Генераторы электрических колебаний

May 19, 2011 by admin Комментировать »

 

Виды генераторов


   Как уже отмечалось, речь, музыка или изображения передаются на большие расстояния с помощью электромагнитных волн. Электромагнитные волны создаются переменным током высокой частоты, подводимым к передающей антенне, а для получения высокочастотного переменного тока используются электронные генераторы, входящие в состав радиопередатчика. Электронный Генератор является основой и электромузыкальных инструментов (ЭМИ). Когда нажимают на клавишу ЭМИ, включается один из генераторов, вырабатывающий переменный ток определенной частоты. Этот ток затем усиливается и поступает в громкоговоритель, в результате чего слышен звук определенного тона. Нажав на другую клавишу ЭМИ, включают второй генератор (или изменяют параметры первого генератора), вырабатывающий переменный ток иной частоты, и слышен звук другого тона. Генераторы широко используются для настройки контуров радиоприёмника, фильтров, телевизоров, отклонения луча в электронно-лучевых трубках осциллографов и телевизоров и т. д. Даже исходя из этих примеров, не охватывающих всех областей применения генераторов, можно считать, что после усилителя генератор — одно из самых распространенных устройств радиоэлектронной аппаратуры.
   Напряжение на выходе генератора может иметь синусоидальную либо другую форму, например прямоугольных или треугольных импульсов. Поэтому генератором называют электронное устройство, преобразующее напряжение питания (постоянное напряжение) в напряжение (или ток), изменяющееся во времени по определенному, свойственному этой схеме, закону,
   Бывают генераторы с независимым, или внешним, возбуждением и с самовозбуждением. Генераторы с независимым возбуждением без внешнего источника создавать электрические колебания не могут и служат для усиления мощности колебаний, подаваемых на их вход от других устройств. Такие генераторы часто называют усилителями мощности. Чтобы получить мощные усиленные колебания, необходимо иметь маломощный источник этих колебаний. Им и является генератор с самовозбуждением. Самовозбуждение означает, что для получения колебаний в таком генераторе не нужен дополнительный источник электрических колебаний, колебания тока и напряжения происходят в самом генераторе при подаче на него напряжения питания автоматически (отсюда второе, название генератора с самовозбуждением — автогенератор).

Основные условия получения электрических колебаний


   Что же представляет собой и как работает автогенератор? Чтобы ответить на этот вопрос, вернемся к принципу усиления электрических колебаний и влиянию отрицательной обратной связи (ООС) на коэффициент усиления.
На рис.1 представлены три схемы усилителей.

Если считать, что коллекторные нагрузки RK транзисторов во всех схемах одинаковы и резисторы R1 и R2 подобраны такими, что транзисторы находятся в одинаковых режимах, то при подаче равных переменных напряжений на входы этих усилителей значения усиленных напряжений на выходах усилителей будут различными. Наибольшее напряжение будет на выходе первой схемы, так как в ней усиливается практически все входное напряжение, т. е. UУC=UВХ. Во второй схеме напряжение, усиливаемое транзистором, меньше входного напряжения на величину напряжения ООС, выделяемого на резисторе RЭ т. е, UУC=UВХ-UООС, поэтому выходное напряжение меньше, чем в первой схеме. В третьей схеме часть выходного напряжения через делитель поступает на вход усилителя. Но, поскольку коллекторное (выходное) напряжение усилителя в схеме с ОЭ находится в противофазе с базовым (входным) напряжением, эта часть выходного напряжения UВЫХR2/(R1+R2), создаваемая на резисторе R2, будет в противофазе с входным напряжением, выделяющимся на этом же резисторе, вследствие чего усилится не все входное напряжение, а лишь напряжение UУC=UВХ—UВЫХR2/(R1+R2).
   Таким образом, часть выходного напряжения усилителя, передаваемая тем или иным способом во входную цепь в противофазе с входным напряжением, является напряжением ООС. Оно уменьшает результирующее напряжение между входными электродами транзистора (а также лампы или другого активного элемента), что приводит к снижению выходного напряжения, а это равносильно уменьшению коэффициента усиления усилителя.
   А что произойдет, если на вход усилителя подавать часть напряжения с его выхода не в противофазе, а в фазе? В этом, случае напряжение обратной связи уже не вычитается, а складывается с входным напряжением, и ко входным электродам транзистора прикладывается не разностное, а суммарное напряжение: UУC=UВХ+UПОС.
   Напряжение на выходе такого усилителя больше, чем в усилителе без обратной связи, не говоря уже об усилителях с ООС.
   Обратную связь, при которой часть выходного напряжения передается во входную, цепь в фазе с входным сигналом, называют положительной обратной связью (ПОС). Следовательно, ПОС вызывает повышение выходного напряжения, что воспринимается как увеличение коэффициента усиления усилителя по отношению к входному напряжению. С увеличением ПОС возрастет результирующее (суммарное) напряжение во входной цепи. Если же напряжение ПОС больше, чем напряжение, подаваемое на входные зажимы усилителя, то, видимо, усиливаемое напряжение UУC=UВХ+UПОС≈UПОС. При отключении в данном случае от входных зажимов источника входного переменного напряжения колебания в схеме не прекратятся, а будут поддерживаться в ней за счет, действия ПОС.
   Теперь становится ясным, что для превращения усилителя в генератор нужно выполнить два требования:
   1) обеспечить действие ПОС в схеме с выхода на вход (условие баланса фаз);
   2) предусмотреть такую величину ПОС, которая была бы достаточной для поддержания в схеме изменений напряжений и токов по закону, свойственному этой схеме, сколь угодно длительное время (условие баланса амплитуд).

