Не всё так просто с генераторами сигналов. Часть 1

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой генераторов сигналов, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Основы LC-генератора

Генераторы — это электронные схемы, которые генерируют непрерывный периодический сигнал с точной частотой.

LC-генератор преобразует входной постоянный ток (напряжение питания) в выходной переменный ток (сигнал). Этот выходной сигнал может иметь широкий диапазон различных форм и частот и может быть либо сложной по форме, либо представлять собой простую чистую синусоидальную волну в зависимости от применения.

Генераторы используются во многих частях испытательного оборудования, генерирующих либо синусоидальные, прямоугольные, пилообразные или треугольные сигналы, либо просто последовательность повторяющихся импульсов переменной или постоянной ширины. LC-генераторы обычно используются в радиочастотных цепях из-за их хороших характеристик фазового шума и простоты реализации.

Генератор — это, по сути, усилитель с «положительной обратной связью» или регенеративной обратной связью (синфазно), и одна из многих проблем при проектировании электронных схем — остановить колебание усилителей при попытке заставить генераторы колебаться.

Генераторы работают, потому что они преодолевают потери в своей цепи резонатора обратной связи либо в форме конденсатора, катушки индуктивности, либо в той и другой цепи, путем подачи энергии постоянного тока на необходимой частоте в эту цепь резонатора. Другими словами, генератор — это усилитель, в котором используется положительная обратная связь, генерирующая выходную частоту без использования внешнего входного сигнала.

Таким образом, генераторы представляют собой самоподдерживающиеся схемы, генерирующие периодический выходной сигнал на одной синусоидальной частоте. Таким образом, чтобы любая электронная схема могла работать как генератор, она должна обладать следующими тремя характеристиками.

Какая-то форма усиления

Положительная обратная связь (регенерация)

Сеть обратной связи с определением частоты

Генератор имеет небольшой усилитель сигнала с обратной связью с коэффициентом усиления разомкнутого контура, равным единице или немного большим, чтобы колебания начались, но для продолжения колебаний средний коэффициент усиления контура должен вернуться к единице. В дополнение к этим реактивным компонентам требуется усилительное устройство, такое как операционный усилитель или биполярный транзистор.

В отличие от усилителя, для работы генератора не требуется внешний входной сигнал переменного тока, поскольку энергия источника постоянного тока преобразуется генератором в энергию переменного тока на требуемой частоте.

Базовая схема обратной связи генератора 

Где: β — доля обратной связи.

Коэффициент усиления генератора без обратной связи 

Усиление генератора с обратной связью

Тогда генераторы — это электрические цепи, которые генерируют непрерывный выходной сигнал напряжения на требуемой одной частоте. Индукторы, конденсаторы или резисторы используются для формирования частотно-избирательного резонансного контура, который, по сути представляет собой пассивный полосовой фильтр, пропускающий нужную частоту, и сети обратной связи.

Сеть обратной связи «подаёт» небольшой процент выходного сигнала обратно на вход, чтобы поддерживать колебание схемы. Количество используемой положительной обратной связи должно быть достаточно большим, чтобы преодолеть любые потери в цепи, чтобы колебания могли поддерживаться неопределенно долго.

Сеть обратной связи по сути представляет собой схему ослабления, коэффициент усиления по напряжению которой меньше единицы ( β <1 ). Колебания начинаются, когда Aβ >1, а затем возвращаются к единице (Aβ =1), как только колебания становятся устойчивыми.

Частота LC-генераторов контролируется с помощью настроенной или резонансной индуктивно-емкостной (LC) цепи, при этом результирующая выходная частота известна как частота колебаний. Если сделать обратную связь генераторов реактивной сетью, фазовый угол обратной связи будет меняться в зависимости от частоты, и это называется фазовым сдвигом.

Существуют основные типы осцилляторов.

