Генераторы гармонических колебаний

Генераторы тональной частоты представляют собой автоколебательные устрой­ства, с помощью которых энергия источника постоянного тока превращается в энер­гию гармонических незатухающих электрических колебаний. Частота колебаний в таком генераторе определяется параметрами его элементов.

В различных электронных устройствах используют генераторы, выполненные на усилителях с положительной обратной связью, с помощью которой часть энергии вы­ходного сигнала поступает на вход усилителя и суммируется с энергией первичного сигнала. Если энергия сигнала с выхода усилителя вычитается из энергии входного сигнала, то такая обратная связь называется отрицательной.

Коэффициент обратной связи показывает, какая часть энергии выходного сигнала усилителя вновь поступает на его вход по цепи обратной связи:

(8.20)

где U_oc, I_ос — напряжение и ток на входе цепи обратной связи; U_Bblx, I_вых — напряжение и ток на выходе усилителя.

Коэффициент усиления тракта усилитель-обратная связь (при разомкнутой на вхо­де усилителя цепи обратной связи)

(8.21)

где U₁ — напряжение на входе усилителя; К — коэффициент усиления усилителя.

Для возбуждения колебаний в генераторе (рис. 8 26, а) необходимо обеспечить выполнение двух условий:

· баланс фаз, т.е. фаза сигнала на выходе обратной связи должна совпадать с фазой сигнала на входе усилителя;

· баланс амплитуд, при котором — I

В реальных схемах часто 1. В этом случае колебания на выходе усилителя

возрастают, пока из-за снижения коэффициента усиления, вызванного нелинейнос­тью характеристики усилителя, не будет выполнено условие Кп = 1. Это возможно, если усилитель и цепь обратной связи имеют частотно-зависимые характеристики.

В простейшем LC-генераторе (рис. 8.26, б) с индуктивной обратной связью часть энергии с контура LC через обмотку w2 поступает в цепь базы транзистора VT, усили­вается и вновь поступает в LC-контур, восполняя потери в нем и энергию, выделяемую во внешнюю нагрузку.

При подаче на схему напряжения питания в цепи: диод VD — резистор R возникает ток. Потенциал катода диода VD через обмотку w2 поступает на базу транзистора VT, который открывается. Начинается заряд конденсаторов С и С_э. По мере их заряда часть тока ответвляется в параллельные элементы win R₃. При этом в обмотке w2 наводится ЭДС, повышающая потенциал базы транзистора VT, что приводит к его закрытию. Цепь заряда конденсаторов размыкается и они начинают разряжаться. Ток разряда кон­денсатора С, протекающий по обмотке wl, поддерживает ЭДС в обмотке w2, транзис­тор остается закрытым. Конденсатор С_э также разряжается на резистор R₃. По мере уменьшения тока разряда конденсатора С в обмотке wl снижается ЭДС в обмотке w2 и потенциал базы транзистора VT, что приводит к его повторному открытию. Процесс заряда-разряда конденсаторов повторяется. Потери энергии в элементах схемы и на­грузке компенсируются за счет источника питания. Таким образом, колебательный про­цесс носит незатухающий характер, частота его колебаний определяется частотой соб­ственных колебаний LC-контура.

LC-генератор с индуктивной обратной свя­зью применяется в аппаратуре каналов связи телемеханики (рис. 8.27). Резонансный усили­тель VT2 включен по схеме с общей базой. Тран­зистор имеет высокое, достаточно стабильное выходное сопротивление, что уменьшает его влияние на колебательный LC-контур, кото­рый подключается к схеме с помощью транс­форматора Т1. Сигнал с контура через транс­форматор Т1 и транзистор VT3 поступает в цепь обратной связи и нагрузку. Транзистор VT3, вы­полняющий роль усилителя сигнала, включа­ется по схеме с общим коллектором и имеет при этом большое входное сопротивление. В

эмиттерную цепь транзистора VT3 включается первичная обмотка wl трансформатора Т2, к обмотке w3 которого подключается нагрузка. Обмотка w2 трансформатора включается в эмиттерную цепь транзистора VT2, образуя замкнутую цепь оброатной связи: обмотка w3 трансформатора Т1, транзистор VT3, обмотки wl и w2 трансформатора Т2, эмит- терная цепь транзистора VT2, его коллектор, контур LC (роль катушки индуктивности L контура выполняет обмотка wl транзистора Т1).