Генераторы импульсов напряжения прямоугольной формы

 

Превращение усилителя в генератор


Как составляется схема автогенератора?
   Прежде всего следует решить вопрос, как осуществить ПОС? Один каскад усиления, как известно, может изменить фазу входного сигнала на 180°. Подав часть этого сигнала на вход, получают ООС. Значит, для получения ПОС надо выходное напряжение усилителя сдвинуть по фазе еще на 180°. Эту задачу можно легко решить, если последовательно с первым включить второй каскад (рис.2,а), который усилит выходное напряжение первого каскада и сдвинет его еще на 180°. Таким образом, напряжение на выходе второго каскада будет сдвинуто относительно напряжения на входе первого каскада на 360° (или, что те же самое, на 0°), т. е. эти напряжения станут одинаковыми по фазе. Для получения ПОС нужно выход второго каскада через разделительный конденсатор С2 соединить со входом первого каскада. Этим обеспечивается выполнение первого условия автогенератора: баланса фаз. Для выполнения второго условия — баланса амплитуд — требуется, чтобы общий коэффициент усиления усилителя был больше 1. Это достигается соответствующим подбором сопротивлений резисторов RK1 и RK2. Если оба условия соблюдены, автогенератор работает при отсутствии на его входе какого-либо дополнительного источника. Схему его в данном случае удобно представить в таком виде, как показано на рис.2,б. Получается схема автогенератора, называемого мультивибратором (генератором множества колебаний) с коллекторно-базовыми связями, в котором коллектор одного транзистора связан с базой другого через конденсатор.

Обычно сопротивления резисторов RK1 и RK2 в схеме таковы, что коэффициент усиления каждого каскада значительно больше 1, (K»1). Так как напряжение с выхода одного каскада прикладывается ко входу другого почти полностью, это должно было бы привести при большом коэффициенте усиления к появлению очень большого напряжения на выходе второго каскада. На самом же деле напряжение на выходе не может превышать. напряжение источника питания EK, величина которого как бы ограничивает амплитуду выходного напряжения.

Принцип работы мультивибратора


   Как работает мультивибратор? За счёт чего появляются его возбуждение, исходное напряжение, Которое воздействует на вход двухкаскадного усилителя, усиливается им и в виде напряжения ПОС с выхода снова поступает на вход, но уже с большей амплитудой, вызывает еще большее напряжение на выходе и в результате приводит к образованию незатухающих колебаний?
  Для ответа на эти вопросы нужно вспомнить о режимах работы транзистора, зависимости выходного тока от входного.
   Если подключить к мультивибратору источник напряжения GK, то через транзисторы, потекут токи эмиттера, коллектора и базы (необходимо помнить, что ток направлен от положительного полюса источника к отрицательному). Токами баз заряжаются конденсаторы С1 и С2 (рис.3,а).
Но как бы тщательно ни, подбирались транзисторы, резисторы и конденсаторы, идентичности усилителей, или полной симметрии плеч мультивибратора, достичь не удается. Поэтому коллекторный ток, протекающий через один из транзисторов, в какой-то момент времени будет больше, а через другой меньше. Предположим, что большим оказался коллекторный ток IК1 первого транзистора. Вследствие этого падение напряжения на резисторе RK1 станет больше, чем на резисторе RK2, а так как UКЭ=GK+IKRK, то положительное напряжение коллектора первого транзистора окажется больше, чем напряжение коллектора второго транзистора.

