Аналітичний огляд генераторів коливань
Електронний генератор гармонійних коливань для перетворення енергії джерела постійного струму в енергію електромагнітних коливань. Структурна схема генератора гармонійних коливань, його основні види. Особливості генераторів майже гармонійних коливань.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 26.02.2011 |
| Размер файла | 3,7 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Курсова
"АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ГЕНЕРАТОРІВ КОЛИВАНЬ"
Содержание
- 1.1 Генератори гармонійних коливань
- 1.1.1 Умова генерації гармонійних коливань
- 1.1.2 RC-генератори гармонійних коливань
- 1.1.3 LC-генератори гармонійних коливань
- 1.1.4 Генератори із кварцовою стабілізацією частоти
- 1.2 Генератори майже гармонійних коливань
- 1.3 Мостовий генератор для УЗВ-п'єзовипромінювача
1.1 Генератори гармонійних коливань
1.1.1 Умова генерації гармонійних коливань
Електронним генератором гармонійних коливань називають пристрій, що перетворює енергію джерела постійного струму в енергію електромагнітних коливань синусоїдальної форми необхідної частоти й потужності.
Будь-який генератор гармонійних коливань являє собою підсилювач, охоплений контуром позитивного зворотного зв'язку (рис.1.1).
Рисунок 1.1 - Структурна схема генератора гармонійних коливань
Для виникнення в системі (рис.1.1) коливань синусоїдальної форми необхідне одночасне виконання двох умов [1]:
а) умова балансу амплітуд: ; (1.1)
б) умова балансу фаз: . (1.2)
При ПЗЗ частина вихідної напруги через контур ПЗЗ надходить на вхід підсилювача у фазі із вхідною напругою, що забезпечує задане значення . Щоб амплітуда вихідної напруги не змінилася, повинна бути виконана умова . Так як й , то з рівності випливає , або (умова балансу амплітуд).
Друга умова виникнення гармонійних коливань (тобто, забезпечення балансу фаз), полягає в тому, щоб фазові зрушення, що створюються підсилювачем () і ланкою зворотного зв'язка (), у сумі повинні бути кратними , тобто: (де n=0, 1, 2, 3,.).
Рівняння (1.1) вимагає від підсилювача такого коефіцієнта підсилення, при якому повністю компенсуються втрати напруги, що надходить через контур ПЗЗ.
Рівняння (1.2) визначає умову, при якій в замкнутій системі (підсилювач + контур ПЗЗ) забезпечується ПЗЗ.
Якщо вищезазначені умови виконуються лише на одній частоті, то в системі виникають гармонійні коливання. Якщо ж їх виконання справедливе для деякого спектру частот, то виникає генерація релаксаційних коливань.
Для одержання синусоїдальної форми вихідного сигналу використають кілька способів побудови схем.
1.1.2 RC-генератори гармонійних коливань
Для одержання гармонійних коливань низької й інфранизької частот (від декількох сотень кілогерців до часток герців) застосовують автогенератори, у яких як контури зворотних зв'язків використаються RC-чотириполюсники. Такі автогенератори одержали назву RC-автогенераторів. Застосування RC-чотириполюсників (рис.1.2) викликане тим, що LC-контури на таких частотах стають громіздкими, а такий електричний параметр, як добротність, нижче необхідних вимог.
|
а) |
б) |
|
|
в) |
г) |
Рисунок 1.2 - Частотно-залежні контури: а, б, - Г-подібні RC-контури; в - міст Віна; г - подвійний Т-подібний міст
У генераторах типу RC зворотний зв'язок здійснюється за рахунок RC-контурів, що володіють резонансними властивостями й забезпечують на одній певній частоті виконання обох умов (балансу амплітуди (1.1) та балансу фаз (1.2)) збудження коливань
За допомогою RC-автогенераторів можна одержувати коливання й високої частоти аж до 10 МГц. Однак переваги RC-автогенераторів проявляються саме на низьких й інфранизьких частотах. У цьому частотному діапазоні за рахунок застосування резисторів і конденсаторів RC-автогенератори мають більш високу стабільність, мають менші габарити, масу й вартість, ніж LC-автогенератори.
RC-автогенератор з Г-подібною RC-контуром зворотного зв'язку являє собою однокаскадний підсилювач, охоплений позитивним зворотним зв'язком (рис.1.3, а). Як відомо, в однокаскадному підсилювачі без зворотного зв'язку вхідна й вихідна напруги зрушені по фазі на 180°. Якщо вихідну напругу цього підсилювача подати на його вхід, то вийде 100% -вий негативний зворотний зв'язок. Для дотримання балансу фаз, тобто для введення позитивного зворотного зв'язку в підсилювачі, вихідну напругу, перш ніж подати її на вхід підсилювача, необхідно зсунути по фазі на 180°. Якщо вважати, що вхідний опір підсилювача дуже великий, а вихідний дуже малий, а цим умовам відповідають найбільшою мірою підсилювачі на польових транзисторах, то фазове зрушення на 180° можна здійснити за допомогою трьох однакових RC-ланок, кожне з яких змінює фазу на 60°. Розрахунки показують, що баланс фаз у ланці відбувається на частоті , а баланс амплітуд - при коефіцієнті підсилення підсилювача .
