8. Генераторы.

Генераторами называются электронные схемы, формирующие переменное напряжение требуемой формы.

Практически ни одно современное электронное устройство не обходится без внутренних или внешних генераторов, задающих ритм его работы. Простые устройства работают от внешних периодически или непериодически поступающих сигналов. Более сложные могут иметь один или несколько связанных или независимых генераторов. Обычно имеется основной генератор главных колебаний (или образцовой частоты), делением

этой частоты формируются вспомогательные импульсные тактирующие

последовательности. Таким образом, электронное устройство без генератора либо неработоспособно, либо создано для подключения к другому

(которое, скорее всего, содержит генератор).

Принцип работы всех генераторов, применяемых в электронных уст-

ройствах, основан на введении цепи положительной обратной связи (ПОС)

в усилитель. Но если в генераторах синусоидальных колебаний использу-

ются частотно-зависимые цепи ПОС (содержат реактивные элементы), то в

генераторах прямоугольных и треугольных импульсов они имеют только

активное сопротивление.

Основное требование к генераторам – стабильность частоты колебаний. Кроме того, в зависимости от конкретного применения от них может

потребоваться регулируемость (амплитуды и частоты), способность формировать колебания точно заданной формы.

До появления ОУ генераторы строились на электронных лампах или

транзисторах. Гибкость и универсальность, дешевизна и высокие технические характеристики ОУ позволяют с минимальным числом внешних элементов создавать простые и удобные в настройке и регулировке генерато-

ры практически всех видов колебаний с требуемыми параметрами.

8.1. Генераторы синусоидальных колебаний.

Колебания синусоидальной формы являются одними из наиболее

распространенных в радиоэлектронике.

Принцип работы генераторов синусоидальных колебаний основан на

использовании в цепях обратной связи фазосдвигающих или резонансных

элементов: моста Вина, двойного Т–образного моста, сдвигающих RC–

цепей. Хотя возможны и другие способы формирования синусоидального

напряжения, например, фильтраций колебаний треугольной формы или

выделением первой гармоники прямоугольных импульсов.

Наиболее часто для получения синусоидального напряжения низких

и средних частот используются генераторы с мостом Вина.

Мост Вина представляет собой двойной делитель напряжения

(рис.2.51,а, б), один из которых резистивный, а второй является частотно–

зависимой цепью, сопротивление верхнего плеча которого

Этот делитель ослабляет напряжение тем больше, чем заметнее те-

кущая частота напряжения u1 отличается от собственной, квазирезонансной частоты ω0=1/CR.

Причем, как следует из (2.114), (2.115), на частоте ω0 коэффициент

деления оказывается вещественным числом

следовательно, в процессе деления не вносится фазового сдвига.

Поскольку коэффициент деления резистивного делителя постоянен,

и также равен трем, то при частоте ω0 мост находится в равновесии, и выходное напряжение отсутствует u2(ω0)=0.

Амплитудно–частотная характеристика U2/U1 моста Вина изображе-

на на рис. 2.51,б.

Схема простейшего генератора с мостом Вина представлена на

рис. 2.52.

в устройстве возникают автоколебания, угловая частота которых опреде-

ляется формулой

Как правило, в частотно–зависимой ветви моста используются равные сопротивления резисторов R1=R2=R и емкости конденсаторов

С1=С2=С. Тогда частоту автоколебаний определяют из соотношения

а возникают они, только если коэффициент усиления для сигнала, поступающего на неинвертирующий вход ОУ, больше трех. Согласно (2.116), в этом случае

В то же время установившиеся автоколебания в замкнутой цепи воз-

можны только при условии точного равенства единице коэффициента пет-

левого усиления, которое выполняется при

R3/R4=2. (2.118)

Для устранения противоречия между (2.117) и (2.118) и стабилизации амплитуды выходного напряжения частотно–независимую ветвь моста

Вина (R3, R4) выполняют инерционно–нелинейной. В качестве нелинейных элементов обычно применяются диоды, стабилитроны, лампы накаливания, терморезисторы или полевые транзисторы. Следует учитывать, что

если не предпринимать специальных мер, наличие таких элементов в цепи

отрицательной связи может привести к значительным нелинейным иска-

жениям формы выходного напряжения генератора. Нужный характер не-

линейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды уменьшается

сопротивление резистора R3 или увеличивается R4.

Для этого вместо резистора R3 можно включить миниатюрный полу-

проводниковый терморезистор, или вместо R4 – металлический терморе-

зистор (например, миниатюрную лампочку накаливания). Малые размеры

соответствующего элемента нужны для того, чтобы обеспечить его разогрев относительно маломощным сигналом.