 

Так как сопротивления конденсаторов С1 и С2 для изменяющихся токов очень малы, можно считать, что напряжения коллекторов через эти конденсаторы поступают на базы противоположных транзисторов, и напряжение базы транзистора VT2 сделается более положительным, чем напряжение базы транзистора VT1. В связи, с этим уменьшится коллекторный ток IК2 второго транзистора. Напряжение его коллектора станет еще более отрицательным и, передаваясь через конденсатор С2 на базу первого транзистора, вызовет увеличение коллекторного тока IК1. При этом увеличится напряжение коллектора первого транзистора, которое через конденсатор С1 передается на базу второго транзистора, и произойдет дальнейшее уменьшение коллекторного тока IК2.
   Процесс увеличения коллекторного тока IК1 первого транзистора и уменьшения коллекторного тока второго транзистора в мультивибраторе носит лавинообразный характер. В результате такого явления коллекторный ток IК2 снижается до нуля (транзистор VT2 переходит в режим отсечки), а коллекторный ток IК1 возрастает до максимального значения. Сопротивления резисторов RK1 и RK2 выбираются такими, чтобы открытый транзистор находился в режиме насыщения. В этом случае сопротивления его переходов и их напряжения близки к нулю, и такой транзистор можно заменить просто точкой, из которой исходят все три электрода: эмиттер, коллектор и база (рис.3,б). Напряжение на конденсаторе С1 теперь будет подключено через открытый транзистор VT1 между базой и эмиттером транзистора VT2. Так как это напряжение «плюсом» подключено к базе, а «минусом» — к эмиттеру, транзистор VT2 находится в закрытом состоянии, т. е. в режиме отсечки.  
В таком состоянии схемы продолжается зарядка конденсатора С2 током IС2зар. Зарядный ток протекает от «плюса» источника GK через эмиттерный переход открытого транзистора VT1 и резистор RК2. Эту цепь зарядки конденсатора С2 удобно представить в виде следующей записи:
+GK→VT1→C2→RК2→-GK.
   Как только транзистор VT2 закроется, a VT1 откроется, ток базы VT2, которым до этого заряжался конденсатор С1, исчезнет, и конденсатор C1 начнет перезаряжаться. По цепи потечет перезарядный ток IC1перез. конденсатора C1: +GK→VT1→C1→Rб2→-GK. По мере перезарядки конденсатора С1 напряжение его левой обкладки будет повышаться, а правой — понижаться,  т. е. положительное напряжение, действующее между базой и эмиттером закрытого транзистора, при перезарядке конденсатора С1 будет уменьшаться. Как только это напряжение снизится до нуля, появится небольшой ток базы транзистора VT2 и, значит, коллекторный ток IК2 этого транзистора. Положительное напряжение коллектора транзистора VT2 при этом увеличится (так как отрицательное напряжение источника питания GK частично скомпенсировано положительным напряжением на резисторе RК2, равным величине IК2RK2), т. e. на коллекторе транзистора возникнет положительный скачок напряжения, который через конденсатор С2 поступит на базу транзистора VT1 и вызовет уменьшение коллекторного тока IК1 транзистора VT1. Напряжение коллектора VT1 станет более отрицательным, т. е. на коллекторе транзистора VT1 возникнет отрицательный скачок напряжения, который через конденсатор С1 поступит на базу транзистора VT2, что вызовет еще большее увеличение коллекторного тока IК2 транзистора VT2 и повышение коллекторного напряжения которое передается на базу транзистора VT1. В результате в схеме разовьется лавинообразный процесс, приводящий к полному закрыванию транзистора VT1, открыванию транзистора VT2 и переходу его в режим насыщения (рис.3в). Конденсатор С2 оказывается подключенным между базой и эмиттером транзистора VT1, который напряжением UС2 будет поддерживаться в закрытом состоянии.
    В этом состоянии начнется зарядка конденсатора С1 током IC1зар. по цепи: +GK→VT2→С1→RK1→-GK и перезарядка конденсатора С2 по цепи: +GK→VT2→C2→Rб1→-GK. Как только напряжение на конденсаторе С2 уменьшится до нуля, возникнет новый лавинообразный процесс, который приведет к открыванию транзистора VT1 и закрыванию транзистора VT2.
   Периодический переход транзисторов из открытого состояния в закрытое и наоборот продолжается до тех пор, пока подключен источник питания GK. Причем транзисторы находятся в том или ином состоянии (рис.3,б или рис. 3,в) в течение времени, которое требуется для того, чтобы напряжение на базе закрытого транзистора вследствие перезарядки одного из конденсаторов (C1 или С2) уменьшилось от максимального значения, равного GK, до нуля.
   Когда транзистор закрыт, напряжение его коллектора равно —GK, а в открытом и насыщенном состоянии транзистора оно близко к нулю.
Следовательно, при работе, мультивибратора на его коллекторах формируются прямоугольные импульсы.
   Время перезарядки конденсаторов С1 и С2 определяется перезарядным током, величина которого, как известно, зависит от сопротивления цепи, в которой он протекает. Значит, чем больше емкости этих конденсаторов и сопротивления резисторов Rб1 и Rб2, тем больше времени требуется для перехода транзисторов в противоположные состояния. Таким образом, изменяя значения элементов C1, С2, Rб1 и Rб2 можно изменять и длительность импульсов, генерируемых мультивибратором. Если C1=С2 и Rб1=Rб2, конденсаторы С1 и С2 перезаряжаются за равные промежутки времени и длительность положительных и отрицательных импульсов оказывается одинаковой (рис.4). Такой мультивибратор называют симметричным.

