Генераторы синусоидального напряжения

ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

УСЛОВИЯ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ

Генератором синусоидального, или гармонического, напряжения (ГСН) называют электронное устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний синусоидальной формы.

Различают ГСН с внешним, или независимым, возбуждением и с самовозбуждением. ГСН с внешним возбуждением -- это резонансные усилители, работающие в режиме больших амплитуд. ГСН с самовозбуждением, называемые обычно автогенераторами, представляют собой автономные электронные устройства, в которых генерирование электрических колебаний происходит благодаря выполнению условий самовозбуждения. Автогенераторы, как правило, применяются в качестве задающих генераторов, колебания которых могут использоваться для возбуждения следующего, более мощного каскада или генератора с внешним возбуждением.

В зависимости от частоты генерируемых колебаний ГСН подразделяются на низкочастотные (от 10 Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 100 МГц).

Рис. 8.1. Структурная схема автогенератора.

По виду используемого в ГСН частотно-избирательного четырехполюсника различают -генераторы и -генераторы синусоидального напряжения.

Любой автогенератор электрических колебаний представляет собой усилитель, охваченный цепью положительной обратной связи (рис. 8.1). При ПОС часть выходного напряжения через цепь ПОС поступает на вход усилителя в фазе с входным напряжением, обеспечивающим заданное значение . Чтобы амплитуда выходного напряжения не изменилась, должно быть выполнено условие . Так как и , то из равенства следует

, или

. (8.1)

Уравнение (8.1) является условием существования в генераторе незатухающих электрических колебаний. Ему соответствуют два уравнения:

, (8.2)

отражающее баланс амплитуд в автогенераторе, и

, (8.3)

отражающее баланс фаз, в котором п = 0, 1, 2, 3, …

Уравнение (8.1) требует от усилителя такого коэффициента усиления, при котором полностью компенсируются потери напряжения, поступающего через цепь ПОС.

Уравнение (8.3) определяет условие при котором в замкнутой системе (усилитель + цепь ПОС) обеспечивается ПОС.

Следует отметить, что уравнение (8.2) справедливо для установившегося, или стационарного, режима работы автогенератора. При проектировании автогенератора должно быть выполнено условие . В этом случае при подаче на автогенератор напряжения питания любые сколь угодно малые напряжения на входе (например, напряжения шумов) будут вызывать возрастающие по амплитуде выходные напряжения. По мере увеличения вследствие нелинейности амплитудной характеристики усилителя его коэффициент усиления будет уменьшаться, и стационарное состояние установится при . В зависимости от вида амплитудной характеристики усилителя различают мягкий (рис. 8.2, а) и жесткий (рис. 8.2, 6) режимы самовозбуждения. На рис. 8.2 кривая отражает зависимость выходного напряжения усилителя от входного, поступившего по цепи ПОС, а прямая -- зависимость входного напряжения усилителя от выходного. При мягком режиме самовозбуждения для возникновения электрических колебаний в генераторе необходимо и достаточно выполнение условий (8.2) и (8.3). При жестком режиме самовозбуждения, кроме этих условий, для возникновения колебаний в первоначальный момент на входе усилителя необходимо задать напряжение .

Рис 8.2. Амплитудные характеристики автогенератора с мягким (а) и жестким (б) режимами самовозбуждения

Для получения синусоидального выходного напряжения необходимо, чтобы условия (8.2) и (8.3) выполнялись только для некоторой одной частоты. С этой целью цепь ПОС должна обладать избирательными свойствами. Такие свойства, как известно, имеют параллельный колебательный -контур (последовательный контур применяется очень редко) и -цепи.

-АВТОГЕНЕРАТОРЫ

Существует множество схем -генераторов, которые отличаются между собой способами включения колебательного контура и создания ПОС. На рис. 8.3, а приведена схема автогенератора с индуктивной трансформаторной (схема Майсснера) ПОС. Скачки напряжения и тока, появляющиеся в контуре при подключении к генератору источника питания Е, через обмотку передаются в базовую цепь транзистора . Обмотка трансформатора Т включена таким образом, что возникающая при этом переменная составляющая коллекторного тока усиливает переменную составляющую контурного тока, т. е. за счет взаимоиндукции М между усилителем и колебательным контуром действует ПОС Конденсатор предотвращает протекание через контур постоянной составляющей коллекторного тока, а дроссель уменьшает шунтирование контура по переменному току внутренним сопротивлением источника питания .

Рис. 8.3. Схемы транзисторных -автогенераторов с индуктивной трансформаторной (а) и автотрансформаторной (б) связью.

Баланс амплитуд в автогенераторе с трансформаторной связью достигается выбором необходимого коэффициента взаимоиндукции М (т. е. числа витков катушки ), а баланс фаз правильным выбором концов катушки (при отсутствии генерации следует поменять концы катушки, подключаемые к базе транзистора и общей шине).

