Что такое электронный генератор гармонических колебаний - NEVINKA-INFO.RU

Что такое электронный генератор гармонических колебаний

Электронные генераторы. Генераторы гармонических колебаний. Общие сведения о генераторах. Генератор сигналов — это устройство, позволяющее производить сигнал определённой природы

Что такое электронный генератор гармонических колебаний

Электронные генераторы. Генераторы гармонических колебаний.

Общие сведения о генераторах.

Генератор сигналов — это устройство, позволяющее производить сигнал определённой природы (электрический, акустический и т. д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.).

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).

3) по способу возбуждения:

— с независимым (внешним) возбуждением;

— с самовозбуждением (автогенераторы).

Генераторы гармонических колебаний.

Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение при отсутствии входных сигналов. В схемах генераторов всегда используется положительная обратная связь.

Колебания называются свободными (или собственными), если они совершаются за счет первоначально совершенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на колебательную систему (систему, совершающую колебания). Простейшим типом колебаний являются гармонические колебания — колебания, при которых колеблющаяся величина изменятся со временем по закону синуса (косинуса).

Генераторы являются составной частью многих измерительных приборов и важнейшими блоками автоматических систем.

Различают аналоговые и цифровые генераторы. Для аналоговых генераторов гармонических колебаний важной проблемой является автоматическая стабилизация амплитуды выходного напряжения. Если в схеме не предусмотрены устройства автоматической стабилизации, устойчивая работа генератора окажется невозможной. В этом случае после возникновения колебаний амплитуда выходного напряжения начнет постоянно увеличиваться, и это приведет к тому, что активный элемент генератора (например, операционный усилитель) войдет в режим насыщения. В результате напряжение на выходе будет отличаться от гармонического. Схемы автоматической стабилизации амплитуды достаточно сложны.

Структурная схема генератора приведена на рисунке ниже:

ИЭ —источник энергии,

ПОС — цепь положительной об­ратной связи,

ООС — цепь отрицатель-ной обратной свяаи,

ФК — формирова­тель колебаний (LC-контур или фазирующая RС-цепь).

По способу получения колебаний генераторы подразделяют на две группы: генераторы с внешним возбуждением и генераторы с самовозбуждением. Генератором с внешним возбуждением является усилитель мощности, на вход которого подаются электрические сигналы от источника колебаний. Генераторы с самовозбуждением со­держат формирователи колебаний; такие генераторы часто называют автогенераторами.

Схемы LC-генераторов гармонических колебаний.

В генераторах с LC-контурами исполь­зуются индуктивные катушки и конденсаторы с высокой добротностью. Автогенератор — формирователь ко­лебаний — представляет собой один или несколько уси­лительных каскадов с цепями положительной частотно-зависимой обратной связи; схемы обратной связи содер­жат колебательные цепи. Возможны различные вариан­ты включения колебательной цепи относительно электро­дов УЭ: только на входе, только на выходе или одновре­менно в нескольких участках схемы. По способам сое­динения LC -элементов с электродами усилительных элементов различают трансформаторную связь и так называемую трехточечную связь — индуктивную или емкостную. Автогенератор с трансформаторной связью показан на рис. 1.

Рис. 1. Автогенератор-формирователь синусоидальных колебаний с трансформаторной связью.

Колебательный контур, состоящий из катушки Lк и конденсатора С, является коллекторной нагрузкой тран­зистора V1, Индуктивная связь между выходом и входом усилителя обеспечивается катушкой Lб, присоеди­ненной к базе транзистора. Элементы R1, R2, Rэ, Сэ предназначены для обеспечения необходимого режима работы по постоянному току и его термостабилизации.

Благодаря конденсатору С1 обладающему малым со­противлением на частоте генерации, создается цепь для переменной составляющей тока между базой и эмиттером транзистора. Точ­ками обозначены начала обмоток Lб и Lк, поскольку необходимо соблюсти условие баланса фаз. Условие баланса фаз соблю­дается, если приток энергии совершается синхронно с изменением знака напряжения на контуре; например, в каскаде с транзистором, включенным по схеме с ОЭ, фазы входного и выходного сигналов взаимно сдвину­ты на 180° С. Поэтому концы катушки Lб надо подклю­чить так, чтобы входные и выходные колебании совпа­дали по фазе. Условие баланса амплитуд состоит в том, что поте­ри в контуре и нагрузке непрерывно пополняются за счет источника питания.

Рис. 1а. Работа автогенератора. Переходные процессы.

Работа антогенератора (Рис. 1а) начинается при включении ис­точника Ек. Начальный импульс тока возбуждает в контуре LкC колебания с частотой , которые могли бы прекратиться из-за тепловых потерь энергии в активном сопротивлении ка­тушки и конденсатора. Но поскольку между катушками Lб и Lк имеется индуктивная связь с коэффициентом взаимоиндукции М, в базовой цепи возникнет переменный ток , совпадающий по фазе с током коллекторной цепи (условие баланса фаз обеспе­чивается рациональным включением концов обмотки Lб). Усилен­ные колебания передаются из контура снова в базовую цепь, и раз­мах колебаний постепенно нарастает, достигая заданного значения.

