Генераторы электрических сигналов

Генераторы гармонических сигналов предназначены для преобразования энергии источника питания в энергию электрического сигнала синусоидальной формы требуемой частоты и мощности. На практике, часто, такой генератор представляет собой ОУ охваченный глубокой положительной обратной связью с коэффициентом передачи b+ (см.рис.2.26). для схемы входное и выходное напряжения связаны соотношениями :

откуда , справедливое при .

Выполнение последнего условия обеспечивает в автогенераторе незатухающие колебания. Величины и в уравнении являются комплексными, поэтому можно записать

= К0 ејφ · b+ејψ = 1

Последнее выполняется при двух условиях:

φ + ψ = 0 – условие баланса фаз автогенератора,

К0 b+ = 1– условие баланса амплитуд.

Условие баланса фаз означает, что в схеме существует положительная обратная связь. Условие баланса амплитуд соответствует тому, что энергия, теряемая в генераторе за одно колебание, восполняется энергией от источника питания. Выполнение условий баланса фаз и амплитуд обеспечивает возникновение сигналов генератора сложной формы, состоящих из большого числа гармонических составляющих. Для возникновения сигнала генератора нужной частоты обеспечивают выполнение условий баланса фаз и амплитуд, только для частоты f0, путем включения частотно-зависимых схем, например, Т-образного моста.

Рис. 2.27. Схема генератора с Т-мостом

Пример выполнения автогенератора гармонических колебания с Т-образным мостом

приведен на рис.2.27. положительная ОС создается резисторами R3 и R4, отрицательная ОС – резонаторами R2 и R1, которые обеспечивают условие самовозбуждения генератора: баланс амплитуд К0b+=-(R2/ R1)·b+≥1; баланс фаз φ + ψ = 0 ( φ и ψ = 0. Поскольку в автогенераторе в цепь отрицательной обратной связи включен Т-образный мост, то условия самовозбуждения генератора выполняются только для одной резонансной частоты ƒ0=1/2pRC.

Приведенная на рис.27 схема относится к генераторам RC-типа, применяемых для возбуждения гармонических сигналов низких и средних частот (условно до 300 кГц). Электрические сигналы более высоких частот (условно выше 300 кГц) создаются генераторами LС – типапримером которых может служить схема, представленная на рис.2.28.

Усилитель в схеме LC-генератора рис.2.28 выполнен на базе УОЭ с транзистором n – р – n типа (см.рис.2.6). назначение всех элементов УОЭ известно (см. п.2.1.4), вместо коллекторного сопротивления RК включен дроссель LДР., выполняющий функцию RК в УОЭ по переменному току и обеспечивающий RК = 0 по постоянному току, чтобы уменьшить потери энергии. ОС выполняется за счет магнитной связи М контура LКСК , включенного между выходом УОЭ и катушкой Lб входной цепи УОЭ. Условие баланса амплитуд обеспечивается правильным выбором Кub≥1, где КИ – коэффициент усиления УОЭ, b = - коэффициент магнитной связи, М, Lб , LК - cоответственно взаимная индуктивность и индуктивность катушек. Условие баланса фаз обеспечивается φ+ ψ = 0 за счет положительной ОС:

φ = 1800 для УОЭ, ψ = 1800 из-за обратной намотки катушек индуктивности LК и Lб (на рис.2.28 начало обмоток обозначены «*»). Частота гармонического сигнала генератора определяется резонансной частотой контура ƒ 0=.

а б
Рис.2.28. Схема LC-генератора Рис. 2.29. Кварц: а – графическое обозначение; б – эквивалентная схема

 

Важным параметром генератора является коэффициент нестабильности частотыɣ=, показывающий уход частоты ∆ƒ относительно рабочей f0 за промежуток времени из-за температурной нестабильности элементов схемы. У обычных генераторов ɣ ≈10-5. На практике в высокоточной схемотехнике (например, высокоточный счет времени) необходимо обеспечить ɣ ≈10-7÷10-8. В таких случаях применяют кварцевые резонаторы – «кварцы», представляющие собой кварцевую пластину, обладающую пьезоэффектом и закрепленную в кварцедержателе (рис.2.29а).

Кварцевый резонатор эквивалентен электрическому колебальному контуру. Эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на рис.2.29.б. Как видно, кварц эквивалентен последовательно включенным элементам LКВ, RКВ, CКВ, а в такой цепи может быть резонанс напряжения с частотой ωН =. Индуктивность кварца LКВ может быть значительной – от десятков микрогенри до нескольких миллигенри. Емкость кварца СКВ мала (сотые доли пикофарад). Кварцевый резонатор обладает острым резонансом, что свидетельствует о небольшом сопротивлении RКВ, порядка единиц Ом. Поэтому добротность кварца достигает 105 – 106, т.е. она на два-три порядка больше добротности контуров, выполненных на дискретных элементах – индуктивной катушке и конденсаторе.

Так как кристалл кварца помещают в кварцедержатель, который обладает емкостью С0, равной нескольким десяткам пикофарад, то в кварцевом резонаторе возможен и резонанс токов с частотой ωr=, где

Сэк0СКВ/(С0КВ). Частоты ωн и ωт мало отличаются друг от друга, что обеспечивает высокую стабильность частот генератора. Кварц может быть включен, например, в цепь LК СК контура рис.2.28.