Генераторы гармонических колебаний

Генератор гармонических колебаний преобразует энергию источника постоянного напряжения в энергию незатухающих синусоидальных колебаний заданной частоты.

В зависимости от генерируемых частот генераторы гармонических колебаний разделяются на низкочастотные (0,01 Гц – 100 кГц), высокочастотные (100 кГц – 100 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 100 МГц).

По принципу работы различают генераторы с самовозбуждением (автогенераторы), в которых колебания возникают самопроизвольно после подключения питания, и генераторы с внешним возбуждением, в которых для возникновения колебаний требуется внешний начальный сигнал.

Простейшим методом формирования гармонических колебаний является метод компенсации потерь в резонансном LC-контуре при помощи усилителя с положительной обратной связью (ПОС). Функциональная схема генератора показана на рис. 22. Пусть усилитель усиливает входное напряжение в К раз: U_ВЫХ = К×U_ВХ. При этом между входным напряжением U_ВХ и выходным U_ВЫХ возникает фазовый сдвиг j_у. К выходу усилителя подключен нагрузочный резистор R и цепь положительной частотно-зависимой обратной связи с коэффициентом передачи по напряжению b. Комплексная амплитуда на выходе цепи обратной связи равна , а фазовый сдвиг между и равен j_ос.

Условием генерации замкнутой системы является равенство выходного напряжения цепи обратной связи и напряжения на входе усилителя:

.

Следовательно, установившиеся колебания будут в схеме, когда петлевой коэффициент усиления будет равен . Так как величины и являются комплексными, последнее выражение можно представить в виде двух условий:

1) bК = 1 – условие баланса амплитуд показывает, что для автоколебательного режима ослабление сигнала, вносимое цепью обратной связи, должно быть компенсировано усилителем;

2) j_у + j_ос = 2pn, где n = 0, 1, 2, 3, … - условие баланса фаз означает, что фаза выходного напряжения схемы обратной связи и фаза входного напряжения усилителя должны совпадать.

В LC-генераторе, изображенном на рис. 23, операционный усилитель, включенный по неинвертирующей схеме, усиливает входное напряжение в К раз. Подобный усилитель имеет низкоомный выход, поэтому параллельный LC-контур цепи обратной связи подключается к нему через резистор R. Применяя правила Кирхгофа для точки А, можно получить дифференциальное уравнение колебательного процесса из которого следуют три характерных случая:

1) К < 1 – амплитуда выходного напряжения падает по экспоненциальному закону, т.е. возникают затухающие колебания;

2) К = 1 – возникают синусоидальные колебания с частотой и постоянной амплитудой;

3) K > 1 – амплитуда выходного напряжения возрастает по экспоненциальному закону пока усилитель не перегрузится (не войдет в насыщение).

Простейшая схема транзисторного LC-генератора с трансформаторной связью показана на рис. 24. Элементы R₁, R₂, R_Э, С_Э предназначены (также как и в усилителях) для обеспечения необходимого режима по постоянному току и его термостабилизации. Конденсатор С_Р – разделительный. С помощью конденсатора С, омическое сопротивление которого на высокой частоты незначительно, заземляется один конец базовой обмотки. Обратная связь осуществляется при помощи высокочастотного трансформатора, первичная обмотка которого L_К вместе с конденсатором С_К образуют колебательный контур, имеющий частоту . Каскад с общим эмиттером создает фазовый сдвиг сигнала 180°. Поэтому катушка обратной связи L_б подключена к базе встречно по отношению к первичной обмотке L_К и создает дополнительный фазовый сдвиг в 180°. (На рис. 24 точки около обозначения обмоток трансформатора указывают на выводы обмоток с синфазным напряжением.)

Сигнал обратный связи может быть снят непосредственно с колебательного контура. Это достигается благодаря секционированию индуктивной или емкостной ветви колебательного контура. В схемах таких генераторов колебательный контур имеет три точки соединения с усилителем, в связи с чем их называют трехточечнымис индуктивной (рис. 25) или емкостной (рис. 26) связью. Положительная обратная связь достигается тем, что напряжения на секциях L и L_ОС (или С и С_ОС) находятся в противофазе относительно их общей точки.

Ввиду зависимости величин L, С колебательного контура (геометрические размеры, сопротивление провода, токи утечки) и параметров транзисторов и других деталей схемы от температуры наблюдается зависимость от температуры и частоты f.

Нестабильность частоты генераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности d_f = (Df / f ) ×100 %, где Df – абсолютное отклонение частоты от номинального значения f. Коэффициент d_f для обычных транзисторных LC-генераторов (которые не имеют специальных дополнительных мер температурной стабилизации кроме резистора R_Э) составляет единицы процентов. Существенно повысить стабильность частоты (до d_f = 10^-3 ¸ 10^-5 %) можно, используя в генераторах кварцевый резонатор, который является эквивалентом последовательного колебательного контура с высокой добротностью Q_К = 10⁴ ¸ 10⁶. Кварцевые резонаторы изготавливают из природного или искусственного монокристаллического кварца. Из заготовки вырезают пластины, грани которых определенным образом ориентированы относительно кристаллографических осей монокристалла. Пластина, закрепленная в кварцедержателе, представляет собой электромеханическую колебательную систему на основе пьезоэффекта.

Генераторы LC-типа реализуются в виде гибридных интегральных микросхем, в которых реактивные элементы L, С применяются в качестве навесных.

Применение LC-генераторов на частотах меньше » 20 кГц затруднено ввиду возрастания массы и габаритов LC-контура. В этом частотном диапазоне преимущественно используются RC-генераторы, в которых вместо колебательного контура применяют избирательные RC-фильтры.

Структурная схема RC-автогенераторов аналогична схеме, показанной на рис. 22. Для того, чтобы из всего возможного спектра частот автогенератор генерировал лишь одну какую-либо гармоническую составляющую, баланс фаз и баланс амплитуд должен быть выполнен только для этой частоты.

RC-генераторы с фазосдвигающими цепочками. В качестве фазосдвигающих (фазовращающих) используются цепочки, состоящие из простейших Г-образных RC-звеньев (обычно трех (чаще) или четырех (реже), т.к. одно RC-звено изменяет фазу на угол j < 90°, а необходимо изменить фазу на 180°). Цепочка подключается между выходом и входом усилителя. На рис. 27 изображены два варианта таких цепочек, получивших названия соответственно "R-параллель" и "С-параллель". Если на схемах, изображенных на рис. 27 все резисторы и конденсаторы одинаковы и равны соответственно R и С, то частоты синусоидальных колебаний для этих схем равны:

(рис. 27, а) , (рис. 27, б) .

Как видно из приведенных формул при одинаковых RC схема "R-параллель" позволяет получить более низкую частоту, поэтому эта схема используется чаще.

RC-генератор с мостом Вина. Обычно мостом Вина называют всю схему, приведенную на рис. 28, и выходное напряжение снимается с диагонали моста ВD. Для RC-генераторов применяют упрощенную схему моста Вина – последовательно-параллельную избирательную цепочку R₁, C₁, R₂, C₂, изображенную на рис. 28 сплошными линиями (в некоторых схемах R₁ и С₁ меняют местами). Точка А при этом подключается к выходу усилителя, а точка В подключается на вход усилителя.

Для генераторов гармонических колебаний важной проблемой является автоматическая стабилизация амплитуды выходного напряжения, иначе амплитуда колебаний возрастает до насыщения активного элемента.