В схеме на рис. 2.53 стабилизация амплитуды генерируемых коле-баний осуществляется с помощью диодного моста VD1–VD4 и стабили-

трона VD5 в цепи дополнительной отрицательной ОС усилителя (цепи

АРУ). Схема работает от однополярного источника питания, что достигается применением на входах ОУ (К140УД7) двух резистивных делителей,

задающих смещение по постоянному току. Частота генерации схемы опре-

деляется цепью положительной ОС: f0=1/(2πR2C)/. Амплитуда выходных

сигналов (до включения цепи АРУ) устанавливается выбором соответст-

вующего значения коэффициента усиления несколько выше необходимого

для обеспечения запуска генератора. Включение цепи АРУ снижает коэф-

фициент усиления и предотвращает дальнейшее повышение амплитуды

выходного напряжения, которое без АРУ ограничивается лишь при насы-

щении усилителя. Это приводит к большим нелинейным искажениям, по-

этому первоначальное превышение коэффициента усиления ОУ по сравне-

нию со значением, требуемым для нормальной работы генератора (в дан-

ном случае равным 3), не должно быть значительным.

Включенный последовательно со стабилитроном резистор (19R1)

ограничивает чрезмерное ослабление коэффициента усиления для снижения искажений выходного сигнала. Точность установки частоты генератора зависит от элементов моста Вина, максимальный диапазон рабочих частот ограничен лишь скоростью нарастания выходного напряжения ОУ.

Амплитуда выходных колебаний приблизительно в 1,5 раза выше порого-

вого напряжения стабилитрона. Коэффициент нелинейных искажений ге-

нератора при правильном подборе резисторов и стабилитрона в цепи до-

полнительной отрицательной ОС (цепи АРУ) не превышает 0,5%.

Рассмотренные схемы генераторов синусоидальных колебаний имеют фиксированную частоту выходного сигнала, стабильность которой в

большей степени зависит от качества элементов R и C в цепи ПОС, чем от

структуры фазосдвигающей цепи и характеристик ОУ. Поэтому при ис-

пользовании высококачественных резисторов и конденсаторов нестабильность частоты колебаний составляет обычно порядка 0,1%, достаточную в большинстве практических случаев.

Однако в некоторых устройствах, например, эталонных генераторах,

применяемых в прецизионных измерительных устройствах, требуется до-

полнительная стабилизация частоты, достигаемая, как правило, с помощью

кварцевого кристалла (резонатора), включаемого в цепь ПОС.

Электрические параметры кварцевого резонатора хорошо описываются его схемой замещения, представленной на рис. 2.54. Величины L и С

определяются механическими свойствами кварцевой пластины, R – небольшое сопротивление, характеризующее затухание механических коле-

баний. Величина емкости С0 определяется электродами резонатора и емко-

стью подводящих проводов.

Из схемы замещения следует, что кварцевый резонатор имеет две

точки резонанса – последовательного с частотой

Под собственной частотой кварцевого резонатора понимается именно частота последовательного резонанса (2.119), которая зависит только от

строго определенных параметров пластины L и C. А на значение частоты

параллельного резонанса оказывает влияние еще и значительно менее оп-

ределенная величина межэлектродной емкости, хотя, как правило, C0>>С,

и эти частоты почти совпадают.

На рис. 2.55 представлена схема прецизионного генератора синусои-

дальных колебаний, в котором высокая избирательность кристалла BQ в

значительной степени стабилизирует резонансное значение частоты гене-

рации

задаваемое цепью ПОС. В этой схеме элементы R4 и С2 предназначены в основном для фильтрации высших гармоник кристалла выбираются с учетом его резонансного сопротивления. При резонансе фазовый сдвиг равен нулю, т.е. кристалл представляет собой активное сопротивление. Это сопротивление заменяет один из резисторов в цепи ПОС усилителя. Для выполнения условия согласования резонансной частоты кристалла и частоты моста Вина сопротивление резистора R4 подбирают равным резонансному сопротивлению кристалла, а емкость конденсаторов C2 определяют из выражения R4C2=1/(2πf0).

Стабилизация амплитуды выходного напряжения достигается с по-

мощью дополнительной цепи отрицательной обратной связи (цепи АРУ),

включающей диод VD1, стабилитрон VD2 и полевой транзистор VT. При

малых выходных сигналах транзистор VT открыт, усиление схемы на ОУ

велико (больше критического значения, равного трем) и ПОС обеспечивает

возникновение колебаний. Когда их амплитуда достигает напряжения от-

пирания диодно–стабилитронной цепи (равного сумме напряжения пробоя

стабилитрона Uстmin и напряжения на открытом диоде Uпр), транзистор на-

чинает закрываться, и этот процесс длится до тех пор, пока коэффициент

усиления по неинвертирующему входу ОУ не станет равным трем. Диод

VD компенсирует напряжение сток–затвор полевого транзистора VT, чем

достигается высокая температурная стабильность генератора. Постоянная

времени τ=R2С1 должна быть значительно больше периода формируемого

сигнала для исключения искажений его формы, поскольку быстродейст-

вующая цепь АРУ старалась бы регулировать амплитуду в пределах одного периода колебаний.

Для получения генератора с перестраиваемой частотой синусоидаль-ных колебаний используют обычно сдвоенные переменные конденсаторы,

поскольку одновременное и одинаковое изменение двух емкостей С моста

Вина позволяет менять частоту ω0, не нарушая условия амплитуд, поэтому

регулировка частоты может осуществляться в широких пределах.