Wstęp teoretyczny

Generatory

Są to elektroniczne układy wytwarzające przebiegi elektryczne niegasnące, najczęściej okresowe. W zależności od kształtu przebiegów wyjściowych SA spotykane generatory przebiegów sinusoidalnych i niesinusoidalnych. Generator składa się z dwóch podstawowych elementów: wzmacniacza i obwodu dodatniego sprzężenia zwrotnego podającego sygnał z wyjścia wzmacniacza z powrotem na jego wejście. O częstotliwości drgań decyduje obwód sprzężenia zwrotnego, o ich amplitudzie - parametry wzmacniacza.

Wzmocnienie wzmacniacza z dodatnim sprzężeniem zwrotnym określa wzór:

Aby układ rozpoczął generację muszą zostać spełnione dwa warunki: amplitudy i fazy. Warunek amplitudy mówi o tym, że sygnał na wejściu wzmacniacza podawany z układu sprzężenia zwrotnego musi być na tyle duży, aby na wyjściu wzmacniacza otrzymać sygnał o takim samym lub większym poziomie. Oznacza to, że tłumienie układu sprzężenia zwrotnego nie może być większe niż wzmocnienie wzmacniacza. Warunek fazy oznacza, że chwila maksimum sygnału na wejściu wzmacniacza, po przejściu przez wzmacniacz i układ sprzężenie zwrotnego wypadało zawsze w tym samym momencie. Oznacza to, że przesunięcie fazy całego układu musi być równe wielokrotności π.

Warunek amplitudy:

Warunek fazy:

W zależności od metod realizacji sprzężenia zwrotnego rozróżniamy dwa podstawowe rodzaje generatorów:

• RC - z układem sprzężenia zwrotnego wykorzystującym rezystory i kondensatory (np. generator z mostkiem Wiena)

• LC - z układem sprzężenia zwrotnego wykorzystującym obwód rezonansowy (np. generator Meissnera).

Generatory LC charakteryzuje większa stabilność częstotliwości w stosunku do generatorów RC. Najczęściej realizowane generatory LC to:

• Meissnera

• Colpittsa

• Hartleya

• Clappa

Generator Meissnera

Jest to elektroniczny generator drgań typu LC, z pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego zrealizowaną za pomocą transformatora, zapewniającego przesunięcie fazy równe 180°, dzięki odpowiedniemu połączeniu uzwojeń. Obwód rezonansowy tworzy uzwojenie wtórne o indukcyjności L wraz z kondensatorem C. Częstotliwość drgań tego obwodu określa równanie:

Generator Meissnera: a) schemat blokowy, b) układ strojony na kolektorze z zasilaniem równoległym.

Generator Hartleya

Jest to elektroniczny generator drgań typu LC, z pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego zrealizowaną za pomocą równoległego połączenia cewki z odczepami i kondensatora (obwód drgający). Dodatnie sprzężenie wzmacniacza dołączone jest do odczepu cewki. Czasem można również zrezygnować z kondensatora, jego funkcję pełni wtedy pojemność złącza tranzystora wzmacniającego. Spotyka się również bardziej rozbudowane generatory tego typu. Zaletą jest to, że amplituda sygnału wyjściowego pozostaje stała w szerokim zakresie częstotliwości. Posiada jednak dużą ilość wyższych harmonicznych, nie tworzy idealnego przebiegu sinusoidalnego.

Generator Hartley'a - układ z zasilaniem równoległym

Generator Colpittsa

Obwód rezonansowy złożony jest z dwóch kondensatorów i cewki, a droga sprzężenia zwrotnego utworzona jest przez tę cewkę i jeden z kondensatorów. Częstotliwość drgań wytwarzanych przez generator Colpittsa wynosi:

Generator Clappa

Generator Clappa jest odmianą generatora Colpittsa z dodatkowym kondensatorem (na rys. C0), dodanym szeregowo z indukcyjnością. Tak jak zostało to pokazane na rysunku, pętla sprzężenia zwrotnego zrealizowana jest na trzech kondensatorach oraz jednej cewce (obwód drgający). Dwa kondensatory (C1 oraz C2) realizują dzielnik napięcia, który odpowiada za regulację doprowadzonego do tranzystora sprzężenia zwrotnego.

Częstotliwość generowanego przebiegu, dla obwodu jak na rysunku, w którym użyto tranzystor typu FET, wynosi:

Układy uproszczone a) generator Colpittsa b) generator Clappa

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie zjawisk występujących w układach generacji przebiegów sinusoidalnych. W ćwiczeniu badane są właściwości wzmacniacza i układu RC w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego. Badane są parametry ilościowe i jakościowe generowanego przebiegu.

Wykonanie ćwiczenia

Pierwszym etapem było wyznaczenie częstotliwości, przy której przesunięcie pomiędzy sygnałem wejściowym a wyjściowym wynosi 180^◦ (spełnienie warunku fazy).

Przebieg wejściowy i wyjściowy obserwowane były na oscyloskopie. Zmieniana była częstotliwość do momentu widocznego przesunięcia sygnału wyjściowego o 180^◦.

Kolejnym etapem było wyznaczenie przesunięcia fazowego sygnału wyjściowego w funkcji częstotliwości (charakterystyka fazowo częstotliwościowa.

W tym celu wykorzystywany był oscyloskop. Na podstawie podziałki wyznaczany był z proporcji kąt przesunięcia φ.

f [Hz]	φ [◦]
100	180 - 75
300	180 - 42,3
531	180
750	180 + 30
1000	180 + 37,5

Następnie wyznaczona została częstotliwość na podstawie wyznaczonego przy pomocy oscyloskopu okresu (na podstawie znajomości podstawy czasu oraz długości okresu w jednostkach podziałki). Otrzymany wynik pokrywa się z wcześniejszym oszacowaniem.

Wnioski

Generator RC posiada tylko jedną wartość częstotliwości, dla której spełniony jest warunek fazy. Generatory RC nie charakteryzują się dużą stałością częstotliwości. Jak widać na powyższej charakterystyce, nachylenie krzywej jest niewielkie. Im większe nachylenie charakterystyki częstotliwościowo - fazowej, tym większa stałość częstotliwości generatora.

---