Типи джерел синусоїдальної напруги
Синусоїдальні сигнали(див. мал. 1.4 і розділ 1.2.1) широко використовуються для тестуванняя і відладки найрізноманітніших електронних пристроїв. Це пов'язано з тим, що вони є простими, такими, що змінюються в часі, сигналами, але з постійними параметрами - амплітудою, частотою і фазою. Зміна цих параметрів дозволяє здійснювати модуляцію синусоїдальних сигналів і використати їх перенесення інформації. На цьому засновані численні сфери застосування синусоїдальних сигналів.
Джерелами синусоїдальних сигналів можуть бути струни музичних інструментів, камертони, котушки, що обертаються в постійному магнітному полі, та інші пристрою. Далі ми розглянемо тільки електронні генератори електричних і радіотехнічних сигналів у вигляді змінних струмів і напруг.
У вимірювальній техніці застосовуються кілька основних типів таких джерел - генераторів синусоїдальної напруги:
Низькочастотні RC Генератори.
Високочастотні LC Генератори.
Генератори з пєзокристалічними, кварцовими і електромеханічними резонаторами.
Генератори, що формують синусоїдальні сигнали з трикутних сигналів шляхом їх плавного обмеження.
Генератори, що реалізують цифрові методи синтезу синусоїдальних сигналів.
Аж до 60? Х років минулого XX століття генератори синусоїдальної напруги будувалися майже виключно перших трьох типів. Але потім розвиток мікроелектронікики і поява високоякісних аналогових компонентів (перш за все, інтегральних операційних підсилювачів) призвело до широкого поширення функціональних генераторів, що склали основу генераторів четвертого типу. В 70-80 роки бурхливий розвиток цифрової та обчислювальної техніки призвів до розробки та освоєння масового виробництва генераторів п'ятого типу, заснованих на цифрових методах синусоїдальних і багатьох інших (в тому числі довільних) видів сигналів.
Узагальнена схема аналогового сигналу синусоїдальної напруги
Багато типів генераторів синусоїдальних сигналів будується по узагальненій схемі, показаній на рис. 1.6. Основою генератора є часто-вибіркові кола (ВК) і підсилювач П, охоплені колом зворотного зв'язку (ЗЗ). В якості ВК можуть використовуватися RC - кола, коливальні LC - контури, кварцові і п'єзоелектричні резонатори і т. д.
Узагальнена схема генератор синусоїдальних коливань (а), ачх вибіркового кола (б) і її фчх (в).
Вибіркове коло як чотириполюсник характеризується амплітудно-частотною характеристикою (АЧХ) і фазочастотною характеристикою (ФЧХ), які в нормуються по частоті (Ω =f/f0) вигляді показані на рис. 1.6, б і 1.6, в. Моделювання та теоретичний аналіз показують, що ланцюг (рис. 1.6) при вказаних вище ІЦ описується диференціальним рівнянням другого порядку, які в разі лінійності ланцюга має рішення у вигляді стаціонарних, наростаючих або спадаючих по амплітуді синусоїдальних коливань. Це вірно, якщо швидкість наростання або спаду досить мала. На цьому заснований метод медленноменяющіхся амплітуд, широко використовуваних при аналізі генераторів синусоїдальних коливань.
Коливання в системі (рис. 1.6, а) виникають при двох одночасно виконуваних умовах:
балансу фаз - на частоті коливань загальний фазовий зсув повинен бути рівний 0 або кратний 2π (це означає, що зворотний зв'язок в системі (рис. 1.6) повинний бути позитивним на частоті генерації);
балансу амплітуд - петлевий коефіцієнт передачі на частоті коливань повинен бути рівний 1 або кілька перевищувати 1 (при рівності 1 настає генерація стаціонарних коливань з незмінною амплітудою).
Якщо підсилювач має нестабільний фазовий зсув, то на частоті генерації він повинен бути скомпенсований фазовим зрушенням ІЦ, а це означає зсув частоти щодо значення f0, при якому фазовий зсув ІЦ вважається рівним 0. Таким чином, фазова стабільність підсилювача (і ІЦ) є показником стабільності частоти виникаючих коливань.
