Генераторы электрических сигналов виды генераторов

ЛЕКЦИЯ 24. ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Электронным генератором сигналов называют устройство, посредством

которого энергия внешних источников питания преобразуется в электрические колебания требуемой частоты, формы и мощности. Электронные генераторы входят в состав структурных схем многих электронных приборов. Они используются в универсальных измерительных приборах, осциллографах, микропроцессорных системах, телевизорах, радиоприемниках и т.д.

Классификация генераторов выполняется по ряду признаков: форме колебаний, их частоте, выходной мощности, назначению, типу используемого активного элемента, виду частотно-избирательной цепи обратной связи.

По назначению генераторы делятся на технологические, измерительные, медицинские, связные.

По форме колебаний их делят на генераторы гармонических и негармонических сигналов.

По выходной мощности генераторы делят на маломощные (менее 1 Вт), средней мощности (от 1 до 100 Вт) и мощные (более 100 Вт).

По частоте генераторы делят на инфранизкочастотные (менее 10 Гц), низкочастотные (от 10 Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц), СВЧ (выше 100 МГц).

По используемым активным элементам генераторы делят на ламповые, транзисторные, на ОУ, на тунельных диодах, динисторах.

По типу частотно-избирательных цепей ОС различают генераторы LC, RC и RL типа.

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Обобщенная структурная схема генератора электрических сигналов должна содержать источник питания и преобразователь энергии источника в электрические колебания. Схема преобразователя приведена на рис. 24.1, а. Она содержит усилитель, частотно-избирательную цепь положительной обратной связи (ПОС), а также цепь ООС.

Обозначим модуль коэффициента усиления усилителя – К, модуль коэффициента передачи цепи ПОС – В, а модуль коэффициента передачи цепи ООС – М. По своему составу структурная схема генератора во многом соответствует схеме избирательного усилителя. Отличие схем заключается в количественных соотношениях для значений коэффициентов К, В и М, а также в требованиях к ФЧХ цепи ПОС.

Определим требования к этим параметрам генератора. Для этого функционирование генератора разделим на два этапа: этап возбуждения и этап стационарного режима. На этапе возбуждения в генераторе возникают колебания, и амплитуда их постепенно нарастает (рис. 24.1, б). На втором этапе амплитуда колебаний стабилизируется, и генератор переходит в стационарный режим.

На этапе возбуждения колебаний основную роль играет цепь ПОС. Эта цепь определяет условия возбуждения колебаний, их частоту и скорость нарастания амплитуды. После возникновения колебаний их амплитуда нарастает до тех пор, пока действие ООС не ограничит значение К. На этапе возбуждения цепь ООС не работает.

Цепь ПОС, как правило, выполняется на пассивных R, L, C элементах, поэтому она имеет потери. Эти потери компенсируются усилителем.

Рассмотрим процессы возникновения и установления колебаний на выходе генератора. При включении питания в схеме возникнут колебания, обусловленные переходными процессами в транзисторах или ОУ, зарядом емкостей или индуктивностей. Эти колебания поступают на вход усилителя в виде сигнала На выходе усилителя формируется сигнал

Сигнал поступает в цепь ПОС и ослабляется в раз. На выходе цепи ПОС он имеет значение

и вновь поступает на вход усилителя, т.е.

(24.1)

Из (24.1) следует, что если амплитуда колебаний на выходе усилителя будет нарастать. При колебания затухают. Когда

, (24.1) принимает вид:

(24.2)

При соблюдении условия (24.2) схема генератора переходит в ста-ционарный режим. Условие (24.2) распадается на два условия, которые называются условиями баланса амплитуд и фаз:

(24.3)

Условие баланса амплитуд показывает, что в режиме возбуждения колебаний коэффициент усиления усилителя должен быть больше коэффициента затухания цепи ПОС, т.е.

Для перехода к стационарному режиму в схему включается цепь с ООС. Она изменяет значение до точного соблюдения баланса амплитуд.

Условие баланса фаз означает, что полный фазовый сдвиг в замкнутом контуре генератора должен быть равен 2nπ, где n – любое целое число (как правило, n=1). Условие баланса фаз позволяет определять частоту генерируемых колебаний. Если баланс фаз выполняется только на одной частоте, то генерируются гармоническое колебание. Если условие баланса фаз выполняется для ряда частот, то колебания будут негармоническими.

3. ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Одна из возможных схем генератора гармонических колебаний была рассмотрена в лекции 23. В этом вопросе основное внимание уделим анализу физических процессов в нескольких практически применяемых схемах генераторов на транзисторах. В качестве частотно-избирательных цепей такие схемы используют колебательный контур, включаемый в цепь коллектора. Цепь ОС может быть реализована трансформаторной связью (рис. 24.2, а).

