2.7 Генераторы

Генераторы являются одними из наиболее важных и незаменимых элементов различных устройств. Генераторы используются при измерениях в аппаратуре связи, автоматике и телемеханике. В за­висимости от условий работы к генераторам предъявляются раз­ные требования в отношении стабильности частоты, амплитуда и формы колебаний. Генераторы, которые должны обеспечивать! относительную нестабильность частоты не хуже 1 10^-6, делают с кварцевой стабилизацией частоты. В этих генераторах кварцевый резонатор определяет все основные параметры. Кварцевые генераторы являются сложными устройствами. Если стабильность час­тоты не столь важна, то генераторы выполняются с параметри­ческой стабилизацией.

В аппаратуре находят применение генераторы гармонически! колебаний, импульсные генераторы и управляемые генераторы. Все они могут быть с фиксированной и перестраиваемой часто­той. Генераторы с перестраиваемой частотой имеют, значительно более широкие возможности. Однако они конструктивно сложнее. Изменение частоты осуществляется за счет изменения номиналов элементов R и С. В качестве переменного сопротивления можно использовать полевой транзистор.

Генераторы гармонических колебаний являются одними из наиболее важных и незаменимых элементов различных устройств. Генераторы используются при измерениях в аппаратуре связи, автоматике, телемеханике.

В качестве активного элемента в генераторах применяются уси­лительные каскады и устройства с отрицательным дифференци­альным сопротивлением. Фазосдвигающие цепи построены на RC- и RLС-элементах. На частотах выше 100 кГц используют в основ­ном LRC-элементы, а на частотах ниже 20 кГц — генераторы на RС-элементах.

В аппаратуре находят применение генераторы с фиксированной и с перестраиваемой частотой. Генераторы с перестраиваемой часто­той имеют большие возможности. Однако они конструктивно слож­нее. Изменение частоты осуществляется за счет изменения номина­лов R и С элементов. В качестве переменного сопротивления можно использовать полевой транзистор. Во всех генераторах частотно-зависимые цепи стоят в цепи положительной обратной связи.

В существующих схемах генераторов могут появляться два вида искажений формы сигнала. Во-первых, искажения, возникающие за счет нелинейной схемы стабилизации амплитуды колебаний. Во-вторых, за счет нелинейности характеристики транзистора.

Колебания на выходе различных устройств имеют место только в том случае, когда на их входы подаются определенные сигналы. Колебания, вызываемые внешними воздействиями, называ­ется вынужденными. Форма вынужденных колебаний и такие их основные параметры, как амплитуда и частота колебаний, зави­сят как от особенностей данного устройства, так и от характера и параметров входных сигналов.

В отличие от вынужденных колебаний колебания, самостоя­тельно возникающие, называются автоколебаниями, а устройства, в которых они возникают, — автоколебательными. Такими устрой­ствами являются генераторы колебаний, которые нередко называют автогенераторами. Автоколебания обладают следующими ос­новными особенностями: возникают они не за счет воздействия внешнего сигнала, а благодаря наличию некоторых особенных свойств системы; форма возникающих колебаний, их амплитуда «частота также определяются свойствами самой системы; возни­кающие автоколебания, например напряжение на контуре гене­ратора, обладают определенной энергией.

Следовательно, в состав автоколебательной системы должен входить источник энергии, за счет расхода которой поддержива­ются колебания. В большинстве случаев в автогенераторах исполь-зуются источники энергии постоянного тока.

Автоколебательные системы встречаются во многих областях техники и природы. К их числу относятся часы, автомобиль и др. Нередко автоколебания оказываются нежелательными и условия их возникновения изучаются для того, чтобы предотвратить их по­явление. К числу таких явлений относятся: самовозбуждение уси­лителей; автоколебания систем автоматического регулирования мостов, крыльев самолета, колес автомашин и самолетов и др.

На рисунке 7.1, а показана электрическая простейшая схема гене­ратора с колебательным контуром. Прежде всего, остановимся на качественном объяснении процессов, происходящих в схеме. В большинстве случаев источником возникновения автоколеба­ний в генераторах являются флуктуации, всегда имеющие место в элементах реальной схемы. Так, ток, протекающий через актив­ный элемент (полевой транзистор), флуктуирует из-за наличия изменений в транзисторе. Из-за этих изменений во всех элементах схемы случайным образом меняются напряжение и токи.

Предположим, что такие флуктуации появились в затворе тран­зистора. Они вызовут появление переменной составляющей в токе стока. Этот ток создает на контуре напряжение с частотой, опре­деляемой элементами L и С. Колебания в контуре трансформиру­ются в затвор. Если эти колебания совпадут по фазе с первона­чальными колебаниями, то образуются суммарные колебания боль­шей амплитуды. Большие колебания вызовут большое изменение тока стока, что приведет к образованию еще большего напряже­ния на контуре и, как следствие, еще большее напряжение на затворе. В итоге процесс самовозбуждения колебаний будет разви­ваться, амплитуда колебаний будет возрастать. Очевидно, это имеет место, если коэффициент передачи напряжения по замкнутой цепи генератора больше единицы (К> 1).

Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока из-за нелинейности усиления коэффициент К не уменьшится до еди­ницы (К = 1). При этом установится стационарный динамический режим, которому соответствует определенная амплитуда колебаний.

