1. ТеоретическИе сведения

Генераторами сигналов называют электронные устройства, предназначенные для выработки переменных выходных сигналов при отсутствии входных сигналов, поступающих на устройства. Таким образом генераторы предназначены для преобразования энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного выходного сигнала. Генераторы по виду выходных сигналов разделяются на две группы:

 генераторы гармонических колебаний;

 генераторы импульсных сигналов.

Генераторы сигналов можно рассматривать в виде усилителей с обратной связью, причем на вход усилителя сигнал не подается, а выходной сигнал формируется за счет сигнала обратной связи, подаваемого на вход усилителя. Таким образом, в отличие от усилителей в генераторах используется положительная обратная связь ПОС - обратная связь обеспечивающая увеличение входного сигнала на сигнал обратной связи.

Выходной сигнал генератора U_вых является комплексной величиной, которую можно записать в виде:

U_вых = КU_ос = КU_вых,

где U_ос – напряжение положительной обратной связи (ПОС); К – коэффициент усиления по напряжению усилителя;  - коэффициент передачи цепи обратной связи.

Из представленного выражения, сокращая на U_вых, можно записать условие возбуждения генератора:

К = 1. (1)

Развернув последнее выражение для модулей и аргументов комплексных величин получим:

К = 1; (2)

_К + _ = 2n, n = 0, 1, 2, … , (3)

где _К и _ - сдвиг фаз в цепи прямой передачи сигнала (в усилителе) и в цепи обратной связи, соответственно.

Выражение (2) называют условием баланса амплитуд, выражение (3) – условием баланса фаз.

Таким образом, для работы генератора необходимо одновременное выполнение условий: баланса амплитуд и баланса фаз.

Если условие возбуждения генератора (1) выполняется только для одной частоты, то на выходе генератора поддерживаются синусоидальные колебания этой частоты, т.е. генератор вырабатывает гармонические колебания. Если условие возбуждения генератора (1) выполняется для нескольких частот, то выходное напряжения генератора является несинусоидальным и оно содержит несколько гармоник.

По режиму возбуждения генераторы сигналов разделяются на генераторы с мягким режимом возбуждения (самовозбуждения) (сигнал на выходе возникает после подключения генератора к источнику питания самопроизвольно) и генераторы с жестким режимом возбуждения (для возникновения колебаний требуется внешний начальный сигнал).

Генераторы гармонических колебаний.

Как отмечалось выше, генератор гармонических колебаний должен содержать хотя бы одну частотно-избирательную цепь, обеспечивающую выполнение условия возбуждения на заданной частоте.

В зависимости от вида частотно-избирательной цепи генераторы гармонических колебаний разделяют на:

 LC-генераторы, использующие LC-избирательные цепи;

 RC-генераторы, использующие RC-избирательные цепи;

 кварцевые генераторы, использующие кварцевые резонаторы, обладающие резонансными свойствами;

 генераторы с керамическими и механическими (электромеханическими) резонаторами.

LC-генераторы гармонических колебаний. В LC генераторах избирательные цепи представляют собой параллельные или последовательные колебательные контуры, образованные катушкой (катушками) индуктивности и конденсатором (конденсаторами).

RC-генераторы гармонических колебаний.

При построении RC-генераторов гармонических колебаний наиболее часто используются частотно-избирательные цепи, выполненные на основе Г-образных RC фильтров, двойных Т-образных RC заграждающих мостов и мостов Вина.

RC-генератор на основе Г-образных RC-фильтров.

Одно звено Г- образного RC- фильтра позволяет осуществить фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного в предельном случае до /2, и при построении генераторов гармонических колебаний используют как правило три последовательно включенных Г-образных фильтра.

При этом обеспечивается возможность фазового сдвига сигнала в цепи обратной связи равного  (по /3 в каждом звене фильтра). И для обеспечения баланса фаз используются усилители сигналов, у которых выходной сигнал является противофазным входному, т.е. – инвертирующие усилители. В этом случае сдвиг фаз на  обеспечивается в усилителе и на  в канале обратной связи, что позволяет получить общий сдвиг фаз сигнала равным 2 и обеспечить требуемый баланс фаз.