В схеме рисунка 24.2, а транзистор Т, L_к, C_к и R_б образуют резонансный усилитель по схеме с ОЭ. В такой схеме сдвиг фаз между U_вх и U_вых – φк равен π. Элементы L_др и C_ф образуют фильтр в цепи питания. Фильтр не пропускает переменную составляющую в цепь источника питания. Элемент R_б образует схему смещения с фиксацией тока базы. Индуктивность L_б, включена в цепь базы и образует ПОС. Связь между L_б и L_к трансформаторная. Для выполнения баланса фаз включение катушек встречное, т.е. φβ = π.

Рассмотрим физические процессы более подробно. Пусть в момент времени t = 0 включено питание. Бросок тока коллектора вызовет в контуре L_к, C_к

колебания с частотой ω₀, причем,

где U_m₀— начальная амплитуда свободных колебаний, d = (G_вых + β·G_вх)/2·C_к, G_вых,G_вх – выходная и входная проводимости резонансного усилителя, β – коэффициент передачи тока базы транзистора.

Учтем затухание В, вносимое элементами ПОС. Тогда

Для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы потери δ были отрицательными. Это возможно, если

(G_вых + β G_вх·B)

| следующая лекция ==>

ЛЕКЦИЯ 23. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ | ЛЕКЦИЯ 25. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Генераторы сигналов

Генераторы сигналов – приборы, позволяющие получать электрические, акустические и иного рода импульсы. Устройства бывают разных видов — обычно прибор подбирают под конкретную цель. Решающими факторами при выборе могут оказаться форма прибора, его статические функции и энергетические показатели. Устройство применяют в разных сферах — как в медицине, так и в быту (стиральные машины, микроволновки).

Историческая справка

Первый генератор был создан в 1887 году немецким физиком Германом Герцем. Прибор разрабатывался на основе индукционной катушки (или катушки Румкорфа). Он был искровым и вырабатывал электромагнитные волны. Потом история развивалась так:

1913 г. Другой немецкий ученый, Александр Мейснер, создал электронный генератор с ламповым каскадом и общим катодом.

1915 г. Появилась ламповая (или индуктивная) схема. Включение контура было автотрансформаторным, что отличало его от ранних изобретений. Идея принадлежала американскому физику Ральфу Хартли.

1919 г. На этот раз идея снова принадлежит американцам. Ученый Эдвин Колпитц создал устройство на электронной лампочке, подключаемое к колебательному контуру посредством емкостного разделителя напряжения.

Читайте также: Генератор для сухого льда своими руками
Это было лишь начало. Позже инженерами разных стран было создано множество вариаций электронных генераторов.

Как устроен генератор сигналов?

Устройство генерирует импульсы различной природы для замера параметров электронных приборов. Большинство генераторов работает только при наличии входного импульса, амплитуда которого постоянно меняется.

Стандартная модель сигнального генератора состоит из нескольких частей:

Экран на передней панели. Нужен для отслеживания колебаний и управления ими.

Редактор. Расположен в верхней половине экрана. Позволяет выбрать функцию.

Секвенсор. Размещён чуть ниже редактора, дает информацию о частоте колебаний.

Регулятор. Контролирует и настраивает частоту изменений.

Выходы сигналов. Обычно располагаются под экраном в самом низу прибора. Рядом – кнопка включения оборудования.

Смещение сигнала и его амплитуда обычно регулируются 2 кнопками. Работа с файлами происходит через мини-панель. Она дает пользователю просмотреть результаты тестирования или сохранить их для будущего анализа.

Принцип действия

Рассмотрим схему действия на примере простейшего электронного генератора. Есть проводник и магнитное поле, по которому он движется. В качестве проводника обычно используют рамку.

Рамка крутится внутри поля и пересекает линии магнитной индукции, отчего образуется электродвижущая сила.

Электродвижущая сила воздействует на ток, который начинает двигаться по рамке.

Электроток проникает в наружную цепь за счет контактных колец.

Схема генератора похожа на схему усилителя. Разница в том, что у первого нет источника входного сигнала. Он заменяется сигналом положительной обратной связи (ПОС).

В процессе обратной связи (ОС) часть выходного сигнала направляется на входную цепь. Структура такого импульса задается спецификой цепи обратной связи. Чтобы обеспечить нужную периодичность колебаний, цепи ОС создают на базе LC или RC-цепей. Частота будет зависеть от времени перезарядки конденсатора.

После формировки в цепи ПОС сигнал отправляется на вход усилителя. Там он умножается в несколько раз и поступает на выход. Оттуда часть отправляется на вход посредством цепи ПОС и снова ослабляется, возвращаясь к исходному значению. Благодаря такой схеме внутри устройства поддерживается постоянная амплитуда выходного сигнала.

Как устроен генератор смешанных сигналов?

