Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Генератори гармонічних коливань

Генератори гармонічних коливань призначені для перетворення енергії джерела постійного струму в енергію незатухаючих синусоїдальних коливань. Вони мають активний елемент, який охоплений додатним частотно-залежним зворотним зв’язком. Такі генератори побудовані за кільцевою схемою, в якій діє додатний зворотний зв'язок. В якості активних елементів використовуються транзистори, операційні підсилювачі, діоди з ділянкою з від’ємним диференціальним опором.

В якості частотно-залежних використовують резонансні LC -контури, кварцові резонатори, RC, RL -кола.

За типом частотно-залежних ланок генератори розділяються на LC, RC, RL -генератори. В залежності від генерованих частот генератори поділяються на:

1.Високочастотні генератори 100 кГц – 100 Мгц.

2.Низькочастотні генератори 10 Гц – 100 кГц.

3.Інфранизькочастотні генератори – 10 Гц і нижче.

З конструктивних міркувань на високих частотах в основному застосовують LC –генератори. На низьких частотах RC –генератори при напругах живлення 4 В і вище. На низьких та інфранизьких частотах при напругах живлення 1 В і більш ефективні RL RLM –генератори.

В залежності від наявності елементів плавної переналадки частоти генератори поділяються на діапазонні генератори і генератори фіксованої частоти.

Переважно застосовуються для генерування низькочастотних коливань. Вони мають частотно-залежні ланки на R і C елементах і в залежності від створюваного нею фазового зсуву на частоті квазірезонансу, інвертуючий або неінвертуючий підсилювач. Частота, яка генерована RC -генератором, називається квазірезонансною, оскільки RC -елементи не мають резонансних властивостей, як наприклад LC -контур.

5.1 Призначення і класифікація електронних генераторів

Електронними генераторами називають пристрої, які перетворюють з допомогою підсилювальних пристроїв енергію джерела живлення в енергію електричних коливань заданої частоти і форми кривої.

Внутрішньою класифікаційною ознакою генераторів являється принцип управління режимом їх роботи. По цій ознаці розрізняють генератори з незалежним збудженням (зовнішнім управлінням), режимом роботи яких управляють від зовнішнього джерела змінної напруги, і генератори з самозбудженням (внутрішнім управлінням) — автогенератори.

По формі вихідних коливань розрізняють генератори гармонічних (синусоїдних) коливань і генератори коливань несинусоїдальної форми (прямокутної, пилоподібної та інші), які називають релаксаційними (імпульсними). Робота останніх характеризується специфічними особливостями, тому їм присвячений окремий розділ.

Гармонічні коливання в генераторах підтримуються резонансними контурами або іншими резонуючими елементами (кварцові резонатори, об’ємні резонатори і т.п.) або з допомогою фазуючих RC -кіл, які вмикаються в коло зворотного зв’язку підсилювачів. Перші називаються LC-генераторами, а другі — RC- генератори гармонічних коливань.

Малопотужні LC - генератори гармонічних коливань застосовуються в вимірювальних і регулюючих пристроях, а також слугують в якості задаючих генераторів в радіопередавачах. LC -генератори середньої і великої потужності широко використовуються для живлення технологічних установок ультразвукової обробки матеріалів і діелектриків, електронних мікроскопів і ін.

RC -генератори гармонічних коливань використовуються як задаючі пристрої в системах перетворення постійного струму в змінний, а також в різних вимірювальних пристроях і системах.

5.2. LC -генератори з самозбудженням (автогенератори)

5.2.1. Умови самозбудження автогенератора

При розгляді генераторів з незалежним збудженням припускається їх управління електричними коливаннями, що поступають від попередньої ланки схеми. Однак повинні існувати такі ланки, які генерують електричні коливання без будь-якої керуючої дії ззовні. Такі схеми працюють в автоколивному режимі і називаються автогенераторами. При цьому основною ознакою автогенератора являється частота генеруючих коливань, тобто частота перетворення напруги джерела живлення схеми в коливання змінної напруги.

Можливі умови, при яких підсилювач, охоплений додатним зворотним зв’язком, самозбуджується, так як коефіцієнт підсилення на відповідних частотах досягає безмежно великого значення. Це обумовлює наявність вихідної напруги при відсутності вхідної. Цей принцип використовують автогенератори гармонічних коливань, які представляють собою підсилювальну ланку з коефіцієнтом підсилення , охоплену додатним зворотним зв’язком з коефіцієнтом передачі по напрузі (рис. 1).

