ГЛАВА 20. ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

§20.1. Общие сведения

Электронный генератор — это устройство, преобразующее электрическую энергию

источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний заданной формы и частоты.

Электронные генераторы широко используют в радиоаппаратуре, измерительной технике, устройствах автоматики, электронно-вычислительных машинах и т. д.

По способу возбуждения генераторы подразделяют на генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением (автогенераторы). Генераторы с независимым возбуждением являются усилителями колебаний, которые вырабатывают посторонние источники.

Автогенераторы сами создают незатухающие колебания за счет использования положительной обратной связи (см. § 19.4).

Среди автогенераторов можно выделить генераторы синусоидальных колебаний и импульсные генераторы. Генераторы синусоидальных колебаний подразделяют на автогенераторы типа LC и автогенераторы типа RC.

§20.2. Транзисторный автогенератор типа LC

Автогенераторы типа LC различают по способу создания положительной обратной связи как автогенераторы с емкостной, автотрансформаторной и индуктивной (транформаторной) связью. Они состоят из колебательного контура, в котором возбуждаются колебания нужной частоты; усилительного элемента (транзистора), усиливающего сигнал, попадающий на его вход через цепь обратной связи; цепи положительной обратной связи, обеспечивающей подачу энергии с выхода схемы на ее вход в нужном количестве и в должной фазе; источника с постоянной ЭДС, энергия которого преобразуется в колебательную энергию в контуре.

На рис. 20.1 приведена схема транзисторного автогенератора с индуктивной связью. При подключении к источнику питания Eк конденсатор контура Ск заряжается по цепи: +Eк, резистор R3, эмиттер, база, коллектор транзистора Т, Ск (—Ек). Конденсатор Ск и индуктивная катушка образуют параллельный колебательный контур, и, так как конденсатор Ск накопил определенную энергию, в контуре возникают свободные колебания с частотой f0, которая определяется параметрами этого контура. В результате индуктивной связи между катушками Lк и Loc в катушке обратной связи Loc наводится переменное напряжение той же частоты, что и в контуре. Это напряжение подводится к участку эмиттер — база транзистора, что вызывает пульсацию коллекторного тока с частотой f0.

Если обратная связь положительная, переменная составляющая коллекторного тока усиливает колебания в контуре, что вызывает увеличение амплитуды переменного напряжения на входе транзистора. Это, в свою очередь, вызывает новое увеличение амплитуды переменной составляющей коллекторного тока и т. д. Нарастание амплитуды переменной составляющей коллекторного тока ограничено, так как связь между входным и выходным напряжением

транзистора определяется характеристикой, приведенной на рис. 20.2. Надо иметь в виду, что для

установления режима незатухающих колебаний в контуре недостаточно только обеспечить положительную обратную связь. Необходимо, чтобы потери энергии в контуре были полностью скомпенсированы усилителем за счет энергии источника постоянного тока.

Таким образом, незатухающие колебания в контуре генератора устанавливаются при выполнении двух условий, которые называют условиями самовозбуждения. Это условие баланса фаз, которое обеспечивается положительной обратной связью, и условие баланса амплитуд, зависящее от значения коэффициента обратной связи β.

Карточка № 20.1 (251) Транзисторный автогенератор типа LC

§20.3. Транзисторный автогенератор типа RC

Автогенераторы типа LC применяют в основном на частотах выше 20 кГц, так как для более низких частот конструкция таких колебательных контуров громоздка. Для получения

синусоидальных колебаний на низких частотах применяют более простые и дешевые генераторы типа RC. Простейшая схема такого генератора приведена на рис. 20.3.

Вместо колебательного контура в схеме включен резистор Rн, а положительная обратная связь осуществляется через фазовращательную цепь, состоящую из трех звеньев RC. Если выход данной схемы соединить непосредственно с входом, обеспечив при этом условия самовозбуждения, то генерируемые колебания не будут синусоидальными. Для того чтобы схема вырабатывала именно синусоидальные колебания, положительная обратная связь должна обеспечиваться только для одной определенной гармоники • несинусоидальных колебаний. Эту функцию и выполняет фазовращательная цепь RC.