• 1. Синусоидальные генераторы – они известны как гармонические генераторы и обычно представляют собой генераторы типа «LC с настроенной обратной связью» или «RC с настроенной обратной связью», которые генерируют чисто синусоидальный сигнал постоянной амплитуды и частоты.

• 2. Несинусоидальные генераторы – они известны как релаксационные генераторы и генерируют сложные несинусоидальные сигналы, которые очень сильно изменяются. быстро переходят из одного состояния стабильности в другое, например, в форме волны «прямоугольной», «треугольной» или «пилообразной волны».

Резонанс  генератора

Когда постоянное напряжение, но изменяющейся частоты, прикладывается к цепи, состоящей из индуктора, конденсатора и резистора, реактивное сопротивление цепей конденсатор/резистор и индуктор/резистор должно изменять как амплитуду, так и фазу выходного сигнала по сравнению с входным сигналом, что обусловлено реактивным сопротивлением используемых компонентов.

На высоких частотах реактивное сопротивление конденсатора очень мало, действуя как короткое замыкание, в то время как реактивное сопротивление дросселя велико, действуя как разомкнутая цепь. На низких частотах верно обратное: реактивное сопротивление конденсатора действует как разомкнутая цепь, а реактивное сопротивление катушки индуктивности действует как короткое замыкание.

Между этими двумя крайностями комбинация катушки индуктивности и конденсатора создает «настроенную» или «резонансную» цепь с резонансной частотой (ƒr), в которой ёмкостное и индуктивное реактивные сопротивления равны и компенсируют друг друга, оставляя только сопротивление цепь, противодействующая протеканию тока. Это означает, что фазовый сдвиг отсутствует, поскольку ток находится в фазе с напряжением.

Рассмотрим схему ниже.

Базовая схема LC-генератора

Схема состоит из индуктивной катушки L и конденсатора C. Конденсатор хранит энергию в форме электростатического поля и создает потенциал (статическое напряжение) на своих обкладках, тогда как индуктивная катушка сохраняет свою энергию в виде электромагнитное поле. Конденсатор заряжается до напряжения питания постоянного тока В путем перевода переключателя в положение А. Когда конденсатор полностью заряжен, переключатель переходит в положение В.

Заряженный конденсатор теперь подключен параллельно индуктивной катушке, поэтому конденсатор начинает разряжаться через катушку. Напряжение на C начинает падать, когда ток через катушку начинает расти.

Этот возрастающий ток создает вокруг катушки электромагнитное поле, которое сопротивляется потоку тока. Когда конденсатор C полностью разряжается, энергия, первоначально запасенная в конденсаторе, C в виде электростатического поля теперь сохраняется в индуктивной катушке, L в виде электромагнитного поля вокруг обмоток катушки.

Поскольку теперь в цепи нет внешнего напряжения для поддержания тока внутри катушки, оно начинает падать, поскольку электромагнитное поле начинает разрушаться. В катушке индуцируется противо-ЭДС (e = -Ldi/dt), удерживающая ток в исходном направлении.

Этот ток заряжает конденсатор C с полярностью, противоположной его первоначальному заряду. C продолжает заряжаться до тех пор, пока ток не уменьшится до нуля и электромагнитное поле катушки полностью не исчезнет.

Энергия, первоначально введенная в цепь через переключатель, вернулась к конденсатору, который снова имеет потенциал электростатического напряжения на нем, хотя теперь он имеет противоположную полярность. Конденсатор теперь снова начинает разряжаться через катушку, и весь процесс повторяется. Полярность напряжения меняется по мере того, как энергия передается туда и обратно между конденсатором и катушкой индуктивности, создавая синусоидальное напряжение переменного тока и форму волны тока.

Затем этот процесс формирует основу резервуарной схемы LC-генераторов, и теоретически это циклическое движение вперед и назад будет продолжаться бесконечно. Однако дела не идеальны, и каждый раз, когда энергия передается от конденсатора C к индуктору L и обратно от L к C, происходят некоторые потери энергии, которые со временем затухают колебания до нуля.