До цих пір передбачалося, що підсилювач У і ДЦ лінійні або принаймні працюють в лінійному режимі. Проте в цьому випадку умова балансу амплітуд є чисто теоретичною абстракцією. Найменша зміна його призведе або до загасання амплітуди коливань, або до її необмеженого росту. Тут ми стикаємося з випадком, коли нелінійність підсилювача корисна. Звичай коефіцієнт підсилення нелінійного підсилювача зменшується по мірі зростання амплітуди сигналу на його виході. Так що якщо умова балансу при малій амплітуді порушено (петлевий коефіцієнт передачі більше 1), то коливання на виході пристрою (Рис. 1.6, а) будуть наростати по амплітуді, що призведе до зменшення коефіцієнта посилення підсилювача. Зрештою, при деякій амплітуді вихідного сигналу петлевий коефіцієнт передачі стане рівним точно 1 і настане баланс амплітуд. Це відповідає сталому режиму роботи генератора.
Доречно зазначити, що підсилювач вносить в ІЦ зміни її параметрів, так що частота коливань може дещо відрізнятися від значень f0 при ідеальної ІЦ. Це теж може бути джерелом нестабільності частоти.
В залежності від обраних ІЦ, У і ЦГЗ можлива побудова безлічі схем автогенераторів - генераторів, в яких синусоїдальні коливання виникають автоматично. RC - генератори не вимагають громіздких LC - контурів і легко реалізуються в діапазоні частот від Гц до десятка МГц. Однак RC - кола мають низьку виборчіність і погано фільтрують гармоніки сигналу, що веде до помітних нелінійним спотворень і невисокою стабільності частоти.
Коефіцієнт нелінійних спотворень НЧ? Сигналів оцінюється величиною:
(1.17)
де
Ui - напруга i-ої гармоніки сигналу. Він
може досягати декількох процентів у
простих схем RC- генераторів і доходить
до тисячних часток відсотка у ГСС низьких
частот. Для отримання малого kг потрібно
застосування високоякісних лінійних
підсилювачів і ретельне проектування
системи обмеження та стабілізації
амплітуди синусоїдальних сигналів.
Хоча існує чимало вимірників нелінійних
спотворень, при масових вимірах корисно
застосування аналізаторів спектра,
нині вбудованих в більшість цифрових
осцилографів.
RC – генератори
RC-генератори використовуються для генерації наднизьких та низьких частот, а також радіочастот приблизно до 2-5 МГц. Як правило, модуляція у таких генераторів не використовується - за винятком деяких моделей з частотою генеруються сигнали вище 100 кГц.
На рис. 1.7 показана одна з типових схем RC-генераторів з Г-бразною ІЦ, образованою послідовним (R1C1) та паралельним (R2C2) RC - колом. АЧХ і ФЧХ саме цього ланцюга показані на рис. 1.6, б і 1.6, в. На частоті генерації такий ланцюг має кут зсуву фази, що дорівнює 0. За наведених на рис. 1.7 даних, схема розрахована на генерацію фіксованої частоти в 1000 Гц, що задається з високою точністю.
Рис.1.7. Схема RC-генератора на операційному підсилювачі
Зазвичай в паралельному і послідовному RC – колах номінали резисторів і конденсаторів попарно рівні (R1 = R2 = R і C1 = C2 = C), і частота генерації дорівнює:
(1.18)
В цьому випадку ланцюг позитивного зворотного зв'язку на частоті f0 вносить ослаблення
(1.19)
рівне 3 при R1 = R2 і C1 = C2. Для отримання синусоїдальних коливань вводиться коло негативного зворотного зв'язку, яке повинне забезпечувати посилення підсилювача на рівні трохи більше 3 (умови балансу амплітуд).
Стабілізація амплітуди сигналу на виході досягається за рахунок нелінійності підсилювача. З ростом амплітуди сигналу на виході підсилювача його коефіцієнт підсилення падає, і при деякій амплітуді встановлюється баланс амплітуд. Настає стаціонарний режим генерації майже синусоїдальних коливань.
Кращі результати дає застосування додаткової інерційної негативною зворотного зв'язку із застосуванням в її ланцюга малопотужної мініатюрної лампи рохжарювання. При підвищенні амплітуди сигналу на виході нитка розжарення розігрівається, і омічний опір її зростає. В результаті глибина негативного зворотного зв'язку зростає, що призводить до зменшення амплітуди сигналу і, в кінцевому рахунку, стабілізує її. Як зазначалося, такий спосіб стабілізації не веде до помітних спотворень форми синусоїди, оскільки для швидкоплинних сигналу від’ємний зворотній зв'язок залишається лінійною. Даний спосіб стабілізації амплітуди широко використовується в генераторах стандартних НЧ-сигналів. Використовуються також електронні способи обмеження амплітуди сигналу на виході генератора.
