Теоретические сведения

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

Электротехника и основы электроники

на тему

RC – генератор гармонических колебаний

Пояснительная записка

Студент группы ВС-09 Горелик С.Ф.

Руководитель доцент Ломанов А.Н.

Нормоконтролер доцент Ломанов А.Н.

Рыбинск, 2013

Содержание

Введение………………………………………………………… 3

Теоретические сведения ……………………………………….. 4

Анализ схемы генератора………………………………………. 9

1 Электрический расчет генератора……………………………. 11

2 Графоаналитический расчет………………………………….. 14

3 Расчет сопротивлений резисторов……………………………. 16

4 Расчет емкостей конденсаторов………………………… . …… 18

5 Расчет фазовращающей цепи………………………………….. 19

6 Расчет мощностей рассеивания на резисторах……………….. 22

Заключение………………………………………………………... 24

Список используемой литературы…………………………….. .. 25

Приложение А…………………………………………………….. 26

Введение

Генераторы синусоидальных колебаний – это генераторы, которые генерируют напряжение синусоидальной формы. Они классифицируются согласно их частотно-задающим компонентам. Тремя основными типами генераторов являются LC генераторы, кварцевые генераторы и RC генераторы. Для генерирования гармонических колебаний в области низких (меньше 15-20 кГц) применение LC-автогенераторов затруднительно из-за громоздкости контуров. Основными достоинствами генераторов RC-типа являются простота и малые габариты. Эти преимущества особенно ярко проявляются при генерировании низких частот. Для генерирования частот порядка 100 Гц в LC-генераторах потребовались бы весьма большие значения индуктивностей и емкостей.

Генератор ‑ это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический или другой), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением) и формирователя (например, электрического фильтра).

Генераторы гармонических колебаний представляют собой электронные устройства, формирующие на своем выходе периодические гармонические колебания при отсутствии входного сигнала. Генерирование выходного сигнала осуществляется за счет энергии источника питания. Со структурной точки зрения генераторы представляют собой усилители электрических сигналов.

В данной работе будет произведен электрический расчет генератора, графоаналитический расчет, расчет элементов схемы и фазовращающей цепи. По результатам подсчетов будут подобраны конкретные модели резисторов и конденсаторов. Все схемы и графики приведены в приложении.

Теоретические сведения

Электронный генератор – это устройство, в котором осуществляется преобразование энергии постоянного тока, в энергию переменного тока требуемой амплитуды, частоты, формы и мощности. В общем виде генерация

синусоидальных колебаний представляет собой процесс, связанный с преобразованием частотного спектра, так как при генерации энергия источника постоянного тока преобразуется в энергию высокочастотных колебаний.

В зависимости от частоты генерируемых колебаний различают генераторы:

1) Низкочастотные (НЧ), вырабатывающие колебания в диапазоне частот 20 Гц ÷100 кГц.

2) Высокочастотные (ВЧ) - в диапазоне частот 100 кГц ÷ 100 МГц.

3) Сверхвысокочастотные (СВЧ) - в диапазоне частот 100 МГц ÷ 10 ГГц и выше.

Схемы автогенераторов гармонических колебаний в большинстве случаев строятся на базе усилителей с положительной обратной связью.

Обобщенная схема генератора в этом случае может быть представлена в виде двух 4-х полюсников (рисунок 1 )

Рисунок 1 - Обобщенная схема автогенератора.

Первый 4-полюсник – это усилитель с комплексным коэффициентом

усиления равным

Второй 4-х полюсник – это цепь обратной связи с коэффициентом передачи

– комплексное напряжения обратной связи.

Для того чтобы в такой схеме возникли незатухающие колебания, напряжения с выхода цепи ОС должно находиться в фазе с входным напряжением усилителя. Кроме того, для того, чтобы амплитуда напряжения на выходе усилителя была неизменной, необходимо обеспечить на входе усилителя достаточное напряжение.

Отсюда вытекают два условия самовозбуждения:

Баланс фаз:

∆φ = 2πN,(N = 0, 1, 2, …)

Баланс амплитуд:

К_u ∙ β_u ≥ 1

Усилительный каскад сдвигает фазу на «π». Таким образом, чтобы выполнить баланс фаз, необходимо, чтобы цепь ОС обеспечила сдвиг фазы еще на «π». Изменить фазу на «π» можно при помощи трансформатора, либо при помощи фазовращающей RС-цепи.

При использовании в качестве фазовращающей цепи трансформатора генераторы гармонических колебаний получили название LC-генераторы.

Генераторы, в которых в качестве фазовращающей цепи применяются RС-цепи, получили название RС-генераторы.

В настоящее время для генерирования колебаний в низкочастотном диапазоне широко используются RС-генераторы. Применение малогабаритных резисторов и конденсаторов позволяет проектировать компактные генераторы с небольшой массой и габаритами. В качестве фазовращающих RС-цепей применяют два варианта цепочек, получивших название «R-параллель» и «С-параллель».

Для получения положительной обратной связи фазосдвигающие (или фазовращающие) цепи должны обеспечивать на рабочей частоте поворот фазы выходного напряжения усилителя относительно входного еще на 180⁰. Эта задача решается с помощью фазовращающей цепи, состоящей из нескольких обратных Г-образных RC звеньев. Изменение фазы зависит от числа звеньев n и равно:

В связи с тем, что одно RC звено изменяет фазу на угол φ<90⁰, минимальное число звеньев фазовращающей цепи n=3. В практических схемах генераторов обычно используют трехзвенные фазовращающие цепи. На рис. 2 изображен вариант такой цепочки, получившей название R-параллель.

Рисунок 2 - Трехзвенная фазовращающая цепь:

R-параллель.

Можно испediaru/baza13/488090145900.files/image009.gif" />

Рисунок 2 - Трехзвенная фазовращающая цепь:

R-параллель.

Можно использовать и большее количество звеньев, но это приведет к возрастанию затухания, а значит потребуется каскад с более высоким коэффициентом усиления.

Трехзвенная R-параллель имеет типовую частотную β(f) и фазовую φ_β(f) характеристики, показанные на рис. 3.

Рис. 3- Характеристики трехзвенной R-параллели

Анализ графиков частотной и фазовой характеристик показывает, что на квазирезонансной частоте генерации f₀ трехзвенная RC цепь имеет вещественное значение коэффициента передачи β=1/29 и вносит фазовый сдвиг φ_β = π. Поэтому для обеспечения в автогенераторе баланса амплитуд необходимо выбирать коэффициент усиления усилителя больше затухания, вносимого фазовращающей цепочкой, через которую напряжение с выхода поступает на вход усилителя.

Квазирезонансная частота для трехзвенная RC цепи определяется соотношением:

Следовательно, схемы с использованием трехзвенных фазовращающих цепочек, имеющих одинаковые звенья, могут генерировать гармонические колебания с частотой f₀ лишь в том случае, если коэффициент усиления усилителя превышает 29.