При этом для построения генератора можно использовать любые схемы усилителей сигналов, обеспечивающие для выполнения баланса амплитуд требуемый коэффициент усиления К.

RC-генератор гармонических колебаний на основе двойного Т-образного моста.

Двойной Т-образный мост относится к заграждающим RC фильтрам, которые при обеспечении баланса моста обеспечивают большое затухание на частоте, определяемой используемыми RC-элементами. Если такой мост включить в цепь отрицательной обратной связи усилителя, то усилитель будет обладать максимальным коэффициентом усиления на частоте баланса моста, т.е. превратится в избирательный усилитель.

Вводя в такой усилитель цепь положительной обратной связи, даже не обладающей частотной избирательностью, можно добиться выполнения баланса амплитуд и фаз, превратив избирательный усилитель в генератор гармонических колебаний.

R C-генератор гармонических колебаний с мостом Вина. Основой таких генераторов является мост Вина, обладающий избирательными свойствами на частоте баланса моста.

Мост Вина представляет собой последовательно включенные две RC – цепи: последовательную и параллельную (рис. 1), состоящие из одинаковых сопротивлений R и емкостей С, при этом входной сигнал u_вх на мост Вина подается между внешними клеммами всей последовательной цепи, а выходной сигнал u_вых снимается с параллельной RC-цепи.

Частоту f₀ баланса моста Вина можно определить, используя выражение (4):

f₀ = . (4)

На частоте баланса моста фазовый сдвиг сигнала равен нулю, а коэффициент передачи ₀ цепи моста Вина равен:

₀ = = , (5)

На основе моста Вина с использованием операционного усилителя DA₁ можно построить практическую схему генератора синусоидального напряжения (рис. 2).

Здесь в качестве усилителя сигнала используется масштабный усилитель, образованный операционным усилителем DA₁ и резисторами R₁, R₂, включенными в цепь отрицательной обратной связи усилителя (с выхода усилителя 6 на инвертирующий вход 2).

Мост Вина, образованный одинаковыми элементами С₁ = С₂ и R₃ = R₄ включен в цепь положительной обратной связи усилителя (с выхода усилителя 6 на неинвертирующий вход 3).

Коэффициент усиления масштабного неинвертирующего усилителя (для неинвертирующего входа 3 подключения цепи обратной связи) можно определить в соответствии с выражением (6):

К = 1 + .



(6)

Для обеспечения баланса амплитуд в соответствии с выражениями (5), (6) необходимо выполнить условие:

К_ = (1 + ) = 1. (7)

или R₂ = 2R₁. (8)

В реальной схеме генератора, чтобы выходное напряжение генератора u_вых отличалось от нуля необходимо для соблюдения баланса амплитуд выбирать значение К_  1.

С учетом этого условие (8) перепишется в виде:

R₂  2R₁. (9)

При выполнении условия (9) в процессе работы генератора амплитуда выходного сигнала постепенно будет увеличиваться и дойдет до значения, при котором напряжение на выходе генератора будет отличаться от синусоидального.

Чтобы этого на происходило в генераторы синусоидального сигнала вводят элементы автоматической стабилизации амплитуды. Практическая схема генератора синусоидального напряжения с системой стабилизации амплитуды, выполненной на двух диодах VD₁, VD₂ приведена на рис. 3.

Работа системы стабилизации амплитуды основана на зависимости дифференциального сопротивления диодов от приложенного к диодам напряжения.

При изменении амплитуды выходного напряжения генератора будет изменяться дифференциальное сопротивление диодов, которое включено последовательно с резисторами R_2.1, R_2.2 в цепь отрицательной обратной связи, что приведет к изменению коэффициента усиления усилителя. Пусть амплитуда выходного сигнала возросла. При этом дифференциальное сопротивление диодов уменьшается, а следовательно, и уменьшается коэффициент усиления, что приведет к уменьшению амплитуды, т.е. к ее стабилизации в процессе работы.

