3.1. 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.
3.1.1 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.
3.1.2. LC генераторы
Основными типами LC генераторов являются генератор Хартли и генератор Колпитца.
Рис.3.2.1 – Генератор
Хартли
На рис.3.2.1 изображен генератор Хартли. Величина обратной связи в этой схеме зависит от положения витков катушки L1. Выходной сигнал снимается с катушки L2.
рис 3.2.2 Генератор Колпитца
На рис 3.2.2 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.
3.1.3 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.
3.1.4. 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)
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 =
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.
Схема перестраиваемого генератора мостикового типа с последовательно-параллельной обратной связью.