Основные условия возникновения генерации сигналов

Генераторы сигналов

Генераторы сигналов используются в преобразователях частоты, в задающих, формирующих каскадах излучающих и приемных трактов, в аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователях, в процессорах и индикаторах. Рассмотрим схемы генераторов синусоидальных колебаний. В LC-генераторах частота сигнала определяется параметрами колебательного контура, у кварцевых генераторов – частотой кварцевого резонатора, а у генераторов с мостом Вина или задающих генераторов микропроцессоров – параметрами RC-звеньев. Функциональные генераторы сначала формируют напряжения треугольной формы, которые затем преобразуются соответствующими формирователями в синусоидальные колебания.

LC_генераторы

Наиболее простой способ генерации синусоидальных колебаний состоит в компенсации затухания колебательного LC-контура с помощью усилителя.

Основные условия возникновения генерации сигналов.

На рис. 1 показана структурная схема генератора. Усилитель увеличивает входное

напряжение блока A. При этом возникает дополнительный сдвиг фазы α между U2 и U1. К выходу усилителя присоединен нагрузочный резистор Rv и частотно-зависимая цепь обратной связи, в качестве которой, например, может быть использован колебательный контур. При этом напряжение обратной связи U3 = kU2. Фазовый сдвиг между напряжениями U3 и U2 составляет угол β.

Рисунок 1 – Структурная схема генератора

Для проверки способности генератора самовозбуждаться, необходимо разорвать цепь обратной связи и нагрузить ее выход резистором Re, которое соответствует входному сопротивлению усилителя. При этом переменное напряжение U1 подается на вход усилителя, после чего измеряется U3. Условия самовозбуждения генератора будут выполняться, если выходное напряжение окажется равным входному. Данное условие является условием существования стационарных колебаний. Самовозбуждение возникает при выполнении неравенства kA > 1. Из этого вытекают условия возникновения колебаний:

U1 = U3 = kAU1.

Коэффициент усиления при замкнутой цепи обратной связи g при этом составит:

g = kA = 1. (1)

Для этого должны быть выполнены два условия:

|g| = |k| × |A| = 1 (2)

α + β = 0,2π... (3).

Формула (12) определяет необходимое амплитудное условие возникновения колебаний, которое состоит в том, что генератор только тогда может перейти в режим автоколебаний, когда усилитель компенсирует затухание в цепи обратной связи (баланс амплитуд). Формула (3) определяет необходимое фазовое условие, заключающееся в том, что колебания возникают только тогда, когда выходное напряжение находится в фазе с входным (баланс фаз). Более точные представления о том, какую форму кривой создает генератор и на какой частоте, можно получить только на основе анализа параметров цепи обратной связи. В качестве примера исследуем LC-генератор, схема которого показана на рис. 2.

Рисунок 2 - Схема, иллюстрирующая принцип работы LC_генератора

Электрометрический усилитель усиливает напряжение U1(t) в А раз. Так как выход усилителя является низкоомным, колебательный контур подключен параллельно сопротивлению резистора R. Для вычисления напряжения обратной связи применим правило узлов закона Кирхгофа к точке 1 и получим

При U2 = АU1 получаем соотношение:

(4)

Формула (4) представляет собой дифференциальное уравнение затухающих колебаний. Заменяя коэффициенты

переходим к классической форме дифференциального уравнения:

Уравнение имеет следующее решение:

(5)

Можно рассмотреть три случая:

• γ > 0, то есть A < 1.

Амплитуда выходного переменного напряжения уменьшается по экспоненте: имеют место затухающие колебания;

• γ = 0, то есть A = 1.

Имеют место синусоидальные колебания с частотой и постоянной амплитудой, то есть незатухающие колебания;

• γ < 0, то есть A > 1.

Амплитуда выходного переменного напряжения возрастает по экспоненте.

Уравнение (2) определяет необходимое условие существования колебаний. Теперь можно уточнить этот результат: для A = 1 получаем синусоидальное выходное напряжение с постоянной амплитудой и частотой:

При ослаблении обратной связи амплитуда уменьшается по экспоненте, при усилении – увеличивается. Чтобы генератор при включении напряжения питания начинал возбуждаться, значение A должно быть больше единицы (А > 1); в этом случае амплитуда колебаний будет возрастать по экспоненте (при условии компенсации ослабления усилителем) до наступления перегрузки. При появлении перегрузки значение A уменьшается до тех пор, пока не достигнет значения, равного единице. Однако при этом форма колебаний на выходе усилителя будет отличаться от синусоиды. Если желательна синусоидальная форма выходного напряжения, необходимо обеспечить автоматическую регулировку усиления такой, чтобы A = 1, прежде чем усилитель начнет перегружаться. В высокочастотной технике, как правило, легко можно реализовать колебательные контуры высокой добротности. Тогда напряжение на колебательном контуре будет синусоидальным даже при перегрузке усилителя. Поэтому при высоких частотах отказываются от регулировки усиления и в качестве выходного используют напряжение на колебательном контуре.

Схемы генераторов Мейснера (Индуктивная обратная связь)

Отличительной особенностью генераторов Мейснера является обратная связь, созданная благодаря наличию трансформатора, первичная обмотка которого вместе с конденсатором представляет собой стабильный по частоте колебательный контур.