В генератор (рис. 3) дополнительно введен подстроечный резистор R_2.2, который позволяет при настойке генератора установить заданную амплитуду выходного сигнала. При этом расчетное значение сопротивления R₂ в выражении (5) должно быть равно:

R₂ = R_2.1 + 0,5 R_2.2, (10)

а сопротивление подстроечного резистора R_2.2 целесообразно выбрать равным: R_2.2 = 0,5R_2.1.

Это позволяет обеспечивать выполнение баланса амплитуд и проводить установку заданной амплитуды выходного напряжения (изменением сопротивления резистора R_2.2).

Кварцевые генераторы.

Кварцевые генераторы выполняются на основе кварцевых резонаторов, или просто кварцев, принцип работы которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта.

Кварцевые резонаторы изготавливают из природного и искусственного монокристаллического кварца, в виде пластин, определенным образом ориентированные относительно кристаллографических осей монокристалла. При приложении переменного напряжения к обкладкам пластины пластина совершает механические колебания, частота которых определяется частотой резонанса пластины - кварца.

В зависимости от размеров и конструкции пластины кварца резонансная частота может составлять от единиц килогерц до сотен мегагерц. Кварц обладает высокой стабильностью, что позволяет строить кварцевые генераторы, нестабильность частоты которых (f/f) составляет 10^-6  10^-9 (для сравнения: нестабильность частоты LC генераторов превышает 10^-4).

При анализе кварц рассматривают в виде эквивалентной схемы (рис. 4). Кварц имеет два резонанса: последовательный и параллельный. Частоты последовательного f_посл и параллельного f_пар резонансов определяются выражениями:

f_посл = ; f_пар = .

При построении кварцевых генераторов может использоваться как последовательный резонанс кварца, при котором сопротивление кварца минимально, так и параллельный, характеризуемый максимальным сопротивлением кварца.

Н а основе кварцевых резонаторов строятся кварцевые генераторы современных средств связи, например, сотовых телефонов, кварцевые генераторы также являются неотъемлемой частью цифровых систем отсчета времени.

В цифровых системах отсчета времени для получения сигналов с периодом, кратным одной секунде, используются кварцевые генераторы и делители частоты – двоичные счетчики. Частоту кварцевых генераторов выбирают по коэффициенту деления k_д двоичного счетчика импульсов, которая равна: k_д = 2ⁿ, где n – число двоичных разрядов счетчика импульсов, обычно выбираемое равным 14 или 15.

При этом для n = 15: k_д = 2¹⁵ = 32768.

Таким образом, если построить кварцевый генератор с частотой f₀ = 32768 Гц, то после деления частоты кварцевого генератора двоичным счетчиком, имеющим 15 двоичных разрядов, частота сигнала на выходе двоичного счетчика будет равна одному герцу, т.е. период выходного сигнала будет равен одной секунде. На таком принципе основаны практически все генераторы сигналов цифровых систем отсчета времени. Для построения таких генераторов используются кварцевые резонаторы с частотой 32,768 кГц.

П рактический вариант кварцевого генератора, предназначенного для цифровых систем отсчета времени, выполненного на основе специализированных счетчиков импульсов типа К176ИЕ5 или К176ИЕ12, К176ИЕ18 приведен на рис. 5 (нумерация выводов для микросхем типа К176ИЕ12, К176ИЕ18 на схеме приведена в скобках). В состав специализированных счетчиков входит инвертирующий усилитель (вход Т, выход Т), в цепь обратной связи которого введен кварц ZQ₁ на частоту 32,768 кГц, который с резисторами R₁, R₂ и конденсаторами С₁, С₂ образует кварцевый генератор.

С помощью кварцевого генератора вырабатывается импульсный сигнал с частотой 32,768 кГц, который подается на счетчик импульсов, на выходах 14, 15 которого выделяется сигнал, уменьшенный по частоте в 2¹⁴ и 2¹⁵ раз, соответственно. Таким образом, частота сигнала на выходах 14, 15 составляет 2 Гц и 1 Гц, соответственно.

