Общие принципы генерации гармонических колебаний

Обобщенная структурная схема измерительного генератора гармонических колебаний представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 – Обобщенная структурная схема генератора гармонических колебаний

Известно, что такая схема состоит из резонансного усилителя с комплексным коэффициентом усиления по напряжению К = К(jω) и цепи положительной обратной связи с комплексным коэффициентом передачи β = β(jω). На схеме отмечены комплексные амплитуды следующих напряжений:

входного – U_вх = U_вх(jω);

выходного – U_вых = U_вых(jω);

обратной связи – U_ос = U_ос(jω).

Напряжение обратной связи на любой частоте генерации ω определяется по формуле

U_ос = U_вх = βU_вых . (5.1)

Тогда выходное напряжение определится как

U_вых = КU_вх

или с учетом формулы (5.1)

U_вых = КβU_вых

Отсюда следует, что автогенератор будет работать в стационарном режиме при условии, что

Кβ = 1. (5.2)

Формулу (5.2) можно записать следующим образом

К(jω)е ^jφk(ω)β(jω)е ^jφβ(ω) = Кβ е ^j(φk-φβ) = 1. (5.3)

где К – действительное значение коэффициента усиления;

β – действительное значение коэффициента передачи цепи положительной ОС;

φ_k(ω) = φ_k(ω) и φ_β(ω) = φ_β – фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью положительной ОС на частоте ω.

Учитывая это, выражение (5.3) принято представлять двумя равенствами:

Кβ = К_ос = 1, (5.4)

φ_k + φ_β = 2πn. (5.5)

Здесь К_ос – коэффициент усиления усилителя с цепью обратной связи; n =1, 2, 3,… .

Формула (5.4) определяет условие баланса амплитуд в автогенераторе, равенство (5.5) – условие баланса фаз. Это означает, что в стационарном режиме на частоте генерации коэффициент усиления усилителя с обратной связью должен быть равен единице, а суммарные фазовые сдвиги, создаваемые усилителем и цепью положительной обратной связи должны быть равны нулю или кратными 2π.

Рассмотрим схему измерительного LC – генератора (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 – Схема измерительного LC - генератора

Из схемы видно, что генератор представляет собой операционный усилитель, охваченный отрицательной и положительной обратной связью. Частота, на которой возможны колебания такого генератора, определяется по формуле

f = (5.6)

Отрицательная обратная связь образована резисторами R1 и R2. С ее помощью задается требуемый коэффициент усиления

К = R2/R1.

Положительная обратная связь образована резистором R и параллельным колебательным контуром. Она обеспечивает баланс амплитуд. Коэффициент передачи цепи положительной ОС определяется по формуле

β = R₀/(R₀ +R), (5.7)

где R₀ – резонансное сопротивление контура.

Принцип действия измерительных генераторов

Несмотря на большое количество схем исполнения измерительных генераторов, они могут быть описаны обобщенной структурной схемой, изображенной на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Обобщенная структурная схема измерительного генератора

Задающий генератор (ЗГ) генерирует высокостабильные колебания, определяющие частоту и форму выходного сигнала. В зависимости от вида измерительного генератора, в качестве ЗГ может быть генератор синусоидальных сигналов, генератор импульсов или генератор шума. Сигнал ЗГ поступает на вход преобразователя (П), который, опять же, в зависимости от вида ИГ, может усиливать его, модулировать, формировать из него сетку частот, формировать кодовые комбинации импульсов и др. Сформированный таким образом сигнал поступает на выходное устройство, где осуществляется регулировка его уровня, изменение полярности (при необходимости), согласование выхода генератора с нагрузкой и т.д. Измерительное устройство (ИУ) обеспечивает индикацию установки параметров измерительных сигналов с нормируемой погрешностью. В качестве измерительного устройства могут использоваться встроенные измерительные приборы, осциллографические индикаторы, а также частотные шкалы, шкалы ослабляющих аттенюаторов и т.д.