Генераторы гармонических колебаний

Генераторы гармонических колебаний являются одними из наиболее важных и незаменимых элементов различных устройств. Генераторы используют при измерениях, в аппаратуре связи, авто­матике и телемеханике. В зависимости от условий работы к генера­торам предъявляют разные требования в отношении стабильности частоты, амплитуды и формы колебаний. Генераторы, которые должны обеспечивать относительную нестабильность частоты не хуже 10^-6, делают с кварцевой стабилизацией частоты. В этих ге­нераторах кварцевый резонатор определяет все основные парамет­ры. Кварцевые генераторы являются сложными устройствами.

Основное внимание в этой главе будет уделено простым схе­мам генераторов, к стабильности частоты которых не предъявляет­ся особых требований. Причины, вызывающие нестабильность па­раметров этих генераторов, известны, и они широко освещены в литературе.

Основными элементами генераторов являются активный эле­мент и фазосдвигающая цепь. В качестве активного элемента при­меняют усилительные каскады и устройства с отрицательным диф­ференциальным сопротивлением. Фазосдвигающие цепи построены на RC- и LRС-элементах. На частотах выше 100 кГц используют в основном LRС-элементы, а на частотах ниже 20 кГц — генераторы на RС-элементах.

Предъявление повышенных требований к техническим характе­ристикам RС-генераторов неразрывно связано с применением высо­кокачественных усилителей. Однокаскадные генераторы не могут обеспечить высокую стабильность частоты и амплитуды, а также малые нелинейные искажения. Это объясняется тем, что введение в однокаскадный усилитель ООС по постоянному и переменному сиг­налам резко снижает усиление. По этой причине RС-генераторы строятся на многокаскадных усилителях с большим коэффициентом усиления.

В аппаратуре находят применение генераторы с фиксированной и с перестраиваемой частотой Генераторы с перестраиваемой часто­той имеют значительно более широкие возможности. Однако они конструктивно сложнее. Изменение частоты осуществляется за счет изменения номиналов элементов У? и С. В качестве переменного со­противления можно использовать полевой транзистор. Расширения пределов изменения емкости можно добиться, включив конденсатор в цепь ООС. Максимальная эквивалентная емкость будет при этом определяться С_Экв = С_0с (1 + К_{У и}), где K_{у u} — коэффициент усиления усилителя.

В существующих схемах генераторов могут появиться два вида искажений формы сигналов. Во-первых, искажения, возникающие за счет нелинейной схемы стабилизации амплитуды колебаний. Во-вторых, искажения, возникающие в перестраиваемых генераторах за счет нелинейности характеристики полевого транзистора. Иска­жения первого вида могут быть значительно уменьшены путем до­бавления цепи с автоматической регулировкой коэффициента уси­ления активного элемента Для устранения искажений, связанных с нелинейностью полевого транзистора, необходимо уменьшить амп­литуду гармонического сигнала, а также применить ООС в управ­ляющем каскаде.

Включение корректирующих элементов в ОУ, которые применя­ются в устройствах, показано в гл 1

ОДНОКАСКАДНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Однокаскадный генератор. Генератор (рис 0 !) собран на одном транзисторе, в цег ОС которого включен дпойной Т-образ­ный мост Режим транзистора по постоянному току устанавливается с помощью тех же резисторов, что и RC-фильтр моста. В зависимости от парамет­ров моста схема генерирует колебания с частотами от 20 Гц до 20 кГц. При ука­занных на, схеме номиналах элементов ча­стота генерации равна 1 кГц. В небольших пределах (меньше 20%) частоту колеба­ний можно регулировать с помощью рези­стора R4. Для подавления колебаний бо­лее высокой частоты, которые возникают совместно с колебаниями основной, следу­ет включить резистор R5. Вспомогательные колебания возникают в основном в крем­ниевых транзисторах с большим коэффи­циентом передачи по току. Частота выход­ного сигнала определяется выражением fo=16*10⁴/RC, где f — в герцах, R — в омах, С — в микрофарадах. Двухкаскадный генератор. Параметры схемы (рис. 9.2) можно рассчитать по формулам. Определяется минимально возможное со­противление резистора R4 из выражения R₄>U_u/I, где U_a — напря­жение питания, I — максимально допустимый ток транзистора VT2. Для выполнения условий возбуждения необходимо положить коэф­фициент Y=0,05 (входит в выражение для определения R₃<YR₄/(l — Y)). При определении сопротивления резистора R2 не­обходимо руководствоваться неравенством R2>R4, а для опреде­ления емкостей конденсаторов С1 и С2 — формулами C₂ =1/w₀R₂ и C₁>2C₂/h_21ЭY. где h_21э — коэффициент передачи тока транзи­стора VT1. Сопротивление резистора R1 определяется формулой R₁>2h₂₁₃R₂. Для тех номиналов элементов, которые указаны на схеме, частота генерации равна 2 кГц. Для уменьшения нелинейных искажений необходимо подобрать сопротивление резистора R4 или R3.

