Генераторы гармонических колебаний. Стационарный режим, условия баланса амплитуд и фаз. Классификация схем автогенераторов.

Электронным генератором гармонических колебаний называют устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний синусоидальной формы требуемой частоты и мощности. Эти функциональные устройства являются одной из составных частей измерительных приборов и автоматических систем. Электронные генераторы гармонических колебаний классифицируют по ряду признаков, основными из которых являются частота и способ возбуждения. В зависимости от частоты генераторы подразделяют на низко частотные (0,01—100 кГц), высокочастотные(0,1—100 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше100 МГц). По способу возбуждения различают генераторы с независимым внешним возбуждением и с самовозбуждением (автогенератор)(рис). Чтобы амплитуда выходного напряжения не изменилась, должно быть выполнено условие Uос=Uвх. Так как Uвх=Uвых/Ku и Uос=βUвых, то из равенства Uос=Uвх следует βUвых=Uвых/Ku, или Kuβ=1. Это уравнение является условием существования в генераторе незатухающих электрических колебаний. Ему соответствуют два уравнения: Ku*β=1 (1), отражающее баланс амплитуд в автогенераторе, и φu+φβ=2πn (2), отражающее баланс фаз, в котором n=0, 1, 2, 3. Уравнение (1) справедливо для установившегося, или стационарного, режима работы автогенератора. Схема генератора с контуром в цепи коллектора с последовательным питанием (а) и эквивалентная схема по переменному току (б)

30. Схемы транзисторных генераторов. Генератор с автотрансформаторной связью. Емкостная трехточка. Существует множество схем LC-генераторов, которые отличаются между собой способами включения колебательного контура и создания ПОС. На рис. 1, а схема автогенератора с индуктивной трансформаторной ПОС. Рис. 1 – Схемы транзисторных LC-автогенераторов с индуктивной трансформаторной (а) и автотрансформаторной (б) связью Баланс амплитуд в автогенераторе с трансформаторной связью достигается выбором коэффициента взаимоиндукции М (т. е. числа витков катушки LБ), а баланс фаз —правильным выбором концов катушки LБ (при отсутствии генерации следует поменять концы катушки, подключаемые к базе транзистора и общей шине). Вместо трансформаторной в автогенераторе может использоваться автотрансформаторная обратная связь (рис. 1, б). Такая схема называется трехточечной, так как колебательный контур подключается к усилителю тремя точками. Обобщенная трехточечная схема автогенератора по переменному току показана на рис. 2. Характер элементов Х1, Х2 и Х3 колебательного контура определяется из условий баланса фаз и амплитуд. При этом возможны два случая: если Х1 имеет индуктивный характер, то сумма реактивных сопротивлений Х2 и Х3 должна носить емкостный характер; если Х1 имеет емкостный характер, то сумма реактивных сопротивлений Х2 и Х3 должна носить индуктивный характер. В обоих случаях сопротивление суммы Х2 + Х3 должно равняться сопротивлению Х1. Характер реактивности элемента Х2, с которого снимается напряжение ОС, должен быть таким же, как и у элемента Х1. Только в этом случае ОС будет положительной. Схему автогенератора, у которого Х1 и Х2 — индуктивные катушки, а Х3 — конденсатор, называют индуктивной трехточечной схемой, или индуктивной трехточкой. Схему автогенератора, у которого Х1 и Х2 —конденсаторы, а Х3 — катушка индуктивности (рис. 3), называют емкостной трехточечной схемой, или емкостной трехточкой. Во всех рассмотренных типах автогенераторов частота генерируемых колебаний в основном определяется элементами контура f0=1/(2*pi*(LkCk)^0.5). Для автогенератора, выполненного по емкостной трехточечной схеме, под СК следует понимать емкость С1×С2/(С1+С2). Рис. 3 – Транзисторный LC-автогенератор, выполненный по схеме «емкостная трехточка»

31. RC-генераторы. Избирательные RC схемы, характеристики. Для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратных связей используются RС-четырехполюсники. Такие автогенераторы получили название RC-автогенераторов. Применение RС-четырехполюсников (Рис.1) вызвано тем, что LC-контуры на таких частотах становятся громоздкими, а такой электрический параметр, как добротность, ниже необходимых требований. Рис. 1 – Частотно-зависимые цепи: а. С помощью RС-автогенераторов можно получать колебания и высокой частоты вплоть до 10 МГц. Однако преимущества RC-автогенераторов проявляются именно на низких и инфранизких частотах. В этом частотном диапазоне за счет применения резисторов и конденсаторов RС-автогенераторы обладают более высокой стабильностью, имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем LC-автогенераторы. RC-автогенератор с Г-образным RC-звеном обратной связи представляет собой однокаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью (рис. 2, а). Как известно, в однокаскадном усилителе без обратной связи входное и выходное напряжения сдвинуты по фазе на 180°. Если выходное напряжение этого усилителя подать на его вход, то получится 100%-ная отрицательная обратная связь. Для соблюдения баланса фаз, т. е. для введения положительной обратной связи в усилителе, выходное напряжение, прежде чем подать его на вход усилителя, необходимо сдвинуть по фазе на 180°. Если считать, что входное сопротивление усилителя очень большое, а выходное очень малое, а этим условиям отвечают в наибольшей степени усилители на полевых транзисторах, то фазовый сдвиг на 180° можно осуществить с помощью трех одинаковых RС-звеньев, каждое из которых изменяет фазу на 60°. Расчеты показывают, что баланс фаз в звене происходит на частоте fо = 1/(15,4 RC), а баланс амплитуд— при коэффициенте усиления усилителя К>=29.