Схемы RC-генераторов гармонических колебаний.

RC-автогенераторы используются для генерирования колебаний инфранизкой и низкой частоты (от долей герца до нескольких десятков килогерц); RС-генераторы могут вырабатывать колебания и более высоких частот, однако низкочастотные колебания отличаются более высокой стабильностью.

Рис. 3. Автогенераторы синусоидальных колебаний с целью из Г-образных RC-звеньев (а) и мостового типа (б).

RC-автогенератор состоит из усилителя (одно- или многокаскадного) и цепи частотно-зависимой обратной связи. Цепи обратной связи выполняются в виде «лестничных» (рис. 3, а) или мостовых (рис. 3, б) RC-схем.

RC-автогенератор с многозвенной RC-цепью обратной связи показан на рис. 3, а. Три последовательно соединенных фазиру­ющих эвена R1C1—R3С3, включенных между выходом и входом усилительного каскада, образуют цепь поло­жительной обратной связи с фильтрующими свойства­ми. Она поддерживает колебательный процесс только на одной определенной частоте; без RC-элементов однокаскадный усилитель имел бы отрицательную обрат­ную связь по напряжению. Условие баланса фаз прояв ляется в том, что каждое из RС-звеньев поворачивает фазу сигнала на угол 60°, а суммарный угол сдвига равен 180°. Условие баланса амплитуд удовлетворяется путем выбора соответствующего коэффициента уси­ления каскада.

Автогенератор с RC-фильтром мостового типа приведен на рис. 3,б. Два плеча моста — звенья R1C1 и R2C2 — подключены к неинвертируюшему входу уси­лителя 2 (цифра внутри треугольника означает число каскадов). Эти звенья образуют цепь ПОС. К инверти­рующему входу того же усилителя присоединена другая диагональ, составленная из нелинейных элемен­тов R3 и r, которая создает цепь ООС. В данной схеме мост обладает избирательным свойством и условие баланса фаз обеспечивается при одной частоте (на ко­торой выходной сигнал моста совпадает по фазе со входным). Регулировка частоты в данном автогенераторе проста и удобна, причем возможна в очень широком диапазоне частот. Ее осуществля­ют изменением либо сопротивлений обоих резисторов, либо емкостей обоих конденсаторов моста.

Общий недостаток всех генераторов — чувствительность генери­руемой частоты к изменению питающих напряжений, температуры, «старению» элементов схемы.

Генераторы гармонических колебаний

Вы будете перенаправлены на Автор24

Колебаниями в физике считают движения и процессы, имеющие периодичность во времени.

В среде электромагнитных явлений большое место занимают электромагнитные колебания. В этих колебаниях заряды, токи, напряжения, электрические и магнитные поля изменяются согласно периодическим законам.

Данный тип колебаний применяют:

  • в разных технических устройствах;
  • для целей телефонной, телеграфной и радиосвязи;
  • создания технических переменных токов;
  • свет – не что иное, как электромагнитные колебания.

Колебания, которые происходят под воздействием сил внутри самой колебательной системы, называют собственными. Собственные колебания появляются при любом нарушении состояния равновесия колебательной системы.

Гармоническими называют колебания, которые описывают при помощи тригонометрических законов синуса и косинуса.

Генератор гармонических колебаний — это устройство, создающее переменное напряжение, которое описывает закон синуса, при этом входные сигналы отсутствуют.

При этом электрическая энергия источника постоянного тока трансформируется в энергию незатухающих гармонических колебаний определенной частоты, амплитуды и мощности.

Генераторы гармонических колебаний применяют на практике:

  • в радиоустройствах как задающие генераторы;
  • с целью нагревания металлов и диэлектриков, используя индукционный высокочастотный нагрев;
  • в составе разных преобразователей, которые используют для обработки материалов ультразвуком;
  • в частотных измерительных приборах.

Виды генераторов гармонических колебаний

Генераторы, в зависимости от частоты генерации колебаний делят на:

  • низкочастотные (генерирующие частоты до $10^5$Гц);
  • высокочастотные (генерирующие частоты от $10^5$ до $10^8$Гц);
  • сверхвысокочастотные (СВЧ) генераторы (частоты более $10^8$Гц).

Готовые работы на аналогичную тему

Генераторы могут обладать:

  • независимым внешним возбуждением;
  • самовозбуждением.

Генератор, имеющий внешнее возбуждение — это усилитель мощности. На его вход подает электрический сигнал источник колебаний. Частота колебаний для таких генераторов определяется частотой возбуждающих колебаний.