Вместо трансформаторной в автогенераторе может использоваться автотрансформаторная обратная связь (рис. 8.3, б). Такая схема называется трехточечной, так как колебательный контур подключается к усилителю тремя точками. Обобщенная трехточечная схема автогенератора по переменному току показана на рис. 8.4. Характер элементов , и колебательного контура определяется из условий баланса фаз и амплитуд. При этом возможны два случая:

если имеет индуктивный характер, то сумма реактивных сопротивлений и должна носить емкостный характер;

если имеет емкостный характер, то сумма реактивных сопротивлений и должна носить индуктивный характер.

В обоих случаях сопротивление суммы должно равняться сопротивлению .

Рис. 8.4. Обобщенная трехточечная схема автогенератора.

Характер реактивности элемента , с которого снимается напряжение ОС, должен быть таким же, как и у элемента . Только в этом случае ОС будет положительной.

Схему автогенератора, у которого и -- индуктивные катушки, а -- конденсатор, называют индуктивной трехточечной схемой, или индуктивной трехточкой (схемой Хартли). Схему автогенератора, у которого и -- конденсаторы, а катушка индуктивности (рис. 8.5), называют емкостной трехточечной схемой, или емкостной трехточкой (схемой Колпитца).

Во всех рассмотренных типах автогенераторов частота генерируемых колебаний в основном определяется элементами контура

. (8.4)

для автогенератора, выполненного по емкостной трехточечной схеме, под следует понимать емкость

.

Рис. 8.5. Транзисторный -автогенератор, выполненный по схеме «емкостная трехточка»

Рис. 8.6. Схема -автогенератора на ОУ.

Для построения -генераторов гармонических колебаний удобно использовать интегральные усилители: однокаскадные, дифференциальные, операционные и др. На рис. 8.6 показан вариант возможной реализации -генератора синусоидальных напряжений на интегральном ОУ. Колебательный контур включается между. выходом ОУ и неинвертирующим входом, обеспечивая нужную ПОС. В цепь ООС для стабилизации амплитуды, генерируемых колебаний включают терморезистор с отрицательным ТК. Увеличение амплитуды колебаний вызывает уменьшение сопротивления терморезистора. При этом увеличивается глубина ООС, приводящая к уменьшению амплитуды колебаний.

-АВТОГЕНЕРАТОРЫ

На частотах менее 50 кГц вследствие увеличения требуемых значений и С увеличиваются размеры катушек и конденсаторов и одновременно ухудшается добротность колебательного контура и стабильность его параметров. Поэтому на низких частотах вместо -автогенераторов обычно используют -автогенераторы, которые в этом диапазоне частот, особенно в нижней его части, обладают существенными преимуществами.

Частотно-зависимыми четырехполюсниками, используемыми в -генераторах, являются Г-образные -цепи (рис. 1.20, а, 1.21, а), двойная Г-образная цепь, или мост Вина (рис. 1.22, а), Т-образные мосты (рис. 1.23, а, б) и двойной Т-образный мост (рис. 1,24, а). Из этих четырехполюсников наибольшее применение в -генераторах нашли мост Вина и двойной Т-образный мост.

Рис. 8.7. Амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристика моста Вина, используемого в транзисторном -генератора (в).

На рис. 8.7 а, б показаны передаточная (АЧХ) и фазо-частотная характеристики моста Вина. Из рисунка видно, что на некоторой частоте , называемой частотой квазирезонанса, коэффициент передачи моста Вина оказывается вещественной величиной с максимальным значением и нулевым фазовым сдвигом . Так как один каскад усиления вносит фазовый сдвиг , то для получения нулевого фазового сдвига на входе усилителя усилитель должен содержать четное число инвертирующих каскадов (рис. 8.7, в). Для выполнения условия баланса амплитуд (8.2) на частоте квазирезонанса усилитель должен иметь коэффициент усиления . Так как в двухкаскадном усилителе можно получить , то это позволяет ввести в усилитель, кроме положительной, отрицательную ОС, обеспечиваемую элементами и . Введение в цепь ООС терморезистора с отрицательным ТКR позволяет осуществить стабилизацию амплитуды генерируемых колебаний. Действительно, увеличение амплитуды, вызванное различными факторами, вызывает увеличение тока через резистор . При этом сопротивление его уменьшается, что приводит к увеличению напряжения ООС, создаваемого на , и уменьшению коэффициента усиления усилителя.

Обычно элементы моста Вина выбираются из условий:

; .

При этом частота генерируемых колебаний

(8,5)

Однако ввиду шунтирования резистора входным сопротивлением усилителя и делителем в цепи базы транзистора условие не выполняется. В результате генерируемая частота оказывается зависящей не только от значений элементов , , и , но и от параметров усилителя, а коэффициент усиления усилителя, при котором выполняется условие баланса амплитуд, может существенно превышать значение 3.

-генератор с мостом Вина легко выполнить на интегральном ОУ, включив избирательный мост Вина между выходом и неинвертирующим входом (рис. 8.8). С помощью переменного резистора можно изменять коэффициент усиления усилителя, добиваясь наименьших нелинейных искажений генерируемых колебаний.

