Огляд існуючих технічних рішень

Технічне завдання

Спроектувати генератор сунусоїдних коливань з наступними параметрами:

Вступ

Генератори гармонічних коливань – це великий клас пристроїв, які знаходять широке застосування у різних галузях науки і техніки. Частотний діапазон таких генераторів від часток герца до десятків мегагерц і вище. Генератори гармонічних коливань поділяються на підкласи в залежності від частотного діапазону, значення вихідної напруги, області застосування і схемних рішень.

Електронні генератори сигналів – це електронні пристрої, які перетворюють енергію сторонніх джерел живлення в електричні коливання необхідної форми, частоти і потужності. Електронні генератори входять складовою частиною в різноманітні електронні прилади і системи.

Класифікація генераторів здійснюється за такими ознаками: форма коливань; частота коливань; вихідна потужність; призначення; тип використаного активного елемента; вид частотно-вибіркового кола зворотного зв’язку. За призначенням генератори поділяються на технологічні; вимірювальні; медичні; зв’язку. За формою коливань генератори поділяють на генератори гармонічних і негармонічних (імпульсних) сигналів.

За вихідною потужністю генератори поділяють на малопотужні
(менше 1 Вт); середньої потужності (менше 100 Вт); великої потужності (більше 100 Вт). За частотою генератори можна поділити на наступні групи: інфранизькочастотні (менше 10 Гц); низькочастотні (від 10 Гц до 100 кГц); високочастотні (від 100 кГц до 100 МГц) і надвисокочастотні (вище 100 МГц).

За видом використаних активних елементів генератори поділяють на лампові, транзисторі, на операційних підсилювачах, на тунельних діодах, на динисторах. За типом частотно-вибіркових кіл зворотного зв’язку: на генератори LC-; RC - і RL -типів. Крім того, зворотний зв’язок в генераторах може бути зовнішній або внутрішній.

Теорія електронних генераторів гармонічних коливань розпочала свій розвиток з початком розвитку електроніки. Математичні основи загальної теорії нелінійних коливань були розвинуті в працях вітчизняних і зарубіжних вчених. В цих працях дано всесторонній теоретичний аналіз нелінійних коливних систем, які основані як на квазілінійних, так і суттєво нелінійних уявленнях про процеси, що протікають у коливних системах, в яких граничний цикл коливань аналізованого процесу вважається незмінним. Саме в рамках цих теоретичних уявлень довгий час і розвивалися багаточисельні технічні пропозиції автоколивних систем, в тому числі генератори гармонічних коливань, серед яких чисельну групу складають RC -генератори.

Класичним рішенням побудови низькочастотного генератора гармонічних коливань є індуктивно-ємнісні LC -генератори, проте останнім часом у низькочастотному діапазоні більшого поширення набули резистивно-ємнісні RC -генератори. Це зумовлено великими масогабаритами, нетехнологічністю, потребою використання феромагнітних матеріалів в індуктивних елементах LC -генераторах на низьких частотах, що приводить до зниження стабільності. Діапазони частот таких генераторів є відносно низькими. Цих недоліків позбавлені RC -генератори, що мають достатньо широкий діапазон частот, нестабільність частоти яких переважно не перевищує 1%. Шляхом зміни параметрів частотнозалежної ланки можна добитись зміни частоти в широких межах.

По мірі розвитку та удосконалення елементної бази (від лампової техніки та напівпровідників, а потім мікроелектроніки) були запропоновані різноманітні схемотехнічні рішення, які використовували нові можливості цих елементів, але залишався незмінним сам принцип стабілізації граничного циклу в генераторах, що грунтується на використанні нелінійних властивостей елементів різної фізичної природи. Стабільність амплітуди таких генераторів знаходиться в межах (1÷3)% при коефіцієнті нелінійних спотворень на рівні (0,5÷2) %. При цьому природні обмеження, які присутні у традиційних методах стабілізації амплітуди не дозволяють одночасно відповідати високим вимогам стабільності амплітуди і малому рівню нелінійних спотворень.

Разом з тим існують численні задачі, які вимагають наявності джерел гармонічних сигналів з стабільністю амплітуди (0,01÷0,1) % при рівні нелінійних спотворень (0,005÷0,05) %. Такі джерела потрібні при спектральних методах досліджень прецизійних радіоелементів, а також при перевірці і калібровці цифрових вимірювальних приладів. Поряд з високими вимогами до статичних параметрів виникають додаткові вимоги до динамічних характеристик генераторів, оскільки час перехідних процесів при програмному переналагодженні вихідного сигналу визначається продуктивністю інформаційно-вимірювальних систем в цілому.

Протиріччя, що виникли між вимогами практики і обмеженнями можливостями застосованих принципів генерування сигналів, було вирішено шляхом побудови генераторів з системами автоматичної стабілізації амплітуди і частоти вихідного сигналу. Використання ідей теорії автоматичного керування дозволило суттєво покращити метрологічні характеристики генераторів і разом з тим вирішувати нові нетрадиційні для цієї області задачі.

Огляд існуючих технічних рішень

Темою даного курсового проекту є побудова генератора синусоїдальних коливань, який працює в діапазоні низьких частот. Класичним схемним рішенням генератора синусоїдальних коливань, що зародилося з часів початку розвитку радіотехніки, є індуктивно-ємнісні генератори, які зібрані за схемою індуктивної або ємнісної триточки.

Однак в останні роки їх витіснили, особливо в низькочастотному діапазоні, резистивно-ємнісні RC -генератори. Це зумовлено тим, що на низьких частотах індуктивні елементи мають дуже велику масу і габарити і вимагають застосування феромагнітних матеріалів, що знижує їх стабільність. Ці недоліки відсутні в RC -генераторах. Область їх застосування дуже широка, а діапазон частот – від часток герца до сотень кілогерц і навіть одиниці мегагерц. При цьому стабільність частоти і форма кривої досягає часток відсотка, а при застосуванні операційних підсилювачів ці параметри ще покращуються. Однією з особливостей RC -генераторів є можливість регулювання частоти в широких межах.

В генераторах RC -типу в якості активного елемента використовують транзистори, операційні підсилювачі (ОП) та інші підсилювальні елементи, які охоплюють додатним частотнозалежним зворотним зв’язком. Елементи частотнозалежних ланок не мають резонансних властивостей, тому частота генерації RC -генераторів є квазірезонансною.

RC-генератор з фазоповертаючим ланцюжком з заземленими конденсаторами

Рис. 1.1 RC-генератор з фазоповертаючим ланцюжком з заземленими конденсаторами

Для отримання фазового зсуву рівного 180^о, кількість ланок в колі повинна бути не менше трьох. Коефіцієнт передачі трьохланкових ланцюжкових RC-кіл рівен 1/29 (на резонансній частоті). Частота коливань генераторів с ланцюжковими RC-ланками визначається резонансною частотою цієї фазозадаючої ланки (при ідеальному ОП).

Для цієї схеми при R₁=R₂=R₃=R₄=R і C₁=C₂=C₃=C₄=C, резонансна частота визначається за формулою:

При цьому умову самозбудження можна записати у вигляді:

Стабілізація амплітуди і зменешення нелінійних спотворень в даній схемі досягається введеням автоматичної підстройки коефіцієнта передачі підсилювача або нелінійного обмежувача вихідної напруги.