Генератор, имеющий самовозбуждение обладает формирователями колебаний, обычно данные генераторы именуют автогенераторами. Для автогенераторов частота колебаний определяется параметрами собственных частотозадающих цепей.

Читайте также  Уаз 469 генератор неисправности

Структурная схема генератора гармонических колебаний

Принципиальная схема генератора (рис.1) имеет следующие структурные элементы:

  • источник энергии;
  • усилитель;
  • цепь положительной обратной связи;
  • цепь отрицательной обратной связи;
  • формирователь колебаний ($LC$ или $RC$ цепи).

Рисунок 1. Принципиальная схема генератора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Автогенератор

  • усилитель;
  • избирательную цепь,

которые включены последовательно в замкнутую цепь с положительной обратной связью.

Усилитель может состоять из:

  • линейного усилителя;
  • ограничителя колебаний с общим коэффициентом передачи:

где $ k_$ — коэффициент передачи линейного усилителя; $mleq 1$ — коэффициент ограничения амплитуды колебаний (коэффициент передачи ограничителя).

Реализация колебаний в автогенераторе возможна при выполнении двух основных условий:

Произведение коэффициентов передачи составных частей автогенератора в его замкнутой цепи должно быть равно единице:

где $ k_o$ — коэффициент передачи избирательной цепи.

Сумма сдвигов фаз в цепи автогенератора должна быть равна нулю:

где $varphi_u$ — фазовый сдвиг в усилителе; $varphi_o$ — фазовый сдвиг в цепи обратной связи (в избирательной цепи).

Коэффициент передачи в цепи автогенератора является переменной величиной, зависящей от амплитуды колебаний. Если амплитуды колебаний малы, то произведение коэффициентов передачи должно быть более единицы:

где $m=1$, при этом амплитуда колебаний, появляющихся в автогенераторе, станет увеличиваться. При установлении колебаний их амплитуда ограничена соответствующей цепью. При установившемся режиме выполняется условие (2). При этом $m$

Для автогенератора имеется два режима возбуждения:

  • мягкий, при котором колебания возбуждаются самостоятельно;
  • жесткий, когда необходим внешний «толчок».

Баланс амплитуд в автогенераторе обеспечивает совместная работа усилителя и ограничителя. Коэффициент $m$ выступает в роли регулирующего параметра, с его помощью поддерживается баланс амплитуд.

Баланс фаз в автогенераторе обеспечивается в основном, реализацией положительной обратной связью.

Обычно ограничение амплитуды сопровождает искажение формы колебаний. При этом избирательная цепь автогенератора фильтрует колебания, осуществляя выделение первой гармоники.

Избирательная цепь в автогенераторе

Роль избирательных цепей в автогенераторах исполняют:

  • $LC$ – контуры,
  • $RC$ — цепи,
  • кварцевые резонаторы,
  • камертонные резонаторы,
  • отрезки длинных линий,
  • полые резонаторы.

Кварцевые и камертонные резонаторы используют для получения колебаний со стабильными по частоте колебаниями.

Отрезки длинных линий и полые резонаторы применяют для создания УВЧ и СВЧ колебаний.

Самой распространенной избирательной цепью служит $LC$ — контур. Его подключают параллельно или последовательно к внешнему источнику.

При параллельном подключении $LC$ — контура его сопротивление равно:

  • $Z_0$ — эквивалентное параллельное сопротивление потерь (эквивалентное сопротивление контура на частоте резонанса);
  • $Q=frac$- добротность контура;
  • $rho=sqrt>$ — характеристическое сопротивление;
  • $r$ — сопротивление потерь;
  • $x$ — обобщённая расстройка.
  • $omega_0=frac<1>>$ — резонансная частота контура.

Последовательный $LC$ — контур характеризуют проводимостью на частоте $omega_0$:

Электронный генератор

Электронный генератор

Электронные генераторы — большое множество устройств в радиотехнике и электронике (радиоэлектронике). Генератор представляет собой электронный усилитель охваченный цепью положительной обратной связи с фильтром.

Содержание

Виды электронных генераторов

  • По форме выходного сигнала:
    • Синусоидальных, гармонических колебаний (сигналов) (генератор Мейснера, генератор Хартли (индуктивная трёхточка), генератор Колпитца (ёмкостная трёхточка) и др.) [1]
    • Прямоугольных импульсов — мультивибраторы, тактовые генераторы
    • Функциональный генератор — прямоугольных, треугольных и синусоидальных импульсов
  • По частотному диапазону:
    • Низкочастотные
    • Высокочастотные
  • По принципу работы:
    • Стабилизированные кварцевым резонатором — Генератор Пирса
    • Блокинг-генераторы
    • LC-генераторы
    • RC-генераторы[2][3]
  • По назначению:
    • Генератор тактовых импульсов

Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток. Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью. Однофазные генераторы ещё большей мощности строят по четырёхтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно ещё вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трёхфазные двухтактные (полумостовые) и четырёхтактные (полномостовые) генераторы. Мощные преобразователи называются силовыми инверторами и относятся к силовой электронике.

