Генераторы синусоидальных колебаний

 

Генератор электрических колебаний, - это нели­нейное устройство, преобразующее энергию источ­ника постоянного тока в энергию колебаний. Гене­раторы широко используются в электронике: в ра­диоприемниках и телевизорах, в системах связи, компьютерах, промышленных системах управления и устройствах точного измерения времени.

Генератор - это электрическая цепь, которая ге­нерирует периодический сигнал переменного тока. Частота сигнала может изменяться от нескольких герц до многих миллионов герц. Выходное напря­жение генератора может быть синусоидальным, пря­моугольным или пилообразным в зависимости от типа генератора.

Когда колебательный контур возбуждается вне­шним источником постоянного тока, в нем возни­кают колебания. Эти колебания являются затухаю­щими, поскольку активное сопротивление колеба­тельного контура поглощает энергию тока. Для под­держания колебаний в колебательном контуре по­глощенную энергию необходимо восполнить. Это осуществляется с помощью положительной обрат­ной связи. Положительная обратная связь - это по­дача в колебательный контур части выходного сиг­нала для поддержки колебаний. Сигнал обратной связи должен совпадать по фазе с сигналом в коле­бательном контуре.

На (рис. 12.34) изображена блок-схема генерато­ра. Генератор можно разбить на три части. Частотозадающей цепью генератора обычно является LC ко­лебательный контур. Усилитель увеличивает амп­литуду выходного сигнала колебательного контура. Цепь обратной связи подает необходимое количество энергии в колебательный контур для поддерж­ки колебаний. Таким образом, генератор - это схе­ма с обратной связью, которая использует постоян­ный ток для получения колебаний переменного тока

Рис. 12.34

 

 

Генераторы, синусоидальных колебаний - это генераторы, которые генерируют напряжение сину­соидальной формы. Они классифицируются соглас­но их частотозадающим компонентам. Тремя основ­ными типами генераторов синусоидальных колеба­ний являются LC генераторы, кварцевые генерато­ры и RC генераторы.

LC генераторы используют колебательный кон­тур из конденсатора и катушки индуктивности, со­единенных либо параллельно, либо последовательно, параметры которых определяют частоту колебаний. Кварцевые генераторы подобны LC генераторам, но обеспечивают более высокую стабильность колеба­ний. LC генераторы и кварцевые генераторы исполь­зуются в диапазоне радиочастот. Они не подходят для применения на низких частотах. На низких частотах используются RC генераторы, в которых для задания частоты колебаний используется резистивно-емкостная цепь.

LC генераторы

Основными типами LC генераторов являются ге­нератор Хартли и генератор Колпица. На (рис. 12.35) изображен генератор Хартли. Величина обратной связи в этой схеме зависит от положения отвода катушки L₁. Выходной сигнал снимается с катуш­ки связи L₃.

Рис. 12.35

 

Рис. 12.36

 

На (рис. 12.36) изображен генератор Колпитца. Ве­личина обратной связи в схеме Колпитца определя­ется отношением емкостей конденсаторов С₁ и С₂. Генератор Колпитца более стабилен, чем генератор Хартли, и более часто используется.

Кварцевые генераторы

 

Основное требование, предъявляемое к генерато­ру, - это стабильность частоты и амплитуды его ко­лебаний. Причинами нестабильной работы генера­торов являются зависимости емкости и индуктив­ности от температуры, старение компонентов и из­менение требований к нагрузке. Когда требуется высокая стабильность, используются кварцевые ге­нераторы.

Кварц - это материал, который может преобразо­вывать механическую энергию в электрическую, когда к нему прикладывают давление, и электри­ческую энергию в механическую, когда к нему при­кладывают напряжение. Когда к кристаллу кварца приложено переменное напряжение, кристалл начи­нает растягиваться и сжиматься, создавая механи­ческие колебания, частота которых соответствует частоте переменного напряжения.

Каждый кристалл кварца обладает собственной ча­стотой колебаний, обусловленной его структурой и размерами. Если частота приложенного переменного напряжения совпадает с собственной частотой, коле­бания кристалла ярко выражены. Если частота при­ложенного переменного напряжения отличается от собственной частоты кварца, кристалл колеблется слабо. Собственная частота механических колебаний кристалла кварца практически не зависит от темпе­ратуры, что делает его идеальным для использова­ния в генераторах. В тех случаях, когда необходимо обеспечить очень высокую стабильность частоты колебаний, применяют термостатирование генератора (кварцевый резонатор помещают в термостат).

Для изготовления кварцевого резонатора на кри­сталлическую пластинку кварца наносятся метал­лические электроды, к которым прижимаются пружины для обеспечения электрического контакта. После этого кристалл помещается в металлический корпус. На (рис. 12.37) показано схематическое обо­значение кварца.

Рис. 12.37

 

На (рис. 12.38) изображена схема кварцевого ге­нератора Хартли с параллельной обратной связью. Кварц включен последовательно в цепь обратной связи. Если частота колебательного контура откло­няется от частоты кварца, импеданс кварца увели­чивается, уменьшая величину обратной связи с ко­лебательным контуром. Это позволяет колебатель­ному контуру вернуться на частоту кварца.

Рис. 12.38

На (рис. 12.39) изображен генератор Колпица с кварцем, включенным так же, как и в генераторе Хартли. Кварц управляет обратной связью с коле­бательным контуром.

Рис. 12.39

На (рис. 12.40) изображен генератор Пирса. Эта схема подобна генератору Колпитца, за исключени­ем того, что катушка индуктивности в колебатель­ном контуре заменена кварцем. Эта схема очень популярна, поскольку в ней не используются катуш­ки индуктивности. Кварц управляет импедансом колебательного контура, что определяет величину обратной связи и стабилизирует генератор.

Рис. 12.40

 

Верхний предел частоты основного резонанса кри­сталла кварца составляет около 25 МГц. Однако в аппаратуре связи необходимы стабильные генера­торы более высоких частот. Для этого требуется обес­печить работу кварцевых резонаторов на их гармо­нических частотах. Обычно используются нечетные гармоники (третья и пятая).

Рис. 12.41

 

В таких случаях используют генератор Батлера, изображенный на (рис. 12.41). Схема собрана на двух транзисторах и использует колебательный контур и кварц для задания и стабилизации частоты коле­баний. Колебательный контур должен быть настро­ен на частоту основного резонанса кварца или на частоту одной из его гармоник. Преимущество ге­нератора Батлера в том, что к кварцу приложено небольшое напряжение, что уменьшает его механи­ческие деформации.

 

 

RC генераторы

 

RC генераторы используют для задания частоты резистивно-емкостную цепь. Простейшим RC генератором синусоидальных колебаний является генератор с фазосдвигающей цепью.

Генератор с фазосдвигающей цепью - это обыч­ный усилитель с фазосдвигающей RC цепью обрат­ной связи (рис. 12.42).

Рис. 12.42

Обратная связь должна сдвигать фазу сигнала на 180⁰. Так как емкостное сопротивление изменяется при изменении частоты, то эта компонента чувстви­тельна к частоте. Стабильность улучшается при уменьшении величины фазового сдвига на каждой RC цепочке. Однако на комбинации RC цепочек имеют место потери мощности. Для компенсации этих потерь транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления.