Что такое генераторы электрических сигналов

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Электронные генераторы. Виды и устройство. Работа и особенности

Устройства, преобразующие электроэнергию источника постоянного тока в незатухающую энергию электрических колебаний расчетной частоты и формы, называются электронные генераторы.

Электронные генераторы

Такие генераторы приобрели популярность в электронике, компьютерной технике, радиоприемниках. Генераторами может выдаваться сигнал частотой до нескольких мегагерц. Форма выходного напряжения имеет формы синусоиды, прямоугольника и пилы.

Контур колебаний получает возбуждение от наружного источника тока, появляются колебания, которые со временем затухают, так как сопротивление поглощает энергию. Чтобы колебания не затухали, в контуре нужно восполнять потерю энергии. Этот процесс восполнения выполняется положительной обратной связью. Эта связь подает в контур некоторую часть сигнала, который должен совпадать с сигналом обратной связи.

Электронные генераторы состоят из следующих частей:

• Контур колебаний, задающий частоту генератора.
• Усилитель, повышающий амплитуду сигнала на выходе контура колебаний.
• Обратная связь, подающая некоторое количество энергии в контур.

Электронные генераторы используют постоянный ток для образования колебаний переменного тока, и являются схемами с положительной связью.

Классификация

Электронные генераторы делятся на несколько классов по различным параметрам. Рассмотрим основные разновидности таких генераторов.

По форме сигнала:

• В виде синусоиды.
• Прямоугольные.
• В форме пилы.
• Специальные.

По частоте:

• Высокочастотные (более 100 килогерц).
• Низкочастотные (менее 100 килогерц).

По возбуждению:

• С независимым возбуждением.
• Автогенераторы (самовозбуждение).

Автоматическим генератором называют устройство, которое самостоятельно возбуждается, без воздействия извне, преобразует поступающую энергию в колебания. Электронные генераторы выполняются по схемам, аналогичным усилителям, за исключением отсутствия питания сигнала входа. Вместо него используют обратную связь, которая является передачей некоторого количества сигнала выхода на вход.

Определенная форма сигнала создается обратной связью. Частота колебаний создается на цепях RС или LС, и зависит от времени зарядки емкости. Сигнал обратной связи приходит на вход усилителя, где повышается в несколько раз и выходит. Часть сигнала возвращается и ослабевает в несколько раз, что дает возможность поддерживать одинаковую амплитуду сигнала на выходе.

Генераторы с внешним видом возбуждения считаются усилителями мощности с определенным частотным интервалом. На его вход подается сигнал от автогенератора, усиливается определенный интервал частот.

Электронные генераторы RС

Для образования низкочастотных генераторов применяют усилители. В них вместо обратной связи монтируют RС цепи для создания некоторой частоты колебаний. Эти цепи являются фильтрами частоты, которые пропускают сигналы в специальном интервале частот и не пропускают за его пределами. По обратной связи возвращается некоторая полоса частот.

Типы фильтров

• Низкочастотные фильтры.
• Высокочастотные фильтры.
• Полосовые фильтры.
• Заграждающие фильтры.

Характеристикой фильтра является частота среза. Если взять положение ниже этой частоты, или выше, то сигнал значительно уменьшается. Заграждающие и полосовые фильтры имеют характеристику в виде ширины полосы.

На рисунке изображена цепь генератора с синусоидальным сигналом. Усиление определяется цепью обратной связи R1, R2. Для создания нулевого сдвига по фазе обратная связь подключена от выхода усилителя на неинвертирующий его вход. Цепь обратной связи выступает в качестве полосового фильтра.

Для стабилизации величины частоты пользуются кварцевыми резонаторами, которые состоят из минеральной тонкой пластины, закрепленной в держателе. Кварц славится своим пьезоэффектом. Это дает возможность применять его в качестве системы, аналогичной колебательному контуру со свойством резонанса. Частота резонанса пластин колеблется от единиц до тысяч мегагерц.

Мультивибраторы

Эти электронные генераторы создают колебания формы прямоугольника, являются 2-х каскадным усилителем с обратной связью на основе резисторов. Выходы каскадов соединены со входами. Название этого генератора объясняет наличие значительного количества гармоник.

