prosdo.ru
добавить свой файл
1
Генераторы сигналов


  1. Генераторы гармонических колебаний – это устройства, преобразующие энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний синусоидальной формы требуемой частоты и мощности.

  2. Генераторы классифицируются:

  1. В зависимости от частоты:

    • Низкочастотные (0,01 – 100 кГц);

    • Высокочастотные (0,1 – 100 МГц);

    • Сверхвысокочастотные > 100 МГц;

  2. В зависимости от способа возбуждения:

    • С независимым возбуждением;

    • С самовозбуждением (автогенераторы);


Условия самовозбуждения автогенераторов

Структурная схема автогенератора имеет вид:


Состоит из усилителя с коэффициентом усиления и звена положительной обратной связи

Коэффициенты и зависят от частоты и являются комплексными числами.

В качестве звеньев ОС используются частотно зависимые цепи: LC-контуры, либо RC-четырехполюсники.

Если и представляют колебания синусоидальной формы, то устойчивый стационарный режим, при котором амплитуды возможен при условии – условие самовозбуждения.


Действительно:

Откуда следует:



где и – модули коэффициентов усиления,

и – аргументы этих коэффициентов.

Равенство = 1 выполняется при следующих условиях:






где

Условие 1 называется условием баланса амплитуд. Оно соответствует тому, что потери энергии в автогенераторе восполняются звеном ПОС от источника питания.

Условие 2 называется условием баланса фаз. Оно свидетельствует о наличии положительной обратной связи.

Определим зависимости частоты возбуждаемых колебаний и формы выходного напряжения автогенератора от его параметров.
Схема LC-генератора на ОУ

По первому закону Кирхгофа




Т. к.



Это дифференциальные уравнения затухающих колебаний.

Введем обозначения:

и , тогда

Это дифференциальное уравнение имеет решение:



Возможны три характерных случая:


  1. , т. е.

Амплитуда выходного сигнала падает по экспоненциальному закону. Колебания затухающие.

  1. ,

Возникают устойчивые синусоидальные колебания с частотой :



  1. , т. е.

Амплитуда выходного напряжения нарастает по экспоненциальному закону.

Вывод: самовозбуждение при включении питания возможно только при условии Для того, чтобы колебание было синусоидальным, необходимо в дальнейшем осуществить регулировку . Т. е., чтобы


Существуют два режима самовозбуждения:


  1. «Мягкий».

  2. «Жесткий».

При «мягком» режиме возбуждения в момент включения источника питания. Случайно возникающее возмущение усиливается и через цепь ОС подается опять на вход в фазе со входным. Происходит лавинообразный процесс нарастания выходного сигнала. Когда перегрузится (режим насыщения), будет уменьшаться, пока не станет равным



При «жестком» режиме в момент включения питания. Для возбуждения необходимо дополнительный сигнал. тогда .



Генераторы LC-типа

Схемы генераторов LC-типа различают способами введения ОС, а также способами подключения к усилителю колебательного контура.

Достоинства:

  1. Сравнительно высокая стабильность частоты колебания:



  1. Устойчивая работа при значительных уменьшениях параметров усилительных элементов.

  2. Колебания имеют малый коэффициент гармоник.

Недостатки:


  1. Трудность изготовления высокостабильных температурно-независимых индуктивностей.

  2. Большие гарантийные размеры, масса, стоимость.


LC-генераторы с трансформаторной связью (схема Майснера)
Резисторы и задают режим работы по постоянному току. – обеспечивает эмиттерную стабилизацию рабочей точки. В коллекторную цепь включен колебательный контур , катушка которого индуктивно

связана с катушкой , включенной в базовую цепь.

Нагрузка через разделительный конденсатор включена к коллектору. На частоте генерации конденсаторы и закорачивают резисторы и . Т. е. сигнал Ос воздействует непосредственно на управляющую цепь транзистора.

Частота генерируемых колебаний .


Для выполнения условий:


  1. Баланса фаз – фазируют катушку , включают встречно катушке , чтобы напряжение было противофазно переменному напряжению коллектора. Т. к. включен по схеме с ОЭ, то фаза коллекторного напряжения на сдвинута по сравнению с входным.

