Электронные генераторы

Генераторами называются электронные устройства, преобразующие энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока (электромагнитных колебаний) различной формы требуемой частоты и мощности.

Электронные генераторы применяются в радиовещании, медицине, радиолокации, входят в состав аналого-цифровых преобразователей, микропроцессорных систем и т. д.

Ни одна электронная система не обходится без внутренних или внешних генераторов, задающих темп ее работы. Основные требования к генераторам – стабильность частоты колебаний и возможность снятия с них сигналов для дальнейшего использования.

Классификация электронных генераторов:

1) по форме выходных сигналов:

— сигналов прямоугольной формы (мультивибраторы);

— сигналов линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) или их еще называют генераторами пилообразного напряжения;

— сигналов специальной формы.

2) по частоте генерируемых колебаний (условно):

— низкой частоты (до 100 кГц);

— высокой частоты (свыше 100 кГц).

— с независимым (внешним) возбуждением;

— с самовозбуждением (автогенераторы).

Автогенератор — генератор с самовозбуждением, без внешнего воздействия преобразующий энергию источников питания в незатухающие колебания, например, колебательный контур.

Рисунок 1 – Структурная схема генератора

Схемы электронных генераторов (рисунок 1) строятся по тем же схемам, что и усилители, только у генераторов нет источника входного сигнала, его заменяет сигнал положительной обратной связи (ПОС). Напоминаем, что обратная связь — это передача части выходного сигнала во входную цепь. Необходимая форма сигнала обеспечивается структурой цепи обратной связи. Для задания частоты колебаний цепи ОС строятся на LC или RC-цепях (частоту определяет время перезаряда конденсатора).

Сигнал, сформированный в цепи ПОС, поступает на вход усилителя, усиливается в К раз и поступает на выход. При этом часть сигнала с выхода возвращается на вход через цепь ПОС, где ослабляется в К раз, что позволят поддерживать постоянную амплитуду выходного сигнала генератора.

Генераторы с независимым внешним возбуждением (избирательные усилители) являются усилителями мощности с соответствующим частным диапазоном, на вход которых подаётся электрический сигнал от автогенератора. Т.е. происходит усиление только определенной полосы частот.

Для создания генераторов низкой частоты обычно используют операционные усилители, в качестве цепи ПОС устанавливают RC-цепи для обеспечения заданной частоты f0 синусоидальных колебаний.

RC-цепи представляют собой частотные фильтры — устройства, пропускающее сигналы в определённом диапазоне частот и не пропускающее в не этого диапазона. При этом по цепи обратной связи на вход усилителя возвращается, а значит и усиливается только определённая частота или полоса частот.

На рисунке 2 показаны основные типы частотных фильтров и их амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). АЧХ показывает пропускную способность фильтра в зависимости от частоты.

Рисунок 2 – Типы частотных фильтров и их амплитудно-частотная характеристика

— фильтры нижних частот (ФНЧ);

— фильтры верхних частот (ФВЧ);

— полосовые частотные фильтры (ПЧФ);

-заграждающие частотные фильтры (ЗЧФ).

Фильтры характеризуются частотой среза fc, выше либо ниже которой идет резкое ослабление сигнала. Полосовые и заграждающие фильтры характеризуются также шириной полосы пропускания у ПЧФ (непропускания у ЗЧФ).

На рисунке 3 приведена схема синусоидального генератора. Необходимый коэффициент усиления задаётся с помощью цепи ООС на резисторах R1, R2.Для обеспечения сдвига по фазе равного 0, цепь ПОС подключена между выходом ОУ и его неинвертирующим входом. При этом цепь ПОС представляет собой полосовой фильтр. Частота резонанса f0 определяется по формуле: f0 = 1/(2πRC)

Для стабилизации частоты генерируемых колебаний в качестве частотозадающей цепи используют кварцевые резонаторы. Кварцевый резонатор представляет собой тонкую пластину минерала, установленную в кварцедержателе. Как известно, кварц обладает пьезоэффектом, что позволяет использовать его как систему, эквивалентную электрическому колебательному контуру и обладающую резонансными свойствами. Резонансные частота кварцевых пластин лежат в пределах от нескольких единиц килогерц до тысяч МГц с нестабильностью частоты, обычно порядка 10 -8 и ниже.

Рисунок 3 – Схема RC-генератора синусоидальных сигналов

Мультивибраторы — это электронные генераторы сигналов прямоугольной формы.

Мультивибратор в подавляющем большинстве случаев выполняет функцию задающего генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системе импульсного или цифрового действия.

На рисунке 4 приведена схема симметричного мультивибратора на ИОУ. Симметричный – время импульса прямоугольного импульса равно времени паузы tимп = tпаузы.

