Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Принципи побудови та функціонування різного виду генераторів коливань»
МІНСЬК, 2008
1. Принципи побудови генераторів електричних коливань
Генераторами сигналів називаються пристрої, що формують електричні коливання певної форми, частоти і амплітуди.
Розрізняють генератори із зовнішнім збудженням, генерують коливання під впливом дії зовнішніх синхронизирующих і імпульсів, що запускають (це по суті справи резонансні підсилювачі потужності, що працюють у нелінійному режимі), і генератори з самозбудженням (або автогенератори), початківці працювати з моменту включення живлення.
Автогенератори є джерелами високочастотних коливань в радіопередавачах, входять до складу різної вимірювальної апаратури і пристроїв автоматики, використовуються як джерела коливань гетеродина в радіоприймачах, як джерело НВЧ коливань в мікрохвильових печах та установках індукційного нагріву в обладнанні ЕП. Найпростішим методом формування гармонійних коливань є метод компенсації втрат в LC-коливальному контурі за допомогою підсилювача. Для цього підсилювач потрібно охопити зворотним зв'язком, що компенсує ці втрати (рис. 1). Автогенератор гармонійних коливань можна утворити шляхом підключення до підсилювача ланцюга позитивного зворотного зв'язку, дія якої повинна забезпечити подачу на вхід підсилювача сигналу з амплітудою не нижче амплітуди первинного сигналу і зі зсувом фаз, рівним нулю.
Рис. 1. Принцип побудови генератора на основі підсилювача позитивним зворотним зв'язком
Необхідною і достатньою умовою самозбудження замкнутої схеми автогенератора є рівність вихідної напруги ланцюга зворотного зв'язку початкового вхідній напрузі підсилювача, що послужило поштовхом для порушення коливань:
Це умова називається умовою балансу амплітуд. Воно полягає в тому, що генератор може порушуватися лише тоді, коли підсилювач компенсує всі втрати в ланцюзі порушення цих коливань.
Другою умовою виникнення автоколивань є умова балансу фаз:
Ця умова означає, що коливання в замкнутій системі можуть порушуватися лише тоді, коли фаза вихідної напруги ланцюга ОС і фаза вхідного напруги підсилювача збігаються або зрушені щодо один одного на ціле число періодів коливань.
Розглянемо ці умови на прикладі LC-генератора на ОП з коливальним контуром в ланцюзі позитивного зворотного зв'язку (рис. 2).
Рис. 2. LC-генератор на ОУ з коливальним контуром в ланцюзі ПОС (а) та діаграми напруг, що ілюструють його роботу (б).
Напруга на виході ОУ буде визначатися напругою на коливальному контурі:
U 2 = KU 1
Для точки (1) можна записати наступне рівність за правилом Кірхгофа для струмів вузла:
i R - i C - i L = 0
Звідси отримаємо диференціальне рівняння затухаючих коливань:
Позначимо:
Рішення рівняння:
Мають місце наступні окремі випадки цього рішення:
1. При g> , тобто K <1, амплітуда напруги на контурі U 1 (t) падає по експоненті з коефіцієнтом загасання g і генератор не порушується, тому що в цьому випадку підсилювач не компенсує втрати в контурі;
2. При g = , тобто K = 1 виникають синусоїдальні коливання з частотою w 0 =
3. При g <, тобто K> 1 амплітуда вихідних коливань зростає за експоненціальним законом до настання перевантаження підсилювача (при цьому амплітуда генерованого сигналу на виході підсилювача досягає максимально можливого значення, що залежить від напруги живлення підсилювача). Це відбувається до тих пір, поки амплітуда сигналу на вході підсилювача теж не досягне максимально можливого значення і K не знизиться до значення, рівного 1. У цьому випадку також існує умова балансу амплітуд, проте форма напруги, що генерується буде не гармонійна, а близька до прямокутної (тому що виникають перевантаження).
2. Генератори з трансформаторної зв'язком
Автогенератори цього типу (LC-генератори) містять коливальний контур в ланцюзі навантаження підсилювача або в ланцюзі його зворотного зв'язку. Контур виконує роль фільтра для виділення коливань у вузькій смузі частот.
