Реферат по электронике на тему «Генераторы синусоидальных колебаний»

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. 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. 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. 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) 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. 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.

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. Физический смысл: результирующий фазовый сдвиг, вносимый усилителем и цепью ОС должен быть равен нулю (или кратен 2π). То есть при подаче сигнала на разрыв, вернувшийся сигнал будет иметь точно такую же фазу. При выполнении этого условия ОС будет положительна. Для существования автоколебаний необходимо одновременное выполнение этих условий. Если эти условия выполняются не для одной частоты, а для целого спектра частот, то генерируемый выходной сигнал будет сложным (не гармоническим). Для обеспечения синусоидальности выходного сигнала генератор должен генерировать сигнал только одной единственной частоты. Для этого необходимо, чтобы условия возникновения автоколебаний выполнялись для единственной частоты, которая и будет генерироваться. Для этого делают К или β частотно-зависимыми. Как правило β имеет максимум β0 на некоторой частоте ω0. Поэтому на ω0 и коэффициент усиления будет иметь максимум К0. Величины К0 и β0 обеспечивают такими, чтобы они удовлетворяли условиям возникновения автоколебаний. Тогда при отклонении частоты от ω0 и условия возникновения автоколебаний выполнятся не будут, что приведет к затуханию колебаний этой частоты и на выходе генератора будут только гармонические колебания частоты ω0. В зависимости от того, каким способом в генераторе обеспечивается условие баланса фаз и амплитуд, различают генераторы: 1) RC-типа; 2) LC-типа.

3. Генераторы синусоидальных колебаний высокой частоты

Предлагаемые генераторы высокой частоты предназначены для получения электрических колебаний в диапазоне частот от десятков кГц до десятков и даже сотен МГц. Такие генераторы, как правило, выполняют с использованием LC-колебательных контуров или кварцевых резонаторов, являющихся частотозадающими элементами. Принципиально схемы от этого существенно не изменяются, поэтому ниже будут рассмотрены LC-генераторы высокой частоты. Отметим, что в случае необходимости колебательные контуры в некоторых схемах генераторов (см., например, рис. 9, рис.10) могут быть без проблем заменены кварцевыми резонаторами. Генераторы высокой частоты (рис. 6, рис.7) выполнены по традиционной и хорошо зарекомендовавшей себя на практике схеме «индуктивной трехточки». Они различаются наличием эмиттерной RC-цепочки, задающей режим работы транзистора (рис. 7) по постоянному току. Для создания обратной связи в генераторе от катушки индуктивности (рис. 6, рис.7) делают отвод (обычно от ее 1/3… 1/5 части, считая от заземленного вывода). Нестабильность работы генераторов высокой частоты на биполярных транзисторах обусловлена заметным шунтирующим влиянием самого транзистора на колебательный контур. При изменении температуры и/или напряжения питания свойства транзистора заметно изменяются, поэтому частота генерации «плавает». Для ослабления влияния транзистора на рабочую частоту генерации следует максимально ослабить связь колебательного контура с транзистором, до минимума уменьшив переходные емкости. Кроме того, на частоту генерации заметно влияет и изменение сопротивления нагрузки. Поэтому крайне необходимо между генератором и сопротивлением нагрузки включить эмиттерный (истоковый) повторитель. Для питания генераторов следует использовать стабильные источники питания с малыми пульсациями напряжения.

4. Кварцевые генераторы

Кварцевые генераторы Основное требование, предъявляемое к генератору – это стабильность частоты и амплитуды колебаний. Причины нестабильности: зависимость емкости и индуктивности от температуры, старение компонентов и изменение требований к нагрузке. Когда требуется высокая стабильность, используются кварцевые генераторы. Каждый кристалл кварца обладает собственной частотой колебаний. Если частота приложенного напряжения совпадает с собственной частотой, колебания  кристалла ярко выражены. Если отличается – кристалл колеблется слабо. Собственная частота колебаний кварца практически не зависит от температуры. Эквивалентная схема кристалла кварца: Здесь изображена схема кварцевого генератора Хартли с параллельной обратной связью. Если частота колебательного контура отклоняется от частоты кварца, импеданс (сопротивление) кварца увеличивается, уменьшая величину обратной связи с колебательным контуром. Это позволяет колебательному контуру вернуться на частоту кварца. На этом рисунке изображен генератор Пирса. Эта схема подобна схеме Колпитца, за исключением того, что катушка индуктивности в колебательном контуре заменена кварцем. Эта схема очень популярна, т.к. в ней не используется индуктивности. Кварц управляет импедансом колебательного контура, что определяет величину обратной связи и стабилизирует генератор.

Заключение

Одним из видов автогенераторов являются генераторы синусоидальных колебаний. На их выходе возникают гармонические колебания напряжения синусоидальной формы. Их отличие заключается в наличии у них цепи или компонента с резонансными свойствами. Благодаря ней условия возникновения автоколебаний выполняются для узкой полосы частот. Компоненты и цепи с резонансными свойствами  могут быть установлены в цепях межкаскадной связи усилителя или в цепях, создающих положительную или отрицательную обратную связь. Генераторы синусоидальных колебаний делятся на генераторы: с избирательными RC – цепочками, с избирательными LC – цепочками, с кварцевыми резонаторами/1,3,4/. Генераторы с кварцевыми резонаторами обычно применяют на повышенных частотах, когда требуется получить колебания известной и стабильной частоты. Они значительно сложнее и дороже генераторов с RC и LC цепочками. Однако при создании прецизионных преобразовательных устройства без них обойтись невозможно. Генераторы с LC – цепочками имеют большую стабильность частоты, из–за  хороших избирательных свойств LC контура. В основном такие генераторы применяются для получения высокочастотных колебаний. Не возможность использовать эти цепи на низких частотах обуславливается необходимостью больших емкостей и индуктивностей. К их недостаткам относится трудность изготовления высокостабильных температурно-независимых индуктивностей, а также стоимость и громоздкость последних.

Список литературы

• Бобровников Л. З. Электроника: Учебное пособие. – СПб.: Питер, 2004. – 560 с.: ил.
• Горячева Г. А., Добромыслов Е. Р. Конденсаторы — справочник. – М.: ‘Радио и связь’, 1984. – 88 с.: ил.
• Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: Учебное пособие. – М.: ‘Высшая школа’, 1991. – 622 с.: ил.
• Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника: Учебное пособие. – М.: ‘Горячая линия – Телеком’, 2002. – 786 с.: ил.
• Четверткова И. И. Резисторы — справочник. – М.: ‘Радио и связь’, 1991. – 528 с.: ил.