-генератор с мостом Вина легко сделать перестраиваемым по частоте. Для этого вместо резисторов и следует использовать сдвоенный переменный резистор либо вместо конденсаторов и -- сдвоенный блок конденсаторов переменной емкости.

Рис. 8.8. Схема -генератора на ОУ с мостом Вина

Рис. 8.9. Схема -генератора на ОУ с двойным Т-образным мостом.

В качестве избирательного четырехполюсника -генератора используются также Т-образный или двойной Т-образный мост. На квазирезонансной частоте коэффициент передачи двойного симметричного Т-образного моста (см. рис. 1.24, б) равен нулю. Следовательно, нулю будет равен и фазовый сдвиг на этой частоте. При включении такого моста в цепь ООС усилителя на частоте напряжение ООС равно нулю и увеличивается по мере удаления частоты от квазирезонансной в ту или другую сторону. Следовательно, для построения -генератора с двойным Т-образным мостом мост необходимо включать в цепь ООС (рис. 8.9). С помощью делителя создается необходимая ООС, при которой обеспечивается генерация на частоте . Частота генерируемых колебаний определяется из выражения (8.5).

СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ АВТОГЕНЕРАТОРА

На частоту генерируемых колебаний автогенератора, кроме параметров колебательного контура или другого фазирующего четырехполюсника существенное влияние оказывают параметры усилителя, зависящие в свою очередь от изменений температуры окружающей среды, напряжений источников питания, атмосферного давления и влажности, нагрузки и т. п. Влияние этих и других дестабилизирующих факторов сказывается тем сильнее, чем меньше добротность колебательного контура или другого фазирующего четырехполюсника. Для увеличения добротности избирательных систем применяют катушки индуктивности и конденсаторы с малыми сопротивлениями потерь, уменьшают шунтирование избирательных систем со стороны входа и выхода усилителя, используют параметрическую стабилизацию усилителя путем введения в него различных ООС и т. п. Этими способами удается получить относительную нестабильность частоты автогенератора . Однако наиболее эффективным способом стабилизации частоты автогенераторов является кварцевая стабилизация, когда в качестве колебательной системы используется кварцевый резонатор, или сокращенно -- кварц, добротность которого достигает значения и более.

Кварц по своим свойствам эквивалентен колебательному -контуру с высокой добротностью, и его можно представить электрической схемой, показанной на рис. 8.10, а. Значения элементов , , и определяются геометрическими размерами пластинки кварца и видом среза. Так, например, для кварца на 1,5 МГц мГн; пФ, Ом, а для кварца на 4 МГц мГн; пФ, , пФ.

Рис. 8.10. Эквивалентная схема кварца (а), зависимость его реактивного сопротивления от частоты (б) и схема изменения реактивного сопротивления (в).

Из характера изменения сопротивления кварцевого резонатора (рис. 8.10, б) следует, что он имеет две резонансные частоты: частоту последовательного резонанса и частоту параллельного резонанса . При реактивное сопротивление кварца имеет индуктивный характер, а при и -- емкостный. Частота последовательного резонанса определяется выражением

,

частота параллельного резонанса выражением

.

Так как , то из приведенный выражений следует:

.

Если необходимо изменить частоту кварцевого резонатора в небольших пределах, то последовательно с ним включают подстроечный конденсатор, емкость которого значительно больше, чем (рис. 8.10, в).

При кварцевой стабилизации частоты возможно построение двух типов кварцевых -генераторов: с -контуром и без -контура.

В первом типе генераторов кварцевый резонатор включают в цепь обратной связи, а основной колебательный контур -- в коллекторную цепь транзистора. Автогенератор в таком случае можно выполнять по схеме индуктивной (рис. 8.11, а) или емкостной (рис. 8.11, б) трехточки. Для выполнения условий самовозбуждения необходимо, чтобы резонансная частота колебательного контура равнялась частоте кварцевого резонатора или была кратна ей. В последнем случае генератор будет работать на соответствующей гармонике кварца.

Рис. 8.11. Схемы автогенераторов с кварцевой стабилизацией частоты.

На рис. 8.12 показана схема кварцевого генератора на интегральном ОУ. В этом генераторе кварцевый резонатор, выполняющий роль параллельного колебательного контура с высокой добротностью, включен в цепь ПОС ОУ между подключенным к выходу ОУ делителем и неинвертирующим входом. Выполнение условия баланса амплитуд зависит от соотношения сопротивлений резисторов делителя и цепи ООС .

Рис. 8.12. Схема кварцевого автогенератора на ОУ.

Кварцевая стабилизация частоты транзисторных автогенераторов позволяет уменьшить относительную нестабильность частоты генерируемых колебаний на 2 - 3 порядка по сравнению с обычными генераторами. Для получения более высокой стабилизации частоты применяют различные методы термокомпенсации генераторов и их термостатирование.