Розглянемо роботу LC-генератора на польовому транзисторі з контуром в ланцюзі стоку і індуктивним зворотним зв'язком (рис. 3). На рис. 4 показані діаграми порушуваних у генераторі коливань.
Рис. 3. LC-генератор на польовому транзисторі
Рис. 4. Діаграми напруг на генераторі і установка режиму по постійному струму
Після підключення джерела живлення в ланцюзі стоку з'являється струм. Відбувається заряд конденсатора С, і в контурі LC виникають коливання. У котушці зв'язку індукується змінна ЕРС. Напруга на стоці має фазовий зсув 180 о щодо напруги на затворі. З огляду на це, в котушці зв'язку також необхідно здійснити фазовий зсув 180 о, для чого її включають зустрічно по відношенню до первинної котушці коливального контуру.
Що виникає на котушці зв'язку напруга U OC через конденсатори C 1 і C 2 підводиться до керуючого переходу транзистора і викликає зміну струму стоку.
При досить сильною позитивного зворотного зв'язку амплітуда напруги на контурі й амплітуда змінної напруги на затворі зростають. Амплітуда напруги U OC між затвором і загальним проводом стає більше напруги зсуву і в ланцюзі керуючого pn-переходу з'явиться прямий струм. Це призводить до додаткової підзарядки конденсатора C 2 і збільшення напруги зміщення робочої точки спокою «П», яка зсувається в бік більших негативних напруг, усереднюючи коливання на затворі відносно загального проводу.
Відповідно до зміни напруги на затворі відбуваються зміни струму стоку i C . Межі зміни струму стоку, а, отже, і амплітуди вихідної напруги виявляються обмеженими.
R 1 служить обмежувачем прямого струму через керуючий перехід, а конденсатор C 1 - для з'єднання відводу котушки зв'язку L OC по змінному струмі з загальним проводом. R 2 і C 2 утворюють ланцюг зсуву точки спокою «П».
На рис. 5 представлені схеми LC-генераторів на біполярних транзисторах з різними варіантами завдання положення робочої точки.
Рис. 5. LC-генератори з установкою робочої точки струмом бази (а) за допомогою ООС по току емітера (б)
Дуже часто використовуються автогенератори, в яких напруга зворотного зв'язку знімається з частини витків котушки коливального контуру.
На рис. 6 показано схема генератора, на якій колектор безпосередньо і емітер через конденсатор C 3 з'єднуються відповідно з початком і кінцем котушки контуру L, а база через конденсатор З 1 - з відведенням від витків котушки L OC, що є продовженням основної котушки L. У зв'язку з цим схему називають триточкового з автотрансформаторной зворотним зв'язком або індуктивного трехточкой.
Рис. 6. LC-генератори за схемою індуктивного трехточкі: а - транзистор включений за схемою з ОЕ; б - транзистор включений за схемою з ПРО.
Напруга зворотного зв'язку може бути подано з конденсатора C b дільника напруги з двох послідовно включених конденсаторів C a і C b у ланцюзі контуру (рис. 7). Загальна ємність конденсаторів контуру C = C a C b / (C a + C b). Ця схема називається ємнісний трехточкой. Конденсатор C 2 перешкоджає проходженню постійного струму по котушці L.
Рис. 7. LC-генератори за схемою ємнісної трехточкі:
а - транзистор включений за схемою з ОЕ;
б - транзистор включений за схемою з ПРО
3. Кварцові генератори
Стабільність частоти LC-генераторів в багатьох випадках недостатня. Вона залежить від температурних коефіцієнтів індуктивності і ємності.
Істотно краща стабільність частоти генератора може бути досягнута при використанні кварцових резонаторів, в яких енергія електричного поля перетворюється в енергію механічних коливань. Електрично кварцовий резонатор веде себе як коливальний контур з високою добротністю (рис. 8.).
Температурний коефіцієнт зміни його резонансної частоти дуже малий. Практично досяжні значення нестабільності частоти кварцового резонатора D f / f лежать в межах від 10 -6 до 10 -10.