Якщо в автогенераторі, схема якого представлена на рис.1.3, а, поміняти місцями резистори й конденсатори (рис.1.3, б), то генерація автоколивань буде на частоті при коефіцієнті підсилення підсилювача .
|
a) |
a) |
|
|
в) |
в) |
Рисунок 1.3 - Схеми RC-автогенераторів з фазозсуваючим Г-подібним RC-контуром: а - однокаскадного; б - з Г-подібним RC-контуром зворотного зв'язку, у якому R й C поміняли місцями; в - двокаскадного
Відзначимо, що Г-подібні RC-контури іноді виконують із кількістю ланок більше трьох (найчастіше чотирьохконтурне). Збільшенням кількості ланок в автогенераторі (рис.1.3, а) можна підвищити частоту генерації; ще більшого збільшення частоти генерації можна домогтися при зміні місць резисторів і конденсаторів в RC-контурі того ж генератора. Для зміни частоти генерації в розглянутому генераторі необхідно змінювати одночасно або всі опори R, або всі ємності С. Зазначимо, що автогенератори з Г-подібними RC-контурами працюють звичайно на фіксованій частоті або в крайньому випадку у вузькому перелаштовуваному діапазоні.
Розглянутий RC-автогенератор має ряд недоліків:
1) контур зворотного зв'язку сильно шунтує каскад підсилювача, внаслідок чого знижується коефіцієнт підсилення й порушується умова балансу амплітуд, тобто виникаючі коливання можуть бути нестійкими;
2) генеруємі коливання мають значне перекручування форми, викликане тим, що умови самозбудження виконуються для гармонік із частотою, близької до , що можна пояснюється відсутністю строгої вибірковості до основної частоти Г-подібних RC-контурів.
Для зменшення шунтуючого впливу RC-контурів зворотного зв'язку вводять додатковий каскад - істоковий повторювач. Включення істокового повторювача (рис.1.3, в) дозволяє виконати умову балансу фаз й, в той же час, практично виключити влив контуру зворотного зв'язку на коефіцієнт підсилення підсилювача. Для покращення форми генеруючих коливань в автогенераторі, схеми яких зображені на рис.1.3, а, в, вводять НЗЗ, який здійснюється за допомогою резистора .
RC-автогенератор з мостом Віна складається із двох каскадів RC-підсилювача й контура зворотного зв'язку, що являє собою сам міст Віна (рис.1.4, а). Цей генератор зібраний на біполярних транзисторах. Міст Віна складається з резисторів , і конденсаторів , . На частоті , де R==, а С==., міст Віна має коефіцієнт передачі й нульовий кут зсуву фаз (рис.1.4, б). Двокаскадний підсилювач у широкому діапазоні частот, як відомо, обумовленому частотною й фазовою характеристиками, має постійний коефіцієнт підсилення набагато більше одиниці й кут зсуву фаз між вхідною й вихідною напругами, дорівнює нулю. Це дозволяє в смузі пропущення підсилювача підтримувати умови самозбудження автогенератора при регулюванні частоти коливань. При такому регулюванні треба змінювати або опор обох резисторів, або ємності обох конденсаторів моста Віна. Слід зазначити, що в порівнянні навіть із LC-автогенераторами, виконаними за схемою індуктивної трьохточки, розглянутий автогенератор забезпечує більш просту перебудову частот у більш широкому діапазоні їхньої зміни. Із цієї причини RC-автогенератор з мостом Віна частіше інших автогенераторів застосовують для одержання синусоїдальних коливань у діапазоні частот Гц.