При математическом описании процессов, происходящих в схе­ме генератора, и условий возникновения колебаний принимают­ся два условия: условие баланса амплитуд, условие баланса фаз. По первому условию в стационарном режиме значение коэффи­циента передачи по замкнутому контуру генератора равно едини­це. По второму условию — колебания в цепи замкнутого контура должны совпадать по фазе.

Поскольку практически невозможно рассмотреть все типы ге­нераторов мы ограничимся лишь несколькими схемами, которые наиболее широко распространены. Теорию генераторов в рамках этого курса рассмотреть невозможно. Устойчивые колебания воз­никают при наличии положительной обратной связи, которая реализуется для коэффициента передачи больше единицы, а пол­ный фазовый сдвиг равен нулю.

Рисунок 7.1 – Схемы генераторов гармонических колебаний: a — схема генератора на колебательном контуре; б — схема генератора на фазо-сдвигающей СЛ-цепи; в — АЧХ и ФЧХ; г — схема генератора на мосте Вина; д - АЧХ и ФЧХ; е — схема генератора на СЛ-фильтре; ж — схема генератора на RС-фильтре; з — схема генератора на двойном Т - образном мосте; и — транзис­торная схема генератора инфранизких частот на фильтре Вина

Генератор с фазосдвигающей RC - цепью показан на рисунке 7.1, б. Частотная и фазовая характеристики представлены на рисунке 7.1, в. На частоте w_K фаза колебаний становится равной , при этом ампли­туда на резисторе R_{ уменьшается до значения 1/29. Поэтому для возникновения колебаний необходимо иметь коэффициент пере­дачи операционного усилителя (ОУ) К = 29. Частота колебаний

F= 1/(2RC6^0,5).

Если в этой схеме поменять местами R и С, то частота опреде­ляется выражением

F=6^0,5/(2nRC).

При этом коэффициент передачи ОУ К= R₂/R₁ = 18,4.

Недостатком этого генератора является большое количество элементов в цепи положительной обратной связи (ОС). Он трудно перестраивается.

В генераторе на мосте Вина квазирезонансная RC-цепь настра­ивается на частоту

= 1/(R₁ R₂С₁ С₂)^0,5.

Коэффициент передачи ОУ К= R₂/R₁ = 3 (рисунок 7.1, г, д).

На рисунке 7.1, е, ж изображены схемы генераторов, у которых ОУ имеет коэффициент передачи, равный единице. Особенности этих схем в том, что пассивная RC-цепь имеет коэффициент передачи К= 30/29 > 1, а резонансная частота определяется выражением

= 6^0,5/(RС).

На рисунке 7.1, з изображена схема, где генератор собран на одном транзисторе, в цепь обратной связи которого включен двойной Т – мост. В зависимости от параметров моста схема формирует колебания с частотой от 20 Гц до 20 кГц. Частоту можно регулировать резистором R:

=1,610⁴ / RC,

где R – сопротивление, Ом; С – емкость, мкФ;  - частота, Гц. На рисунке 7.1, и показана схема генератора инфранизких частот. Амплитуда колебаний равна 12 В, частота – 1Гц. Обратная связь построена на мосте Вина. Схема (рисунок 7.2, а) имеет генератор на двух

Рисунок 7.2 – генераторы, перестраиваемые и на туннельных эквивалентах:

а – генератор на эквиваленте туннельного диода;

б – ВАХ схемы на полевых транзисторах;

в – перестраиваемый генератор низкочастотных колебаний;

г – генератор высокочастотных колебаний на емкостной трехточке;

д – генератор с кварцевым резонатором

полевых транзисторах, которые образуют устройство, кото­рое имеет характеристику с дифференциальным отрицательным сопротивлением (рисунок 7.2, б). Для установки рабочей точки служит потенциометр. Выходной сигнал с амплитудой 1 В имеет частоту 1кГц. Генератор (рисунок 7.2, в) формирует сигналы с частотой от 20 Гц до 200 кГц. Это достигается переключением конденсаторов в цепи обратной связи. Выходное напряжение — 1 В. Коэффици­ент гармоник составляет 0,5 %. Терморезистор осуществляет авто­матическую регулировку амплитуды колебаний и уменьшает не­линейные искажения.

Для получения сигналов на более высоких частотах существу­ют схемы на LC-элементах (рисунок 7.2, г). Выходной сигнал с ампли­тудой 1 В имеет частоту 10 МГц. В схеме (рисунок 7.2, д) применяется кварц для стабилизации частоты.

За счет изменения номиналов конденсаторов можно менять в небольших пределах частоту выходного сигнала (таблица 7.1). Ста­бильность частоты равна 1 10^-6.

Таблица 7.1

, МГц	С1, пФ	С2, пФ
3...6 6...15 15...30	560 560 200	470 220 100

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Какое назначение генераторов гармонических колебаний?

2. Какие существуют способы стабилизации частоты?

3. Какой принцип работы генератора с фазосдвигающей цепью?

4. Какой принцип работы генератора с мостом Вина?

5. Какой принцип работы генератора на двойном Т - образном мосте?

1. Какой принцип работы генератора с элементом, имеющим участок

ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением?

6. Какой принцип построения перестраиваемого генератора?

7. Какой принцип работы генератора на колебательном контуре?

9. Какой принцип работы генератора с кварцевой стабилизацией?