Переналагодження по частоті плавно в подібному генераторі часто здійснюється спаренним прецизійним резистором. Для грубої зміни частоти (зазвичай з кратністю 10) використовується зміна ємності конденсаторів за допомогою перемикача.
Більш дорогою є перебудова за допомогою повітряного або плівкового подвійного конденсатора змінної ємності. Вона супроводжується меншим шумом при зміні частоти і застосовується у високоякісних ГСС низьких частот. Часто цілком відповідним для такої перебудови є здвоєний або строєний конденсатор змінної ємності від радіоприймачів. На жаль, це досить громіздкій вузол. Крім того, при застосуванні такого конденсатора шкала частот виходе сильно нерівномірною. Груба зміна частоти в цьому варіанті генератора здійснюється перемиканням резисторів.
Як видно з рис. 1.6, б і 1.6, в, АЧХ і ФЧХ ІЦ в даному генераторі досить пологі. Це говорить про те, що стабільність частоти не може бути високою. Це характерно практично для всіх відомих схем RC-генераторів синусоїдальної (або майже синусоїдальної) напруги. Головні переваги таких генераторів полягають у відсутності котушок індуктивності, складних у виготовленні і громадних, а також в широкому перекритті частоти при її зміні зміною R або C.
LC-генератори синусоїдальної напруги
На високих частотах (від десятків кГц до сотень МГц і вище) застосовуються LC-генератори на основі високодобротних LC-контурів. Частота контуру (послідовного або паралельного), на якій фазовий зсув дорівнює 0, зазвичай дуже близька до резонансної частоти ідеального послідовного LC-контуру:
(1.20)
Зауважимо, що на цій частоті і реактивний опір котушки індуктивності L рівний модулю реактивному опору конденсатора C, що в послідовному контурі веде до їх взаємної компенсації, так що результуючий опір контуру падає до мінімальної величини, рівної послідовному опору втрат r. Опір паралельного контуру, навпаки, на резонансній частоті стає великим і також активним.
Звідси випливає можливість зміни частоти LC-генератора зміною ємності C або індуктивності L. Для цього використовуються конденсатори змінної ємності і котушки змінної індуктивності - варіометри (рідше). Випускаються також змінні конденсатори на основі p-n-переходу (варикапів), ємність яких керують напругою. Їх застосування дозволяє будувати генератори, керовані напругою.
Фільтруюча здатність LC-контура визначається його добротністю Q - відношенням реактивного опору елементів L або C до активного опору втрат r контура. Значення Q у радіочастотних контурів становлять кілька десятків і навіть сотень. При цьому Q визначає і смугу частот контура f = f0 / Q. Очевидно, що чим вище Q, тим більш стабільна частота генератора. Стабільність частоти LC-генераторів на 1-2 порядки вище, ніж у RC-генераторів. Але відносна нестабільність частоти рідко виходить меншою 10-4.
Завдяки високій фільтруючій здатності коливальних LC-контурів отримання синусоїдальної форми від LC-генераторів виявляється більш простим завданням, ніж у випадку побудови RC-генераторів. Однак в простих схемах Кг сягає декількох відсотків. Часто замість Кг чистоту спектру ВЧ генераторів оцінюють просто за рівнем гармонік сигналу. Він зазвичай вимірюється в логарифмічних одиницях - децибелах. Для відносини напруг:
(1.21)
де U1-вихідна напруга, U2-вимірюєма напруга. Неважко переконатися в тому, що 6 дБ відповідає відношенню 2, 20 дБ - 10, 40 дБ - 100 разів і т. д. Децибели позитивні, якщо U2> U1, і негативні, якщо U2 <U1. Нерідко в децибелах показують абсолютний рівень змінної напруги - щодо U1 з амплітудою 1В (або ефективним значенням 0,707 В). Втім, іноді за 0 дБ беруть і інші рівні напруги - наприклад, в мілівольтметри В3-48 це 0,775 В.
Для потужності вводиться логарифмічна одиниця - децибели потужності
(1.22)
При запису їх множника враховують квадратичну залежність потужності від напруги або струму.
Класична схема автогенератора на транзисторі, включеному за схемою із загальною базою, представлена на рис. 1.8. Частота генерації задається паралельним LC-контуром. Каскад із загальною базою не інвертує фазу, тому для створення позитивного зворотного зв'язку достатньо подати сигнал з частини контура на емітер транзистора. Ця схема (при використанні відповідного транзистора і контура) може працювати на частотах від десятків кГц до сотень МГц і вище. Оскільки вхідний опір каскаду із загальною базою малий, то необхідне узгодження між високоомним вихідним ланцюгом підсилювача і його низкоомним вхідним ланцюгом. Воно досягається неповним включенням контура.