Для исследований работы генератора необходимо подключить осциллограф и частотомер к выходам 14 и 15 микросхемы и по осциллограммам выходных напряжений определить частоты следования импульсов генератора.

Генераторы импульсных сигналов.

В электронных приборах наряду с гармоническими (синусоидальными) сигналами широко используются импульсные сигналы.

Идеализированный по форме импульс напряжения u, который называют трапециидальным, приведен на рис. 6.

И мпульс условно разделяют на части, которым присвоены названия: участок “аb” – фронт (передний фронт) импульса; участок “bc” – вершина импульса; участок “cd” – срез или задний фронт импульса; участок “de” – хвост импульса; отрезок времени “ad” – основание импульса.

Для характеристики формы импульса вводят следующие параметры: t_и – длительность импульса; t_ф – длительность фронта импульса; t_с – длительность среза импульса; t_х – длительность хвоста импульса; U_m – амплитуда (высота) импульса; U – спад вершины импульса; U_обр – амплитуда обратного выброса импульса.

Кроме отмеченных выше параметров для периодических импульсов вводится понятие периода T повторения импульсов, определяемого как и для любых периодических сигналов; длительность паузы t_п – время между двумя последовательно формируемыми импульсами; Q – скважность импульсов: Q = T/t_и и коэффициент заполнения: К_з = 1/Q = t_и/T.

В зависимости от формы импульсные сигналы разделяются на прямоугольные, треугольные, пилообразные и колоколообразные.

Импульсные сигналы вырабатываются генераторами импульсных сигналов – импульсными генераторами.

Генераторы импульсных сигналов могут работать в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем и режиме синхронизации. В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего воздействия.

В ждущем режиме генераторы формируют импульсные сигналы только после поступления на вход генератора внешнего (запускающего) сигнала.

В режиме синхронизации генераторы вырабатывают импульсы напряжения, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала.

В электронных устройствах наиболее широко используются генераторы прямоугольных импульсов и генераторы линейно изменяющихся сигналов (пилообразной и треугольной формы).

Г енераторы прямоугольных импульсов разделяются на мультивибраторы и блокинг-генераторы. Мультивибраторами называются генераторы прямоугольных импульсов с RC-частотозадающими элементами, в которых как длительность импульсов так и их период следования определяются параметрами RC-цепей. Блокинг-генераторы в отличие от мультивибраторов предназначены для формирования узких импульсов, длительность которых определяется используемым в генераторе импульсным трансформатором, а период следования импульсов – RC-цепями.

Мультивибраторы можно построить на транзисторах, операционных усилителях и логических элементах.

Вариант схемы мультивибратора на биполярных транзисторах приведен на рис. 7.

Мультивибратор выполнен на двух биполярных транзисторах структуры n-p-n, и может быть построен и на биполярных транзисторах структуры p-n-p (для этого требуется только заменить транзисторы и изменить полярность подключения батареи питания E_к.

Мультивибратор по своей схеме фактически представляет двухкаскадный усилитель на транзисторах включенных по схеме с общим эмиттером с фиксированным током базы, причем цепь выхода второго каскада усилителя (конденсатор С₁) подключен к входу первого каскада усилителя – к базе транзистора VT₁.

Фактически в генераторе нет частотно-избирательной цепи, поскольку используемые RC-цепи пропускают широкий спектр частот, и условия возбуждения генератора выполняются на разных частотах, т.е. генератор не является синусоидальным.

Особенностью используемых усилительных каскадов в мультивибраторе является выбор их рабочих точек на ВАХ в зоне режима насыщения. Это определяет первое условие работоспособности мультивибратора – условие насыщения транзисторов (выражение (1) лабораторной работы № 3), из которого можно получить выражение (11):

R_б  5 , (11)

где _ст минимально возможное значение статического коэффициента усиления по току используемых транзисторов в схеме с общим эмиттером (определяется по справочнику), 5 – коэффициент насыщения транзистора.

Второе условие, используемое при расчете мультивибратора, определяется длительностью импульсов t_и1 и t_и2, формируемых в коллекторной цепи первого VT₁ и второго VT₂ транзисторов, а также длительностью периода Т прямоугольных импульсов.

