Генераторы сигналов

Генератором называют устройство (не обязательно электронное), которое создает периодический сигнал определенной формы. Электронный генератор преобразует энергию источника постоянного напряжения в энергию выходного сигнала. Обычно входным сигналом для генератора является напряжение.

Процесс возникновения колебаний в генераторе обычно называют возбуждением генератора. Различают два режима возбуждения: мягкое и жесткое. При мягком режиме колебания на выходе генератора самопроизвольно возникают при подключении генератора к источнику питания. Такие генераторы называют автогенераторами. В случае, когда для возникновения колебаний требуется внешний запускающий сигнал, говорят о жестком режиме генерации. Устройство с жестким режимом называют генераторами с внешним возбуждением или ждущими генераторами.

В зависимости от формы вырабатываемых напряжений выделяют генераторы гармонических и релаксационных (импульсных) колебаний. Генератор гармонических колебаний вырабатывает сигнал, в спектре которого в идеальном случае присутствует только одна основная гармоника. На практике в спектре сигнала такого генератора присутствуют и другие гармоники, но их амплитуды малы по сравнению с основной гармоникой. Выходные сигналы релаксационных генераторов содержат широкий спектр гармоник с соизмеримыми амплитудами.

В большинстве случаев автогенераторы колебаний любой формы состоят из нелинейного усилителя, цепи положительной обратной связи (ПОС) и источника питания. Генератор гармонических колебаний должен иметь в своем составе узкополосную колебательную систему. Принцип действия релаксационных генераторов основан на зарядно-разрядных или накопительно-поглощающих явлениях, протекающих в широкополосных цепях ПОС.

Обратимся к обобщенной структурной схеме автогенератора (рис. 137).

Рис. 137

В схеме реализована ПОС по напряжению. При наличии колебаний можно записать, следующее выражение:

которое позволяет определить условие самовозбуждения автогенератора:

.

Представим последнюю формулу в следующем виде:

,

где — модуль комплексного коэффициента усиления собственно усилителя без цепи ОС на текущей частоте ; — модуль комплексного коэффициента усиления цепи ОС на текущей частоте ; , — фазовые сдвиги, вносимые соответственно усилителем и цепями ОС на текущей частоте , что позволит записать два равенства:

(24)

где Очевидно, что первое из выражений (24) определяет коэффициент усиления усилителя, охваченного ОС. Данное соотношение между модулями коэффициентов усиления называют условием баланса амплитуд. Второе равенство определяет условие баланса фаз.

Условия (24) характеризуют стационарный режим работы автогенератора, при котором не происходит увеличение амплитуды выходного сигнала с течением времени. В схемах автогенераторов гармонических колебаний, работающих в стационарном режиме, условия баланса амплитуд и фаз выполняются только для одной частоты, которая является резонансной для узкополосной колебательной системы, обязательно присутствующей в таком генераторе. Для автогенератора негармонических колебаний условия (24) должны выполняться для широкой полосы частот.

В качестве узкополосных колебательных систем в генераторах гармонических колебаний обычно применяют резонансные LC-контуры и частотно-зависимые (фазосдвигающие) RC-цепи. Рассмотрим автогенератор с RC-цепями. Многие схемы таких генераторов строятся с использованием моста Вина (рис. 138,а), или упрощенного моста Вина (рис. 138,б).

а)	б)
Рис. 138	л20р2

Мост Вина представляет собой последовательно-параллельную RC-цепь. На рис. 139 показаны АЧХ и ФЧХ упрощенного моста Вина. Так как в схемах мост Вина используется как элемент ПОС, то для коэффициента передачи использованы соответствующие обозначения. Из АЧХ видно, что на частоте коэффициент передачи такой схемы равен . Частота определяется выражение .

а)	б)
Рис. 139	л20р3

Очевидно, что на частоте входного сигнала, равной , выходное напряжение в схеме на рис. 138,а будет равно нулю. Для других частот равенство нулю выходного напряжения не достижимо.

На рис. 140,а показана схема простого генератора синусоидальных колебаний частотой , построенного с использованием упрощенного моста Вина. Условие баланса фаз на частоте выполнится, если сдвиг фазы усилителем равен . Исходя из этих соображений, мост Вина включен между выходом и неинвертирующим входом ОУ. Как отмечено ранее, коэффициент передачи упрощенного моста на частоте равен . Для выполнения условия баланса амплитуд необходимо, чтобы коэффициент усиления усилителя был равен 3. Коэффициент усиления задается резисторами и в цепи ООС.

Важной проблемой при создании генераторов гармонических колебаний является автоматическая стабилизация выходного напряжения. В противном случае возможно неконтролируемое увеличение амплитуды выходного сигнала, которое введет усилитель в режим насыщения. В этом случае выходной сигнал будет существенно отличаться от гармонического.

а)	б)
Рис. 140

С целью стабилизации выходного напряжения в схему генератора вводят дополнительные каскады. В большинстве случаев эти каскады содержат нелинейные элементы, которые и осуществляют стабилизацию. На рис. 140,б приведена схема простого генератора, в которой элементами стабилизации выступают нелинейные элементы — диоды.

Если по каким-либо причинам напряжение на выходе генератора возрастает, то увеличиваются амплитуды полуволн тока, протекающих через каждый из диодов. В результате уменьшается дифференциальное сопротивление диода, что ведет к снижению коэффициента усиления ОУ, охваченного ООС. В результате выходное напряжение уменьшится. Подстроечным резистором можно устанавливать необходимый уровень напряжения на выходе генератора.

Помимо стабильной амплитуды выходного сигнала, генератор должен обеспечивать постоянство частоты. В общем случае под воздействием дестабилизирующих факторов частота любого генератора изменяется с течением времени по случайному закону. В схемах автогенераторов гармонических колебаний применяют два основных способа стабилизации частоты: параметрический и кварцевый.

При параметрической стабилизации ослабление влияния дестабилизирующих факторов достигается за счет специальных конструктивных мер (использование термостатов для стабилизации температуры генератора, использование специальных проводов для создания индуктивностей и т.п.) и подбора высокочастотных и прецизионных компонентов частотно-задающих цепей.

Кварцевая стабилизация частоты основана на использовании во времязадающих цепях генератора кварцевого резонатора. Кварцевый резонатор представляет собой пластину минерала кварца, помещенную в кварцедержатель. Под действием переменного электрического поля в ней возникают механические колебания (обратный пьезоэффект). Кварцевый резонатор можно считать электромеханической колебательной системой с очень высокой добротностью. Механическая прочность и слабая зависимость частотных свойств от температуры обуславливает высокую стабильность частоты кварцевых резонаторов.

Рис. 141	л20р6

На рис. 141 показано использование кварцевого резонатора в схеме генератора с мостом Вина. Для того, чтобы квазирезонансная частота моста совпадала с частотой кварцевого резонатора, резистор подбирают равным резонансному активному сопротивлению кварца.

При практическом использовании генераторов нагрузку к ним рекомендуется подключать через дополнительный усилительный (буферный) каскад, что уменьшит влияние нагрузки на форму сигнала, получаемого с генератора.

Дата добавления: 2015-07-14