Рис. 1.8. LC-генератор на транзисторі, включеному по схемі з спільною базою, і контурі з неподільним включенням
Рис.1.9. LC-генератор на транзисторі, включеному по схемі з спільним колектором з автотрансформаторним включенням
Ще одна класична схема LC-генератора показана на рис. 1.9. Тут використовується каскад із загальним колектором (емітерний повторювач), який теж не інвертує фазу вхідного сигналу, але має коефіцієнт передачі дещо менший 1. Тому для дотримання умови балансу амплітуд треба використовувати підвищену напруга автотрансформаторного включення коливального контуру.
Зауважимо, що каскад із загальним колектором, як і каскад із загальною базою, мають найкращі частотні властивості, ніж каскад із загальним емітером. Це гарантує стійку роботу автогенератора на високих частотах.
Безліч генераторів створено на основі каскаду з загальним емітером, що дає, як відомо, найбільше посилення по потужності. Однак, ця схема каскаду не дуже вдалий для побудови генераторів через набагато гірших частотних властивостей біполярного транзистора в ній, в порівнянні з попередніми схемами його включення. Подібні автогенератори будуються і на польових транзисторах за схемою із загальним струмом, перевагою яких є високий вхідний опір.
Тим не менш, класичні схеми транзисторних автогенераторів мають певні недоліки. Основним з них є необхідність в узгодженні імпедансом вхідний і вихідний ланцюгів каскадів і LC-контура. Це і призводить до необхідності автотрансформаторного включення контуру або до застосування окремої котушки зв'язку. У зв'язку з цим було створено безліч оригінальних схем автогенератора, в яких контур використовується без відводів від котушки індуктивності і без додаткових котушок зв'язку, які ускладнюють реалізацію контурів і ускладнюють їх комутацію в багатодіапазонних генераторах.
Тут доречно відзначити ряд оригінальних схем, заснованих на внесення в контур негативного опору або провідності, які компенсують опір втрат контуру і ведуть до виникнення в ньому незгасаючих коливань. Не дивлячись на безумовну корисність і оригінальність таких генераторів, широкого практичного застосування вони все ж не отримали. Перш за все тому, що потрібні для цього спеціальні прилади - негатрони (лавинні транзистори, тунельні діоди, транзистори одноперехідні та ін) поширені набагато рідше, ніж звичайні біполярні і польові транзистори, і, як правило, коштують дорожче їх і погано реалізуються в мікроелектронному виконанні.
Рис.1.10. Генератор з повним включенням LC-контура на польовому і біполярному транзисторі
На рис. 1.10 показана схема LC-генератора на основі каскаду з загальним витоком на польовому транзисторі і каскаду з загальним емітером на біполярному транзисторі. Це поєднання корисне тим, що перший каскад має дуже високий вхідний опір, а другий - високий вихідний опір. Підключення виходу другого каскаду на вхід першого каскаду створює позитивний зворотний зв'язок, а роль ІЦ грає повністю включений LC-контур.
На рис. 1.11 представлена схема автогенератора на двухзатворному польовому транзисторі (тетроді) [132]. Це класична схема LC-генератора на основі каскаду з спільним стоком, але в ланцюг стоку включений резистор для створення вихідного сигналу. Польовий тетрод має малу вхідну ємність, що дозволило забезпечити широкий діапазон регулювання по частоті за допомогою варикапа BB112. Діапазон перебудови лежить в межах від 7 до 40 МГц.
Рис.1.11. Генератор на польовому транзисторі з електронною перебудовою частоти від 7 до 40 МГц
У наведених схемах використовується паралельний LC-контур. Є й схеми автогенераторів з послідовними LC-контурами, хоча вони поширені менше. У будь-яких схемах для підвищення стабільності частоти бажано гранично ослабити вплив на коливальний контур зовнішнього ланцюга (підсилювача або активного прибору). Як і при побудові RC-генераторів іноді вводяться ланцюги електронної стабілізації амплітуди.
Широке поширення отримали LC-генератори з електронною настройкою з допомогою варикапів - діодів на основі p- n-переходів, ємність яких змінюється з зміною керуючої напруги (див. приклад на рис. 1.11). Застосовуються й генератори з котушкою контуру на феритовому сердечнику, частота яких в широких межах змінюється підмагнічуванням фериту з допомогою електромагніту. В вимірювальних генераторах часто використовується і електронне автопідстроювання частоти. Найбільш популярною є фазове автопідстроювання частоти (ФАПЧ).