|
a) |
|
|
б) |
Рисунок 1.4 - RC-автогенератор з мостом Віна: а - схема автогенератора; б - амплітудно-частотна й фазочастотна характеристики моста Віна
В автогенераторі з мостом Віна підсилювач повинен мати коефіцієнт підсилення . У двокаскадному підсилювачі, застосовуваному в цьому випадку, коефіцієнт підсилення звичайно значно більше трьох, а отже, форма синусоїдальних коливанні може бути сильно перекручена. Щоб уникнути цього вводять додатково негативний зворотний зв'язок, що істотно підвищує стабільність роботи автогенератора. НЗЗ подається за допомогою терморезистора і резистора . У випадку збільшення амплітуди вихідної напруги автогенератора за рахунок змін параметрів транзисторів, напруги живлення або інших причин струм через терморезистор зростає, а його опір зменшується. У результаті зростає спадання напруги на резисторі й коефіцієнт підсилення першого каскаду знижується, що призводить до зменшення амплітуди вихідної напруги автогенератора. На рис.1.5 зображена принципова схема RC-автогенератора з мостом Віна, в якій замість двокаскадного підсилювача включений операційний підсилювач. Робота його нічим не відрізняється від роботи автогенератора, виконаного за схемою рис.1.4, а. У такому генераторі міст Віна включають між вихідним виводом ОП і його входом, що не інвертує, чим досягається введення позитивного зворотного зв'язку. Резистори , й , які з'єднують вихід із входом, що інвертує, ОП, є контуром негативного зворотного зв'язку. Якщо резистори й визначають необхідний коефіцієнт підсилення підсилювача, то терморезистор стабілізує амплітуду й знижує нелінійні перекручування вихідної напруги (якщо взяти ОП типу 140УД7, опор змінних резисторів ==50 кОм, ємності конденсаторів ==С=3300 пФ, опори =8,2 кОм й =10 кОм, то автогенератор зможе генерувати синусоїдальні коливання в діапазоні від 1 до 10 кГц).
Рисунок 1.5 - Схема RC-автогенератора з мостом Віна на операційному підсилювачі
генератор коливання гармонійне енергія
RC-автогенератор із симетричним подвійним Т-подібним мостом, схема якого наведена на рис.1.6, а, містить два каскади підсилювача (на транзисторах і ), емітерний повторювач (на транзисторі ), контур позитивного частотно-незалежного зворотного зв'язку (на резисторі ) і контур негативного зворотного зв'язку, що є симетричним подвійним Т-подібним мостом. Контур позитивного зворотного зв'язку включають між колектором підсилювача на транзисторі і базою емітерного повторювача, що забезпечує виконання умови балансу фаз. Таке включення створює кут зсуву фаз, рівний 180°, що є умовою виникнення негативного зворотного зв'язку.
|
а) |
|
|
б) |
Рисунок 1.6 - RC-автогенератор із симетричним подвійним Т-подібним мостом: а - схема автогенератора; б - амплітудно-частотна характеристика подвійного Т-подібного моста
\При відключенні контуру негативного зворотного зв'язку в генераторі буде виконуватися умова балансу амплітуд для широкого частотного діапазону, обумовленого частотною характеристикою підсилювача, і виникнуть автоколивання, форма яких буде різко відрізнятися від синусоїдальної. При включенні подвійного Т-подібного моста у якості контуру негативного зворотного зв'язку умова балансу амплітуд буде виконуватися тільки для однієї частоти. Це пояснюється тим, що подвійний Т-подібний міст не пропускає гармонійну складову із частотою (рис.1.6, б), внаслідок чого умова балансу амплітуд буде виконуватися тільки для частоти , а для всіх інших частот коефіцієнт підсилення підсилювача знизиться й добуток буде менше одиниці. Регулювання частоти коливань автогенератора здійснюють зміною або опорів всіх резисторів, або ємностей всіх конденсаторів подвійного Т-подібного моста. У противному випадку порушаться вибірні властивості моста. У даній схемі частота генерації . Якщо включити подвійний Т-подібний міст у схему автогенератора без емітерного повторювача, то міст буде сильно шунтуватися підсилювачем й умови самозбудження порушаться.
За допомогою несиметричного подвійного Т-подібного моста можна створити автогенератор на одному каскаді (або на непарній кількості каскадів) з коефіцієнтом підсилення (рис.1.7). У такому автогенераторі подвійний Т-подібний міст включають як контур негативного зворотного зв'язку.
Рисунок 1.7 - Схема RC-автогенератора з несиметричним подвійним Т-подібним мостом
При виконанні умов ==С, , ==R, кут зсуву фаз між вхідною й вихідною напругами моста складе 180° при коефіцієнті передачі .
Частота коливань в автогенераторі (рис.1.7) . Схема RC-автогенератора на операційному підсилювачі з подвійним Т-подібним мостом зображена на рис.1.8.
Рисунок 1.8 - Схема RC-автогенератора на операційному підсилювачі з подвійним Т-подібним мостом
1.1.3 LC-генератори гармонійних коливань
Індуктивна трьохточка. На практиці частіше використовують схеми LC-генераторів з автотрансформаторним ЗЗ, у яких напруга ЗЗ знімається із частини коливального контуру. Така схема зображена на рис.1.9 Вона відома також за назвою схеми індуктивної трьохточки.
Рисунок 1.9 - Схема LC-генератора з індуктивною трьохточкою
Елементи С, і утворять коливальний контур; резистор є елементом контуру автоматичного зсуву, через який протікає постійна складова струму бази; конденсатор запобігає попаданню напруги живлення на базу й впливає на постійну часу контуру автозсуву. На рис.1.10 наведена еквівалентна схема індуктивної трьохточки по змінному струму. тобто. контури живлення й зсуву на рисунку не показані.