  2. Баланса амплитуд – регулируют связь между обмотками и , изменяя число витков или регулируя расстояние между и .

Применение: датчики перемещений, счет мелких металлических частиц. Принцип действия – при попадании металлических частиц в загор между и ПОС разрывается и генерация прекращается.

Трехточечные схемы автогенераторов

Получили такое название потому, что колебательный контур подключается к усилителю в трех точках (к одной подключается коллектор, ко второй – база, к третьей – эмиттер). Это включение позволяет снимать ПОС непосредственно с колебательного контура.

Индуктивная трехточка (схема Хартли)




Резисторы , , и конденсатор обеспечивают режим работы по постоянному току.

Колебательный контур включен в коллекторную цепь транзистора . Выходной сигнал снимается с катушки (с коллектора), а сигнал ПОС – с катушки . Т. к. напряжения этих сигналов противофазны, то автоматически выполняется условие баланса фаз. Сигнал ПОС подается на базу транзистора через разделительный конденсатор , сопротивление которого на частоте генерации мало. Общая точка и подключена к эмиттеру транзистора через источник питания , сопротивление которого переменному току ничтожно мало.

Частота генерации

Условия баланса амплитуд выполняют подбором числа витков катушки , полная индуктивность контура: – должна быть сохранена.


Индуктивную трехточку применяют в автогенераторах, перестраиваемых по частоте конденсатором переменной емкости.

Емкостная трехточка. Схема Колпитца


Колебательный контур включен в коллекторную цепь. Общая точка через источник питания подключена к (к эмиттеру). Выходное напряжение снимается с конденсатора и через подается в нагрузку .

Напряжение ПОС снимается с конденсатора и через поступает на базу транзистора. Конденсатор не пропускает постоянную составляющую коллекторного напряжения на базу транзистора.

Условие баланса амплитуд выполняют, подбирая емкость конденсатора и одновременно корректируя емкость так, чтобы частота генерации не изменялась.

Частота генерации

Емкостную трехточку используют в автогенераторах стабилизированных кварцем, заменяя катушку индуктивности кварцевым резонатором.


Генераторы RC-типа

Преимущественно используются для построения генераторов низких частот, т. к. катушки индуктивности для этих частот слишком громоздки.

Достоинства:


  1. Простота реализации.

  2. Дешевизна.

  3. Малые габариты и масса.

Недостатки:

  1. Невысокая стабильность частоты:



  1. Существенные нелинейные искажения

RC-автогенератор, содержит усилитель и звено обратной связи, являющейся частотно-зависимой RC-цепью.

RC-автогенератор с r-образным звеном ОС

Автогенератор построен на базе инвертирующего усилителя на ОУ. Т. к. в таком усилителе и сдвинуты на по фазе, то для соблюдения баланса фаз, т. е. для введения положительной обратной связи, выходное напряжение прежде чем подать обратно на вход, необходимо сдвинуть еще на.

Т. к. выходное сопротивление на ОУ мало, а входное – велико, то фазовый сдвиг на можно осуществить с помощью трех одинаковых RC-звеньев, каждое из которых изменяет фазу на .

Частотно-зависимая ОС, содержащая элементы , вносит сдвиг на частоте генерации. Резистор выполняет функцию частотно-независимой ОС.


Для возникновения автоколебания необходимо чтобы .

,

где

Частота генерации

При условии: и частота автоколебаний генератора: а для возникновения автоколебаний необходимо

Диоды и , включенные последовательно с обеспечивают нелинейность петлевого усиления и служат для автоматической стабилизации амплитуды колебаний.

При малой амплитуде колебаний диоды практически закрыты и петлевые усиления Это обеспечивает быстрое возбуждение колебаний.

При увеличении амплитуды колебаний динамическое сопротивление диодов падает, в соответствием с отношением: , где – температурный потенциал диодного перехода при комнатной температуре.

Следовательно, общее сопротивление снижается и амплитуда колебаний стабилизируется при таком значении , при котором для основной гармоники сигнала.