На схеме представлен также модулятор М, выполненный на базе транзистора VT1, который в зависимости от входного сигнала подключает дополнительную емкость С_д к LC-контуру через обмотку w3 трансформатора Т1 или отключает ее. Транзистор VT1 работает в режиме ключа. При высоком потенциале на входе модулятора транзистор VT1 закрыт, емкость С_д отключена от LC-контура. Частота работы генератора опреде­ляется частотой собственных колебаний LC-контура:

(8.22)

При низком потенциале на входе модулятора транзистор VT1 замыкает цепь и подключает емкость С_д к обмотке w3 трансформатора Т1. Таким образом получается дополнительный LC-контур, который подключается к основному с помощью транс­форматора Т1, обмотка w3 которого является индуктивным элементом дополнительно­го контура. Частота работы генератора становится:

(8.23)

Где коэффициент трансформации Т1 (w₁ и w₃ — число витков обмоток транс-

 

форматора).

В низкочастотных LC-генераторах сложно обеспечить высокую стабильность час­тоты колебаний в широком интервале температур: от —50 до +60 °С. Магнитные матери­алы, применяемые для сердечников дросселей, имеют достаточно высокий темпера­турный коэффициент магнитной проницаемости, в результате чего при изменении тем­пературы меняется индуктивность и частота работы генератора.

RC-генераторы обеспечивают большую температурную стабильность, так как име­ются резисторы и конденсаторы, параметры которых мало зависят от температуры.

Широкое применение в передающей аппаратуре каналов связи нашли RC-ге­нераторы с использованием двойного фильтра на основе Т-образного моста. Такой RC-генератор (рис. 8.28, а) содержит транзисторный усилитель на транзисторах VT1— VT4. Входной каскад усилителя выполнен по дифференциальной схеме на транзис­торах VT1 и VT2 с эмиттерной связью. Дифференциальный каскад имеет два входа: а

и Ь. Сигнал на входе а сдвинут на 180 относительно сигнала на коллекторе транзи-

стора VT1 и на выходе генератора. Транзисторы VT3 и VT4 как эмиттерные повтори­тели не изменяют фазу сигнала, т. е. при поступлении отрицательного потенциала на вход а транзистор VT1 отпирается, каскад VT3—VT4 запирается, на выходе (эмит­тер VT4) появляется нулевой (положительный) потенциал. Между сигналами на входе b и выходе сдвиг фаз равен 0. Двойной Т-образный мост при определенных параметрах на частоте квазирезонанса (условного резонанса) обеспечивает сдвиг фаз между входным и выходным сигналами, равный 180°. Если включить такой мост в схему усилителя со сдвигом фаз 180°, то в ней образуется положительная обратная связь (на рис. 8.28, а выход генератора через Т-образный мост связан со входом а усилителя). Т-образный мост сдвигает сигнал на 180°, усилитель также дает сдвиг на 180°, поэтому общий сдвиг фазы равен 360°, т.е. 0°.

При определенном коэффициенте обратной связи, если коэффициент усиления по замкнутому контуру от входа усилителя до выхода Т-образного моста равен 1, в схеме могут возникать незатухающие колебания на квазирезонансной частоте, т. е. схема становится генератором гармонических колебаний.

