фаз в цепи ОС должен составлять, принято решение использовать три звена, каждое из которых должно сдвигать фазу на.

Баланс фаз, частота колебаний. Такому сдвигу фаз соответствует векторная диаграмма на рис. 12.4, а. Вектор выходного напряжения совпадает с исходным вектором тока, а вектор напряжения на конденсаторе повернут в сторону отставания на. Вектор входного напряжения. Определим частоту колебаний, для которой выполняется условие БФ − угол. Из векторной диаграммы рис. 12.4, a. Ho, поэтому и

.

Если, например,.

Как видим, -генератор позволяет легко получить колебаний очень низкой частоты.

Баланс амплитуд. Коэффициент передачи напряжения одного звена равен. Для трех звень. Для обеспечения баланса амплитуд усилитель цепи ПС должен обеспечить коэффициент усиления, что несложно.

Схема автогенератора, удовлетворяющая условиям БФ и Б приведена на рис. 12.4, а. Она состоит из резисторного усилителя ПТ и трехзвенного фазовращателя в цепи ПОС. Если требует изменять частоту, то для этого надо использовать строенный блок переменных резисторов. Как видно из формулы, изменение их сопротивления приводит к изменению частоты во столько же раз.

Для компенсации избыточного усиления можно ввести ООС по току, отключив конденсатор или подобрав его емкость так, чтобы блокировка резистора была неполной.

Автогенератор с мостом Вина. Идея построения этого АГ также проста. Если каждый усилительный каскад поворачивает фазу напряжения на, то, соединив выход двухкаскадного усилителя со входом, мы должны обеспечить выполнение условия БФ. Это, конечно, так, но в этом случае баланс фаз выполняется не на одной, а на всех частотах в пределах широкого равномерного участка АЧХ и ФЧХ резисторного усилителя. Такой АГ будет генерировать колебания с широким частотным спектром негармонической формы. Это мультивибратор, широко используемый в импульсной технике.

Как превратить мультивибратор в моновибратор? Очевидно, для этого надо включить в цепь ОС такой фазовращатель, который, сохраняя баланс фаз на одной частоте нарушал бы его на всех других частотах. В данных условиях на частоте надо обеспечить, а на остальных.

Схема генератора. На рис. 12.4, б приведена функциональная схема автогенератора, на которой два усилительных каскада показаны структурно, а схема фазовращателя − моста Вина − раскрыта. Он представляет собой Г-образный фильтр, состоящий из двух Г-образных -звеньев ФНЧ и ФВЧ, параллельные элементы которых включены параллельно друг другу, а последовательные − последовательно. Параметры и попарно равны, поэтому равны и частоты среза звеньев, на которых.

Построим для этого случая векторную диаграмму рис. 12.4, б. В качестве исходного отложим вектор напряжения ОС U». Векторы токов и равны, так как равны сопротивления, но совпадает с а опережает его на. Ток в последовательной ветви и опережает на. Этот ток создает на элементах последовательной ветви равные по амплитуде падения напряжения: совпадающее по фазе с и отстающее по фазе от на 90° (и от на). Падение напряжения на последовательной ветви совпадает по фазе с, их сумма равна напряжению на выходе усилителя.

Как видно из диаграммы, векторы и совпадают по направлению, что и требуется для баланса фаз. Если повысить частоту, то угол между больше, а между и меньше. В результате и опережают по фазе и БФ нарушается. Аналогичное нарушение, но в обратном направлении происходит при понижении частоты.

Баланс фаз, частота колебаний. Как видим, условие БФ выполняется только на квазирезонансной частоте, для которой. Отсюда

Сопоставление с формулой частоты одноконтурного АГ показывает, что при одинаковом изменении С частота -генератора изменяется в более широких пределах. Например, при изменении емкости в 10 раз изменение частоты произойдет соответственно в 10 и в раза. Это позволяет, используя -генератор, обеспечить перекрытие более широкого диапазона частот меньшим числом поддиапазонов.

Баланс амплитуд. Как видно из векторной диаграммы, мост Вина ослабляет напряжение обратной связи в три раза:. Следовательно, коэффициент усиления должен составить. Поскольку реальное усиление двухкаскадного усилителя во много раз больше, применяют глубокую ООС, за счет которой достигают снижения коэффициента гармоник до 1% и менее, стабилизации режима, расширения диапазона равномерно усиливаемых частот.

Применение генератора. Отмеченные достоинства -генераторов − перекрытие широкого диапазона частот, неискаженная форма гармонического колебания − определили и его основное применение в измерительных генераторах звуковых и ультразвуковых частот. Почти все современные измерительные ГЗЧ (ИГЗЧ) строят по схеме с мостом Вина. Типичная для них структура диапазона частот, где − номер поддиапазона. Первому поддиапазону соответствуют частоты, второму и т. д. Весь диапазон ЗЧ от до перекрывается тремя поддиапазонами. Плавное перекрытие в пределах поддиапазона обеспечивается блоком из двух КПЕ, у которых (рис. 12.4, б), а их переключение − заменой резисторов, сопротивления которых на соседних поддиапазонах отличаются в 10 раз.

Предельная частота -генераторов ограничивается верхней частотой полосы пропускания усилителя, которая у современных операционных усилителей превышает 10 МГц.

Гираторы. В тех случаях, когда в миниатюрных схемах невозможно обойтись без элементов с большой индуктивностью, вместо тяжелых и громоздких катушек с ферромагнитным магнитопроводом применяют специальную схему, состоящую из ОУ с частотно-зависимой ОС, входное сопротивление которой носит индуктивный характер, так как оно пропорционально частоте и ток в нем отстает по фазе от напряжения на 90°. Микросхемы, обладающие такими свойствами, называются гираторами.