Для напруги, яку заміряємо на виході ланки зворотного зв’язку, можна записати:

(1)

В свою чергу напруга на виході генератора

. (2)

або з врахуванням (1),

. (3)

Отже, встановлені коливання будуть існувати в схемі при умові, що

. (4)

Очевидно також, що при амплітуда коливань буде неперервно зростати.

Умову (4) можна записати наступним чином

. (5)

Оскільки — величина комплексна, процес самозбудження автоколивань, який описаний (5), можна представити у вигляді двох умов

(6)

. (7)

Рівняння (6) відображає процес балансу фаз, при яких зсув фаз в замкнутому колі автоколивної системи повинен дорівнювати , де =0, 1, 2, 3...

Рівняння (7) показує, що для існування автоколивного режиму послаблення сигналу, яке вноситься ланкою зворотного зв’язку, повинно компенсуватися підсиленням. Ця умова відображає процес балансу амплітуд.

Варто підкреслити, що для генерації гармонічних коливань система автогенератора повинна містити частотно-залежне коло, яке обумовлює виконання умов балансу фаз і амплітуд на одній і тій самій частоті.

Процес розвитку і встановлення коливного процесу автогенератора (за умови виконання балансу фаз) можна пояснити з допомогою графічних побудов.

На рис.5.2 зображені амплітудна характеристика саме підсилювальної ланки і пряма зворотного зв’язку , що характеризує послаблюючу дію ланки зворотного зв’язку.

Якщо на вхід підсилювальної ланки генератора за будь-якими причинам в певний момент часу надходить сигнал з амплітудою напруги U_вх1, то після підсилення в К разів на виході підсилювача з’явиться сигнал з амплітудою U_вих1. Ця напруга, послаблена в раз, викличе на виході підсилювача напругу U_вх2, яка створить на виході нову напругу. Описаний процес протікає до тих пір, поки амплітуда вихідного сигналу не досягне своєї усталеного значення U_ус _т(точка А), при якій виконується умова (7)

Як видно на рис.5.2,а), за рахунок нелінійності амплітудної характеристики, зумовленої нелінійністю характеристик транзистора, коефіцієнт підсилення підсилювальної ланки з підвищенням рівня вихідного сигналу зменшується. Отже, для процесу розвитку автоколивань умова (7) запишеться у вигляді

(8)

Загальним записом умови балансу амплітуд являється

(9)

Тут знак нерівності відображає процес розвитку автоколивання, а знак рівності – усталений процес. Таким чином, амплітуда усталених коливань обмежується нелінійністю характеристик транзистора.

З рис.5.2, а), слідує також, що після вмикання схеми автоколивання розвиваються при дії на вхід підсилювальної ланки безмежно малих імпульсів, які завжди наявні в напрузі шумів. Такий режим роботи автогенератора називається м’яким режимом самозбудження.

Якщо робоча точка вибрана на нелінійній ділянці характеристики транзистора, то амплітудна характеристика має вигляд, показаний на рис.5.2, б). В цьому випадку коливання виникають при наявності на вході підсилювальної ланки поштовху напруги не менше . Такий режим виникнення коливань називається жорстким режимом самозбудження.

Характеристику називають також коливальною характеристикою автогенератора і використовують зазвичай для експериментального визначення амплітуди усталених коливань.

5.2.2. Схеми LC -автогенераторів

Повна схема автогенератора з резонансним LC -контуром в колекторному колі L_кC_к, який є навантаженням однокаскадного підсилювача, та індукованим зв’язком між виходом і входом підсилювача, що забезпечується окремою базовою обмоткою, наведена на рис.5.3. Така схема називається генератором з трансформаторним зв’язком і використовується переважно в області радіочастот.

Рис.5.3. Схема автогенератора з трансформаторним зв’язком

Елементи R1, R2, R_е і C_е призначені для забезпечення необхідного режиму за постійним струмом та його термостабілізації. За рахунок ємності С2, реактивний опір якої на частоті генерації незначний, заземляється один кінець базової обмотки. Опори r_к і R_б враховують активні втрати відповідно в контурній і базовій обмотках.

