Глава 3 Генераторы сигналов

3.1. Генераторы синусоидальных (гармонических) сигналов

Генераторы гармонических колебаний преобразуют энергию источника постоянного тока (источника литания) в энергию колебаний синусоидальной формы. Основными элементами генераторов являются резисторы, конденсаторы и активные элементы для частоты до сотен килогерц. Для более высоких частот применяют катушки индуктивности. Активный элемент в генераторах принципиально необходим для восполнения потерь энергии в пассивной цепи, которая чаще всего имеет второй порядок. Обычно генератор гармонических колебаний описывается характеристическим уравнением

.

Необходимое условие существования автоколебаний требует выполнения неравенства , а частота автоколебаний определяется выражением . Колебания будут устойчивыми, когда амплитудная характеристика активного элемента имеет область насыщения.

На рис.3.1,а приведена схема популярного генератора с мостом Вина

При R₃/R₄>R₁/R₂+C₁/C₂ в устройстве возникают автоколебания с частотой

Обычно в мосте Вина обеспечивают выполнение равенств R₁=R₂=R, C₁=C₂=С. Тогда частота автоколебаний определяется выражением f₀=1/(2πRC). а автоколебания возникают при условии, что коэффициент усиления усилителя, составленного из ОУ и резисторов R₃ и R₄, больше трех. Это условие обеспечивается выполнением неравенства R₃/R₄>2. Установившиеся автоколебания в замкнутой цепи возможны только при условии точного равенства единице коэффициента петлевого усилителя на частоте f₀, но для возникновения автоколебаний нужно, чтобы в начале коэффициент петлевою сопротивления был больше единицы.

После возникновения автоколебаний их амплитуда стабилизируется на том уровне, когда коэффициент петлевого усиления будет равен единице. Для реализации эффекта изменения петлевого коэффициента усиления в цепи обратной связи используют нелинейные элементы.

Рис. 3.1. Типовые схемы генераторов синусоидальных колебаний

Получение гармонических колебаний с малыми искажениями обеспечивается использованием инерционно-нелинейных цепей отрицательной обратной связи ОУ. Нужный характер нелинейности создается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается сопротивление R₃ или увеличивается сопротивление R₄. Поэтому вместо резистора R₃ можно включить миниатюрный полупроводниковый терморезистор или вместо R₄ металлический терморезистор или лампочку накаливания.

На рис 3.1,б приведена схема RC-генератора с так называемой лестничной потенциально-токовой RC-цепью. Частотно-зависимая цепь содержит элементы С₁, С₂, С₃, R₁, R₂. Частота автоколебаний этого генератора определяется формулой

.

Для возникновения автоколебаний необходимо выполнение условия

R₃>R₁(С₁+С₂)/С_Э+R₂(С₂+С₃)/С_Э,

где C_Э=C₁C₂С₃/(C₁C₂+C₁C₃+С₂C₃).

Если C₁=C₂=C₃ и R₁=R₂=R₃, то частота автоколебаний определяется как

а автоколебания возникают при выполнении условия R₃>12R. Диоды VD1 и VD2 обеспечивают нелинейность петлевого усиления и служат для стабилизации амплитуды колебаний. При малой амплитуде сигнала диоды закрыты и коэффициент петлевого усиления гораздо больше единицы. Это обеспечивает быстрое возбуждение генератора. Затем амплитуда колебаний стабилизируется на таком уровне, при котором сопротивление диодов совместно с R₃ обуславливает единичное петлевое усиление для основной гармоники сигнала.

Здесь приведены основные схемы генераторов, разновидностей которых известно достаточно большое количество. Управляют амплитудой и частотой генераторов путем изменения величины соответствующих резисторов и емкостей. Для этого могут быть использованы переменные резисторы и емкости, а также полевые транзисторы, фоторезисторы, терморезисторы и т.д.[3, 5, 14, 15].