Принцип действия генератора смешанных импульсов направлен на то, чтобы ускорить образование сигналов и воспроизводить их с максимальной точностью. Передняя панель прибора снабжена органами управления для контроля самых важных и часто изменяемых параметров. Менее востребованные и редко используемые функции можно найти в меню на основном экране.

Регулятором уровня устанавливается амплитуда движения выходного сигнала. Амплитуду и смещение можно регулировать без входа в многоуровневую систему меню.

Отдельный регулятор также позволяет изменить частоту дискретизации путем изменения периодичности выходного сигнала. При этом форму последнего этот настройщик изменить не сможет. Такая функция есть лишь в меню на основном экране редактирования. Форму выбирают при помощи сенсорной панели или мышки. Пользователь открывает нужную страницу и просто заполняет бланк с цифровой клавиатуры или поворотной ручкой.

Виды генераторов сигналов

Приборы различаются по ряду характеристик. Например, по форме сигнала (синусоидальные, прямоугольные, в виде пилы), по частоте (низкочастотные, высокочастотные), по принципу возбуждения (независимое, самовозбуждение). Однако существует несколько основных видов — о них и расскажем подробнее.

Читайте также: Генератор гипохлорита натрия модель nt cn 500
Синусоидальный

Прибор усиливает первоначальный синусоидный код в десятки раз. На выходе получается частота до 100 МГц. При этом исходный синус, как правило, не превышает 50 МГц. Генераторы синусоидального импульса активно используют при проверке блоков питания, инверторов и другой высокочастотной техники, а также радиоаппаратуры.

Генератор низкочастотный

Ниже схема самого простого низкочастотного генератора. На ней видно, что в приборе присутствуют переменные резисторы. Они позволяют корректировать форму и частоту сигнала. Изменить силу импульса можно подключенным модулятором KK202.

Такой прибор подойдет для настройки аудиоаппаратуры (звуковых усилителей, проигрывателей). Наиболее доступным вариантом низкочастотного генератора является обычный компьютер. Достаточно скачать драйверы и подключить его к аппаратуре через переходник.

Генератор звуковой частоты

Стандартная конструкция с микросхемами внутри. Напряжение подается в селектор, а сам сигнал генерируется в одной или нескольких микросхемах. Частоту можно настраивать при помощи модуляционного регулятора. Прибор отличается более обширным диапазоном частоты, чем аналоги (до 2000 кГц).

Импульсы произвольной формы

Генераторы с импульсами произвольной формы имеют повышенную точность. Погрешность минимальная — до 3%. Выходной импульс подвергается тонкой регулировке с применением шестиканального селектора. Прибор вырабатывает частоту от 70 Гц.

Устройства делят по степени синхронизации. Зависит она от типа коннектора, который установлен в прибор. Поэтому сигнал может усиливаться за 15-40 ньютон-секунд. Некоторые модели работают на 2 режимах – линейном и логарифмическом. Режим меняется переключателем, за счет чего корректируется амплитуда.

Контроллеры сложных сигналов

В сборке присутствуют только многоканальные селекторы, так как приборы получают импульсы сложной формы. Сигналы многократно усиливаются, режим можно изменить при помощи регулятора. Вариацией такого прибора считается DDS (устройство по схеме прямого цифрового синтеза).

Базовая плата оборудуется микроконтроллерами, которые легко снимаются и ставятся на место. В некоторых моделях можно заменить микроконтроллер одним движением. Если редактор монтированный, ограничители установить нельзя. Прибор генерирует измерительный сигнал мощностью до 2000 кГц с погрешностью до 2%.

Генератор цифрового сигнала

Цифровые генераторы популярны, потому что отличаются высокой точностью. Пользоваться ими удобно, однако они нуждаются в тщательной настройке. Здесь стоят коннекторы KP300, резисторы достигают сопротивления от 4 Ом. Это позволяет добиться предельно допустимого внутреннего напряжения в схеме.

Области применения

Генераторы сигналов используют современные лаборатории разработчиков электронных и измерительных приборов. Одинаковые генераторы могут применяться в кабинетах от начального до продвинутого уровня.

Однако эти функциональные устройства применяют для настройки и тестирования оборудования и в областях, более доступных обывателю. Вот лишь неполный список устройств, которые используют генераторы:

мобильные телефоны, техника для передачи данных, радио- и телеприемники;

вычислительные приборы;

инверторы, источники бесперебойного питания от электричества или импульсов;

бытовые приборы (СВЧ-печи, стиральные и посудомоечные машины);

измерительные приборы (амперметры, вольтметры, осциллографы);

медицинская аппаратура (томографы, электрокардиографы, аппараты УЗИ).

Находчивые пользователи применяют устройства и для иных целей. Например, прибором Tektonix AFG 3000 измеряли емкости, а RStamp SMA100A хорошо показал себя в регулировке аэронавигационных систем.

Источник