Як і в генераторі з незалежним збудженням, опір контуру на резонансній частоті носить чисто активний характер і рівний L_к / r_кC_к. Тому при дії на базу сигналу змінного струму з частотою, яка дорівнює частоті резонансу, напруга на колекторі буде зсунута за фазою на 180° (як для реостатного каскаду підсилення в схемі з СЕ). Оскільки базова і колекторна обмотки мають взаємну індуктивність, то змінна напруга на базовій обмотці u_б за рахунок струму , який протікає через колекторну обмотку , буде рівна , де М — коефіцієнт взаємоіндукції. Якщо вибрати напрямок обмоток таким чином, щоб , то загальний фазовий зсув в замкнутому колі підсилювача — зворотний зв’язок буде рівний нулю. Це забезпечує виконання умов балансу фаз.

З врахуванням параметрів коливного контуру і , частоту коливань можна виразити формулою

. (10)

Мінімальне значення коефіцієнта підсилення, який забезпечує умови балансу амплітуд в усталеному процесі генерації, отримаємо з рівності одиниці дійсної частини характеристичного рівняння, тобто

. (11)

Таким чином, для отримання стійкого автоколивного процесу з частотою коливань необхідно вибрати транзистор, у якого параметр h_21е не менше розрахованого за виразом (11).

Розглянута схема автогенератора з трансформаторним зв’язком не є єдиним варіантом подібного виду схем. Широке розповсюдження на практиці отримали також так звані триточкові схеми з автотрансформаторним (рис.5.4,б) і ємнісним (рис.5.4,а) зв’язком.

Режим за постійним струмом і його термостабілізації здійснюється в наведених схемах за рахунок елементів, аналогічних елементам в схемі рис.5.3. Реактивний опір конденсатора зворотного зв’язку С на частоті генерації малий.

В індуктивній триточковій схемі (відомій в літературі під назвою схеми Хартлея) секціонована індуктивна гілка коливального контуру, спільна точка якої через нульовий опір джерела живлення змінної складової струму приєднана до емітера. Зворотний зв’язок між індуктивностями L1 і L2 здійснюється з врахуванням взаємо індуктивності М.

Оскільки знаки миттєвих напруг на L1 і L2 відносно середньої точки протилежні (зсув за фазою 180°), а підсилювальний каскад перевертає фазу також на 180°, то зворотний зв’язок буде додатним і умова балансу фаз виконується.

Рис.5.4. Схеми LC -автогенераторів:
а) – ємнісна триточка; б) – індукивна триточка

Ємнісна триточка (схема Колпітца) містить в ємнісній гілці коливального контуру два конденсатори С 1 і С 2. Напруга зворотного зв’язку з останнього надходить у вхідне коло підсилювальної ланки.

При включенні конденсаторів полярності миттєвих напруг на їхній обкладках відносно спільної точки протилежні. Підсилювальний каскад також зсуває фазу на 180°. Це обумовлює додатний зворотній зв’язок і виконання умови балансу фаз.

Аналіз триточкових автогенераторів може бути проведений аналогічно, як для схем автогенератора з трансформаторним зв’язком, тобто з використанням еквівалентних схем. Тому обмежимось кінцевими результатами аналізу.

Частота встановлених коливань для індуктивної триточки

(12)

де h_11б і h_22б – відповідно вхідний опір і вихідна провідність транзистора в схемі ввімкнення з спільною базою.

Для схеми генератора зібраного за ємнісною триточкою частота генерації буде складати

, (13)

де – повна провідність вихідного кола транзистора; – ефективне значення ємності контуру.

Мінімальне значення коефіцієнта підсилення за струмом, який забезпечує процес самозбудження автогенератора за схемою індуктивної триточки, визначається з рівності

(14)

Це ж значення для схеми ємнісної триточки буде дорівнювати

(15)

5.2.3. Стабілізація частоти LC -генераторів

В процесі роботи автогенераторів під дією різних зовнішніх факторів змінюється їх робоча частота:

· зміна температури оточуючого середовища, що викликає зміну геометричних розмірів і зміну електричних параметрів контуру;

· зміна напруги живлення;

· механічна деформація і вібрація деталей генератора;

· зміна паразитних індуктивностей і ємностей схеми генератора.

Способи зменшення впливу цих факторів на стабільність частоти генераторів:

· виготовлення деталей з матеріалів, які незначно змінюють свої властивості і розміри при зміні температури;

· стабілізація напруг джерел живлення генераторів;

· раціональний монтаж схем генераторів;

· застосування кварцової стабілізації частоти генераторів.

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 11 12 131415 16 Следующая ⇒