Рисунок 1.10 - Еквівалентна схема LC-генератора з індуктивною трьох точкою
Звичайно думають, що вхідний опір транзистора настільки великий, що струмом бази можна зневажити. У цьому випадку, як видно з рис.1.10, елементи С, і утворять трьохелементний реактивний двухполюсник, у якому спочатку відбувається резонанс струмів, а потім резонанс напруг у контурі . Частотні характеристики реактивного й повного опорів коливального контуру показані па рис.1.11, а та б.
Рисунок 1.11 - Частотні характеристики реактивного (а) й повного (б) опорів коливального контуру
Генерація коливань відбувається на частоті резонансу струмів:
. (1.3)
Опір контуру на цій частоті (1.3) є чисто резистивним і приймає максимальне значення, яке дорівнює 1/G.
Контуром ЗЗ у цій схемі служить дільник напруги, утворений ємністю С й індуктивністю . Дійсно, напруга, що знімається з виходу підсилювального елемента (транзистора), прикладена до коливального контуру або, що те ж саме, до контуру . Напруга ЗЗ знімається з індуктивності і подається на вхід підсилювального елемента. Підсилювальний каскад на одному транзисторі повертає фазу сигналу на 180°. Для дотримання балансу фаз контур зворотного зв'язку також повинен вносити фазове зсув на 180°. Це й відбувається в дійсності. Струм у контурі через ємнісний характер його опору випереджає напругу на контурі на 90°. У свою чергу, напругу на індуктивності випереджає цей струм ще на 90°. Таким чином, зрушення фаз між напругам і становить 180°.
Перейдемо до аналізу роботи генератора. Для визначення умов самозбудження складемо характеристичне рівняння генератора:
. (1.4)
Передатна функція підсилювача дорівнює:
, (1.5)
де - операторний опір контуру:
.
Після нескладних перетворень виразу для і підстановки його в (1.5) одержимо:
.
Передатна функція контуру ЗЗ має вигляд:
.
Запишемо передатну функцію контуру з розімкнутим ЗЗ:
.
Тепер легко одержати характеристичне рівняння. Враховуючи (1.4) маємо:
. (1.6)
Звідси видно, одержаному характеристичному рівнянню відповідає диференціальне рівняння генератора - індуктивної трьохточки:
.
Для аналізу стійкості скористаємося критерієм Рауса-Гурвіца й складемо визначник Гурвіца:
.
Контур буде нестійким й у генераторі відбудеться самозбудження, якщо хоча б один мінор визначника є від'ємним, наприклад:
.
Розкриваючи визначник, одержуємо:
або
.
Звідси умова самозбудження має вигляд:
. (1.7)
Для аналізу роботи генератора в частотній області необхідно використовувати співвідношення балансу амплітуд і балансу фаз:
та
.
Оскільки на частоті генерації опори контуру , комплексна передатна функція підсилювача приймає відповідно до (15.18) простий вигляд:
.
Комплексна передатна функція контуру ЗЗ
.
після підстановки значення частоти генерації буде мати вигляд:
.
У режимі самозбудження, тобто коли , маємо:
, (1.8)
що збігається з виразом (1.7).
Для стаціонарного режиму, коли виконується баланс амплітуд можна визначити стаціонарне значення середньої крутості:
.
З аналізу виразів та видно, що .
Ємнісна трьохточка. Якщо в попередній схемі використовувати реактивний двухполюсник зі зворотною частотною залежністю опору, то отримана схема буде називатися ємнісною трьохточкою (рис.1.12).
Рисунок 1.12 - Еквівалентна схема LC-генератора з ємнісною трьох точкою
Генерація коливанні в цій схемі буде відбуватися на частоті резонансу струмів:
,
при умові, коли опір коливального контуру буде активним і максимальним по величині.
Аналіз даної схеми практично нічим не відрізняється від аналізу індуктивної трьохточки. Для ілюстрації проведемо аналіз у частотній області. Дослідження характеристичного рівняння генератора пропонуємо провести самостійно.
Комплексна передатна функція підсилювача на частоті генерації була отримана раніше:
?.
Контур зворотного зв'язку являє собою дільник напруги. утворений індуктивністю L і ємністю . Комплексна передатна функція контуру зворотного зв'язку
на частоті генерації приймає вид
.
З нерівності визначимо умови самозбудження ємнісної трьохточки:
.
З балансу амплітуд визначається стаціонарне значення середньої крутості:
.
