1. Автогенераторы

Генератором гармонических колебаний (автогенератором) называют устройство, без постороннего возбуждения преобразующее энергию источника питания в энергию гармонического колебания. Схемотехнический генератор — это усилитель с глубокой положительной обратной связью. Глубина ОС подбирается такой, при которой усилитель самовозбуждается и генерирует незатухающие колебания.

Различают генераторы с внешней и внутренней ОС. Генераторы с внешней ОС реализуются на узкополосном усилителе, с выхода которого часть энергии колебания возвращается на вход. Частотная избирательность, как и в фильтрах, может обеспечиваться с использованием резонансных LC-контуров, пьезоэлектрических и электромеханических резонаторов, а также RС-цепей. Наиболее распространены LC- и RС-генераторы.

Частота колебаний в LС-генераторе , близка к резонансной частоте контура:Отсюда видно, что для генерирования колебаний с низкими частотами требуются большие индуктивности и емкости, применение которых ни технологически, ни конструктивно не оправдано.

Частота колебаний RC -генераторов пропорциональна частоте среза RC-цепочек: . Малогабаритные резисторы и конденсаторы могут иметь большие номинальные значения параметров, поэтомуRC-генераторы предпочтительны в низкочастотной части диапазона. Верхний частотный предел RC-генераторов ограничивается значениями паразитных емкостей и минимальными сопротивлениями R, при которых допустимые силы токов усилителей еще обеспечивают напряжения требуемой амплитуды. Практически такие генераторы используют для генерирования колебаний, частоты которых достигают сотен килогерц.

Генераторы с внутренней ОС реализуются на активных элементах, в которых имеется внутренняя положительная ОС, определяемая физическими процессами в элементе. Внешне эта ОС проявляется наличием участка вольтамперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Поэтому генераторы с внутренней ОС часто называют генераторами с отрицательным сопротивлением. Частота колебаний, создаваемых этими генераторами, близка к резонансной частоте примененных LC-контуров или пьезоэлектрических резонаторов.

Генераторы гармонических колебаний используют в качестве источников сигналов в передатчиках, в гетеродинах радиоприемников, в измерительных приборах и системах и др. Основные показатели: мощность генерируемого колебания, диапазон перестройки частоты (для перестраиваемых генераторов), погрешность номинальной частоты и нестабильность частоты. Первые два показателя не требуют дополнительных пояснений, поэтому остановимся только на остальных.

Выходное напряжение генератора:

(68)

где и— средние амплитуда и частота;и— случайные составляющие амплитуды и фазы колебаний.

Случайные колебания амплитуды, как правило, незначительны и могут не учитываться. Мгновенная частота является производной фазы по времени:

(69)

Для измерения частоты колебаний, как и любой другой физической величины, требуется время, на протяжении которого значение измеряемой величины усредняется. Поэтому измеренное значение частоты это среднее за интервал усреднения , значительно превышающий период этих колебаний. При непрерывном усреднении в течение интервалачастота:

(70)

Наиболее распространены цифровые частотомеры, подсчиты­вающие число периодов в течение заданного интервала времени . Показания таких частотомеров близки к частоте.

При повторных измерениях в интервалах ,получаемые значения частоты различны. Средняя частота:

(71)

Средняя частота в (69) понимается как предел частотыпри.

Погрешность номинальной частоты — относительная величина, вычисляемая по формуле:

(72)

Нестабильность частоты также относительная величина, представляющая собой среднеквадратичную величину приращений средних за время частот:

(73)

где вычисляют по (70).

Нестабильность частоты зависит от времени , в течение которого усредняется частота. Принято различать кратковременнуюи долговременнуюнестабильности.

Погрешность частоты зависит в основном от конструкции элементов генератора и точности их изготовления. На нестабильность частоты решающее влияние оказывают внешние возмущающие факторы и чувствительность параметров элементов генератора к этим возмущающим факторам.

Генератор с внешней ОС представим структурной схемой, показанной на рис. 50.

Рис. 50

Он состоит из узкополосного усилителя К и цепи . Согласно критерию Найквиста, линейный усилитель с ОС будет неустойчив, а следовательно, генератор будет самовозбуждаться, если для некоторой частотывыполнены условия:

…; (105)

где и— модуль и фаза возвратного отношения:

(106)

Первое условие (69) означает, что начальная фаза сигнала, вернувшегося по петле ОС на вход усилителя, совпадает с начальной фазой входного сигнала. Это условие с учетом (106) часто записывают так:

…, (107)

и называют условием баланса фаз.

Второе условие также полезно переписать с использованием (106):

(108)

Это условие означает, что амплитуда сигнала, вернувшегося по петле ОС, больше амплитуды входного сигнала, вследствие чего после замыкания петли ОС амплитуда колебаний должна нарастать.