2014-02-24
1578
RС-ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
ЛЕКЦИЯ №13
Электронные генераторы гармонических колебаний нашли широкое применение в промышленной электронике.
Они нашли широкое применение в технике связи, а также в других отраслях промышленности:
– в РПДУ, РПУ – в системе синтеза частот;
− в качестве опорных генераторов радиоприемников, возбудителей РПДУ, радиостанций;
− в измерительной аппаратуре и др.
В лекции №5 дисциплины «ОСТ» была рассмотрена тема обратной связи в усилителях электрических сигналов. Одним из видов обратной связи является положительная обратная связь (ПОС). В большинстве случаев ПОС является вредной, так как приводит к нестабильности параметров усилителя и его самовозбуждению (подробнее о самовозбуждении изложено в лекции №16). Однако ПОС позволяет создать генераторы гармонических колебаний. Принципы генерации электрических колебаний, принципы построения и работы генераторов будут рассмотрены в данной лекции.
Принцип генерирования сигналов
|
|
|
Определение. Электронным генератором гармонических колебаний называется устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний синусоидальной формы требуемой частоты и мощности.
Классификация электронных генераторов гармонических колебаний
1. По частоте:
– низкочастотные (0,01 ÷ 100 кГц);
– высокочастотные (0,1 ÷ 100 МГц);
– сверхвысокочастотные (> 100 МГц).
2. По способу возбуждения:
– генераторы с самовозбуждением (называются автогенераторами);
– генераторы с независимым внешним возбуждением. Генераторы с независимым внешним самовозбуждением, по существу, являются усилителями мощности с соответствующим частотным диапазоном, на вход которого подаются электрические сигналы от автогенераторов.
3. По виду генерируемых колебаний:
− генераторы синусоидальных напряжений,
− генераторы импульсов.
Генераторами синусоидальных колебаний системы являются:
– LC-автогенераторы,
– RC-автогенераторы,
– генераторы с кварцевой стабилизацией частоты,
– генераторы с электромеханическими фильтрами.
Генераторы импульсов в зависимости от формы выходного напряжения делятся на генераторы:
– напряжения прямоугольной формы,
– напряжения экспоненциальной формы,
– линейно изменяющегося напряжения,
– напряжения треугольной формы,
– ступенчато изменяющегося напряжения,
– блокинг-генераторы (вершины импульсов имеют колокообразную форму).
Электронные генераторы могут работать в любом из режимов А, В или С (см. лекцию №6). Обычно используется режим С для получения наибольшего КПД.
|
|
|
Принцип генерирования сигналов
Генерирование сигналов возможно в устройствах, состоящих из усилителя с коэффициентом усиления К и звена положительной ОС с коэффициентом обратной связи β. При этом необходимо учитывать, что К и β являются комплексными числами, зависящими от частоты.
В качестве усилителя применяются усилители на лампах, транзисторах, микросхемах и др. В качестве цепей обратной связи используются частотно-зависимые цепи:
– LC-контуры,
– RC-четырехполюсники.
На рисунке 13.1 приведена структурная схема автогенератора.
Рис. 13.1 Структурная схема автогенератора
Стационарный устойчивый режим в автогенераторе при синусоидальном напряжении UВЫХ и UВХ возможен при условии, которое называется условием самовозбуждения
. (13.1)
Равенство (13.1) следует из соотношений
; 
,
следовательно, если в выражении 
левую и правую части разделить на UВЫХ, получается выражение 13.1.
Выражение (13.1) можно представить в виде (учитывая комплексность K и β)
, (13.2)
где 
, 
– модули коэффициентов усиления и передачи цепи ОС;
φ, ψ – аргументы этих коэффициентов.
Равенство (13.2) выполняется при следующих условиях:
1. 
– условие баланса амплитуд.
2. 
– условие баланса фаз (
).
Условие баланса фаз свидетельствует, что в автогенераторе действует ПОС.
Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энергии в автогенераторе восполняются звеном (цепью) ПОС от источника питания автогенератора.
Таким образом, для получения стационарных устойчивых колебаний в автогенераторе должно удовлетворяться следующее условие:
.
Процесс возникновения колебаний в автогенераторе можно рассмотреть на примере устройства, схема которого изображена на рисунке 13.2.
Рис.13.2. Схема LC-автогенератора
Схема собрана на полевом транзисторе VT1, включенном по схеме с общим истоком. Цепочка R1C1 создает отрицательное смещение относительно истока и обеспечивает работу автогенератора в требуемом режиме усиления. На схеме выходное напряжение обозначено U.
Звеном (цепью) ОС является катушка индуктивности LС, включенная в стоковую цепь полевого транзистора и индуктивно связана с катушкой LК колебательного контура LКCК. Первоначальные колебания в автогенераторе возникают:
− при подаче напряжения питания;
− из-за флуктуаций тока в усилительном контуре, колебательном контуре.
По этим причинам, а также при условии 
(RЭК – эквивалентное активное сопротивление контура, определяющее активные потери), появляются слабые колебания с частотой 
.
При отсутствии ПОС эти колебания должны были бы прекратиться из-за потерь энергии в контуре, при наличии ПОС этого не происходит.
Действительно, появившееся напряжение на контуре UК усиливается транзистором. Эти колебания через катушку LС, индуктивно связанную с катушкой LК, вновь возвращаются в колебательный контур. Размах колебаний возрастает, что соответствует условию 
(рис.13.3а).
UЗАТВОРА
t
а)
UВЫХ