1.1.4 Генератори із кварцовою стабілізацією частоти
Істотне зменшення нестабільності генераторів може бути досягнуте за рахунок використання кварцового резонатора, який являє собою особливим чином вирізану й відшліфовану пластину натурального або штучного кварцу. Кварц - п'єзоелектрик, тому пружні коливання кристала можуть бути викликані прикладеним електричним полем, а ці коливання, у свою чергу, генерують напругу на гранях кристала. У цьому випадку кристал поводиться як RLC-елемент, еквівалентна схема якого наведена на рис.1.13.
Рисунок 1.13 - Еквівалентна схема заміщення кварцового резонатора
Два конденсатори еквівалентної схеми дають пару близько розташованих резонансних частот - послідовного й паралельного контуру, що відрізняються друг від друга не більше ніж на 1%. У цілому кварцовий резонатор поводиться як резонансний контур з високою добротністю (близько 10000) і високою стабільністю параметрів. При включенні резонатора в позитивний зворотний зв'язок і виконанні умови балансу амплітуд на резонансній частоті виникають автоколивання.
На рис.1.14 представлений генератор синусоїдальних коливань на польовому транзисторі, що відомий як генератор Пірса.
Рисунок 1.14 - Генератор Пірса
За рахунок кварцового резонатора фаза вихідного сигналу змінюється на 180, т. е сумарне зрушення фази стосовно сигналу на затворі досягає , що приводить до виникнення коливань на резонансній частоті кварцу. Інша схема (рис.1.15) являє собою аналог генератора Колпітца, у якому LC - контур замінений кварцовим резонатором. Наявність кварцового резонатора забезпечує коефіцієнт нестабільності генератора не вище 10 у діапазоні температур від 0 до 50С.
Рисунок 1.15 - Кварцовий генератор Колпітца
Генератори, аналогічні розглянутим, доцільно використати на високих частотах. Це пов'язане з тим, що в міру зниження частоти генерації габаритні розміри LC-контуру неприпустимо зростають. Виготовлення кварцових резонаторів на частоти нижче декількох десятків кілогерц також зв'язаний зі значними технологічними труднощами.
1.2 Генератори майже гармонійних коливань
Якщо в генераторі з коливальними контурами втрати в контурі або резонаторі малі (висока добротність коливальної системи), то форма коливань у них близька до синусоїдальної і їх називають генераторами майже гармонійних коливань або томсонівськими генераторами.
Транзисторний генератор. Прикладом генератора майже гармонійних коливань є генератор на напівпровідниковому тріоді - транзисторний генератор.
Тут, так само як і в ламповому генераторі, є джерело живлення, добротний коливальний контур, а активний елемент являє собою сполучення напівпровідникового тріода й контур зворотного зв'язка. У напівпровідникових тріодах (транзисторах) має місце посилення потужності коливань, які подаються до керуючого електрода (наприклад, до бази), і це дозволяє, так само як і у випадку електронних ламп, за допомогою контура зворотного зв'язка здійснити підкачування коливальної енергії в контур для його збудження й підтримки режиму стаціонарних (незатухаючих) коливань. Існують різні схеми транзисторних генераторів. Три варіанти напівпровідникових генераторів, що використають включення транзистора за схемою із спільним емітером, показані на рисунку 1.16.
а)
б)
в)
Рисунок 1.16 - Транзисторні генератори
Транзисторні генератори генерують коливання із частотою від декількох кГц до 1010 ГГц із потужностями від десятих часток мВт до сотень Вт. Як і в ламповому генераторі, тут при високій добротності контуру форма коливань близька до гармонійної, а частота визначається власною частотою коливань контуру з врахуванням "паразитних" ємностей транзистора.
Магнетронний генератор. У магнетронному генераторі коливання НВЧ збуджуються в системі об'ємних резонаторів (порожнини із провідними стінками). Резонатори розташовані по контуру масивного анода і їхня власна частота визначається діаметром порожнини й шириною щілини, що з'єднує кожну порожнину із загальним простором, у центрі якого розташований катод. Магнітне поле, викривляючи траєкторії електронів, що рухаються від катода К до аноду А (рис.1.17), формує загальний електронний потік, що пролітає послідовно уздовж щілин резонаторів.
Рисунок 1.17 - Магнетронний генератор коливань
Магнітне поле підбирається таким, щоб більшість електронів рухалося по траєкторіях, що майже стосуються щілин. Так як, у резонаторах за рахунок випадкових струмів неминуче виникають слабкі електричні коливання, то біля щілин існують слабкі змінні електричні поля Е. Пролітаючи в цих полях, електрони залежно від їхнього напрямку відносно поля Е або прискорюються, відбираючи енергію в резонатора, або гальмуються, віддаючи частину енергії резонаторам. Електрони, прискорені полем першого ж резонатора, вертаються на катод. Загальмовані ("робітники") електрони попадають у поле наступних резонаторів, де вони також будуть гальмуватися, якщо попадають туди в "гальмуючі" напівперіоди електромагнітного поля. Шляхом відповідного підбору швидкості електронів (анодної напруги і магнітного поля Н) можна домогтися того, щоб електрони більше віддавали енергії резонаторам, чим забирали в них. Тоді коливання в резонаторах будуть наростати. Нелінійність характеристик магнетрона забезпечує встановлення постійної амплітуди генерируємих коливань. Відбір енергії може вироблятися з будь-якого резонатора за допомогою петлі зв'язку П.