Мультивибратор способен действовать в нескольких режимах:

• Автоколебательный режим.
• Синхронизация.
• Ждущий режим.

В первом виде режима мультивибратор работает с самовозбуждением. При синхронизации на генератор оказывает воздействие внешнее напряжение с частотой импульсов. Ждущий режим подразумевает работу с внешним возбуждением.

Автоколебательный режим мультивибратора

Устройство мультивибратора включает в себя два каскада усилителя с резисторами. Выходы каскадов подключены ко входам других каскадов через емкости С1 и С2.

Мультивибраторы с аналогичными транзисторами и симметричными компонентами имеют название симметричных.

В режиме автоколебаний мультивибратор может находиться в 2-х состояниях равновесия:

1. Один транзистор в насыщении, второй в отсечке.
2. Первый транзистор на отсечке, другой в насыщении.

Такие положения неустойчивы. Одна схема переходит в другую с эффектом лавины с помощью обратной связи. Для оптимизации формы импульсов на выходе генератора подключают разделительные диоды в схемы коллекторов. Через диоды подключают вспомогательные резисторы.

По такой схеме после закрытия одного транзистора и уменьшения потенциала коллектора диод тоже закрывается. При этом он отключает конденсатор от цепи. Конденсатор заряжается через вспомогательный резистор. Наибольшая длина импульсов определяется параметрами частоты транзисторов.

Такой тип схемы дает возможность создать импульсы практически прямоугольной формы. В качестве недостатков можно отметить малую скважность и невозможность плавного регулирования периода колебаний.

По такой схеме резисторы R2 и R5 включены параллельно емкостям С1 и С2. Резисторы R(1, 3, 4, 6) создают делители напряжения, которые стабилизируют потенциал базы транзистора. При коммутации мультивибратора ток базы резко меняется. Это уменьшает время снижения зарядов в базе и увеличивает скорость выхода транзистора из насыщения.

Ждущий мультивибратор (одиночный)

Если мультивибратор действует в режиме автоколебаний и не имеет устойчивости, то его можно преобразовать в генератор с одной устойчивой позицией и одной неустойчивой позицией. Такие цепи имеют название одновибраторов (релаксационных реле). Чтобы перевести схему из одного состояния в другое, необходимо воздействие внешнего импульса.

В неустойчивой позиции цепь находится некоторое время, зависящее от ее параметров. Далее она скачкообразно возвращается в устойчивую позицию. Чтобы получить ждущий режим генератора, необходимо собрать следующую схему:

В исходном положении транзистор VТ1 находится в закрытом виде. При поступлении на вход плюсового импульса по транзистору идет ток коллектора. При изменении разности потенциалов на транзисторе VТ1 оно подается через емкость С2 на базу VТ2. С помощью обратной связи повышается лавинный эффект, который приводит к закрытию VТ2 и открытию VТ1.

В такой неустойчивой позиции схема находится до полного разряда емкости С2. Далее транзистор VТ2 открывается, VТ1 закрывается. Положение схемы возвращается в первоначальную позицию.

Электронные генераторы

Генераторами называются электронные устройства, преобразующие энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока (электромагнитных колебаний) различной формы требуемой частоты и мощности.

Электронные генераторы применяются в радиовещании, медицине, радиолокации, входят в состав аналого-цифровых преобразователей, микропроцессорных систем и т. д.

Ни одна электронная система не обходится без внутренних или внешних генераторов, задающих темп ее работы. Основные требования к генераторам – стабильность частоты колебаний и возможность снятия с них сигналов для дальнейшего использования.

Классификация электронных генераторов:

1) по форме выходных сигналов:

— сигналов прямоугольной формы (мультивибраторы);

— сигналов линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) или их еще называют генераторами пилообразного напряжения;

— сигналов специальной формы.

2) по частоте генерируемых колебаний (условно):

— низкой частоты (до 100 кГц);

— высокой частоты (свыше 100 кГц).

3) по способу возбуждения:

— с независимым (внешним) возбуждением;

— с самовозбуждением (автогенераторы).

Автогенератор — генератор с самовозбуждением, без внешнего воздействия преобразующий энергию источников питания в незатухающие колебания, например, колебательный контур.