Генераторы гармонических колебаний

Генератор (производитель) электрических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Усилитель с отрицательной обратной связью является дискриминатором (подавителем, активным фильтром). Усилитель генератора может быть как однокаскадным, так и многокаскадным.

Цепи положительной обратной связи выполняют две функции: сдвиг сигнала по фазе для получения петлевого сдвига близкого к n*2π и фильтра, пропускающего нужную частоту. Функции сдвига фазы и фильтра могут быть распределены на две составные части генератора — на усилитель и на цепи положительной обратной связи или целиком возложены на цепи положительной обратной связи. В цепи положительной обратной связи могут стоять усилители.

Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний являются:
1. петлевой сдвиг фазы равный n*360°±90°,
2. петлевое усиление >1,
3. рабочая точка усилительного каскада в середине диапазона входных значений.
Необходимость третьего условия.
Петлевой сдвиг фазы и в триггере и в генераторе равен около 360°. Петлевое усиление в триггере почти вдвое больше, чем в генераторе, но триггер не генерирует, т.к. рабочие точки каскадов в триггере смещены на края диапазона входных значений и эти состояния в триггере устойчивы, а состояние со средней величиной входных значений — неустойчиво. Такой характеристикой обладает компаратор.
В гармоническом генераторе среднее состояние устойчивое, а отклонения от среднего состояния неустойчивые.

История

В 1887 году Генрих Герц на основе катушки Румкорфа изобрёл и построил искровой генератор электромагнитных волн.

В 1913 году Александр Мейснер (Германия) изобрёл электронный генератор Мейснера на ламповом каскаде с общим катодом с колебательным контуром в выходной (анодной) цепи с трансформаторной положительной обратной связью на сетку. [4]

В 1914 году Эдвин Армстронг (США) запатентовал электронный генератор на ламповом каскаде с общим катодом с колебательным контуром во входной (сеточной) цепи с трансформаторной положительной обратной связью на сетку.

В 1915 году американский инженер из Western Electric Company Ральф Хартли, разработал ламповую схему известную как генератор Хартли, известную также как индуктивная трёхточечная схема («индуктивная трёхточка»). В отличие от схемы А. Мейсснера, в ней использовано автотрансформаторное включение контура. Рабочая частота такого генератора обычно выше резонансной частоты контура.

В 1919 году Эдвин Колпитц изобрёл генератор Колпитца на электронной лампе с подключением к колебательному контуру через ёмкостной делитель напряжения, часто называемый «ёмкостная трёхточка».

В 1932 году американец Гарри Найквист разработал теорию устойчивости усилителей, которая также применима и для описания устойчивости генераторов. (Критерий устойчивости Найквиста-Михайлова).

Позже было изобретено множество других электронных генераторов.

Устойчивость генераторов

Устойчивость генераторов складывается из двух составляющих: устойчивость усилительного каскада по постоянному току и устойчивость генератора по переменному току.

Фазовый анализ генератора Мейснера.

Генераторы «индуктивная трёхточка» и «ёмкостная трёхточка» могут быть построены как на инвертирующих каскадах (с общим катодом, с общим эмиттером), так и на неинвертирующих каскадах (с общей сеткой, с общим анодом, с общей базой, с общим коллектором).

Каскад с общим катодом (с общим эмиттером) сдвигает фазу входного сигнала на 180°. Трансформатор, при согласном включении обмоток, сдвигает фазу ещё на приблизительно 180°. Суммарный петлевой сдвиг фазы составляет приблизительно 360°. Запас устойчивости по фазе максимален и равен почти ± 90°. Таким образом генератор Мейснера относится, с точки зрения теории автоматического управления (ТАУ), к почти идеальным генераторам. В транзисторной технике каскаду с общим катодом соответствует каскад с общим эмиттером.

Фазовый анализ LC-генератора с СR положительной обратной связью

LC-генераторы на каскаде с общей базой наиболее высокочастотны, применяются в селекторах каналов почти всех телевизоров, в гетеродинах УКВ приёмников. Для гальванической развязки в цепи положительной обратной связи с коллектора на эмиттер стоит CR-цепочка, которая сдвигает фазу на 60°. Генератор работает, но не на частоте свободных колебаний контура, а на частоте вынужденных колебаний, из-за этого генератор излучает две частоты: большую — на частоте вынужденных колебаний и меньшую на частоте свободных колебаний контура. При первой итерации две частоты образуют четыре: две исходные и две суммарноразностные. При второй итерации четыре частоты производят ещё большее число суммарноразностных частот. В результате, при большом числе итераций получается целый спектр частот, который в приёмниках смешивается с входным сигналом и образует ещё большее число суммарноразностных частот. Затем всё это подаётся в блок обработки сигнала. Кроме этого, запас устойчивости работы по фазе этого генератора составляет +30°. Чтобы уменьшить шунтирование контура каскадом применяют частичное включение контура через ёмкостной делитель, но при этом происходит дополнительный перекос фазы. При одинаковых ёмкостях дополнительный перекос фазы составляет 45°. Суммарный петлевой сдвиг фазы 60°+45°=105° оказывается больше 90° и устройство попадает из области генераторов в область дискриминаторов, генерация срывается. Существует ряд формул для определения ёмкостей делителя, чтобы не сорвалась генерация, но запас устойчивости по фазе составляет менее 30°, что образно похоже на корабль плывущий с креном 60° и более градусов.

