Генераторы гармонических колебаний.

Тема 2.3.

1. Определение и классификация генераторов..

2. Условия функционирования генераторов.

3. Автогенератор LC-типа с индуктивной связью..

4. Автогенератор LC-типа с индуктивной трехточечной связью..)))))

5. RC-генератор.

6. Кварцевый генератор.

Электронным генератором сигналов называется устройство, которое преобразует энергию сторонних источников питания в электрические колебания требуемой мощности, частоты и формы.

Среди генераторных устройств различают:

- генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний;

- генераторы прямоугольных колебаний (генераторы импульсов);

- генераторы колебаний специальной формы.

По способу возбуждения генераторы подразделяются на:

- генераторы с независимым возбуждением;

- генераторы с самовозбуждением (автогенераторы).

Генераторы с независимым возбуждением являются усилителями колебаний, которые вырабатывают сторонние источники. Автогенераторы сами создают незатухающие колебания за счет использования ПОС.

Генераторы синусоидальных колебаний подразделяются на автогенераторы LC-типа и RC-типа. Генераторы синусоидальных колебаний обеспечивают на выходе устройства переменного тока (напряжения) заданной частоты. В автогенераторах LC-типа используется колебательный LC-контур.

Структурная схема генератора с внешней обратной связью содержит усилитель с коэффициентом усиления К, частотно-избирательную положительную обратную связь с коэффициентом передачи β, а так же отрицательную обратную связь (на схеме не показана).

Функционирование генератора можно разбить на два этапа:

1) этап возбуждения генератора;

2) этап стационарного режима.

На первом этапе в генераторе появляются колебания и амплитуда их постепенно нарастает. Основную роль на этом этапе играет цепь положительной ОС. Эта цепь определяет условия возбуждения колебания, их частоту и скорость нарастания.

На втором этапе амплитуда колебаний стабилизируется и генератор переходит в стационарный режим. После возникновения колебаний рост их амплитуды ограничивается отрицательной ОС.

Для работы генератора необходимо выполнение двух условий:

1 К*β 1;

2 .

Соотношение 1 называется балансом амплитуд. Амплитуда сигнала на выходе из

устройства становится в К – раз больше, чем на входе, но она ослабляется в -раз цепью обратной связи.

Для возникновения генерации необходимо выполнение условия

К*β>1.

Установившийся режим определяется условием

К*β=1.

Соотношение 2 называется балансом фаз. Возникший на входе сигнал после

прохождения усилителя и цепи обратной вязи должен возвратиться на вход устройства без изменения своей фазы.

– это фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью обратной связи.

Автогенераторы LC-типа различают по способу создания ПОС:

- автогенераторы с емкостной связью;

- автогенераторы с автотрансформаторной связью;

- автогенераторы с индуктивной связью (трансформаторной связью).

Они состоят из колебательного контура, в котором возбуждаются колебания нужной частоты, усилительного элемента (транзистора), усиливающего сигнал, который попадает на его вход через цепь обратной связи; цепи ПОС, обеспечивающей подачу энергии с выхода схемы на её вход в нужном количестве и в должной фазе, источника ЭДС, энергия которого преобразуется в колебательную энергию в контуре.

При подключении к источнику питания Ек конденсатор контура Ск заряжается по цепи: +Ек, Rэ, эмиттер, базаБ коллектор транзистора, Ск, (-Ек). Конденсатор Ск и катушка индуктивности образуют колебательный контур, в котором происходит колебательный обмен энергией между Lк и Ск с частотой f₀, определяемой параметрами этого контура. В результате индуктивной связи между Lk и Loc в катушке Loc наводится переменное напряжение той же частоты, что и в контуре. Это напряжение подводится к участку эмиттер-база транзистора, что вызывает пульсацию коллекторного тока с частотой f₀.

В генераторах гармонических сигналов цепь положительной ОС выполняется таким образом, чтобы условия баланса амплитуд выполнялись на одной частоте. Наиболее распространенными генераторами гармонических сигналов являются генераторы, в которых цепь положительной ОС выполнена на последовательных и параллельных RC и RL цепях и на кварцевых резонаторах.

Транзисторный автогенератор с индуктивной связью

Выполнить LC-генератор можно и без использования трансформаторной связи. В этих случаях цепь ОС подключается непосредственно к колебательному контуру, который состоит из нескольких секций индуктивности. В генераторах такого типа LC-контур соединен с усилительным каскадом в трех местах (тремя точками), поэтому их называют трехточечными.

Для реализации генератора с емкостной трехточечной связью в контур параллельно катушке индуктивности включается последовательно два конденсатора. Цепь ОС в этом случае подключается к общей точке этих конденсаторов.

Генераторы с LC-цепями широко применяются на высоких частотах. Низкочастотные генераторы обычно используют различные RC цепи. RC – генераторы в своей основе содержат схему одно или многокаскадного усилителя и цепь обратной связи на элементах R и C.

Рисунок - N-звенная Г-образная цепь ОС прямого вида

Рисунок - Мост Вина (цепь обратной связи)

Обеспечить высокую стабильность частоты генерации можно при включении кварцевого резонатора в цепь ОС обычного LC – генератора. Для генерации колебаний необходимо настроить LC – контур на резонансную частоту кварцевого резонатора f₀. В этом случае полное сопротивление LC – контура велико, что позволяет получить в каскаде К_А, а сопротивление кварцевого резонатора (КР) К_В мало, что обеспечивает глубокую ПОС между коллектором и базой транзистора.

Частоту LC–контура можно выбирать гораздо больше резонансной частоты К_В. При этом резонатор возбудиться на соответствующей высшей гармонике. В серийных кварцевых резонаторах f₀ =110 к Гц – 10М Гц, но некоторые из них могут возбуждаться на частотах до 250 М Гц. Таким образом, гармоника на высших гармониках целесообразна для получения генерации на частотах свыше 10 М Гц.

Если возбуждать кварцевый резонатор на основной частоте f₀, то можно построить генератор и без использования LC – контура. Частота генерации здесь определяется значением f_0. на частотах ниже 2 М Гц к К_В желательно подключить ёмкостный делитель напряжения, состоящий из конденсаторов С₁и С₂, который способствует выполнению баланса фаз на частоте генерации.

Если стабильность кварцевого генератора всё же оказывается недостаточной для некоторых специальных случаев, то следует определить термостатирование кварцевого генератора. Если даже получена хорошая температурная стабильность, остаются еще серьёзные причины, которые могут изменить частоту генерации: временные нестабильности, удары, старение и т.д. В тех случаях, когда стабильность термостатированных резонаторов не удовлетворяет предъявленным требованиям, можно рекомендовать лишь применять атомные стандартные частоты.

Рисунок – Схемы генераторов с кварцевым резонатором

Вопросы для самоконтроля.

1. Дать определение электронного генератора.

2. Как классифицируют генераторы по виду генерируемых сигналов?

3. Этапы функционирования генератора.

4. Условия функционирования генератора.

5. Автогенератор LC-типа с индуктивной связью..

6. Автогенератор LC-типа с индуктивной трехточечной связью..

7. RC-генератор.

8. Кварцевый генератор.

Дата добавления: 2015-07-15