Это колебательное действие передачи энергии туда и обратно между конденсатором C и катушкой индуктивности L продолжалось бы бесконечно, если бы не потери энергии внутри цепи. Электрическая энергия теряется в постоянном токе или реальном сопротивлении катушки индуктивности, в диэлектрике конденсатора и в излучении цепи, поэтому колебания постепенно уменьшаются, пока они полностью не затухнут и процесс не остановится.

Тогда в практической LC-цепи амплитуда колебательного напряжения уменьшается на каждом полупериоде колебаний и в конечном итоге угасает до нуля. В этом случае говорят, что колебания «затухают», при этом величина затухания определяется качеством или добротностью цепи.

Затухающие колебания

Частота колебательного напряжения зависит от значения индуктивности и ёмкости в цепи LC-резервуара. Теперь мы знаем, что для того, чтобы в цепи резервуара возник резонанс, должна быть точка частоты, в которой значение XC, емкостное реактивное сопротивление такое же, как значение XL, индуктивное реактивное сопротивление (XL = XC), и которое, следовательно, будет компенсировать друг друга, оставляя в цепи только сопротивление постоянному току, противодействующее протеканию тока.

Если теперь мы поместим кривую индуктивного реактивного сопротивления дросселя поверх кривой емкостного реактивного сопротивления конденсатора так, чтобы обе кривые находились на одной и той же оси частот, точка пересечения даст нам точку резонансной частоты ( ƒr или ωr ) как показано ниже.

Резонансная частота

Где: ƒr — в герцах, L — в генри, а C — в фарадах.

Тогда частота, с которой это будет происходить, определяется как:

Затем, упрощая приведенное выше уравнение, мы получаем окончательное уравнение для резонансной частоты ƒr в настроенной LC-цепи:

Резонансная частота LC-генератора

Где:

• L — индуктивность в генри.

• C — емкость в фарадах.

• ƒr — выходная частота в герцах.

Это уравнение показывает, что если L или C уменьшаются, частота увеличивается. Этой выходной частоте обычно присваивается сокращение (ƒr), чтобы обозначить ее как «резонансную частоту».

Чтобы поддерживать колебания в контуре LC-резервуара, нам необходимо восполнять всю энергию, теряемую при каждом колебании, а также поддерживать амплитуду этих колебаний на постоянном уровне. Поэтому количество замененной энергии должно быть равно энергии, потерянной в течение каждого цикла.

Если замененная энергия слишком велика, амплитуда будет увеличиваться до тех пор, пока не произойдет перекрытие шин питания. Альтернативно, если количество замененной энергии слишком мало, амплитуда со временем уменьшится до нуля, и колебания прекратятся.

Самый простой способ восполнить эту потерянную энергию — взять часть выходного сигнала из контура LC-резервуара, усилить его и затем снова подать обратно в контур LC. Этого процесса можно добиться с помощью усилителя напряжения, использующего в качестве активного устройства операционный усилитель, полевой транзистор или биполярный транзистор. Однако, если усиление контура усилителя обратной связи слишком мало, желаемое колебание затухает до нуля, а если оно слишком велико, форма сигнала искажается.

Для создания постоянных колебаний необходимо точно контролировать уровень энергии, возвращаемой в сеть LC. Тогда должна быть какая-то форма автоматической регулировки амплитуды или усиления, когда амплитуда пытается отклониться от опорного напряжения в большую или меньшую сторону.

Для поддержания стабильных колебаний общий коэффициент усиления схемы должен быть равен единице или единице. Если меньше, то колебания не начнутся или затихнут до нуля, если больше колебания будут возникать, но амплитуда будет ограничиваться шинами питания, вызывая искажения.

Рассмотрим схему ниже.

