Генераторы синусоидальных колебаний. Условия возникновения генерации: баланс амплитуд и баланс фаз. Генераторы синусоидальных колебаний высокой частот

Введение

Актуальность работы. Генераторы сигналов часто встречаются в электронных системах. Это могут быть синусоидальные генераторы несущей частоты передатчиков или гетеродинов приемников; импульсные тактовые генераторы цифровых устройств; генераторы сигналов специальной формы для различного рода измерительных и индикаторных устройств и т.д.
Генератор синусоидальных колебаний - Это устройство, которое преобразует электрическую энергию постоянного тока в энергию колебаний синусоидальной формы. При построении генератора используется положительная обратная связь (ПОС).
Объект исследования: генератор синусоидальных колебаний.
Предмет исследования: особенности построения генераторов синусоидальных колебаний.
Цель работы: рассмотреть генераторы синусоидальных колебаний. Условия возникновения генерации: баланс амплитуд и баланс фаз. Генераторы синусоидальных колебаний высокой частоты. Кварцевые генераторы.
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть генераторы синусоидальных колебаний;
- описать условия возникновения генерации: баланс амплитуд и баланс фаз;
- описать генераторы синусоидальных колебаний высокой частоты;
- проанализировать кварцевые генераторы.
1. Генераторы синусоидальных колебаний
Генераторы синусоидальных колебаний – это генераторы, которые генерируют напряжение синусоидальной формы.
Они классифицируются согласно их частотно-задающим компонентам. Тремя основными типами генераторов 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.
RC-генераторы используются на низких частотах, в них для задания частоты колебаний используется резистивно-емкостная цепь.
Колебательный контур
Колебательный контур – это замкнутая электрическая цепь, содержащая катушку индуктивности и конденсатор, в которой могут возбуждаться электрические колебания.
Колебания тока и напряжения в колебательном контуре связаны с переходом энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки индуктивности и обратно.
В зависимости от способа подключения к внешнему источнику ЭДС или к источнику тока, различают последовательный и параллельный колебательные контуры.

Последовательный к.к.
Параллельный к.к.
Если в колебательный контур включить источник гармонических электрических колебаний, то вначале в цепи возникнут сложные колебания, представляющие собой сумму собственных затухающих и вынужденных гармонических колебаний. Через некоторое время собственные колебания затухнут и останутся только вынужденные.
Кривые зависимости амплитуды и фазы вынужденных колебаний от частоты ω называются резонансными кривыми. При значении ω близком к резонансной частоте ω0 = имеет место резкое увеличение амплитуды вынужденных колебаний (резонанс).
Колебательные контуры применяются в фильтрах, резонансных усилителях, генераторах и преобразователях.

Рис. 1 – Генератор Хартли
Основными типами LC генераторов являются генератор Хартли и генератор Колпитца.
На рис. 1 изображен генератор Хартли. Величина обратной связи в этой схеме зависит от положения витков катушки L1. Выходной сигнал снимается с катушки L2.
Рис.2 Генератор Колпитца
На рис.2 изображен генератор Колпитца. Величина обратной связи в схеме Колпитца определяется отношением емкостей конденсаторов C1 и C2

. Этот генератор более стабилен, чем генератор Хартли и чаще используется.
RC генераторы
На частотах до 10 МГц обычно предпочтительней применять RC генераторы, т.к. резисторы и конденсаторы более удобны в применении, чем катушки индуктивности и более дешевы.
Имеются 2 типа RC-генераторов: с фазосдвигающей цепочкой и мостикового типа (мостик Вина)

Рис.3 RC-генератор с фазосдвигающей цепочкой
В этом генераторе для возникновения колебаний усилитель должен иметь бесконечно большое входное сопротивление и выходное сопротивление - равное 0.
Тогда, если конденсаторы и резисторы имеют равные реактивные и активные параметры, условием существования колебаний будет равенство коэффициента усиления числу 29. Такое усиление необходимо для компенсации затухания в фазосдвигающей цепочке. Фазовый угол этой цепочки на частоте колебаний равен 180°, а усилитель должен инвертировать сигнал, с тем, чтобы общий сдвиг фазы по всему контуру был равен 0 (условие генерации).
Частота колебаний генератора определяется выражением:
Генератор мостикового типа
Генераторы мостикового типа (мостик Вина) широко применяются в качестве перестраиваемых генераторов в диапазоне частот от 1 до 107 Гц.
Реактивная часть мостика образует цепочку, которая на частоте колебаний имеет фазовый сдвиг равный 0. Поэтому схему генератора строят в сочетании с неинвертирующим усилителем.
Если усилитель имеет фазовый сдвиг 0, бесконечно большое входное сопротивление и выходное сопротивление равное 0, то коэффициент усиления должен быть равен 3, а частота колебаний ω0 =

Рис.4 Генератор мостикового типа
Так как частота колебаний генераторов LC-типа обратно пропорциональна , то мостиковый генератор обеспечивает более широкий диапазон частот. По этой причине в лабораторных измерительныхприборах применяют генераторы мостикового типа. Путем применения сдвоенных переменных резисторов в этих генераторах легко перекрывается диапазон частот 10:1.

Рис.5 - Схема перестраиваемого генератора мостикового типа с последовательно-параллельной обратной связью.
2. Условия возникновения генерации: баланс амплитуд и баланс фаз
Генераторы гармонических колебаний представляют собой электронные устройства, формирующие на своем выходе периодические гармонические колебания при отсутствии входного сигнала. Генерирование выходного сигнала осуществляется за счет энергии источника питания. Со структурной точки зрения генераторы представляют собой усилители электрических сигналов, охваченные ПОС.
Внешний входной сигнал отсутствует. На входе усилителя действует только выходной сигнал ОС UOC. А на входе ОС действует UВХОС=UВЫХ. Поэтому коэффициент усиления такой схемы.
Условием, обеспечивающим наличие сигнала на выходе генератора при отсутствии внешнего входного сигнала является К→ ∞, то есть.
При выполнении этого условия любой усилитель, охваченный ПОС становится генератором, на выходе его появляются колебания, независимые от входного сигнала (автоколебания). Явление возникновения автоколебаний в усилителе называется самовозбуждением.
Условие возникновения автоколебаний можно разделить на две составляющие:
1) Условие баланса амплитуд: К∙β=1. Физический смысл: результирующее усиление в контуре, состоящем из последовательного соединения усилителя и цепи ОС должно быть равно единице. Если цепь ОС ослабляет сигнал, то усилитель должен на 100% компенсировать это ослабление. То есть если в любом месте разорвать контур ПОС и на вход подать сигнал от внешнего источника, то пройдя по контуру К∙β с выхода разрыва цепи ОС вернется сигнал точно такой же амплитуды, что был подан на вход разрыва.
2) Условие баланса фаз: arg(K·β)=0