Генераторы электрических сигналов

Генераторы гармонических сигналов предназначены для преобразования энергии источника питания в энергию электрического сигнала синусоидальной формы требуемой частоты и мощности. На практике, часто, такой генератор представляет собой ОУ охваченный глубокой положительной обратной связью с коэффициентом передачи b₊ (см.рис.2.26). для схемы входное и выходное напряжения связаны соотношениями :

откуда , справедливое при .

Выполнение последнего условия обеспечивает в автогенераторе незатухающие колебания. Величины и в уравнении являются комплексными, поэтому можно записать

= К₀ е^јφ · b₊е^јψ = 1

Последнее выполняется при двух условиях:

φ + ψ = 0 – условие баланса фаз автогенератора,

К₀ b₊ = 1– условие баланса амплитуд.

Условие баланса фаз означает, что в схеме существует положительная обратная связь. Условие баланса амплитуд соответствует тому, что энергия, теряемая в генераторе за одно колебание, восполняется энергией от источника питания. Выполнение условий баланса фаз и амплитуд обеспечивает возникновение сигналов генератора сложной формы, состоящих из большого числа гармонических составляющих. Для возникновения сигнала генератора нужной частоты обеспечивают выполнение условий баланса фаз и амплитуд, только для частоты f₀, путем включения частотно-зависимых схем, например, Т-образного моста.

Рис. 2.27. Схема генератора с Т-мостом

Пример выполнения автогенератора гармонических колебания с Т-образным мостом

приведен на рис.2.27. положительная ОС создается резисторами R₃ и R₄, отрицательная ОС – резонаторами R₂ и R_1, которые обеспечивают условие самовозбуждения генератора: баланс амплитуд К₀b₊=-(R₂/ R₁)·b₊≥1; баланс фаз φ + ψ = 0 ( φ и ψ = 0. Поскольку в автогенераторе в цепь отрицательной обратной связи включен Т-образный мост, то условия самовозбуждения генератора выполняются только для одной резонансной частоты ƒ₀=1/2pRC.

Приведенная на рис.27 схема относится к генераторам RC-типа, применяемых для возбуждения гармонических сигналов низких и средних частот (условно до 300 кГц). Электрические сигналы более высоких частот (условно выше 300 кГц) создаются генераторами LС – типапримером которых может служить схема, представленная на рис.2.28.

Усилитель в схеме LC-генератора рис.2.28 выполнен на базе УОЭ с транзистором n – р – n типа (см.рис.2.6). назначение всех элементов УОЭ известно (см. п.2.1.4), вместо коллекторного сопротивления R_К включен дроссель L_ДР., выполняющий функцию R_К в УОЭ по переменному току и обеспечивающий R_К = 0 по постоянному току, чтобы уменьшить потери энергии. ОС выполняется за счет магнитной связи М контура L_КС_К , включенного между выходом УОЭ и катушкой L_б входной цепи УОЭ. Условие баланса амплитуд обеспечивается правильным выбором К_ub≥1, где К_И – коэффициент усиления УОЭ, b = - коэффициент магнитной связи, М, L_б , L_К - cоответственно взаимная индуктивность и индуктивность катушек. Условие баланса фаз обеспечивается φ+ ψ = 0 за счет положительной ОС:

φ = 180⁰ для УОЭ, ψ = 180⁰ из-за обратной намотки катушек индуктивности L_К и L_б (на рис.2.28 начало обмоток обозначены «*»). Частота гармонического сигнала генератора определяется резонансной частотой контура ƒ ₀= .

	а б
Рис.2.28. Схема LC-генератора	Рис. 2.29. Кварц: а – графическое обозначение; б – эквивалентная схема

Важным параметром генератора является коэффициент нестабильности частотыɣ= , показывающий уход частоты ∆ƒ относительно рабочей f₀ за промежуток времени из-за температурной нестабильности элементов схемы. У обычных генераторов ɣ ≈10^-5. На практике в высокоточной схемотехнике (например, высокоточный счет времени) необходимо обеспечить ɣ ≈10^-7÷10^-8. В таких случаях применяют кварцевые резонаторы – «кварцы», представляющие собой кварцевую пластину, обладающую пьезоэффектом и закрепленную в кварцедержателе (рис.2.29а).

Кварцевый резонатор эквивалентен электрическому колебальному контуру. Эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на рис.2.29.б. Как видно, кварц эквивалентен последовательно включенным элементам L_КВ, R_КВ, C_КВ, а в такой цепи может быть резонанс напряжения с частотой ω_Н = . Индуктивность кварца L_КВ может быть значительной – от десятков микрогенри до нескольких миллигенри. Емкость кварца С_КВ мала (сотые доли пикофарад). Кварцевый резонатор обладает острым резонансом, что свидетельствует о небольшом сопротивлении R_КВ, порядка единиц Ом. Поэтому добротность кварца достигает 10⁵ – 10⁶, т.е. она на два-три порядка больше добротности контуров, выполненных на дискретных элементах – индуктивной катушке и конденсаторе.

Так как кристалл кварца помещают в кварцедержатель, который обладает емкостью С₀, равной нескольким десяткам пикофарад, то в кварцевом резонаторе возможен и резонанс токов с частотой ω_r= , где

С_эк=С₀С_КВ/(С₀+С_КВ). Частоты ω_{н и} ω_т мало отличаются друг от друга, что обеспечивает высокую стабильность частот генератора. Кварц может быть включен, например, в цепь L_К С_К контура рис.2.28.