Рис. 9.1 Рис. 9.2 Рис. 9.3

Генератор на полевом транзисторе. Генератор инфранизкой ча­стоты (рис. 9.3) имеет амплитуду выходного сигнала 12 В. Частота колебания равна 1 Гц. В генераторе применена ООС (резисторы R2 и R3), которая стабилизирует параметры выходного сигнала. Применение в мосте Вина резисторов больших сопротивлений зна­чительно сократило габариты конденсаторов и тем самым уменьши­ло отклонение частоты от расчетного значения.

Рис. 9.4

Генератор с отрицательным сопротивлением.Низкочастотный LC-генератор (рис. 9.4, а) собран на двух полевых транзисторах, ко­торые образуют устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 94,6). Для установки рабочей точки яа базе транзистора VT1 меняется напряжение. С помощью этого напряже­ния меняется амплитуда выходного сигнала. Частота сигнала 1 кГц, амплитуда сигнала около 1 В.

Низкочастотный RC-генератор. Генератор (рис. 9.5) собран на четырехзвенной фазосдвигающей цепочке. Частоту выходного сиг­нала можно рассчитать по формуле

где R — в кило-омах, С — в микрофарадах. Коэффи­циент нелинейных искажений менее 1%. Для надежного возбуждения генератора необходимо применять транзисторы с коэффициентом пере­дачи тока более 50.

Рис. 9.5 Рис. 9.6

Генератор с автоматической ре­гулировкой амплитуды сигнала. Ге­нератор (рис. 9 6) собран на поле­вом транзисторе VT1 с двойным Т-образным мостом в цепи ОС. Для стабилизации амплитуды выходного сигнала в коллекторах транзисторов VT2 и VT3 колебания выпрямляют­ся детектором, собранным на элементах С6, С7, VD1, VD2. На выходе детектора формируется постоянное напряжение положи­тельной полярности. Когда колебания в генераторе отсутст­вуют, через резистор R11 протекает ток, открывающий транзистор VT4. В цепь истока полевого транзистора включен резистор R8. Сопротивление этого резистора устанавливает такой ток через тран­зистор VT1, при котором крутизна его максимальна. При генера­ции напряжение с детектора подзапирает VT4, уменьшая крутизну VT1 и тем самым стабилизируя амплитуду генератора. Частота ге­нерируемых колебаний 1 кГц. Для увеличения или уменьшения ча­стоты выходного сигнала необходимо пропорционально изменить номиналы элементов R1 — R3, С2 — С4. Меняя соотношение резисто­ров R10 и R11, можно менять амплитуду выходного сигнала.

МНОГОДИАПАЗОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Двухчастотный генератор. Устройство (рис. 9.7) состоит из двух генераторов. Первый генератор, собранный на транзисторе VT1, выдает сигнал с частотой 2 кГц, а второй (на транзисторе VT4) — сигнал с частотой 1 кГц. Генерация осуществляется по­средством введения в цепь ОС четырехзвенной фазосдвигающей RС-цепи. Сигналы с генераторов суммируются на транзисторах VT2 и VT3, работающих на общую нагрузку. Резистором R7 можно ре­гулировать амплитуду составляющих выходного сигнала.

Перестраиваемый звуковой генератор. Частотный диапазон ге­нератора (рис. 98) лежит от 10 Гц до 100 кГц Он разбит на четы­ре поддиапазона: 10 — 100 Гц; 0,1 — 1 кГц; 1 — 10 кГц; 10 — 100 кГц. Амплитуда выходного сигнала 2 В. Коэффициент нелинейных иска­жений во всем диапазоне менее 1%. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики менее 0,3 дБ Для стабилизации выход­ного напряжения включена цепь ООС R13, G5. Положительная об­ратная связь осуществляется посредством моста Вина.