Основной недостаток таких схем состоит в том, что генерируемые колебания имеют значительные искажения формы, что объясняется отсутствием строгой избирательности к основной частоте r-образных RC-цепей.

Хороший генератор можно построить с использованием моста Вина, который включается в цепь положительной ОС.



Коэффициент преобразования:



Коэффициент будет вещественным по частоте , при которой откуда или при

Фазовый сдвиг на частоте :


Т. к. на частоте генерации , то для выполнения условия , должно быть равно




Мост Вина Включен в цепь ПОС. На частоте и Для выполнения условия баланса амплитуд, необходимо

Пренебрегая сопротивлением диодов, получаем:

, откуда

С помощью данной схемы могут быть получены малые искажения

Для автоматической стабилизации амплитуды выходного напряжения генераторов можно использовать полевой транзистор, у которого сопротивление канала зависит от напряжения затвор-исток

Резисторы подбирают таким образом, чтобы при открытом транзисторе коэффициент усиления , а при закрытом

В начальный момент времени конденсатор разряжен, транзистор открыт , амплитуда генерируемых колебаний нарастает. Их отрицательные полуволны через диод заряжают конденсатор , напряжение с которого поступает на затвор и закрывает его до тех пор, пока коэффициент передачи усилителя не станет и нарастание выходного напряжения не прекратится.


При практическом применении подобных генераторов, нагрузку желательно подключать через дополнительный буферный усилительный каскад (т. к. ПОС повышает выходное сопротивление ОУ).

Генераторы импульсов
Генераторы импульсных сигналов могут работать в одном из трех режимов:


  1. Автоколебательном режиме.

  2. Ждущем режиме.

  3. Режиме синхронизации.

В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего сигнала.

В ждущем режиме генераторы формируют импульсный сигнал лишь по приходе внешнего (запускающего) сигнала.

В режиме синхронизации генераторы вырабатывают импульсы напряжения, частота которых равна или кратна частоте синхронизации.

Генераторы импульсов
Наиболее распространенным является мультивибратор.

Рассмотри мультивибратор на ОУ.



С помощью резисторов и введена положительная обратная связь, которая является необходимым условием для самовозбуждения колебаний, а резистор и образуют отрицательную ОС. ПОС должна быть опережающей по своему действию во времени по отношению к ОС. Тогда ПОС обеспечивает лавинообразный процесс перехода из одного состояния в другое, а цель ООС (совместно с целью ПОС) время пребывания устройства в каждом из состояний.

Схема работает следующим образом:

, – максимальное выходное напряжение на выходе ОУ (обычно 1-2 В меньше , приводится в справочниках).


, – напряжение на Н-м входе ОУ, определяемое цепью ПОС

Пусть выходной сигнал переключается с отрицательного на положительный. Конденсатор , имеющий отрицательный заряд начинает заряжаться положительно. Когда , достигает напряжения на Н-м входе выход схемы переключается, его напряжение становится отрицательным и цикл повторяется.

Считая уровни ограничения и одинаковыми и равными по модулю, определим полупериод колебаний как время перезаряда конденсатора под воздействием напряжения через резистор от уровня до уровня .



Отсюда, .

При , .

при

Максимальная частота, с которой может работать эта схема, ограничивается скоростью нарастания выходного напряжения ОУ. Симметричное прямоугольное напряжение, у которого , называется «меандр» (скважность ).

Для построения несимметричного мультивибратора вместо резистора используют два различных резистора с диодами. Схема аналогична схеме мультивибратора, но в нее введен диод




При

Ждущий мультивибратор (одновибратор)

Одновибратор предназначен для генерации под действием входных сигналов одиночных прямоугольных импульсов заданной длительности.

Схема аналогична схеме мультивибратора, но в нее введен диод для осуществления ждущего режима и цепь для осуществления запуска.


Схема имеет одно устойчивое состояние, когда

При этом диод открыт: диод заперт.

При на Н вход подается положительный импульс, диод открывается и , т. к.

Начинается заряд конденсатора и длится до тех пор, пока не превысит , затем ОВ возвращается в исходное состояние.



Длительность импульса