Рис. 8. Кварцовий резонатор
Електричні параметри кварцового резонатора добре описуються його схемою заміщення (рис. 9).
Величини L і C визначаються механічними властивостями кварцовою пластини. R - невелике активний опір, що характеризує затухання механічних коливань. С 0 - ємність електродів резонатора і підвідних проводів. Типові значення цих параметрів: L = 100 мгн; R = 100 Ом; С = 0.015 пФ; С 0 = 5 пФ.
Рис. 9. Еквівалентна схема кварцового резонатора
Кварцовий резонатор має дві точки резонансу - точку послідовного резонансу, яка визначається лише механічними властивостями кварцового кристала, з резонансною частотою:
і точку паралельного резонансу, яка більш нестабільна, з частотою:
Часто буває необхідно змінювати частоту кварцового резонатора в невеликих межах для того, щоб отримати потрібне значення частоти. Для цього послідовно з резонатором включають конденсатор, ємність якого велика в порівнянні з власною ємністю С (рис. 10).
Рис. 10. Підстроювання резонансної частоти кварцового резонатора при послідовному резонансі
Частота послідовного резонансу в цьому випадку буде визначатися як:
Відносне зміна частоти при цьому становить:
Для виникнення коливань в генераторі з кварцовим резонатором необхідно, щоб коливальний контур був налаштований на частоту кварцового резонатора або частоту, кратну частоті кварцового резонатора (рис. 11).
Рис. 11. LC-генератор з кварцовим резонатором
4. Генератори напруги спеціальної форми. Генератор трикутного і прямокутного напруг
Цей генератор складається з послідовно включених тригера Щмітта та інтегратора (рис. 12).
Інтегратор інтегрує наявне на виході тригера Шмітта постійна напруга. Коли вихідна напруга інтегратора досягає порогу спрацьовування тригера Шмітта, напруга на виході тригера стрибком змінює свій знак. Внаслідок цього, напруга на виході інтегратора починає змінюватися в протилежну сторону, поки не досягне іншого порога спрацьовування. Змінюючи постійну інтегрування RC, можна в широкому діапазоні перебудовувати частоту формованого напруги. Амплітуда трикутного напруги U 2 (t) залежить від установки рівнів спрацьовування тригера Щмітта:
U 2m = U вкл = U 1m R 1 / R 2,
де U 1m - кордон насичення ОУ1. Але, виходячи з формули, яка описує вихідна напруга, на інтеграторі U 2 при подачі на його вхід постійної напруги U 1 можна записати:
U 2 (t) =-U 1 D t / RC,
де D t - час інтегрування
Рис. 12. Генератор трикутного і прямокутного напружень (а)
і діаграми його напруг (б)
При D t = T / 4, де Т - період трикутного напруги, отримаємо вираз для періоду трикутного напруги:
або
Таким чином, частота формованого напруги не залежить від рівня кордону насичення операційного підсилювача U max.
5. Мультивібратори
Якщо головним завданням є отримання прямокутної напруги, а лінійність трикутного напруги не грає особливої ролі, описану вище схему можна спростити, залишивши тільки инвертирующий тригер Шмітта, на вхід якого подають сигнал з ланцюга ООС, виконаної у вигляді ФНЧ (рис. 13).
Рис. 13. Аналоговий мультивібратор на ОУ (а) і діаграми його напруг (б)
Для періоду вихідного напруги має місце такий вираз:
T = 2RC ∙ ln (1 + 2R 1 / R 2).
При R 1 = R 2 T RC.
Література
1. Ворсин М.М., Ляшко М.М. Основи радіоелектроніки. - Мн.: Вишейшая школа, 2002.
2. Жеребцов І.П. Основи електроніки. Навчальний посібник - Л.: Вища школа, 2003.
3. Тітце У., Шенк К. Напівпровідникова схемотехника: Довідкове керівництво. Переклад з німецької. - М.: Світ, 2002.