Рис. 9.7 Рис. 9.8

Генератор на фазосдвигающих каскадах. В основу генератора (рис. 9 9) положен каскад с фазосдвигающей цепочкой. Транзистор VT1 совместно с конденсаторами С1 — С4 и резисторами R3 и R4 осуществляют сдвиг гармонического сигнала определенной частоты на 90^е. Второй фазосдвигающий каскад на VT3 производит допол­нительный сдвиг на 90°. На транзисторах VT2 и VT4 выполнены развязывающие эмиттерные повторители, а на VT5 — усилитель по схеме с ОЭ. В результате на коллекторе транзистора VT5 фаза сиг­нала сдвинута по отношению к фазе сигнала на базе VT1 на 360° и при соединении их через С9, R13, R14 образуется ПОС. В генераторе возникают гармонические колебания. Частоту Mm колеба­ний можно менять регулировкой конденсаторов или резисторов фа-зосдвигающих цепочек В данном случае грубое изменение частоты осуществляется переключением конденсаторов С1 — C8, а плавное - резисторами R4 и R9. С помощью резистора R14 добиваются устой­чивой амплитуды выходного сигнала В схеме можно применить интегральную микросхему К198НТЗ.

Рис. 9.9

Рис. 9.10

Рис 9.11

Генератор со стабильной амплитудой. Генератор гармонических сигналов, с частотами от 10 Гц до 100 кГц (рис. 9 10) обладает вы­сокой стабильностью амплитуды Стабилизация амплитуды сигнала осуществляется с помощью полевого транзистора, включенного в цепь ПОС Управление полевым транзистором производится посто­янным напряжением, которое формируется на конденсаторе С1 и усиливается ОУ DA2. Большой коэффициент передачи ОУ DA2 удерживает амплитуду гармонического сигнала с точностью до де­сятков милливольт в диапазоне от 1 до 9 В Регулировка амплиту­ды осуществляется потенциометром R9 Коэффициент гармоник вы­ходного сигнала менее 0,1%.

Мостовой генератор.Генератор (рис. 911) формирует гармони­ческие сигналы с частотами от 20 Гц до 200 кГц Частотно-задаю­щим элементом является RC-мост Изменение частоты производит­ся дискретно с помощью конденсаторов и плавно с помощью рези­сторов R3 и R4. Существуют четыре диапазона- 20 — 200 Гц; ,0,2 — 2 кГц; 2 — 20 кГц; 20 — 200 кГц. Терморезистор R11 осуществ­ляет автоматическую регулировку амплитуды колебаний и умень­шает нелинейные искажения. Выходное напряжение генератора со­ставляет 1 В при коэффициенте гармоник 0,5%. На частотах мень­ше 50 Гц и больше 50 кГц коэффициент гармоник увеличивается ао 1%.

ГЕНЕРАТОРЫ НА МИКРОСХЕМАХ

Генератор с управляемой частотой выходного сигнала.Генера­тор (рис. 9.12, а) построен на ОУ DA1, в цепь Обе которого вклю­чен мост Вина. Резистор R1 этого моста подключен ко входу вто­рого ОУ, который выполняет функции преобразователя ток — напряжение. Ток, протекающий через резистор R1, преобразуется в пропорциональное напряжение, которое меняет сигнал ООС. С по­мощью преобразователя на ОУ DA2 в генераторе осуществляется стабилизация сигнала по фазе. Наличие этого каскада позволяет менять частоту генератора при изме­нении сопротивления резистора R1 в широком диапазоне. Зависимости частоты от сопротивления R1 при­ведены на рис. 9.12, б, в. Изменение сопротивления R1 практически не приводит к появлению искажений в выходном сигнале. Для возбужде­ния генератора необходимо подби­рать сопротивление резистора R2. При этом с увеличением сопротивле­ния резистора R1 необходимо увели­чивать сопротивление резистора R2. Генератор гармонического сигнала. Указанные на схеме (рис. 9.13) номиналы элементов формируют на выходе гармониче­ский сигнал с частотой 1 кГц. Для устранения нелинейных искаже­ний выходного сигнала необходимо подбирать резистор R1. Ампли-туда выходного сигнала более 2 В.

Рис. 9.12 Рис. 9.13

Рис. 9.14

Генератор на двух фильтрах. Генератор (рис. 9.14, а) построен на двух фильтрах: ФНЧ — R5, С1 и ОУ DAI и ФВЧ — R6, С2 и ОУ DA2. В общей схеме эти фильтры формируют резонансную ха-оактеоистику с центральной частотой

при

K_y.u1 = R₂/R₁, K_у.u2=R₄/R₃ и K_y.u1 = K_y.u2=l.В схеме возникают колебания, если общий коэффициент усиления превышает единицу. При изменении коэффициента усиления ОУ DA1 меняется форма его частотной характеристики и изменяется частота выходного сиг­нала. В равной степени это относится и ко второму, ОУ. Частоту выходного сигнала генератора можно также менять с помощью регулировки любого элемента фильтров. Зависимость частоты вы­ходного сигнала от параметров схемы проиллюстрирована на гра­фиках рис. 9.14, б.