Отметим, что Г-образные RС-цепи иногда выполняют с количеством звеньев больше трех (чаще всего четырехзвенные). Увеличением количества звеньев в автогенераторе рис. 2, а можно повысить частоту генерации; еще большего увеличения частоты генерации можно добиться при смене мест резисторов и конденсаторов в RC-цепи того же генератора. Для изменения частоты генерации в рассматриваемом генераторе необходимо изменять одновременно либо все сопротивления R, либо все емкости С. Заметим, что автогенераторы с Г-образными RС-цепями работают обычно на фиксированной частоте или в крайнем случае в узком перестраиваемом диапазоне. Рассмотренный RС-автогенератор имеет ряд недостатков: 1) цепь обратной связи сильно шунтирует каскад усилителя, вследствие чего снижается коэффициент усиления и нарушается условие баланса амплитуд, т.е. возникающие колебания могут быть неустойчивыми; 2)генерируемые колебания имеют значительное искажение формы, вызванное тем, что условия самовозбуждения выполняются для гармоник с частотой, близкой к f0, это объясняется отсутствием строгой избирательности к основной частоте Г-образных RС-цепей.

32. Принцип преобразования спектра. Математические основы анализа. Преобразователи частоты. Принцип работы. Основные параметры. Конструктивные схемные способы устранения паразитных связей.

При приеме сигнала нескольких станций необходимо перестраивать избирательный

усилитель, сохраняя при этом высокую избирательность и частотную селекцию, т.е. выделять полезный сигнал на фоне других сигналов и помех. Это достаточно сложная задача, поскольку одновременно необходимо перестраивать несколько контуров в различных каскадах. Данная задача существенно упрощается, если в приемнике используется преобразователь частоты. Преобразователь частоты – РЭУ в составе супергетеродинного приемника, в котором принимаемый сигнал высокой частоты fС, преобразуется в сигнал более низкой, так называемой, промежуточной частоты fПЧ. В состав преобразователя входят гетеродин, смеситель и полосовой электрический фильтр. Гетеродин – автогенератор электрических колебаний, частота которых изменяется пропорционально изменению частоты принимаемого сигнала.Сигнал с частотой fС и колебания гетеродина с частотой fГ подаются на смеситель, на нелинейном элементе которого формируются сложные колебания, содержащие составляющие с комбинационными частотами fС + fГ и fС – fГ. Колебания с разностной (промежуточной) частотой fПЧ = fС – fГ выделяются с помощью полосового фильтра, настроенного на промежуточную частоту. Детектор ( демодулятор) – РЭУ, составная часть радиоприемника, в котором осуществляется процесс обратный модуляции, т.е. происходит выделение из принятого, усиленного и преобразованного высокочастотного модулированного колебания переданного сигнала. в усилителях могут самопроизвольно возникать паразитные положительные обратные связи, существенно ухудшающие его работу. Существует несколько видов паразитных обратных связей: – паразитная обратная связь между каскадами через цепи питания;

– емкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными

емкостями между выходом и входом усилителя;

– магнитная связь, появляющаяся при близком расположении вход-

ных и выходных трансформаторов усилителя.При наличии в усилителе даже слабой положительной связи ухудшается его работа: увеличиваются частотные и нелинейные искажения. При сильной паразитной связи (βK ≈1) усилитель самовозбуждается, т.е. в

усилителе возникает генерация на определенной частоте. В многокаскадных усилителях, имеющих один источник питания, возникают паразитные обратные связи между каскадами через цепи питания. Мощные оконечные каскады создают на внутреннем сопротивлении источника питания падение напряжения от переменной составляющей тока. Это переменное напряжение попадает в цепи питания первых каскадов усилителя, вызывая нежелательные паразитные обратные связи. Для устранения таких связей применяют развязывающие RС–фильтры. В некоторых случаях первые каскады усилителя даже имеют отдельные источники питания. Емкостные и индуктивные (магнитные) обратные связи возникают из-за плохого монтажа, когда входные цепи располагаются вблизи выходных. Между элементами входной и выходной цепей возникают емкость и взаимная индуктивность. Такие паразитные связи устраняются экранированием первых каскадов, рациональным монтажом.