4. Бойко В.І. та ін Підручник у 3-х томах:, 2000
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Принципи побудови та функціонування різного виду генераторів коливань»
МІНСЬК, 2008
1. Принципи побудови генераторів електричних коливань
Генераторами сигналів називаються пристрої, що формують електричні коливання певної форми, частоти і амплітуди.
Розрізняють генератори із зовнішнім збудженням, генерують коливання під впливом дії зовнішніх синхронизирующих і імпульсів, що запускають (це по суті справи резонансні підсилювачі потужності, що працюють у нелінійному режимі), і генератори з самозбудженням (або автогенератори), початківці працювати з моменту включення живлення.
Автогенератори є джерелами високочастотних коливань в радіопередавачах, входять до складу різної вимірювальної апаратури і пристроїв автоматики, використовуються як джерела коливань гетеродина в радіоприймачах, як джерело НВЧ коливань в мікрохвильових печах та установках індукційного нагріву в обладнанні ЕП. Найпростішим методом формування гармонійних коливань є метод компенсації втрат в LC-коливальному контурі за допомогою підсилювача. Для цього підсилювач потрібно охопити зворотним зв'язком, що компенсує ці втрати (рис. 1). Автогенератор гармонійних коливань можна утворити шляхом підключення до підсилювача ланцюга позитивного зворотного зв'язку, дія якої повинна забезпечити подачу на вхід підсилювача сигналу з амплітудою не нижче амплітуди первинного сигналу і зі зсувом фаз, рівним нулю.
Рис. 1. Принцип побудови генератора на основі підсилювача позитивним зворотним зв'язком
Необхідною і достатньою умовою самозбудження замкнутої схеми автогенератора є рівність вихідної напруги ланцюга зворотного зв'язку початкового вхідній напрузі підсилювача, що послужило поштовхом для порушення коливань:
Це умова називається умовою балансу амплітуд. Воно полягає в тому, що генератор може порушуватися лише тоді, коли підсилювач компенсує всі втрати в ланцюзі порушення цих коливань.
Другою умовою виникнення автоколивань є умова балансу фаз:
Ця умова означає, що коливання в замкнутій системі можуть порушуватися лише тоді, коли фаза вихідної напруги ланцюга ОС і фаза вхідного напруги підсилювача збігаються або зрушені щодо один одного на ціле число періодів коливань.
Розглянемо ці умови на прикладі LC-генератора на ОП з коливальним контуром в ланцюзі позитивного зворотного зв'язку (рис. 2).
Рис. 2. LC-генератор на ОУ з коливальним контуром в ланцюзі ПОС (а) та діаграми напруг, що ілюструють його роботу (б).
Напруга на виході ОУ буде визначатися напругою на коливальному контурі:
U 2 = KU 1
Для точки (1) можна записати наступне рівність за правилом Кірхгофа для струмів вузла:
i R - i C - i L = 0
Звідси отримаємо диференціальне рівняння затухаючих коливань:
Позначимо:
Рішення рівняння:
Мають місце наступні окремі випадки цього рішення:
1. При g> , тобто K <1, амплітуда напруги на контурі U 1 (t) падає по експоненті з коефіцієнтом загасання g і генератор не порушується, тому що в цьому випадку підсилювач не компенсує втрати в контурі;
2. При g = , тобто K = 1 виникають синусоїдальні коливання з частотою w 0 =
3. При g <, тобто K> 1 амплітуда вихідних коливань зростає за експоненціальним законом до настання перевантаження підсилювача (при цьому амплітуда генерованого сигналу на виході підсилювача досягає максимально можливого значення, що залежить від напруги живлення підсилювача). Це відбувається до тих пір, поки амплітуда сигналу на вході підсилювача теж не досягне максимально можливого значення і K не знизиться до значення, рівного 1. У цьому випадку також існує умова балансу амплітуд, проте форма напруги, що генерується буде не гармонійна, а близька до прямокутної (тому що виникають перевантаження).
2. Генератори з трансформаторної зв'язком
Автогенератори цього типу (LC-генератори) містять коливальний контур в ланцюзі навантаження підсилювача або в ланцюзі його зворотного зв'язку. Контур виконує роль фільтра для виділення коливань у вузькій смузі частот.