  

Генераторы гармонических колебаний.RС-генераторы


   Мультивибратор вырабатывает колебания электрического тока в виде импульсов прямоугольной формы. В нем, как уже отмечалось, условия, баланса фаз и амплитуд выполняются одновременно для самых различных, колебаний. Эти колебания с разными частотами, фазовыми сдвигами относительно друг друга и амплитудами, складываясь, и создают колебания прямоугольной формы, обычно называемые прямоугольными импульсами.
   Если требуется генератор гармонических колебаний, выходное  напряжение которого изменяется по синусоидальному закону с определенной   частотой, то необходимо, чтобы самовозбуждение возникло только для
этой частоты. Нужный дополнительный сдвиг напряжения на 180° можно получить с помощью показанных на рис.5 цепочек состоящих из резисторов и конденсаторов.

   
На этом же рисунке под каждой цепочкой приведены графические зависимости коэффициентов передачи β=Uвых/Uвх и фазовые сдвиги φ между выходным и входным напряжениями.
В цепочке на рис.5,а выходное напряжение отстает, а в цепочке на рис.5,б — опережает входное напряжение.
 Причем фазовый сдвиг увеличивается с ростом частоты и может достигать 90° (при f→∞).
В области рабочих частот фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями меньше 90°, поэтому для получения фазового сдвига в 180° нужно, последовательно соединить три такие цепочки, каждая из
которых должна на заданной частоте генерации осуществлять фазовый сдвиг, равный 60°.
 
   Автогенераторы гармонических колебаний, в которых условие баланса фаз выполняется с помощью RС-цепочек, получили название генераторов гармонических колебаний. На рис.6 приведена схема RC-генератора с фазосдвигающими цепочками типа С-параллель.

Дополнительный сдвиг фаз создается тремя последовательно включенными цепочками C1R1, C2R2, С3R3.
Если C1=C2=СЗ=С и R1=R2=R3=R, то на частоте f0, называемой квазирезонансной,