У магнетроні джерелом живлення є джерело анодної напруги , коливальною системою - резонатори. Роль активного елемента, що забезпечує перетворення постійної енергії в енергію електричних коливань, грає електронний потік, що перебуває під дією магнітного поля.
Магнетрони генерують гармонійні коливання в діапазоні частот від 300 МГц до 300 ГГц. ККД магнетронних генераторів досягає 85%. Звичайно магнетрони використаються для одержання коливань більших потужностей (декілька МВт) в імпульсному режимі й десятків кВт при безперервній генерації.
Клістронний генератор (рис.1.18) також містить об'ємний резонатор, у якому коливання збуджуються й підтримуються електронним потоком.
|
Рисуфнок 1.18 - Клістронний генератор |
Потік електронів, що випускається катодом К, прискорюється електричним полем, створеним джерелом живлення. У відбивному клістроні електрони пролітають через сітки об'ємного резонатора С й, не досягаючи анода А, потенціал якого від'ємний щодо сіток резонатора, відбиваються, пролітають через резонатор у зворотному напрямку й т.д. Якби електрони пролітали через резонатор суцільним потоком, то протягом одного напівперіоду коливань резонатора вони віддавали б резонаторам енергію, а протягом другого напівперіоду віднімали б цю ж кількість енергії в резонатора генерування електричних коливань було б неможливе. Якщо ж електрони влітають у резонатор окремими "згустками", причому в такі моменти, коли резонатор їх гальмує, то вони віддають резонатору енергії більше, ніж забирають у нього. При цьому електронний потік підсилює виниклі в резонаторі випадкові коливання й підтримує їх з постійною амплітудою. Так як, групування електронного потоку в згустки відбувається за час, що відповідає декільком періодам коливань, то довжина "простору угруповання" задається швидкістю електронів і частотою генерируємих коливань. Завдяки цьому найбільше поширення клістронні генератори мають у сантиметровому й міліметровому діапазонах довжин хвиль. Потужність клістронів невелика - від декількох мВт у міліметровому діапазоні до декількох Вт у сантиметровому. Потужність двухрезонаторних прольотних клістронних генераторів у сантиметровому діапазоні може становити десятки Вт.
У квантових генераторах роль високодобротної коливальної системи виконують збуджені атоми або молекули активної речовини. Переходячи зі збудженого стану в незбуджене, вони випромінюють порції (кванти) електромагнітної енергії, рівні hv, де h - Планка постійна, v - частота електромагнітних коливань, характерна для даного сорту атомів. Джерелом енергії є збуджені атоми й молекули, а для відбору збуджених молекул служить система, що сортує. Наприклад, у молекулярному генераторі на аміаку джерелом живлення є джерело молекулярного пучка аміаку. Об'ємний резонатор, у якому перебуває активна речовина, здійснює зворотний зв'язок, викликаючи за допомогою електромагнітного поля змушене випромінювання молекул і вкладення коливальної енергії, що компенсує втрати, включаючи відбір енергії з зовні. Аміачний генератор працює на частоті 23,870 ГГц із досить стабільною й вузькою спектральною лінією генеруємих коливань за рахунок високої добротності квантового переходу. Висока стабільність частоти коливань, генеруємих квантовими генераторами в радіодіапазоні (на аміаку, водні, синильній кислоті й ін.), дозволяє використати їх як квантові стандарти частоти.
1.3 Мостовий генератор для УЗВ-п'єзовипромінювача
В останні роки все частіше доводиться зіштовхуватися з ультразвуком - звуковими коливаннями, що мають частоту більшу, ніж здатна почути людина. У медицині ультразвук використовують для дослідження внутрішніх органів (УЗВ), у побуті він працює в системах дистанційного керування телевізорами, допомагає вирішувати багато завдань у науці й на виробництві. Цікаве застосування ультразвуку знайшлося й у системах охорони приміщень і інших замкнутих просторів.
Все різноманіття генераторів, призначених для живлення ультразвукових {УЗ) випромінювачів, можна розділити по схемному рішенню на дві основні групи - із зовнішнім частотозадаюим контуром і резонансні, що працюють на частоті власного резонансу п'єзоелектричного випромінювача.
Для живлення випромінювачів, що не мають чітко вираженого резонансу на частоті випромінювання, найбільш раціональні генератори першої групи, Більшість же п'єзоелектричних випромінювачів має різко виражений резонанс струму на робочій частоті. Відхилення частоти напруги живлення навіть на частки відсотка від резонансної приводить до різкого зниження випромінюваної акустичної енергії. Стабілізація частоти цих генераторів призводить до істотного їхнього ускладнення й подорожчання. Положення ускладнює й той факт, що резонансна частота п'єзоелектричного випромінювача має деяку температурну залежність.
Генератори другої групи - резонансні - працюють завжди на частоті резонансу п'єзовипромінювача, навіть при її зміні від коливань температури. Якщо в якому-небудь каналі УЗ зв'язку як випромінювача, так і приймача застосувати однакові п'єзорехонатори, температурна нестабільність практично не позначиться на коефіцієнті передачі каналу внаслідок погодженого зрушення частоти резонансу.
Більшість серійних УЗ п'єзовипромінювачів вимагають досить великої напруги живлення для забезпечення оптимального рівня потужності випромінювання. Тому при живленні генератора від низьковольтного джерела вихідної потужності іноді може не вистачити. Один з виходів з такого затруднення - застосування мостового підсилювача потужності в генераторі.
У генераторах першої групи реалізація мостового вихідного ступеня труднощів не представляють. З резонансним же генератором справа є складнішою. Оскільки для його збудження необхідно створити позитивний ЗЗ по струму, у контурі п'єзовипромінювача, що буде одночасно відігравати роль резонатора, необхідно включити датчик струму. Зняття сигналу ЗЗ із цього датчика - теж завдання непросте, тому що на виводах резонатора, підключеного до мосту, присутня протифазна напруга великої амплітуди.
Всі ці складності дозволені в оригінальному варіанті генератора, що сполучає мостове включення п'єзорезонатора зі збудженням на його власній резонансній частоті (рис.1.19). Ультразвуковий випромінювач BF1 включений між виходами попарно-паралельно з'єднаних інверторів DD1.1, DD1.2 і DD1,3, DD1.4, що утворять мостовий вихідний підсилювач. Сигнали на виході кожної пари інверторів (виводи 6, 8 і 4,10) перебувають у протифазі, що дозволяє забезпечити амплітудне значення напруги на випромінювачі практично вдвічі більше, ніж напруга живлення. Паралельне включення інверторів підвищує навантажувальну здатність підсилювача, При необхідності їхнє число в кожному плечі може бути збільшити.
Рисунок 1.19 - Мостовий генератор для УЗВ-п'єзовипромінювача
Оскільки робочу частоту розглянутого генератора визначає власна частота резонансу струму випромінювача, у контур випромінювача включені датчики струму - резистори R3 і R4. Для виділення сигналу з датчиків струму від високоамплітудної вихідної напруги мостового підсилювача служать прецизійні резистивні дільники R1, R2 і R5, R6. Опір резисторів визначають рівняння R2=R1+R3 і R5=R6+R4. Якщо виключити навантаження, то й постійна напруга, і змінна між точками А и Б буде дорівнює нулю. З урахуванням падіння напруги на датчиках струму при резонансі напруга між точками А и Б буде пропорційно струму через навантаження.
Напруга U№ подана на вхід диференціального підсилювача змінної напруги, що зібраний на ОП DA1. Рівень вихідної напруги підсилювача відповідає сталій роботі інверторів структури КМОП. Одночасно диференціальний підсилювач придушує незначну синфазну складову напруги U"., що з'являється через неминучі відхилення опору резисторів прецизійного дільника від розрахункового й можливої неідентичності значень вихідної напруги інверторів мосту. Так як коефіцієнт передачі ОП DA1 по постійній напрузі в розглянутому включенні дорівнює одиниці, напруга, що знімається з дільника R8R9 і подається на неінвертуючий вхід ОП через резистор R7, визначає рівень вихідної напруги.
Резистор R10 визначає струм, споживаний програмувальним ОП DA1, і, як наслідок, швидкість наростання вихідної напруги. Цей резистор вибраний таким, щоб при будь-якому значенні напруги живлення в заданому інтервалі й мінімальному споживаному струмі швидкість наростання вихідної напруги не була нижче необхідною. Ємність конденсаторів С1 і С2 має оптимум для кожної конкретної частоти генерації, тому може знадобитися їхній підбір. Збільшення ємності понад оптимальну призводить до деякого зниження частоти генерації щодо резонансної, а зменшення підвищує схильність до збудження генератора на одному з більш високочастотних резонансів п'єзовипромінювача. Підбирати потрібно обидва конденсатори одночасно.
Теоретично конденсатори С1 і С2 по ємності й резистори R7 і R11 по опору повинні бути строго однаковими, тому що від цього залежить ступінь придушення синфазної складової сигналу диференціальним підсилювачем. На практиці, однак, цілком припустима точність добірки в межах 5%, але у випадку нестабільної роботи генератора її необхідно збільшити.
Імпульси, що знімаються з виходу ОП, мають трохи затягнуті фронт і спад. Подача такого сигналу на вхід мосту призводить до помітного підвищення вхідного струму інверторів мосту в моменти їхнього перемикання. Буферний інвертор DD1.5 формує на виході імпульси з більш крутими фронтом і спадом. Це дозволяє підвищити ККД генератора приблизно на 20%.
Як випромінювач в описуваному пристрої використаний серійний ультразвуковий п'єзоелектричний мікрофон УМ-1 із частотою резонансу в інтервалі 36.46 кГц. Працездатність і стабільність частоти генератора зберігаються при напрузі живлення в межах 5.15 В. Споживаний струм не перевищує 5 мА.
Резистори R1, R2, R5, R6 можна підібрати зі звичайних МЛТ-0,125 номіналом 20 кОм за допомогою цифрового вольтметра, наприклад, ВР-11А, і джерела стабільного струму. Їхній опір від зазначеного значення можуть відрізнятися на 20%, однак співвідношення значень опору, зазначене вище, повинне бути витримане з точністю не більше 0,25%, При великій різниці не виключені фазові збої й навіть зриви генерації.
Описаний генератор може бути використаний у системах сигналізації й дистанційного керування, У випадку, коли потрібен режим стробування генератора зовнішнім сигналом, замість інвертора DD1.5 застосовують елемент 2І-НІ мікросхеми К561ЛА7. На другий вхід елемента подають стробуючі імпульси одиничного рівня. Входи невикористовуваних інверторів необхідно з'єднати з мінусовим проведенням джерела живлення.
Застосування стабілізованого джерела живлення генератора принципово не обов'язково, якщо немає високих вимог до стабільності рівня вихідної акустичної потужності.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Функціональна та принципова схеми пристрою обробки електричних сигналів, виводи операційного підсилювача. Розрахунок автогенератора гармонійних коливань, вибір номіналів опорів та конденсаторів. Схема ємнісного диференціюючого кола генерування імпульсів.
курсовая работа [525,3 K], добавлен 23.01.2011Генератор - пристрій, призначений для перетворення енергії механічного руху в енергію електричного струму. Використання принципу електромагнітної індукції. Типи генераторів і їх параметри. Функціональна схема електронного пристрою та генератора імпульсів.
курсовая работа [674,0 K], добавлен 19.08.2012Техніко-економічне обґрунтування розробки приймача короткохвильового діапазону: розрахунок і вибір вузлів і блоків, призначених для виділення корисного радіосигналу прийомної антени електромагнітних коливань, його посилення і перетворення; собівартість.
дипломная работа [2,4 M], добавлен 11.06.2012Роль сигналів у процесах обміну інформацією. Передавання сигналів від передавального пункту до приймального через певне фізичне середовище (канал зв'язку). Використання електромагнітних хвиль високих частот. Основні діапазони електромагнітних коливань.
реферат [161,8 K], добавлен 05.01.2011Визначення частоти коливань генератора. Розрахунок додаткового опору для вимірювання заданої напруги. Межа знаходження вимірюваної величини напруги при заданій максимальній величині струму. Визначення амплітудного та середньовипрямленого значення частоти.
контрольная работа [97,9 K], добавлен 06.11.2016Розрахунок частоти коливань генератора. Визначення додаткового опору для вимірювання заданої напруги. Визначення меж відхилення відліку частоти. Відносна нестабільність частот цифрового генератора. Рівень сигналу в дБ. Абсолютна та відносна похибка.
контрольная работа [95,0 K], добавлен 06.11.2016Обґрунтування й вибір функціональної схеми генератора коливань. Вибір і розрахунок принципових схем його вузлів. Моделювання роботи функціональних вузлів електронного пристрою на ЕОМ. Відповідність характеристик і параметрів пристрою технічним вимогам.
курсовая работа [79,7 K], добавлен 15.12.2010Загальні принципи побудови генераторів. Структурна, принципова і функціональна схема генератора пилкоподібної напруги. Генератори пилкоподібної напруги на операційних підсилювачах. Розрахунок струмостабілізуючого елемента на операційному підсилювачі.
курсовая работа [126,4 K], добавлен 21.01.2012Особливості підстлювачів з загальною базою, загальним колектором. Порівняльний аналіз каскадів підсилення. Оцінка та режими роботи схем СЕ, СБ, СК. Використання уніполярних і біполярних транзисторів, переваги. Трансформаторні та безтрансформаторні схеми.
реферат [77,4 K], добавлен 30.01.2010Просочування мовної інформації, класифікація заставних пристроїв. Приймачі випромінювання РЗУ та електроакустичні перетворювачі для перетворювання акустичних коливань в електричні сигнали для утворення електроакустичного каналу просочування інформації.
реферат [73,6 K], добавлен 26.04.2009