Рисунок 1 – Структурная схема генератора

Схемы электронных генераторов (рисунок 1) строятся по тем же схемам, что и усилители, только у генераторов нет источника входного сигнала, его заменяет сигнал положительной обратной связи (ПОС). Напоминаем, что обратная связь — это передача части выходного сигнала во входную цепь. Необходимая форма сигнала обеспечивается структурой цепи обратной связи. Для задания частоты колебаний цепи ОС строятся на LC или RC-цепях (частоту определяет время перезаряда конденсатора).

Сигнал, сформированный в цепи ПОС, поступает на вход усилителя, усиливается в К раз и поступает на выход. При этом часть сигнала с выхода возвращается на вход через цепь ПОС, где ослабляется в К раз, что позволят поддерживать постоянную амплитуду выходного сигнала генератора.

Генераторы с независимым внешним возбуждением (избирательные усилители) являются усилителями мощности с соответствующим частным диапазоном, на вход которых подаётся электрический сигнал от автогенератора. Т.е. происходит усиление только определенной полосы частот.

Для создания генераторов низкой частоты обычно используют операционные усилители, в качестве цепи ПОС устанавливают RC-цепи для обеспечения заданной частоты f0 синусоидальных колебаний.

RC-цепи представляют собой частотные фильтры — устройства, пропускающее сигналы в определённом диапазоне частот и не пропускающее в не этого диапазона. При этом по цепи обратной связи на вход усилителя возвращается, а значит и усиливается только определённая частота или полоса частот.

На рисунке 2 показаны основные типы частотных фильтров и их амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). АЧХ показывает пропускную способность фильтра в зависимости от частоты.

Рисунок 2 – Типы частотных фильтров и их амплитудно-частотная характеристика

— фильтры нижних частот (ФНЧ);

— фильтры верхних частот (ФВЧ);

— полосовые частотные фильтры (ПЧФ);

-заграждающие частотные фильтры (ЗЧФ).

Фильтры характеризуются частотой среза fc, выше либо ниже которой идет резкое ослабление сигнала. Полосовые и заграждающие фильтры характеризуются также шириной полосы пропускания у ПЧФ (непропускания у ЗЧФ).

На рисунке 3 приведена схема синусоидального генератора. Необходимый коэффициент усиления задаётся с помощью цепи ООС на резисторах R1, R2.Для обеспечения сдвига по фазе равного 0, цепь ПОС подключена между выходом ОУ и его неинвертирующим входом. При этом цепь ПОС представляет собой полосовой фильтр. Частота резонанса f0 определяется по формуле: f0 = 1/(2πRC)

Для стабилизации частоты генерируемых колебаний в качестве частотозадающей цепи используют кварцевые резонаторы. Кварцевый резонатор представляет собой тонкую пластину минерала, установленную в кварцедержателе. Как известно, кварц обладает пьезоэффектом, что позволяет использовать его как систему, эквивалентную электрическому колебательному контуру и обладающую резонансными свойствами. Резонансные частота кварцевых пластин лежат в пределах от нескольких единиц килогерц до тысяч МГц с нестабильностью частоты, обычно порядка 10 -8 и ниже.

Рисунок 3 – Схема RC-генератора синусоидальных сигналов

Мультивибраторы — это электронные генераторы сигналов прямоугольной формы.

Мультивибратор в подавляющем большинстве случаев выполняет функцию задающего генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системе импульсного или цифрового действия.

На рисунке 4 приведена схема симметричного мультивибратора на ИОУ. Симметричный – время импульса прямоугольного импульса равно времени паузы tимп = tпаузы.

ИОУ охвачен положительной обратной связью – цепь R1,R2, действующей одинаково на всех частотах. Напряжение на неивертирующем входе постоянно и зависит от сопротивления резисторов R1,R2. Входное напряжение мультивибратора формируется при помощи ООС через цепочку RC.

Рисунок 4 – Схема симметричного мультивибратора

Уровень напряжения на выходе изменяется с +Uнас на -Uнас и обратно.

Если напряжение выхода Uвых = +Uнас конденсатор заряжается и напряжение Uс, действующее на инвертирующем входе возрастает по экспоненциальному закону (рис. 5).