Генератор Мейснера на каскаде с общей базой, с частичным включением контура без перекоса фазы.

Если в «ёмкостной трёхточке» на каскаде с общей базой в цепи положительной обратной связи вместо CR-цепочки включить трансформатор со встречным включением обмоток, то петлевой сдвиг фазы составит около 360°. Генератор станет почти идеальным. Чтобы уменьшить шунтирование контура каскадом и не внести дополнительного перекоса фазы, нужно применить частичное включение контура без дополнительного перекоса фазы через два симметричных отвода от катушки индуктивности. Такой генератор будет излучать одну частоту, то есть будет подобен монохроматорам в оптике, и будет иметь наибольший запас устойчивости по фазе (± 90°), что образно похоже на корабль плывущий без крена.

Электронные генераторы

Электронный генератор — электронное устройство, вырабатывающее электрические колебания определенной частоты и формы, используя энергию источника постоянного напряжения (тока).

Различают генераторы с самовозбуждением (автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением. Любой автогенератор содержит колебательную систему и усилительный элемент (на биполярном или полевом транзисторе), связанные положительной обратной связью.

Основными характеристиками генератора являются форма, частота и мощность колебаний. По форме различают электронные генераторы гармонических (почти синусоидальных) колебаний и так называемые релаксационные генераторы различной формы. По частоте автогенераторы подразделяются на генераторы инфранизкой (от долей герц до 10 Гц), низкой (от 10 Гц до 100 кГц), высокой (от 100 кГц до 10 МГц) и сверхвысокой (свыше 10 МГц) частот.

Структурная схема генератора гармонических колебаний представлена на рис. 4.12.

Генератор состоит из усилителя У (нелинейного элемента НЭ) с комплексным коэффициентом усиления по напряжению

и четырехполюсника положительной обратной связи ОС (линейного элемента ЛЭ в видеLC— или RC-звеньев) с комплексным коэффициентом передачи .

Так как то напряжение

Следовательно, установившиеся колебания будут существовать в схеме при условии, что произведение Ки β=1, т. е. при коэффициенте усиления усилителя У, равном единице. При Киβ >1 амплитуда выходного напряжения Um.вых будет непрерывно возрастать (до насыщения активных элементов).

Представляя комплексные коэффициенты Ки и β в показательной форме, т. е. и их произведение получим условие самовозбуждения автоколебаний:

Первое условие отражает процесс баланса фаз, при котором сдвиг фаз в замкнутой цепи автоколебательной системы должен равняться 2πn радиан, а второе условие самовозбуждения — баланс амплитуд — сводится к тому, что на резонансной частоте ω активные потери энергии в автогенераторе должны восполняться от источника питания ИП посредством положительной обратной связи. Отметим, что баланс амплитуд обуславливает неизменную амплитуду стационарных колебаний.

При стабильной частоте колебаний условия баланса фаз и баланса амплитуд должны выполняться на одной частоте. Для этого автогенератор должен иметь частотно-зависимую (фазосдвигающую) LC— или RC-цепь, настроенную на эту частоту.

4.7.1. Автогенератор типа LС

Простейший автогенератор с индуктивной связью (рис. 4.13, а) представляет собой однокаскадный усилитель на транзисторе , включенном по схеме с общим эмиттером, с нагрузкой в виде параллельного колебательного контура LКСК и цепи обратной связи, созданной обмоткой LБ, индуктивно связанной с индуктивным элементом LК контура. Усилитель выполнен по схеме с фиксированным напряжением смещения делителем RБ1 и RБ2 и термостабилизируюшей RЭCЭ-цепью.

На вход усилителя через конденсатор CБ, ёмкостное сопротивление которого на частоте генерации незначительно, поступает сигнал обратной связи, представленный ЭДС базовой обмотки LБ.

Коллекторный ток, появившийся в момент включения источника питания — Uп, заряжает конденсатор СК, который затем разряжаясь на индуктивный элемент LК создает в контуре колебания с резонансной частотой

Эти колебания напряжения посредством индуктивной связи передаются на базу транзистора VT, вызывая колебания напряжения Uвх на входе усилителя и пульсации тока коллектора, которые, подпитывая LКСК -контур, восполняют активные потери энергии в нем. Чтобы колебания были незатухающими, нужно выполнить указанные выше два условия самовозбуждения.