Параметры цепи должны быть выбраны так, чтобы при увеличении коллекторного тока и, следовательно, увеличении потенциала коллектора потенциал базы (рис. 20.3) уменьшался. Иными словами, напряжения на коллекторе и на базе должны находиться в противофазе. Это и есть условие баланса фаз. Покажем с помощью упрощенной векторной диаграммы (рис. 20.4), как выполняется это условие. При этом будем полагать, что током в каждом последующем звене цепи RC можно пренебречь по сравнению с током в предыдущем звене. Переменная составляющая коллекторного напряжения Uк вызовет в цепи C1R1 ток, опережающий это напряжение по фазе на некоторый угол. Этот угол определяется соотношением между ХC1 и R1, и может быть выбран

равным 60°. Напряжение UR1 в свою очередь, вызовет в цепи C2R2 ток с таким же соотношением параметров, как и в цепи C1R1. Это обеспечит сдвиг по фазе между UR1 и UR2 также на 60° и т. д. В итоге напряжение на R2, приложенное к участку база — эмиттер транзистора Т (см. рис. 20.3), окажется сдвинутым по отношению к Uк на 180°. Частота синусоидальных колебаний в схеме

определяется параметрами цепи RC и при условии C1=C2=C3=C; R1=R2=R3+R’2=Rf0=1/(2π 6 RС).

Для выполнения условия баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя должен быть больше ослабления, вносимого фазовращательной цепью RC. Для схемы, приведенной на рис. 20.3, это ослабление равно 29.

Карточка № 20.2 (211).

Транзисторный автогенератор типа RC

§20.4. Генераторы линейно изменяющегося напряжения

Генераторы линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения (ЛИН) должны вырабатывать напряжение, график которого приведен на рис. 20.5. Это напряжение используют для получения развертки электронного луча в различных устройствах (осциллографах, телевизионных и радиолокационных индикаторах и т. д.). Получение ЛИН, как правило, обеспечивается процессами зарядки или разрядки конденсатора.

Простейший автогенератор пилообразного напряжения построен на неоновой лампе (рис. 20.6). В момент подключения схемы к источнику постоянной ЭДС Еа конденсатор С начинает заряжаться (через резистор R) и напряжение на нем нарастает так, как это показано на рис. 20.7 (период времени Т3). В момент времени t1 напряжение на конденсаторе С оказывается равным

напряжению зажигания U3 неоновой лампы. При этом сопротивление лампы резко падает и конденсатор С очень быстро разряжается до напряжения потухания лампы Uп (период времени Tр). В момент времени t2, когда газовый разряд в неоновой лампе прекращается и ее сопротивление вновь резко возрастает, конденсатор С снова начинает относительно медленно заряжаться до напряжения U3 и т. д. Таким образом, на выходе схемы возникает пилообразное напряжение.

Необходимо отметить, что зарядка конденсатора в данной схеме происходит не по линейному, а по экспоненциальному закону. На рис. 20.8 показаны кривые, соответствующие законам зарядки и разрядки конденсатора через резистор R.

Время зарядки конденсатора через резистор определяется постоянной времени τ3=RC. Практически этот процесс заканчивается полностью через время t3=(3÷4)τ3. То же самое можно сказать и о процессе разрядки конденсатора, но если при зарядке напряжение на конденсаторе асимптотически приближается к Еа (кривая 1), то при разрядке оно стремится к нулю (кривая 2).

Начальный участок экспоненты незначительно отличается от прямой линии и поэтому при достаточно большой разнице между Еа и U3 напряжение на выходе схемы (см. рис. 20.6) близко к линейному.

Данная схема имеет существенные недостатки, связанные с непостоянством напряжения зажигания и потухания лампы, с разбросом параметров резистоpa R и конденсатора С. Все это приводит к изменению времени зарядки и разрядки Т3 и Тр конденсатора, которое определяется как параметрами неоновой лампы, так и постоянными времени зарядки и разрядки τ3=RС и τp= RiС, где Ri — внутреннее сопротивление лампы при разрядке.

Для повышения стабильности работы генератора ЛИН используют генераторы с посторонним возбуждением. Схема такого генератора, собранного на транзисторе, представлена на рис. 20.9. В исходном состоянии транзистор Т открыт и насыщен. Следовательно, напряжение на его коллекторе и конденсаторе С близко к нулю (рис. 20.10, а, б).