7. Генераторы электрических сигналов

Генераторы электрических сигналов

7.1. Условия возбуждения колебаний

Генератор является нелинейным устройством, которое преобразует энергию постоянного напряжения от источников питания в энергию переменного сигнала. В основном генераторы вырабатывают следующие формы сигналов: синусоидальные, прямоугольные и сигналы другой формы, например пилообразные, экспоненциальные. На рис.  7 .1, а показана блок-схема генератора. Переключатель S1 находится в положение ВКЛ. Генератор состоит из усилителя и цепи частотно-зависимой ПОС, коэффициенты передачи которых соответственно равны K(jω)и β(jω).

Рис. 7.1. Генератор: блок-схема (а), диаграммы работы (б, в)

Напряжение на выходе цепи ПОС составляет u_пос (jω) = u_вых β(jω). Условием генерации колебаний замкнутой системы является выражение

u_пос (jω)≥ u_вх (jω), то есть u_вых β(jω) ≥ u_вых /K(jω).

Откуда

β(jω) K(jω) ≥ 1.

Из последнего комплексного соотношения вытекают два вещественных:

β K ≥ 1, (амлитудный критерий), (7.1)

φ + ψ = 0, 2π, 4π … (фазовый критерий), (7.2)

где φ - фазовый сдвиг между напряжениями u_вых и u_вх; ψ - фазовый сдвиг между напряжениями u_пос и u_вых.

Неравенство ( 7 .1) называют условием баланса амплитуд, а уравнение ( 7 .2) - условием баланса фаз. Баланс амплитуд означает, что незатухающие колебания в замкнутой системе могут существовать только тогда, когда усилитель компенсирует потери в цепи ПОС, то есть должно выполняться соотношение U_пос ≥ U_вх. Баланс фаз означает, что для генерации колебаний необходимо, чтобы фазы входного напряжения и напряжения ПОС совпадали. При β K > 1 и выполнении фазового критерия в системе возникают колебания, амплитуда которых возрастает по экспоненциальному закону, что соответствует переходному режиму (рис.  7 .1, б). При βK = 1 колебания имеют постоянную амплитуду, что соответствует стационарному режиму (рис.  7 .1, в). Диаграмма (рис.  7 .1, б) получена при неинвертирующем усилителе и ψ = 0, а диаграмма (рис.  7 .1, в) – при инвертирующем усилителе и ψ = 180º.

Если по какой-то причине генератор не возбуждается, то переключатель S1 устанавливают в положение ОТКЛ (рис.  7 .1, а) и на вход усилителя подают напряжение, форма и амплитуда которого совпадают с напряжением u_вх = u_вых / К, а частота равна частоте исследуемого генератора. Затем измеряют двулучевым осциллографом напряжения u_вх и u_вых, а потом u_вых и u_пос. По результатам этих измерений можно проверить условия возбуждения ( 7 .1), ( 7 .2) на основании чего отыскать и устранить неисправность в генераторе.

7.2. LC-генераторы

В LC-генераторах используется параллельный колебательный контур. Частота этих генераторов определяется резонансной частотой контура. Она ограничивается высокочастотным диапазоном, так как при частотах менее 50 кГц индуктивность и емкость достигают недопустимо больших размеров. Выходное напряжение LC-генераторов – синусоидальное с небольшими нелинейными искажениями. В низкочастотном диапазоне применяют RC-генераторы.

7.2.1. Генератор с трансформаторной связью (схема Майсснера)

Генератор (рис.  7 .2, а) возбуждается на резонансной частоте колебательного контура . На схеме контур представлен тремя элементами: катушкой L1 (первичной обмоткой трансформатора T1), конденсатором C2 и сопротивлением R_к, отражающим потери в контуре. Рабочая точка транзистора задается резисторами R1, R2, R3. Выходное напряжение генератора равно переменному напряжению на контуре. ПОС на базу транзистора обеспечивается посредством вторичной обмотки трансформатора и конденсатором С1. Емкость С1 выбирают таким образом, чтобы ее сопротивление переменному току было очень мало. В этом случае напряжение ПОС равно

u_пос = u_бэ = u_вых β = u_вых∙n₂ /n₁,

где п₂ , п₁ – количество витков вторичной и первичной обмоток трансформатора.

Коэффициент обратной связи равен коэффициенту трансформации: β = п₂ /п₁. Тогда коэффициент усиления по напряжению транзисторного каскада с ОЭ в режиме большого сигнала определяется выражением

К = β_с R_к / r_бэ,

где β_с – статический коэффициент передачи тока базы, β_с = I_к / I_б, r_бэ – входное сопротивление транзистора.

Коэффициент петлевого усиления равен

.

Амплитудный критерий выполняется при βК ≥ 1, то есть при

.

Рис. 7.2. LC-генераторы: схема Майсснера (а), схема Хартли (б), схема Колпитца (в)

Фазовый критерий выполняется за счет того, что транзисторный каскад с ОЭ и трансформатор инвертируют напряжения. В результате фазовый сдвиг замкнутой системы равен 2 π.

К недостаткам генератора относится то, что трансформатор является дорогим и крупногабаритным изделием. Кроме того, в нем сложно обеспечить точное соотношение витков п₂ /п₁, необходимое для стабильной работы генератора.