Для расчета значений t_и1, t_и2 и Т используются следующие выражения:

t_и1 = 0,7R_б1С₁; t_и2 = 0,7R_б2С₂; Т = t_и1 + t_и2. (12)

Для расчета мультивибратора в лабораторной работе по заданным сопротивлениям R_к с учетом условия (11) необходимо определить допустимые значения сопротивлений R_б.

Затем по заданной частоте следования импульсов f_и необходимо определить их период Т и, используя выражения (12) по заданной длительности импульсов t_и2 и периоду Т их следования необходимо рассчитать значения элементов R_б1, R_б2 и С₁, С₂.

Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ЛИН).

Генераторы линейно изменяющихся напряжений широко используются в устройствах аналого-цифрового преобразования сигналов, выполненных на основе принципа время-импульсного преобразования, а также в устройствах развертки луча осциллографов, телевизоров и в других устройствах.

Е сли требование к линейности ЛИН не очень велики, то формирование линейно-изменяющегося напряжения можно провести, используя начальную часть изменения напряжения заряда конденсатора в RC-цепи, периодически разряжая конденсатор электронным ключом. При высоких требованиях к линейности ЛИН генераторы выполняют на основе использования заряда конденсатора постоянным током от источника постоянного тока и как одного из вариантов подобных устройств – использования интеграторов, выполненных на операционных усилителях.

Вариант генератора ЛИН, выполненного на интегрирующем усилителе, основой которого является операционный усилитель DA₁, приведен на рис. 8.

Генератор состоит из интегратора, состоящего из элементов DA₁, R₃, C₁ и триггера: DD_1.1, DD_1.2, R₁, R₂.

С выхода триггера (4-й вывод DD_1.2) на вход интегратора может подаваться напряжение, равное +E₁ при выходном сигнале триггера равном логической единице и –Е₂ при выходном сигнале триггера равном логическому нулю.

Переключение триггера в состояния логического единицы и логического нуля на выходе осуществляется подачей на вход триггера (правый вывод резистора R₂) выходного напряжения интегратора (с 6 вывода микросхемы DA₁).

Уровень напряжения U₁ входного сигнала, при котором осуществляется переключение триггера определяется соотношением резисторов R₁ и R₂.

При условии равенства напряжений источников питания Е₁ = Е₂ = Е переключение триггера в единичное и в нулевое состояние будет происходить при напряжении U₁ равном:

U₁ = E . (13)

При поступлении на вход интегратора напряжения (+Е или –Е) на его выходе напряжение u_вых будет изменяться во времени t согласно выражению (14).

u_вых = i t, (14)

где i – ток, заряжающий конденсатор С₁, который для интегратора будет равен:

i = . (15)

Изменение напряжения на выходе интегратора будет происходить между уровнями напряжения –U₁ и +U₁, при которых происходит переключение триггера, а следовательно, и происходит изменение полярности входного напряжения интегратора (-Е, +Е).

С учетом этого, принимая u_вых = 2U₁ из выражения (14) можно найти время перезарядки конденсатора между двумя переключениями триггера, равного половине периода следования пилообразного напряжения T/2, т.е.:

Т = . (16)

С учетом выражений (13), (15) и (16) период Т следования выходного напряжения генератора ЛИН будет равен:

Т = . (17)

Поскольку напряжение U₁ определяет максимальное положительное и отрицательное значение выходного напряжения генератора, то следовательно амплитуда ЛИН будет равна:

U_m = U₁. (18)

Используя выражения (13), (15), (17) и (18) можно провести расчет генератора ЛИН.

Для этого по заданным значениям Е, U_m и R₂ в соответствии с выражениями (18), (13) необходимо определить сопротивление R₁. Затем, используя заданное значение С₁ и период Т (частоту f) следования ЛИН, в соответствии с выражением (17) необходимо определить сопротивление резистора R₁.

Исследуемый генератор ЛИН должен вырабатывать периодически изменяющееся ЛИН, симметричное для положительной и отрицательной полярности напряжения.