Базовая схема транзисторного LC-генератора

Биполярный транзистор используется в качестве усилителя LC-генераторов, а настроенная LC-контурная цепь действует как коллекторная нагрузка. Другая катушка L2 включена между базой и эмиттером транзистора, электромагнитное поле которого «взаимно» связано с полем катушки L.

Между двумя цепями существует «взаимная индуктивность», и изменяющийся ток, текущий в одной цепи катушки, за счет электромагнитной индукции индуцирует потенциальное напряжение в другой (эффект трансформатора), так что, когда в настроенной цепи возникают колебания, электромагнитная энергия передается от катушки L к катушке L2 и между базой и эмиттером транзистора подается напряжение той же частоты, что и в настроенной цепи. Таким образом, на усилительный транзистор подается необходимое напряжение автоматической обратной связи.

Величину обратной связи можно увеличить или уменьшить, изменяя связь между двумя катушками L и L2. Когда схема колеблется, ее полное сопротивление является резистивным, а напряжения коллектора и базы сдвинуты по фазе на 180°. Чтобы поддерживать колебания (так называемые стабильность частоты), напряжение, подаваемое на настроенную цепь, должно быть «синфазным» с колебаниями, происходящими в настроенной цепи.

Поэтому мы должны ввести дополнительный сдвиг фазы на 180о в цепь обратной связи между коллектором и базой. Это достигается путем намотки катушки L2 в правильном направлении относительно катушки L, что даёт нам правильные амплитудные и фазовые соотношения для схемы генераторов, или путем подключения схемы фазового сдвига между выходом и входом усилителя.

Таким образом, LC-генератор представляет собой «синусоидальный осциллятор» или «гармонический осциллятор», как его чаще называют. LC-генераторы могут генерировать высокочастотные синусоидальные волны для использования в приложениях радиочастотного (РЧ) типа с транзисторным усилителем, представляющим собой биполярный транзистор или полевой транзистор.

Гармонические генераторы бывают разных форм, поскольку существует множество различных способов построения сети LC-фильтров и усилителей, наиболее распространенными из которых являются LC-генератор Хартли, LC-генератор Колпитта, генератор Армстронга и генератор Клаппа, и это лишь некоторые из них.

Пример LC-генератора №1

Индуктивность 200 мГн и конденсатор 10 пФ соединены параллельно для создания контура LC-генератора. 

Вычислите частоту колебаний. 

Тогда мы можем видеть из приведенного выше примера, что уменьшение значения либо емкости C, либо индуктивности L приведет к увеличению частоты колебаний контура LC-резервуара.

ВЫВОДЫ относительно LC-генераторов

Основные условия, необходимые для резонансной схемы LC-генератора, приведены ниже.

• Для существования колебаний схема генератора ДОЛЖНА содержать реактивный (зависящий от частоты) компонент либо «Индуктор» (L) или «Конденсатор» (C), а также источник питания постоянного тока.

• В простой LC-цепи с индуктивностью и конденсатором колебания со временем затухают из-за потерь в компонентах и цепи.

• Усиление напряжения необходимо для преодоления этих потерь в схеме и обеспечения положительного усиления.

• Общий коэффициент усиления усилителя должен быть больше единицы.

• Колебания можно поддерживать, возвращая часть выходного напряжения в настроенную схему, которая имеет правильную амплитуду и синфазность (0o).

• Колебания могут возникать только при положительной обратной связи (самовосстановление).

• Общий фазовый сдвиг схемы должен быть равен нулю или 360°, чтобы выходной сигнал цепи обратной связи был «синфазным» с входным сигналом.

В следующем руководстве по генераторам мы рассмотрим работу одной из наиболее распространенных схем LC-генератора, в которой используются две катушки индуктивности для формирования индуктивности с центральным отводом в резонансной цепи резервуара. Этот тип схемы LC-генератора широко известен как генератор Хартли.

Продолжение следует

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик генераторов сигналов в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/generatory

Поставки со склада и под заказ