Вопрос №1

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 U_ВЫХ и U_ВХ 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 U_ВЫХ , 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 L_С, включенная в стоковую цепь полевого транзистора и индуктивно связана с катушкой L_К колебательного контура L_КC_К. 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 (R_ЭК – 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 U_К усиливается транзистором. Эти колебания через катушку L_С, индуктивно связанную с катушкой L_К, вновь возвращаются в колебательный контур. Размах колебаний возрастает, что соответствует условию (рис.13.3а).

U_{ЗАТВОРА}

t

а)

U_ВЫХ

А В

t

б)

Рис.13.3. Возникновение колебаний в автогенераторе

По мере роста амплитуды напряжения в цепи затвора усилителя из-за цепи затвора нелинейности АХ (рис.13.3б) участок АВ коэффициента усиления начинает уменьшаться, а . При этом появляются колебания U с постоянной амплитудой, что соответствует установившемуся режиму автоколебаний

Выводы по 1-му вопросу:

1. Условие баланса амплитуд сводится к тому, что на резонансной частоте потери энергии в колебательном контуре компенсируются энергией источника питания, вносимой через катушку L_С. Баланс амплитуд обусловливает неизменную амплитуду стационарных колебаний.

2. Для появления автоколебаний существует только одна частота, на которой выполняется условие баланса фаз. Эта частота равна резонансной частоте контура. Таким образом, условие баланса фаз определяет частоту генерируемых колебаний.