Цепь нелинейной обратной связи содержит диодный ограничитель (рис. 8.28, б). В нем диоды VD1 и VD2 включены встречно. При таком включении диоды не пропус­кают токи обоих направлений. Если через них пропустить начальные токи смещения ⁷см1 ^{и г}см2> ^что обеспечивается с помощью резисторов R, R1 и R2, то диодная цепь начинает пропускать токи обоих направлений. Это возможно при условии, что ток сигнала не превышает токи смещений. Как только ток сигнала превысит ток смеще­ния (/_с > /_см2), один из диодов (VD2 при указанном на рис. 8.28, б направлении тока сигнала) закрывается. Изменяя ток смещения, можно осуществлять ограничение тока сигнала /_с на заданном уровне (рис. 8.28, в ), а, следовательно, получать на выходе необходимый уровень напряжения U_BUX.

Манипуляция частоты в небольших пределах (+ 45 Гц) осуществляется путем шун­тирования резистора R2 транзистором-модулятором VTM при поступлении на его вход отрицательного сигнала. При наличии на входе положительного сигнала транзистор VTM закрывается, резистор R2 включается в схему Т-образного моста.

Можно также осуществлять манипуляцию путем подключения дополнительного конденсатора с помощью транзистора. Несмотря на высокую стабильность RC-генера­тора, в практических схемах передатчиков тональной частоты с такими генераторами наблюдаются скачкообразные изменения частоты. Это объясняется паразитными связя­ми между выходными каскадами передатчика и задающей частоту RC-цепью.

Для исключения этого влияния может быть использована схема передатчика, пред­ставленная на рис. 8.29, где RC-генератор настроен на удвоенную частоту передатчика. Для этого к выходу RC-генератора подключается пороговое устройство ПУ и счетный триггер Т, являющийся делителем частоты. Прямоугольные импульсы на выходе триг­гера с частотой /_и с помощью полосового фильтра ПФ вновь преобразуются в сину­соидальные, так как ПФ пропускает только первую гармонику из бесконечного ряда,

возникающего при разложении пря­моугольных импульсов. Пороговое устройство ПУ преобразует гармони­ческие колебания на выходе LC-гене­ратора частотой 2f в прямоугольные импульсы той же частоты 2f_и. Триггер Т снижает частоту импульсов в два раза

до значения f_и Паразитное влияние между выходными каскадами передат­чика и RC-генератором практически исключается, так как они работают на разных частотах.

Кварцевые генераторы для ра­боты в тональном диапазоне частот практически не применяются из-за высокой стоимости и больших раз­меров. Промышленностью освоен выпуск однокристальных делителей частоты с большим коэффициентом деления, а так­же микросхем с программируемым коэффициентом деления. Это позволило создать квар­цевые генераторы тональной частоты с программируемым синтезатором частот. В этом случае непосредственно сам кварцевый генератор выполняется на частоту несколько ме­гагерц, стоимость его невелика. На выходе кварцевого генератора включается пороговое устройство, преобразующее синусоидальные колебания в прямоугольные импульсы. Син­тезатор частоты состоит из программируемого делителя частоты, выравнителя и фильтра полосового или нижних частот.

Структурная схема кварцевого генератора соответствует схеме рис. 8.29, на кото­рой вместо RC-генератора — кварцевый и вместо триггера-делителя — программируе­мый делитель частоты.

Простейший кварцевый генератор, схема которого приведена на рис. 8.30, выпол­няется на стандартных TTL-инверторах LI—L4, два из которых L1 и L2 с помощью резисторов R введены в аналоговый режим и представляют собой двухкаскадный уси­литель, в цепь положительной обратной связи которого включен кварцевый резонатор К. Инвертор L3 работает в режиме переключения и выполняет функции порогового устройства. Для такого генератора требуется всего одна микросхема.

⇐ Предыдущая25262728293031323334Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Автогенераторы гармонических колебаний
2. Автогенераторы гармонических колебаний: структурная схема, условия самовозбуждения.
3. Бесконтактные синхронные генераторы
4. Виды экономических циклов и причины циклических колебаний.
5. Вопрос. Термоэмиссионные генераторы.
6. Генераторы линейно возрастающего напряжения
7. Генераторы линейно изменяющегося тока
8. Генераторы пассажирских вагонов
9. Генераторы постоянного тока.
10. Генераторы с внешним возбуждением
11. ИЗУЧЕНИЕ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ В КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