Структурная схема автогенератора. Баланс амплитуд, баланс фаз

Генераторы электрических сигналов

Общие сведения

Генераторы электрических сигналов - это устройства, которые преобразуют электрическую энергию постоянного тока в энергию электрических сигналов той или иной формы. Названия генераторам дают в соответствии с формой сигнала, который они вырабатывают, например:

1. Генераторы гармонических колебаний

2. Генераторы импульсов прямоугольной формы

3. Генераторы сигналов специальной формы (треугольной, пилообразной, трапециидальной и т.д.).

В зависимости от способов создания сигналов генераторы подразделяют:

А) Генераторы с самовозбуждением, их называют автогенераторы. Это устройства которые автономно преобразуют энергии источника питания в энергию сигналов требуемой формы.

Б) Генераторы с внешним возбуждением, это, фактически, усилитель мощности.

В зависимости от элементов, определяющих частоту автогенератора, генераторы бывают:

1. LC-типа,

2. RC-типа,

3. кварцевые генераторы (высокая стабильность частоты).

По принципу построения автогенераторы подразделяются:

1. С внешней обратной связью.

2. С внутренней обратной связью.

Структурная схема автогенератора. Баланс амплитуд, баланс фаз.

Генератор с внешней обратной связью представляет собой нелинейный усилитель, охваченный положительной обратной связью. Основными элементами генератора являются:

1. Источник питания.

2. Нелинейный усилитель.

3. Цепь обратной связи.

Коэффициент усилителя, охваченный обратной связью, определяется выражением:

K _ос= ,

где K (j ω ,а) – комплексная функция коэффициента передачи усилителя без обратной связи,
β(j ω) – комплексная функция коэффициента передачи цепи обратной связи, a – амплитуда сигнала.

Для того чтобы усилитель превратился в генератор, необходимо чтобы:

K _ос → ∞, т.е. K (j ω)β(j ω)=1

Учитывая, что K (j ω, а)= K (ω, а) ,β(j ω) = β(ω) . Получим, условие стационарных автоколебаний, т.е. автоколебаний с постоянной амплитудой:

K (ω ,а)β(ω) = 1

Последнее соотношение разбивается на два:

K(ω, а _ст) β(ω) = 1 - баланс амплитуд (БА)

φ _{k (ω)}+φ_b(ω) =2πn, n= 1,2,…- баланс фаз (БФ)

Обычно, цепь положительной ОС состоит из пассивных элементов, поэтому β(ω) < 1, а потому баланс амплитуд означает, что для стационарных автоколебаний энергия (амплитуда), теряемая в цепи обратной связи должна восстанавливаться усилителем. Только в этом случае в генераторе возможны колебания с постоянной (стационарной) амплитудой а_ст.

Баланс фаз означает, что для того, чтобы устройство было генератором необходима положительная обратная связь.

Важным этапом работы автогенератора является этап его самовозбуждения. На этом этапе амплитуда а возрастает от 0 до своего стационарного значения а _ст т.е. 0< а < а _ст

Условие самовозбуждения имеет следующий вид:

K (ј ω, а) β(ј ω)>1

Его можно разбить на два:

K (ω,0) β(ω)>1

φ _{k (ω)}+φ_b(ω) =2πn, n= 1,2,

Первое из них означает, что на этапе самовозбуждения энергия создаваемая усилителем должна превышать энергию, теряемую в цепи обратной связи. За счет этого и происходит возрастание амплитуды автоколебания.

По мере роста амплитуды коэффициент усиления нелинейного усилителя K (ω, а) уменьшается и при некотором значении а= а _ст условие самовозбуждения автоматически переходит в условие стационарных автоколебаний.

Если баланс амплитуд и баланс фаз выполняются на одной частоте, то в генераторе возникает одночастотные, т.е. гармонические по форме колебания. Если баланс амплитуд и баланс фаз выполняются одновременно на многих частотах, то в генераторе возникают колебания с разными частотами. Форма таких сигналов отличается от гармонических.

Генераторы прямоугольной формы иногда называют мультивибраторами. Это означает, что прямоугольные сигналы состоят из бесконечно большого числа гармонических колебаний.