Анализ электрического состояния усилителя показывает, что баланс фаз удовлетворяется, если амплитуда напряжения на контуре Um.p равна и противоположна по фазе амплитуде выходного напряжения Um.вых. Это возможно, если обмотка LК включена таким образом, что фаза индуктируемой в ней ЭДС находится в противофазе с напряжением контура uр, а напряжение uвых в однокаскадном усилителе, как известно, противофазно напряжению uвх. Очевидно, что фазы uвх и uвых сдвинуты на 180° + 180° = 360°.

Второе условие самовозбуждения — баланс амплитуд — сводится к тому, чтобы коэффициент усиления был больше или равен 1/β , т. е. Ки > 1/β.

Процесс возникновения, нарастания и установления колебательного режима удобно пояснить с помощью графика (рис. 4.13, б), где нанесены:

Ки = uвых/ uвх — амплитудная характеристика собственно усилителя и 1/β= uвых/ uвх.ос — прямая, характеризующая обратную связь.

Условию Ки > 1/β на графике соответствует расположение кривой Ки над прямой 1/β на участке .

Пусть наличие колебания uвх1 вызвало на выходе (в соответствии с кривой Ки) колебание uвых1, которое через ПОС создает на входе возросшее колебание uвых2— что вызовет дальнейшее увеличение выходного напряжения до тех пор, пока не будет достигнута точка а (см. рис. 4.13,б), в которой Ки > 1/β или Ки β=1. В точке а переходный процесс заканчивается и устанавливается стационарный режим гармонических колебаний.

4.7.2. Автогенераторы типа RС

На частотах, меньших 15. 20 кГц, при которых обмотки резонансных контуров получаются громоздкими, целесообразно применение RC-генераторов, выполняемых по структурной схеме (рис. 4.14, а).

Усилитель У (рис. 4.14. в) строится по обычной резистивной схеме, а положительная обратная связь осуществляется с помощью фазовозвращателя Фвр (RC-звеньев,рис. 4.14,б). Условия самовозбуждения таких генераторов прежние. Так как одно RC-звено сдвигает фазу своего выходного напряжения по отношению к её входному на угол, меньший 90°, то применяют трехзвенную структуру. Каждое Г-образное звено должно сдвигать фазу напряжения на 60°.

Частота генерируемых такими схемами синусоидальных колебаний при условии равенства сопротивлений резисторов R и ёмкостей С конденсаторов во всех трех звеньях определяется формулой

Как показывают расчеты, из-за падений напряжения на элементах, отношение uвх/uвых на фазовозвращателе (см. рис. 4.14,б) равно β= 29, поэтому для обеспечения условия баланса амплитуд коэффициент усиления собственно усилителя должен удовлетворять условию Ки ≥29.

Что такое электронный генератор гармонических колебаний

Генераторы гармонических колебаний представляют собой электронные устройства, формирующие на своем выходе периодические гармонические колебания при отсутствии входного сигнала. Генерирование выходного сигнала осуществляется за счет энергии источника питания. Со структурной точки зрения генераторы представляют собой усилители электрических сигналов, охваченные ПОС.

Внешний входной сигнал отсутствует. На входе усилителя действует только выходной сигнал ОС UOC. А на входе ОС действует UВХОС=UВЫХ. Поэтому коэффициент усиления такой схемы.

Условием, обеспечивающим наличие сигнала на выходе генератора при отсутствии внешнего входного сигнала является К→ ∞, то есть .

При выполнении этого условия любой усилитель, охваченный ПОС становится генератором, на выходе его появляются колебания, независимые от входного сигнала (автоколебания). Явление возникновения автоколебаний в усилителе называется самовозбуждением.

Условие возникновения автоколебаний можно разделить на две составляющие:

1) Условие баланса амплитуд: К∙β=1. Физический смысл: результирующее усиление в контуре, состоящем из последовательного соединения усилителя и цепи ОС должно быть равно единице. Если цепь ОС ослабляет сигнал, то усилитель должен на 100% компенсировать это ослабление. То есть если в любом месте разорвать контур ПОС и на вход подать сигнал от внешнего источника, то пройдя по контуру К∙β с выхода разрыва цепи ОС вернется сигнал точно такой же амплитуды, что был подан на вход разрыва.

2) Условие баланса фаз: arg(K·β)=0. Физический смысл: результирующий фазовый сдвиг, вносимый усилителем и цепью ОС должен быть равен нулю (или кратен 2π). То есть при подаче сигнала на разрыв, вернувшийся сигнал будет иметь точно такую же фазу. При выполнении этого условия ОС будет положительна.

Для существования автоколебаний необходимо одновременное выполнение этих условий. Если эти условия выполняются не для одной частоты, а для целого спектра частот, то генерируемый выходной сигнал будет сложным (не гармоническим). Для обеспечения синусоидальности выходного сигнала генератор должен генерировать сигнал только одной единственной частоты. Для этого необходимо, чтобы условия возникновения автоколебаний выполнялись для единственной частоты, которая и будет генерироваться. Для этого делают К или β частотно-зависимыми. Как правило β имеет максимум β0 на некоторой частоте ω0. Поэтому на ω0 и коэффициент усиления будет иметь максимум К0. Величины К0 и β0 обеспечивают такими, чтобы они удовлетворяли условиям возникновения автоколебаний. Тогда при отклонении частоты от ω0 и условия возникновения автоколебаний выполнятся не будут, что приведет к затуханию колебаний этой частоты и на выходе генератора будут только гармонические колебания частоты ω0.

В зависимости от того, каким способом в генераторе обеспечивается условие баланса фаз и амплитуд, различают генераторы:

3.1.1 Генератор LC-типа

Такой генератор строят на основе усилительного каскада на транзисторе, включая в его коллекторную цепь колебательный LC-контур. Для создания ПОС используется трансформаторная связь между обмотками W1 (имеющей индуктивность L) и W2 (рисунок 3.1.1.1).

Рисунок 3.1.1 Генератор LC-типа

Напряжение U2 является напряжением ОС. Оно связано с напряжением первичной обмотки W1 коэффициентом трансформации

Коэффициент трансформации в данном случае является коэффициентом передачи ОС, показывая какая часть напряжения передается на вход. Для выполнения баланса амплитуды на частоте ω0 должно выполнятся равенство

Из этого условия рассчитывается необходимое число витков вторичной обмотки, чем обеспечивается условие баланса амплитуд. Для обеспечения баланса фаз необходимо обеспечить соответствующее включение начал и концов обмоток, чтобы ОС была положительной. Емкость С1 выбирают такой, чтобы ее сопротивление на частоте генерации было незначительным по сравнению с R2. Это исключает влияние сопротивления делителя на ток во входной цепи транзистора, создаваемый напряжением ОС. Назначение RЭ и СЭ такое же, как в обычном усилительном каскаде. LC-генераторы, также как и LC-избирательные усилители применяют в области высоких частот, когда требуются небольшие величины L и имеется возможность обеспечить высокую добротность LC-контура. А на низких и инфранизких частотах, когда построение LC-генератора затруднительно, используют RС цепи тех же типов, что и для избирательных усилителей.

3.1.2 RC- генераторы

RC генераторы используют для задания частоты резисивно – емкостную связь. Основные два вида генераторов синусоидальных колебаний это: генератор с фазосдвигающей цепью и генератор на основе моста Вина. Генератор с фазосдвигающей цепью — это обычный усилитель с фазосдвигающей цепью обратной связи. На комбинации цепочек имеют место потери мощности, поэтому транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления (рисунок 3.1.2.1).

Рисунок 3.1.2.1 Частота генератора рассчитывается по формуле

В этом генераторе для возникновения колебаний усилитель должен иметь бесконечно большое входное сопротивление и выходное сопротивление –равное 0.

Тогда, если конденсаторы и резисторы имеют равные реактивные и активные параметры, условием существования колебаний будет равенство коэффициента усиления числу 29. Такое усиление необходимо для компенсации затухания в фазосдвигающей цепочке. Фазовый угол этой цепочки на частоте колебаний равен 180°, а усилитель должен инвертировать сигнал, с тем, чтобы общий сдвиг фазы по всему контуру был равен 0 (условие генерации).

Частота колебаний генератора определяется выражением:

Генераторы гармонических колебаний.

Назначение и классификация генераторов.

Генератором гармонических колебаний называют электронное устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих синусоидальных колебаний заданной частоты. Структура генератора содержит в своем составе активный элемент и частотно-избирательный четырехполюсник. В качестве активных элементов используют транзисторы и интегральные усилители. Гармонические колебания в генераторах поддерживаются резонансными LC-контурами или с помощью фазирующих RC-цепей, включаемых в цепь обратной связи усилителей. Первые называют LC-генераторами, а вторые – RC-генераторами.

Условия самовозбуждения автогенераторов.

При охвате усилителя положительной обратной связью он самовозбуждается, так как коэффициент усиления на определенных частотах достигает бесконечно большого значения. Такая схема работает в автоколебательном режиме и является автогенератором. Т.е, автогенератор гармонических колебаний представляет собой усилитель с коэффициентом усиления Ки, охваченный положительной обратной связью с коэффициентом передачи напряжения β (рис. 65).

Напряжение, снимаемое с выхода звена обратной связи:

а напряжение на выходе генератора

Следовательно, установившиеся колебания будут существовать в схеме при условии

При Kиβ > 1 амплитуда колебаний будет непрерывно возрастать. Условие (55) можно записать следующим образом:

Так как Kиβ– величина комплексная, процесс самовозбуждения автогенератора, описываемый выражением (56), можно охарактеризовать двумя формулами:

Kиβ = 1 (57)

Уравнение (57) показывает, что для существования автоколебательного режима ослабление сигнала, вносимое звеном обратной связи, должно компенсироваться усилителем. Это условие баланса амплитуд.