Розглянемо роботу LC-генератора на польовому транзисторі з контуром в ланцюзі стоку і індуктивним зворотним зв'язком (рис. 3). На рис. 4 показані діаграми порушуваних у генераторі коливань.
Рис. 3. LC-генератор на польовому транзисторі
Рис. 4. Діаграми напруг на генераторі і установка режиму по постійному струму
Після підключення джерела живлення в ланцюзі стоку з'являється струм. Відбувається заряд конденсатора С, і в контурі LC виникають коливання. У котушці зв'язку індукується змінна ЕРС. Напруга на стоці має фазовий зсув 180 о щодо напруги на затворі. З огляду на це, в котушці зв'язку також необхідно здійснити фазовий зсув 180 о, для чого її включають зустрічно по відношенню до первинної котушці коливального контуру.
Що виникає на котушці зв'язку напруга U OC через конденсатори C 1 і C 2 підводиться до керуючого переходу транзистора і викликає зміну струму стоку.
При досить сильною позитивного зворотного зв'язку амплітуда напруги на контурі й амплітуда змінної напруги на затворі зростають. Амплітуда напруги U OC між затвором і загальним проводом стає більше напруги зсуву і в ланцюзі керуючого pn-переходу з'явиться прямий струм. Це призводить до додаткової підзарядки конденсатора C 2 і збільшення напруги зміщення робочої точки спокою «П», яка зсувається в бік більших негативних напруг, усереднюючи коливання на затворі відносно загального проводу.
Відповідно до зміни напруги на затворі відбуваються зміни струму стоку i C . Межі зміни струму стоку, а, отже, і амплітуди вихідної напруги виявляються обмеженими.
R 1 служить обмежувачем прямого струму через керуючий перехід, а конденсатор C 1 - для з'єднання відводу котушки зв'язку L OC по змінному струмі з загальним проводом. R 2 і C 2 утворюють ланцюг зсуву точки спокою «П».
На рис. 5 представлені схеми LC-генераторів на біполярних транзисторах з різними варіантами завдання положення робочої точки.
Рис. 5. LC-генератори з установкою робочої точки струмом бази (а) за допомогою ООС по току емітера (б)
Дуже часто використовуються автогенератори, в яких напруга зворотного зв'язку знімається з частини витків котушки коливального контуру.
На рис. 6 показано схема генератора, на якій колектор безпосередньо і емітер через конденсатор C 3 з'єднуються відповідно з початком і кінцем котушки контуру L, а база через конденсатор З 1 - з відведенням від витків котушки L OC, що є продовженням основної котушки L. У зв'язку з цим схему називають триточкового з автотрансформаторной зворотним зв'язком або індуктивного трехточкой.
Рис. 6. LC-генератори за схемою індуктивного трехточкі: а - транзистор включений за схемою з ОЕ; б - транзистор включений за схемою з ПРО.
Напруга зворотного зв'язку може бути подано з конденсатора C b дільника напруги з двох послідовно включених конденсаторів C a і C b у ланцюзі контуру (рис. 7). Загальна ємність конденсаторів контуру C = C a C b / (C a + C b). Ця схема називається ємнісний трехточкой. Конденсатор C 2 перешкоджає проходженню постійного струму по котушці L.
Рис. 7. LC-генератори за схемою ємнісної трехточкі:
а - транзистор включений за схемою з ОЕ;
б - транзистор включений за схемою з ПРО
3. Кварцові генератори
Стабільність частоти LC-генераторів в багатьох випадках недостатня. Вона залежить від температурних коефіцієнтів індуктивності і ємності.
Істотно краща стабільність частоти генератора може бути досягнута при використанні кварцових резонаторів, в яких енергія електричного поля перетворюється в енергію механічних коливань. Електрично кварцовий резонатор веде себе як коливальний контур з високою добротністю (рис. 8.).
Температурний коефіцієнт зміни його резонансної частоти дуже малий. Практично досяжні значення нестабільності частоти кварцового резонатора D f / f лежать в межах від 10 -6 до 10 -10.