ИОУ охвачен положительной обратной связью – цепь R1,R2, действующей одинаково на всех частотах. Напряжение на неивертирующем входе постоянно и зависит от сопротивления резисторов R1,R2. Входное напряжение мультивибратора формируется при помощи ООС через цепочку RC.

Рисунок 4 – Схема симметричного мультивибратора

Уровень напряжения на выходе изменяется с +Uнас на -Uнас и обратно.

Если напряжение выхода Uвых = +Uнас конденсатор заряжается и напряжение Uс, действующее на инвертирующем входе возрастает по экспоненциальному закону (рис. 5).

При равенстве Uн = Uс произойдёт скачкообразное изменение выходного напряжения Uвых = -Uнас, что вызовет перезаряд конденсатора. При достижении равенства -Uн = -Uс снова произойдёт изменение состояние Uвых. Процесс повторяется.

Рисунок 5 – Временные диаграммы работы мультивибратора

Изменение постоянной времени RC-цепи приводит к изменению времени заряда и разряда конденсатора, а значит и частоты колебаний мультивибратора. Кроме того, частота зависит от параметров ПОС и определяется по формуле: f = 1/T = 1/2tи = 1/[2 ln(1+2 R1/R2)]

При необходимости получить несимметричные прямоугольные колебания для tи ≠ tп, используют несимметричные мультивибраторы, в которых перезаряд конденсатора происходит по разным цепочкам с различными постоянными времени.

Одновибраторы (ждущие мультивибраторы) предназначены для формирования прямоугольного импульса напряжения требуемой длительности при воздействии на входе короткого запускающего импульса. Одновибраторы часто называют еще электронными реле выдержки времени.

В технической литературе встречается еще одно название одновибратора – ждущий мультивибратор.

Одновибратор обладает одним длительно устойчивым состоянием равновесия, в котором он находится до подачи запускающего импульса. Второе возможное состояние является временно устойчивым. В это состояние одновибратор переходит под действием запускающего импульса и может находиться в нем конечное время tв, после чего автоматически возвращается в исходное состояние.

Основными требованиями к одновибраторам являются стабильность длительности выходного импульса и устойчивость его исходного состояния.

Генераторы линейно-изменяющихся напряжений (ГЛИН) формируют периодические сигналы, изменяющиеся по линейному закону (пилообразные импульсы).

Пилообразные импульсы характеризуются длительностью рабочего хода tр, длительностью обратного хода tо и амплитудой Um (рисунок 6, б).

Для создания линейной зависимости напряжения от времени чаще всего используют заряд (или разряд) конденсатора постоянным током. Простейшая схема ГЛИН приведена на рисунок 6, а.

Когда транзистор VT закрыт, конденсатор С2 заряжается от источника питания Uп через резистор R2. При этом напряжение на конденсаторе, а значит и на выходе линейно возрастает. При поступлении на базу положительного импульса транзистор открывается, и конденсатор быстро разряжается через его малое сопротивление, чем обеспечивается быстрое уменьшение выходного напряжения до нуля – обратный ход.

ГЛИН применяются в устройствах развертки луча в ЭЛТ, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и других преобразовательных устройствах.

Рисунок 6 – а) Простейшая схема для формирования линейно изменяющегося напряжения б) Временная диаграмма импульсов пилообразной формы.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Генераторы электрических колебаний

Генератором электрических колебаний называют устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний требуемой формы, частоты и мощности.

Функциональная схема генератора имеет вид:

По принципу работы различают генераторы с самовозбуждением (автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением.

Автогенераторы возбуждаются (начинают работать) без приложения к ним дополнительного периодического сигнала.

Автогенераторы делятся на:

— автогенераторы синусоидальных (гармонических) колебаний;

— автогенераторы несинусоидальной формы или релаксационные (импульсные).

Релаксационные генераторы (генераторы импульсов).

Генераторы импульсов в зависимости от формы выходного сигнала делят на генераторы:

— линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН);

— экспоненциальной формы;
— треугольной формы;

Обобщенная структурная схема автогенератора.

Тогда:

Отсюда следует, что стационарный режим возможен, когда:

— уравнение стационарности автогенератора.

С учетом частоты ω и фазовых сдвигов можно представить:

Последнее условие выполняется в следующем случае (условия самовозбуждения).

Уравнение (1) определяет условие баланса фаз;

Уравнение (2) определяет условие баланса амплитуд.

Если условия самовозбуждения выполняются только для одной частоты ω – то на выходе – колебания только этой частоты и устройство является автогенератором гармонических колебаний.

Если условия самовозбуждения выполняются для нескольких частот ω, то на выходе генератора колебания не являются гармоническими.

Источник

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