 

33. Устройства формирования импульсных сигналов. Схемы формирования и задержки импульсов. Мультивибратор: принципа действия, временные диаграммы. Одновибратор на транзисторах и ОУ. Формирование импульсных сигналов производится с помощью обширного класса специальных устройств: мультивибраторов, блокинг-генераторов и разного рода триггеров. Особенно широко используются триггеры. Интегрирующие и дифференцирующий линейные импульсные устройства очень широко используются на практике. В общем случае основным практически важным назначением этих двух классов импульсных устройств является формирование импульсов заданной формы и длительности. Интегрирующие цепи предназначены для интегрирования во времени электрических входных сигналов

Дифференциатор должен создавать на выходе дифференцирующей цепи напряжение, пропорциональное скорости изменения входного.

Мультивибратором называется релаксационный генератор импульсов почти прямоугольной формы сравнительно большой длительности при небольшой скважности и в схемном отношении представляющим собой двухкаскадный усилитель на резисторах, вход которого соединен с выходом. Мультивибраторы могут работать в трех режимах: автоколебательном, синхронизации и ждущем. В автоколебательном и ждущем режимах мультивибратор работает как генератор с самовозбуждением, а в режиме синхронизации на мультивибратор воздействует синхронизирующее напряжение, в результате чего частота колебаний мультивибратора оказывается равной или кратной частоте синхронизирующего напряжения. В ждущем режиме мультивибратор вырабатывает импульсы только тогда, когда на его вход поступают запускающие импульсы.

По своей структуре схема одновибратора на транзисторах -это два транзисторных ключа с общим эмиттерным сопротивлением, но сигнал с выхода первого ключа на вход второго передается не через сопротивление, а через емкость.

 

34.Формирование импульсов из гармонических колебаний. Триггер Шмидта. Триггеры представляют собой импульсные электронные устройства, которые могут находиться в одном из двух устойчивых состояний равновесия неопределенно долго до подачи очередного переключающего сигнала и способны скачком переключаться из одного состояния равновесия в другое под действием внешнего сигнала. Триггеры обычно имеют два выхода: основной (прямой) Ơ и инверсный Ỡ. В статических состояниях значения напряжений на выходах Ơ и Ỡ значительно отличаются и в логических устройствах соответствуют уровням логической единицы и логического нуля. Несимметричный триггер на транзисторах (триггер Шмидта) с эмиттерной связью, широко используется для преобразования синусоидального напряжения в прямоугольные импульсы, а также в качестве порогового устройства и формирователя коротких импульсов. Схема триггера приведена на рис.8.14. а. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу этого триггера при синусоидальном входном напряжении, показаны на рис.8.14.б.В исходном состоянии транзистор VT2 находятся в насыщенном состоянии. При этом резисторы RК1, RК2, RК, Rб и RЭ образуют делитель напряжения, сопротивления одного плеча которого (R1) определяются равенством R1 =Rk2 (Rk1 + Rk)/Rk1 +Rk2 +Rk

а второго (R2) – равенством R2 =Rб RЭ/Rб +RЭ Напряжение на эмиттере транзисторов соответствует напряжению на R2: UЭ =E R2/(R1 +R2)

Так как обычно резисторы Rk2 и RЭ – низкоомные (по сравнению с Rн, и Rб), то R1 ≈RК2 и R2 ≈ RЭ. Поэтому UЭ =E RЭ/(RЭ +Rk2) При входном напряжении e(t)<Uэ транзистор VT1 заперт, что и предполагалось при расчете Uэ. Запирающее напряжение на эмиттерном переходе VТ1 Eбэ1 = Uэ – e(t). Напряжение на коллекторе VТ2, соответствующее выходному напряжению, имеет низкий уровень: U1 = Uэ + UКЭ2Н ≈ UЭ. При увеличении напряжения e(t) запирающее напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT1 уменьшается, и при e(t) = Uэ превысит нулевой уровень. В схеме начинается процесс переключения. Таким образом, напряжение e(t) = e01 = Uэ можно назвать порогом срабатывания. Отпирание транзистора VT1 приводит к понижению напряжения на его коллекторе. Образующийся перепад напряжения через делитель R-Rб поступает на базу транзистора VТ2, в результате чего транзистор VT2 выходит из режима насыщения и начинает запираться. Коллекторный и эмиттерный токи транзистора VT2 уменьшаются, что приводит к уменьшению напряжения на RЭ, т.е. на эмиттерах транзисторов. Из-за уменьшения напряжения на эмиттере отпирающее напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT1 увеличивается, что приводит к увеличению коллекторного тока этого транзистора и снижению напряжения на коллекторе. Процесс переключения развивается лавинообразно, и триггер возвращается в исходное состояние.