Уравнение (58) отражает условие баланса фаз, при котором сдвиг фаз вносимый усилителем и звеном обратной связи должен равняться 2πn, где n= 0,1,2, 3,…

Для генерации колебаний синусоидальной формы у автогенератора должны выполняться условия баланса фаз и амплитуд на одной и той же частоте.

Схема автогенератора с резонансным LC-контуром показана на рис. 5.3, а. В этой схеме используется индуктивная связь обмотки резонансного контура являющегося нагрузкой однокаскадного усилителя по схеме ОЭ, со второй обмоткой Lб включенной в цепь возбуждения усилителя (в цепь базы). Элементы R1, R2, R3 и Cэ предназначены для обеспечения необходимого режима по постоянному току и его термостабилизации. Сопротивления rк и rб учитывают активные потери соответственно в контурной и базовой обмотках. За счет конденсатора С,реактивное сопротивление которого на частоте генерации незначительно, заземляется один конец базовой обмотки.

Сопротивление контура на резонансной частоте носит чисто активный характер и равно Lк/(rкCк).Поэтому при воздействии на базу сигнала переменного тока с частотой, равной частоте резонанса, напряжение на коллекторе будет сдвинуто по фазе на 180° (как для каскада усиления по схеме ОЭ). Поскольку базовая и контурная обмотки имеют взаимную индуктивность, переменное напряжение на базовой обмотке Uбэ, а счет тока Iк, проходящего через контурную обмотку Lк, будет равно ± jwMIк,где М – коэффициент взаимоиндукции. Если выбрать направление намотки катушек таким, что Uбэ = -jwMIк, тo общий фазовый сдвиг в замкнутой цепи усилитель – звено обратной связи будет равен нулю. Это обеспечивает выполнение условия баланса фаз.

При этом частота колебаний LC-автогенератора выражается формулой

(5.8)

У LC-автогенераторов в диапазоне низких частот непомерно увеличиваются индуктивность и емкость колебательного контура. Поэтому в автогенераторах гармонических колебаний низкочастотного диапазона используют частотно-избирательные цепочки из элементов R и С. Такие автогенераторы называют RC-генераторами. Они имеют меньшие габариты при частотах от долей герц до десятков килогерц.

Чтобы из всего возможного спектра частот RC-автогенератор генерировал лишь одну какую-либо гармоническую составляющую, условия самовозбуждения генератора [формулы (5.4), (5.5)] должны быть выполнены на этой частоте.

Наиболее широкое применение находят RC-автогенераторы, в которых используют последовательно-параллельную, частотно-избирательную RC-цепочку (рис. 5.4, а). Квазирезонансная частота для этой цепочки

(5.9)

и коэффициент передачи напряжения на квазирезонансной частоте

Так как в реальных схемах обычно R1 = R2 = Rи С1 = С2 = С, то соотношения (5.9) и (5.10) соответственно имеют вид f = 1/(2πRC), β = 1/3.

Поскольку коэффициент передачи напряжения β — величина положительная, сдвиг фазы входного сигнала на квазирезонансной частоте отсутствует (φβ=0). Таким образом, для выполнения условий самовозбуждения усилительное звено RC-автогенератора должно обеспечивать фазовый сдвиг φk = 2 πn, где n = 0, 1, 2, 3 . поскольку φβ=0 [см. равенство (5.5)], и иметь коэффициент усиления, больший трех ((βКи > 1). Тем самым удовлетворяется условие баланса фаз и амплитуд.

Принципиальная схема RC-автогенератора на двухкаскадном усилителе по схеме ОЭ, в цепь положительной обратной связи которого включена последовательно-параллельная RC-цепь,показана на рис. 5.5, а. Двухкаскадный усилитель обеспечивает общий нулевой фазовый сдвиг (по 180° на каждый каскад). Благодаря тому, что последовательно-параллельная RC-цепь на квазирезонансной частоте f также обеспечивает фазовый сдвиг, равный нулю, условие баланса фаз выполняется именно на этой частоте, чем достигается получение синусоидальной формы кривой генерирующих колебаний.

Так как двухкаскадный усилитель имеет коэффициент усиления, значительно превышающий 3, через цепочку Roc, Rэ1 введена отрицательная обратная связь, охватывающая оба каскада и снижающая коэффициент усиления до критического. Это позволяет о улучшить форму кривой генерируемых колебаний, а также повысить стабильность их частоты.

| следующая лекция ==>
Схемы включения транзисторов. | Понятие о железах внутренней секреции, особенности их по сравнению с железами внешней секреции. Гормоны и гормоноподобные вещества.

Дата добавления: 2015-12-11 ; просмотров: 5033 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: