Генераторы. Общие сведения, классификация.

Электронные генераторы – это устройства, вырабатывающие электрические сигналы известной формы и частоты.

Различают генераторы с самовозбуждением и внешним возбуждением. Любой генератор содержит (рис. 10) источник питания, усилительный элемент, цепь положительной ОС, а также накопитель электрической энергии в виде емкости или колебательного контура в LC-генераторах.

По рабочей частоте генераторы подразделяются на генераторы инфранизких частот (СНЧ), диапазон (0,001 – 20) Гц; генераторы низких частот (НЧ), от 20 до 200 кГц; генераторы высоких частот (ВЧ), 200 кГц – 10 МГц; генераторы сверхвысоких частот (СВЧ), выше 10 МГц.

 

 

Рис. 10. Структурная схема генератора синусоидального сигнала

 

Генераторы инфранизких частот.

 

Генераторы инфранизких частот служат для создания сигнала синусоидальной формы с частотами 0,001 – 20 Гц. Структурная схема генератора аналогична схеме генератора низких частот. Однако соответствующие узлы генераторов низких и инфранизких частот могут существенно отличаться. Главное отличие заключается в схеме ЗГ.

Часто ЗГ генератора инфранизких частот представляет собой схему электронной модели колебательного процесса без затухания, описываемого дифференциальным уравнением

, (*)

 

где w₀ = 2pf₀ – угловая частота;

х = А₀sin(w₀t + j) – является решением уравнения и есть сигнал инфранизкой частоты f₀.

Для моделирования приведенного дифференциального уравнения применяют усилительное и интегрирующее звено, в котором входное и выходное напряжения связаны через производную.

 

 

 

 

Рис.11 Генератор инфранизких частот

Обозначив в (*) , получим:

; .(**)

Вторые производные выражений (**) запишутся:

,

Подставив в полученные выражения производные из (**), получим

.

Сравнивая полученное выражение с (*), получим

 

.

 

 

Генератор с мостом Вина.

 

Вследствие простоты схемы и высоких качественных показателей RC-генераторы находят широкое практическое применение. Напряжение обратной связи, с выхода усилителя подается в одну диагональ моста, а сигнал обратной связи на вход усилителя подается с другой диагонали моста элементы Z₁, Z₂, R₃, R₄, (мост Вина) Рис.12.

Обратная связь состоит из двух частей:

1) положительная ОС организуется элементами Z₁ и Z₂, а напряжение ПОС снимается с элемента Z₂;

2) отрицательная ОС осуществляется через сопротивления R₃ и R₄ а напряжение ООС снимается с сопротивления R₄.

 

 

Рис. 12. Схема генератора с мостом Вина

 

Коэффициент ПОС ;

Коэффициент ООС .

Результирующий коэффициент усиления усилителя с учетом положительной и отрицательной обратных связей:

. (*)

Напряжение на входе усилителя равно разности напряжений положительной и отрицательной обратной связи, =αU_вых.

Коэффициент усиления усилителя с цепью ОС ; на выходе – х.х. и усилитель как линейная система имеет на выходе сигнал

,

где a– коэффициент ОС, равный U_ос/U_вых.

; или .

Если подставить К в (*), можно увидеть, что К_Uос ® ¥, откуда следует условие самовозбуждения:

. (**)

 

Для возникновения генерации необходимо совпадение по фазе выходного и входного напряжений, что требует при наличии двухкаскадного усилителя вещественного характера - коэффициента ПОС, т.е. Jm() = 0.

;

;

;

.

 

В схеме моста как правило выполняется условие R₁ = R₂ = R, С₁ = С₂ = С.

 

Из предыдущего условия следует - Jm() = 0.

 

.

Коэффициент ПОС g = 1/3; подставив g и b = R₄/(R₃ + R₄) в условие (**), , получим:

.

.

 

Соотношение величин R₃ и R₄ определим из условия баланса моста Вина Z₁R₄ = Z₂R₃. С учетом того, что R₁ = R₂ = R; С₁ = С₂ = С:

или .

 

При условии, что мнимая часть в полученном выражении равна нулю, тогда 2 R₄ = R₃.

Тогда на частое w = 1/RC. На этой частоте ПОС компенсируется ООС и U_вх ® 0.

Получается противоречие (при U_вх = 0 генерация не возникает), которое разрешают тем, что R₃ выбирают несколько больше, чем 2R₄ и b - чуть меньше чем g, т. е. в схеме действует ПОС чем обеспечивается самовозбуждение генератора.

 

34. Генератор с поворотом фазы на 180°.

Выходной сигнал усилителя отличается от входного на 180°. Для обеспечения баланса фаз на нужной частоте генерации, цепь обратной связи должна повернуть фазу выходного сигнала на угол, равный 180°. Такой поворот может обеспечить цепь в виде последовательно соединенных простых Г-образных RC-четырехполюсников (рис. 13).

Наибольшее применение получили трех- или четырехзвенные четырехполюсники. Поскольку на предельных частотах j = 90°, то для обеспечения j = 180° на частотах, отличных от предельных, необходимо включать не менее трех RC-звеньев.

Свойства четырехполюсников целесообразно описать через А-параметры.

U₁ = A₁₁U₂ + A₁₂I₂

I₁ = A₂₁U₂ + A₂₂I₂

 

Рис. 13. Схема фазосдвигающей RC-цепи

 

По параметру , связывающему U₁ и U₂, можно получить модуль передаточного числа цепи обратной связи и его фазовый угол. Общая матрица А₀ равна произведению матриц А простейших четырехполюсников, соединенных в цепочку.

 

.

.

 

Для простейшего Г-образного четырехполюсника:

;

 

Если подставить элементы матриц в , с учетом того, что элементы C и R одинаковы, получим - ;

,

где .

, (*)

где , для j = 180° tgj ® 0, значит m³ – 6m = 0; это уравнение имеет два решения;

m₁ = 0, и m₂² = 6. (**), или m₂ .

Равенство (**) имеет место на частоте генерации w₀.

.

Из (*) с учетом (**) найдем

.

Коэффициент передачи обратной связи .

Таким образом, схема сможет генерировать гармонические колебания, если К_усил >

 

 

 

Схему генератора можно реализовать с обратным включением R и C в схеме четырехполюсника. Z₁ = R, .