Рассмотрим, как работает такой мультивибратор.
   Предположим, что на выходе 1 ЛЭ1 имеется высокий уровень напряжения (логическая 1), а на выходе 2 ЛЭ2 — низкий уровень напряжения (логический 0). Это вызовет зарядку конденсатора С1. Ток зарядки будет протекать от высокого уровня напряжения на выходе 1 через С1 и резистор R2. Напряжение, создаваемое этим током на резисторе R2, обеспечивает логическую 1 на входах ЛЭ2 и поддерживает логический 0 на его выходе 2. Конденсатор С2, заряженный перед этим от высокого уровня напряжения, имевшегося на выходе 2 ЛЭ2, разряжается через небольшое выходное сопротивление ЛЭ2, корпус и диод VD1.
   По мере зарядки конденсатора С1 ток зарядки и напряжение на входах ЛЭ2 уменьшаются. Когда напряжение, на входах ЛЭ2 уменьшится до уровня, соответствующего логическому 0 (примерно 0,3…0,4 В), напряжение на выходе 2 начнет увеличиваться и достигнет высокого уровня, соответствующего логической 1. Высокий уровень напряжения с выхода 2 через конденсатор С2 будет передан на входы ЛЭ1, и на его выходе 1 появится низкий уровень напряжения, соответствующий логическому 0. Конденсатор С1 начнет разряжаться через выходное сопротивление ЛЭ1 и диод VD1, а конденсатор С2 будет заряжаться от напряжения высокого уровня на выходе 2 через резистор R1. Ток зарядки этого конденсатора  будет создавать на резисторе R1 и, следовательно, на входах ЛЭ1 напряжение логической 1, поддерживая на выходе 1 логический 0. С течением времени ток зарядки конденсатора С2 и напряжение на входах ЛЭ1 будут уменьшаться. Когда напряжение на входах ЛЭ1 станет равным логическому 0, на выходе 1 появится логическая 1, а на выходе 2 — логический 0. Мультивибратор вернется в первоначальное состояние и описанные выше процессы начнут повторяться. Если R1=R2 и CI=С2, то на выходах ЛЭ1 и ЛЭ2 будут формироваться чередующиеся положительные
и отрицательные прямоугольные импульсы равной длительности и амплитуды.
   Автоколебательный мультивибратор, показанный на рис. 14, можно преобразовать в одновибратор, или ждущий мультивибратор, исключив конденсатор С2 и цепочку, состоящую из элементов VD1 и R1 (или исключив элементы C1, VD1 и R1). Схема такого одновибратора показана на рис. 15.
   В исходном состоянии на входе ЛЭ1 поддерживается высокий уровень напряжения — логическая 1. Напряжение на объединенных входах ЛЭ2 равно напряжению на резисторе R, которое создается на нем входным током ЛЭ2. Так как этот ток мал, то можно считать, что на входах ЛЭ2 действует низкий уровень напряжения — логический 0, а на выходе — логическая 1, которая подается на второй вход (верхний по схеме) ЛЭ1. Таким образом, на каждом входе ЛЭ1 имеется логическая 1, и напряжение на его выходе равно логическому 0. Напряжение на конденсаторе С также близко к нулю.
   При поступлении на вход отрицательного импульса (логического 0) в соответствии с таблицей состояний ЛЭ И—НЕ на выходе ЛЭ1 устанавливается высокий уровень напряжения (логический 0) и начинается зарядка конденсатора С. Ток зарядки протекает от выхода ЛЭ1 через конденсатор С и резистор R. На резисторе создается положительное напряжение, которое в виде логической 1 поступает на входы ЛЭ2 и создает на его выходе напряжение низкого уровня (логический 0). Напряжение логического 0 с выхода ЛЭ2 поступает на второй (верхний) вход ЛЭ1 и поддерживает на его выходе высокий уровень напряжения (логическую 1) после прекращения действия входного импульса.
   По мере зарядки конденсатора С напряжение на входах ЛЭ2 уменьшается. Когда уровень этого напряжения станет равен логическому 0, напряжение на выходе ЛЭ2 будет соответствовать логической 1, которое передастся на второй вход ЛЭ1. На обоих входах ЛЭ1 будут действовать напряжения высоких уровней, а на выходе — напряжение низкого уровня. Конденсатор С будет разряжаться почти до нулевого напряжения через выходное сопротивление ЛЭ1 и диод VD. В таком состоянии одновибратор будет находиться до прихода очередного отрицательного импульса на вход.
   Каждый входной импульс формирует на выходе одновибратора отрицательный импульс прямоугольной формы. Длительность этого импульса определяется сопротивлением резистора R и емкостью конденсатора С: чем больше значения R и С, тем больше длительность выходного импульса.
    Диод VD используется для уменьшения времени разрядки конденсатора С и улучшения тем самым формы выходных импульсов. Аналогичную роль выполняют и диоды VD1 и VD2 в мультивибраторе, показанном на рис. 14.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты