Генератор синусоидальных колебаний: назначение, область применения, его состав (усилитель, фазосдвигающая цепь). Баланс фаз, баланс амплитуд. Принцип работы.

Под генератором синусоидальных колебаний понимается такое устройство, которое преобразует электрическую энергию источников питания в энергию незатухающих колебаний синусоидальной формы. Являясь источником электрических колебаний, генераторы широко используются в различных сферах. В промышленной электронике наиболее широко используются генераторы, диапазон формирования частот которых находится в пределах . На этих частотах реализуются генераторы с использованием RC-элементов и усилителей. Функциональная схема генератора представлена на рис.1. Любой генератор можно представить в виде двух элементов. Это усилитель и фазосдвигающая цепь (ФСЦ).

Рис.1. Функциональная схема генератора синусоидальных колебаний

Для превращения первоначально возникших колебаний в незатухающие, необходимо на вход усилителя Ус подать часть выходного напряжения, превышающего входное (или равное ему) по амплитуде и совпадающее с ним по фазе, т.е. охватить усилитель положительной обратной связью, при этом должны соблюдаться следующие соотношения:

; ,

где ,  – коэффициент усиления на частоте генерации;

,  – фазовые сдвиги на частоте генерации.

Приведённые условия называются балансом амплитуд  и балансом фаз соответственно. Если данные условия выполняются на одной частоте, то генератор вырабатывает колебания одной частоты. Условие баланса фаз, как правило, обеспечить просто. Условие баланса амплитуд в чистом виде обеспечить сложно из-за температурных и временных флуктуаций , . Причём при условии  амплитуда колебаний нарастает, при условии  колебания не возникают, а возникшие спадают. Обычно после подачи напряжения питания обеспечивают , а по мере нарастания амплитуды обеспечивают  с использованием нелинейного элемента, либо автоматической системы поддержания баланса амплитуд.

Таким образом, реальный генератор должен содержать кроме усилителя и фазосдвигающей цепи ещё и нелинейный элемент, обеспечивающий баланс амплитуд при возникших колебаниях.

Генераторы синусоидальных колебаний на основе резистивно-емкостных цепей: устройство, принцип работы, особенности фазосдвигающих цепей, расчётные соотношения. Достоинства и недостатки.

При построении генераторов используется усилитель с фазовым сдвигом либо усилитель с последовательной отрицательной обратной связью, либо усилитель с параллельной отрицательной обратной связью. Соответственно для обеспечения баланса фаз фазосдвигающая цепь должна сдвигать фазу на частоте генерации либо на 180º, либо на 0º. Если использовать усилитель с параллельной отрицательной обратной связью, то фазосдвигающая цепь должна сдвигать фазу на 180º. Такая задача может быть решена с использованием RC-звеньев. В связи с тем, что одно звено RC изменяет фазу на угол , минимальное число звеньев должно быть равно 3. В практических применениях нашли использование фазосдвигающие цепи, получившие название R-параллель и С-параллель, схемы которых представлены на рис.1а, б соответственно.

Рис.1. Схемы фазосдвигающих цепей R-параллель – а); С-параллель – б)

Для нахождения частоты, на которой фазосдвигающая цепь даёт фазовый сдвиг 180º необходимо найти её передаточную функцию , затем, заменяя р на јω, найти комплексный коэффициент передачи  и найти частоту, на которой аргумент комплексного коэффициента передачи будет равен 180º. Опуская промежуточные выкладки, для цепи R-параллель можно получить:

,

где .

Заменяя , находим комплексный коэффициент передачи :

.

Из последнего выражения видно, что фазовый сдвиг, равный , будет только в том случае, если действительная часть знаменателя будет равна нулю. Это будет иметь место при условии:

,

откуда

,

при этом  будет иметь вид:

,

или, подставляя значение , можно получить:

.

Таким образом, использование усилителя с параллельной обратной связью –  и фазосдвигающей цепи R-параллель на частоте  обеспечивается баланс фаз – . Для обеспечения баланса амплитуд необходимо, чтобы коэффициент усиления усилителя был равен . Схема генератора с фазосдвигающей цепью R-параллель дана на рис. 2.

Рис.2. Генератор с фазосдвигающей цепью R-параллель

Для того, чтобы сопротивление  не шунтировало сопротивление  фазосдвигающей цепи, должно выполняться соотношение , соответственно сопротивление  становится ещё больше. Это не всегда удобно. В ряде случаев для того, чтобы избежать использования высокоомного резистора  (например, , , ), вместо резистора  можно использовать составной резистор.

Недостатком схемы является необходимость иметь значительный коэффициент усиления усилителя на частоте генерации, поскольку эквивалентный коэффициент равен .

Схема генератора на основе фазосдвигающей цепи С-параллель представлена на рис. 2.

Общим недостатком схем с использованием фазосдвигающих цепей R, С-параллель является сложность подстройки частоты. Для подстройки/перестройки частоты необходимо одновременно, для сохранения баланса фаз и амплитуд, изменять либо три резистора, либо три конденсатора. Данным обстоятельством объясняется применение этих схем в основном для фиксированных частот.

Рис.2. Генератор синусоидальных колебаний на основе фазосдвигающей цепи С-параллель