Рис. 8. Кварцовий резонатор
Електричні параметри кварцового резонатора добре описуються його схемою заміщення (рис. 9).
Величини L і C визначаються механічними властивостями кварцовою пластини. R - невелике активний опір, що характеризує затухання механічних коливань. С 0 - ємність електродів резонатора і підвідних проводів. Типові значення цих параметрів: L = 100 мгн; R = 100 Ом; С = 0.015 пФ; С 0 = 5 пФ.
Рис. 9. Еквівалентна схема кварцового резонатора
Кварцовий резонатор має дві точки резонансу - точку послідовного резонансу, яка визначається лише механічними властивостями кварцового кристала, з резонансною частотою:
і точку паралельного резонансу, яка більш нестабільна, з частотою:
Часто буває необхідно змінювати частоту кварцового резонатора в невеликих межах для того, щоб отримати потрібне значення частоти. Для цього послідовно з резонатором включають конденсатор, ємність якого велика в порівнянні з власною ємністю С (рис. 10).
Рис. 10. Підстроювання резонансної частоти кварцового резонатора при послідовному резонансі
Частота послідовного резонансу в цьому випадку буде визначатися як:
Відносне зміна частоти при цьому становить:
Для виникнення коливань в генераторі з кварцовим резонатором необхідно, щоб коливальний контур був налаштований на частоту кварцового резонатора або частоту, кратну частоті кварцового резонатора (рис. 11).
Рис. 11. LC-генератор з кварцовим резонатором
4. Генератори напруги спеціальної форми. Генератор трикутного і прямокутного напруг
Цей генератор складається з послідовно включених тригера Щмітта та інтегратора (рис. 12).
Інтегратор інтегрує наявне на виході тригера Шмітта постійна напруга. Коли вихідна напруга інтегратора досягає порогу спрацьовування тригера Шмітта, напруга на виході тригера стрибком змінює свій знак. Внаслідок цього, напруга на виході інтегратора починає змінюватися в протилежну сторону, поки не досягне іншого порога спрацьовування. Змінюючи постійну інтегрування RC, можна в широкому діапазоні перебудовувати частоту формованого напруги. Амплітуда трикутного напруги U 2 (t) залежить від установки рівнів спрацьовування тригера Щмітта:
U 2m = U вкл = U 1m R 1 / R 2,
де U 1m - кордон насичення ОУ1. Але, виходячи з формули, яка описує вихідна напруга, на інтеграторі U 2 при подачі на його вхід постійної напруги U 1 можна записати:
U 2 (t) =-U 1 D t / RC,
де D t - час інтегрування
Рис. 12. Генератор трикутного і прямокутного напружень (а)
і діаграми його напруг (б)
При D t = T / 4, де Т - період трикутного напруги, отримаємо вираз для періоду трикутного напруги:
або
Таким чином, частота формованого напруги не залежить від рівня кордону насичення операційного підсилювача U max.
5. Мультивібратори
Якщо головним завданням є отримання прямокутної напруги, а лінійність трикутного напруги не грає особливої ролі, описану вище схему можна спростити, залишивши тільки инвертирующий тригер Шмітта, на вхід якого подають сигнал з ланцюга ООС, виконаної у вигляді ФНЧ (рис. 13).
Рис. 13. Аналоговий мультивібратор на ОУ (а) і діаграми його напруг (б)
Для періоду вихідного напруги має місце такий вираз:
T = 2RC ∙ ln (1 + 2R 1 / R 2).
При R 1 = R 2 T RC.
Література
1. Ворсин М.М., Ляшко М.М. Основи радіоелектроніки. - Мн.: Вишейшая школа, 2002.
2. Жеребцов І.П. Основи електроніки. Навчальний посібник - Л.: Вища школа, 2003.
3. Тітце У., Шенк К. Напівпровідникова схемотехника: Довідкове керівництво. Переклад з німецької. - М.: Світ, 2002.
4. Бойко В.І. та ін Підручник у 3-х томах:, 2000