При равенстве Uн = Uс произойдёт скачкообразное изменение выходного напряжения Uвых = -Uнас, что вызовет перезаряд конденсатора. При достижении равенства -Uн = -Uс снова произойдёт изменение состояние Uвых. Процесс повторяется.

Рисунок 5 – Временные диаграммы работы мультивибратора

Изменение постоянной времени RC-цепи приводит к изменению времени заряда и разряда конденсатора, а значит и частоты колебаний мультивибратора. Кроме того, частота зависит от параметров ПОС и определяется по формуле: f = 1/T = 1/2tи = 1/[2 ln(1+2 R1/R2)]

При необходимости получить несимметричные прямоугольные колебания для tи ≠ tп, используют несимметричные мультивибраторы, в которых перезаряд конденсатора происходит по разным цепочкам с различными постоянными времени.

Одновибраторы (ждущие мультивибраторы) предназначены для формирования прямоугольного импульса напряжения требуемой длительности при воздействии на входе короткого запускающего импульса. Одновибраторы часто называют еще электронными реле выдержки времени.

В технической литературе встречается еще одно название одновибратора – ждущий мультивибратор.

Одновибратор обладает одним длительно устойчивым состоянием равновесия, в котором он находится до подачи запускающего импульса. Второе возможное состояние является временно устойчивым. В это состояние одновибратор переходит под действием запускающего импульса и может находиться в нем конечное время tв, после чего автоматически возвращается в исходное состояние.

Основными требованиями к одновибраторам являются стабильность длительности выходного импульса и устойчивость его исходного состояния.

Генераторы линейно-изменяющихся напряжений (ГЛИН) формируют периодические сигналы, изменяющиеся по линейному закону (пилообразные импульсы).

Пилообразные импульсы характеризуются длительностью рабочего хода tр, длительностью обратного хода tо и амплитудой Um (рисунок 6, б).

Для создания линейной зависимости напряжения от времени чаще всего используют заряд (или разряд) конденсатора постоянным током. Простейшая схема ГЛИН приведена на рисунок 6, а.

Когда транзистор VT закрыт, конденсатор С2 заряжается от источника питания Uп через резистор R2. При этом напряжение на конденсаторе, а значит и на выходе линейно возрастает. При поступлении на базу положительного импульса транзистор открывается, и конденсатор быстро разряжается через его малое сопротивление, чем обеспечивается быстрое уменьшение выходного напряжения до нуля – обратный ход.

ГЛИН применяются в устройствах развертки луча в ЭЛТ, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и других преобразовательных устройствах.

Рисунок 6 – а) Простейшая схема для формирования линейно изменяющегося напряжения б) Временная диаграмма импульсов пилообразной формы.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Что такое генераторы электрических сигналов

Генераторы гармонических колебаний представляют собой электронные устройства, формирующие на своем выходе периодические гармонические колебания при отсутствии входного сигнала. Генерирование выходного сигнала осуществляется за счет энергии источника питания. Со структурной точки зрения генераторы представляют собой усилители электрических сигналов, охваченные ПОС.

Внешний входной сигнал отсутствует. На входе усилителя действует только выходной сигнал ОС UOC. А на входе ОС действует UВХОС=UВЫХ. Поэтому коэффициент усиления такой схемы.

Условием, обеспечивающим наличие сигнала на выходе генератора при отсутствии внешнего входного сигнала является К→ ∞, то есть .

При выполнении этого условия любой усилитель, охваченный ПОС становится генератором, на выходе его появляются колебания, независимые от входного сигнала (автоколебания). Явление возникновения автоколебаний в усилителе называется самовозбуждением.

Условие возникновения автоколебаний можно разделить на две составляющие:

1) Условие баланса амплитуд: К∙β=1. Физический смысл: результирующее усиление в контуре, состоящем из последовательного соединения усилителя и цепи ОС должно быть равно единице. Если цепь ОС ослабляет сигнал, то усилитель должен на 100% компенсировать это ослабление. То есть если в любом месте разорвать контур ПОС и на вход подать сигнал от внешнего источника, то пройдя по контуру К∙β с выхода разрыва цепи ОС вернется сигнал точно такой же амплитуды, что был подан на вход разрыва.