На рис. 3–5 представлены три схемы генераторов Мейснера, собранные по схеме с общим эмиттером.


Рисунок 3 - Установка рабочей точки за счет постоянного тока базы	Рисунок 4 - Установка рабочей точки за счет обратной связи по току	Рисунок 5 - Обратная связь по току с источником отрицательного напряжения питания

Усиленное входное напряжение поступает на выход с коллектора на резонансной частоте колебательного контура с максимальной амплитудой и фазовым сдвигом 180°. Часть этого же переменного напряжения подается с вторичной обмотки на базу транзистора в качестве сигнала обратной связи. Чтобы выполнить фазовые условия самовозбуждения, трансформатор должен осуществить дополнительный сдвиг фазы на 180°. Если первичная и вторичная обмотки намотаны в одинаковом направлении, для этого второй конец коллекторной обмотки должен быть заземлен. Точки на выводах катушек индуктивности обозначают начала обмоток с сигналами одинаковой полярности. Коэффициент трансформации выбирается таким, чтобы коэффициент усиления схемы с замкнутой петлей обратной связи k × A составлял на частоте резонанса значение больше единицы.

Тогда после включения рабочего напряжения питания возникают колебания, амплитуда которых экспоненциально увеличивается до возникновения перегрузки транзистора. При появлении перегрузки коэффициент усиления транзистора уменьшается так, что произведение |k × A| становится равным единице, и амплитуда колебаний перестает расти, оставаясь далее постоянной. Можно различать два эффекта перегрузки: со стороны выхода и со стороны входа. Перегрузка со стороны выхода возникает тогда, когда переход коллектор–база становится проводящим. Это происходит в схемах на рис. 3 и 5, когда потенциал коллектора транзистора оказывается отрицательным. Максимальная амплитуда колебаний составит при этом UflС = V+. Максимальное напряжение на коллекторе равно Ufl СЕ max = 2V+. На это нужно обращать внимание при выборе транзисторов.

В схеме на рис. 4 максимальная амплитуда колебаний меньше чем V+ на величину напряжения зенеровского пробоя стабилитрона. При сильной обратной связи может также возникнуть перегрузка со стороны входа. Тогда появляются входные колебания большой амплитуды, которые выпрямляются переходом база-эмиттер. Вследствие этого заряжается конденсатор C1, и транзистор будет проводить только во время положительных пиков входного переменного напряжения. В схеме, показанной на рис. 3, конденсатор C1 заряжается отрицательным напряжением колебаниями малой амплитуды, что приводит к полному срыву колебаний. Они возникают лишь тогда, когда потенциал базы с относительно большой постоянной времени R1C1 поднимается вновь до +0,6 В. На конденсаторе C в этом случае возникают колебания напряжения пилообразной формы. Такой генератор называется блокинг-генератором. Раньше он часто использовался для формирования пилообразного напряжения. Для того чтобы предотвратить превращение генератора в блокинг-генератор, незначительная перегрузка по входу устраняется за счет того, что выбирается соответствующий коэффициент трансформации. Кроме того, по возможности сопротивление цепи базы по постоянному току необходимо выполнять низкоомным. Это плохо реализуемо в схеме, изображенной на рис. 3, так как в этом случае ток базы оказался бы чрезмерно большим. Поэтому схемы, выбор рабочей точки которых осуществляется за счет отрицательной обратной связи по постоянному току, предпочтительнее (см. рис. 4, 5).

Генератор Хартлея (схема индуктивной трехточки)

Генератор Хартлея подобен генератору Мейснера. Различие состоит лишь в том, что вместо трансформатора используется катушка индуктивности с отводом, то есть автотрансформатор. Индуктивность этой катушки вместе с параллельно включенным конденсатором образуют колебательный контур и определяют резонансную частоту.

На рис. 6 показана схема генератора Хартлея с общим эмиттером. Через конденсатор C2 на базу транзистора поступает переменное напряжение, которое по отношению к коллекторному напряжению сдвинуто по фазе на 180°, так что возникает положительная обратная связь.

Амплитуду напряжения положительной обратной связи можно устанавливать соответствующим положением отвода автотрансформатора. Ток покоя коллектора будет установлен благодаря отрицательной обратной связи по постоянному току через резистор R1 (см. рис. 5).


Рисунок 6 – Схема генератора Хартлея с общим эмиттером	Рисунок 7 - Схема генератора Хартлея с общей базой

В генераторе Хартлея, изображенном на рис. 7, транзистор включен по схеме с общей базой. Поэтому через конденсатор C1 с катушки индуктивности L на эмиттер транзистора поступает переменное напряжение, которое совпадает по фазе с напряжением коллектора, что соответствует положительной обратной связи.

Генератор Колпитца (схема емкостной трехточки)

Признаком схемы генератора Колпитца является емкостной делитель переменного

напряжения, который предназначен для передачи части выходного напряжения колебательного контура на вход схемы в качестве сигнала положительной обратной связи.

Последовательно включенные конденсаторы составляют емкость колебательного контура, которая равна

Схеме с общим эмиттером, приведенной на рис. 8, соответствует схема рис. 6. Она усложнена тем, что дополнена резистором в цепи коллектора R3, через который подводится положительное напряжение питания. Значительно проще оказывается схема с общей базой, представленная на рис. 9, которая соответствует генератору Хартлея (см. рис. 7).