2) Условие баланса фаз: arg(K·β)=0. Физический смысл: результирующий фазовый сдвиг, вносимый усилителем и цепью ОС должен быть равен нулю (или кратен 2π). То есть при подаче сигнала на разрыв, вернувшийся сигнал будет иметь точно такую же фазу. При выполнении этого условия ОС будет положительна.

Для существования автоколебаний необходимо одновременное выполнение этих условий. Если эти условия выполняются не для одной частоты, а для целого спектра частот, то генерируемый выходной сигнал будет сложным (не гармоническим). Для обеспечения синусоидальности выходного сигнала генератор должен генерировать сигнал только одной единственной частоты. Для этого необходимо, чтобы условия возникновения автоколебаний выполнялись для единственной частоты, которая и будет генерироваться. Для этого делают К или β частотно-зависимыми. Как правило β имеет максимум β0 на некоторой частоте ω0. Поэтому на ω0 и коэффициент усиления будет иметь максимум К0. Величины К0 и β0 обеспечивают такими, чтобы они удовлетворяли условиям возникновения автоколебаний. Тогда при отклонении частоты от ω0 и условия возникновения автоколебаний выполнятся не будут, что приведет к затуханию колебаний этой частоты и на выходе генератора будут только гармонические колебания частоты ω0.

В зависимости от того, каким способом в генераторе обеспечивается условие баланса фаз и амплитуд, различают генераторы:

3.1.1 Генератор LC-типа

Такой генератор строят на основе усилительного каскада на транзисторе, включая в его коллекторную цепь колебательный LC-контур. Для создания ПОС используется трансформаторная связь между обмотками W1 (имеющей индуктивность L) и W2 (рисунок 3.1.1.1).

Рисунок 3.1.1 Генератор LC-типа

Напряжение U2 является напряжением ОС. Оно связано с напряжением первичной обмотки W1 коэффициентом трансформации

Коэффициент трансформации в данном случае является коэффициентом передачи ОС, показывая какая часть напряжения передается на вход. Для выполнения баланса амплитуды на частоте ω0 должно выполнятся равенство

Из этого условия рассчитывается необходимое число витков вторичной обмотки, чем обеспечивается условие баланса амплитуд. Для обеспечения баланса фаз необходимо обеспечить соответствующее включение начал и концов обмоток, чтобы ОС была положительной. Емкость С1 выбирают такой, чтобы ее сопротивление на частоте генерации было незначительным по сравнению с R2. Это исключает влияние сопротивления делителя на ток во входной цепи транзистора, создаваемый напряжением ОС. Назначение RЭ и СЭ такое же, как в обычном усилительном каскаде. LC-генераторы, также как и LC-избирательные усилители применяют в области высоких частот, когда требуются небольшие величины L и имеется возможность обеспечить высокую добротность LC-контура. А на низких и инфранизких частотах, когда построение LC-генератора затруднительно, используют RС цепи тех же типов, что и для избирательных усилителей.

3.1.2 RC- генераторы

RC генераторы используют для задания частоты резисивно – емкостную связь. Основные два вида генераторов синусоидальных колебаний это: генератор с фазосдвигающей цепью и генератор на основе моста Вина. Генератор с фазосдвигающей цепью — это обычный усилитель с фазосдвигающей цепью обратной связи. На комбинации цепочек имеют место потери мощности, поэтому транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления (рисунок 3.1.2.1).

Рисунок 3.1.2.1 Частота генератора рассчитывается по формуле

В этом генераторе для возникновения колебаний усилитель должен иметь бесконечно большое входное сопротивление и выходное сопротивление –равное 0.

Тогда, если конденсаторы и резисторы имеют равные реактивные и активные параметры, условием существования колебаний будет равенство коэффициента усиления числу 29. Такое усиление необходимо для компенсации затухания в фазосдвигающей цепочке. Фазовый угол этой цепочки на частоте колебаний равен 180°, а усилитель должен инвертировать сигнал, с тем, чтобы общий сдвиг фазы по всему контуру был равен 0 (условие генерации).

Частота колебаний генератора определяется выражением:

Источник: nevinka-info.ru