Не так просто з генераторами сигналів. Частина 1

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою генераторів сигналів, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Основи LC-генератора

Генератори – це електронні схеми, які генерують безперервний періодичний сигнал із точною частотою.

LC-генератор перетворює постійний вхідний струм (напруга живлення) у вихідний змінний струм (сигнал). Цей вихідний сигнал може мати широкий діапазон різних форм і частот і може бути складною за формою, або являти собою просту чисту синусоїдальну хвилю в залежності від застосування.

Генератори використовуються в багатьох частинах випробувального обладнання, що генерують або синусоїдальні, прямокутні, пилкоподібні або трикутні сигнали, або просто послідовність імпульсів змінної або постійної ширини, що повторюються. LC-генератори зазвичай використовуються в радіочастотних ланцюгах через їх хороші характеристики фазового шуму і простоту реалізації.

Генератор - це, по суті, підсилювач з «позитивним зворотним зв'язком» або регенеративним зворотним зв'язком (синфазно), і одна з багатьох проблем при проектуванні електронних схем - зупинити коливання підсилювачів при спробі змусити генератори коливатися.

Генератори працюють, тому що вони долають втрати у своєму ланцюгу резонатора зворотного зв'язку або у формі конденсатора, котушки індуктивності, або в тому й іншому ланцюгу, шляхом подачі енергії постійного струму на необхідній частоті в цей ланцюг резонатора. Іншими словами, генератор - це підсилювач, в якому використовується позитивний зворотний зв'язок, що генерує вихідну частоту без використання вхідного зовнішнього сигналу.

Таким чином, генератори являють собою схеми, що самопідтримуються, що генерують періодичний вихідний сигнал на одній синусоїдальній частоті. Таким чином, щоб будь-яка електронна схема могла працювати як генератор, вона повинна мати наступні три характеристики.

Якась форма посилення

Позитивний зворотний зв'язок (регенерація)

Мережа зворотного зв'язку з визначенням частоти

Генератор має невеликий підсилювач сигналу зі зворотним зв'язком з коефіцієнтом посилення розімкнутого контуру, що дорівнює одиниці або трохи більшим, щоб коливання почалися, але для продовження коливань середній коефіцієнт посилення контуру повинен повернутися до одиниці. Крім цих реактивних компонентів, потрібний підсилювальний пристрій, такий як операційний підсилювач або біполярний транзистор.

На відміну від підсилювача, для роботи генератора не потрібен зовнішній вхідний сигнал змінного струму, оскільки енергія джерела постійного струму перетворюється генератором на енергію змінного струму на потрібній частоті.

Базова схема зворотного зв'язку генератора

Где: β — доля обратной связи.

Коефіцієнт посилення генератора без зворотного зв'язку

Посилення генератора із зворотним зв'язком

Тоді генератори - це електричні ланцюги, які генерують безперервний вихідний сигнал напруги на одній частоті. Індуктори, конденсатори або резистори використовуються для формування частотно-виборчого резонансного контуру, який, по суті, є пасивним смуговим фільтром, що пропускає потрібну частоту, і мережі зворотного зв'язку.

Мережа зворотного зв'язку «подає» невеликий відсоток вихідного сигналу на вхід, щоб підтримувати коливання схеми. Кількість позитивного зворотного зв'язку, що використовується, повинна бути достатньо великою, щоб подолати будь-які втрати в ланцюгу, щоб коливання могли підтримуватися невизначено довго.

Мережа зворотного зв'язку по суті є схемою ослаблення, коефіцієнт посилення за напругою якої менше одиниці ( β <1 ). Коливання починаються, коли Aβ >1, а потім повертаються до одиниці (Aβ =1), коли коливання стають стійкими.

Частота LC-генераторів контролюється за допомогою налаштованого або резонансного індуктивно-ємнісного (LC) ланцюга, при цьому результуюча вихідна частота відома як частота коливань. Якщо зробити зворотний зв'язок генераторів реактивною мережею, фазовий кут зворотного зв'язку змінюватиметься в залежності від частоти, і це називається фазовим зсувом.

Існують основні типи осциляторів.

1. Синусоїдальні генератори – вони відомі як гармонічні генератори і зазвичай є генераторами типу «LC з налаштованим зворотним зв'язком» або «RC з налаштованим зворотним зв'язком», які генерують суто синусоїдальний сигнал постійної амплітуди та частоти.

2. Несинусоїдальні генератори – вони відомі як релаксаційні генератори та генерують складні несинусоїдальні сигнали, які дуже сильно змінюються. швидко переходять з одного стану стабільності в інший, наприклад, у формі хвилі прямокутної, трикутної або пилкоподібної хвилі.

Резонанс генератора

Коли постійна напруга, але частоти, що змінюється, прикладається до ланцюга, що складається з індуктора, конденсатора і резистора, реактивний опір ланцюгів конденсатор/резистор і індуктор/резистор має змінювати як амплітуду, так і фазу вихідного сигналу в порівнянні з вхідним сигналом, що обумовлено реактивним використовуваних компонентів.

На високих частотах реактивний опір конденсатора дуже мало, діючи як коротке замикання, тоді як реактивний опір дроселя велике, діючи як розімкнений ланцюг. На низьких частотах правильно зворотне: реактивний опір конденсатора діє як розімкнутий ланцюг, а реактивний опір котушки індуктивності діє як коротке замикання.

Між цими двома крайнощами комбінація котушки індуктивності і конденсатора створює «налаштований» або «резонансний» ланцюг з резонансною частотою (ƒr), в якій ємнісний та індуктивний реактивні опори рівні і компенсують один одного, залишаючи тільки опір ланцюг, протидіє протека. Це означає, що фазовий зсув відсутній, оскільки струм знаходиться у фазі з напругою.

Розглянемо схему нижче.

Базова схема LC-генератора

Схема складається з індуктивної котушки L і конденсатора C. Конденсатор зберігає енергію у формі електростатичного поля та створює потенціал (статичну напругу) на своїх обкладках, тоді як індуктивна котушка зберігає свою енергію у вигляді електромагнітного поля. Конденсатор заряджається до напруги живлення постійного струму шляхом переведення перемикача в положення А. Коли конденсатор повністю заряджений, перемикач переходить в положення В.

Заряджений конденсатор тепер підключений паралельно до індуктивної котушки, тому конденсатор починає розряджатися через котушку. Напруга на C починає падати, коли струм через котушку починає зростати.

Цей зростаючий струм створює навколо котушки електромагнітне поле, яке чинить опір потоку струму. Коли конденсатор C повністю розряджається, енергія, спочатку запасена в конденсаторі, C як електростатичного поля тепер зберігається в індуктивній котушці, L у вигляді електромагнітного поля навколо обмоток котушки.

Оскільки тепер у ланцюгу немає зовнішньої напруги підтримки струму всередині котушки, воно починає падати, оскільки електромагнітне поле починає руйнуватися. У котушці індукується проти-ЕРС (e = -Ldi/dt), що утримує струм у вихідному напрямку.

Цей струм заряджає конденсатор З полярністю, протилежної його початковому заряду. C продовжує заряджатися доти, доки струм не зменшиться до нуля і електромагнітне поле котушки повністю не зникне.

Енергія, спочатку введена в ланцюг через перемикач, повернулася до конденсатора, який знову має потенціал електростатичної напруги на ньому, хоча тепер має протилежну полярність. Конденсатор знову починає розряджатися через котушку, і весь процес повторюється. Полярність напруги змінюється в міру того, як енергія передається туди і назад між конденсатором і котушкою індуктивності, створюючи напругу змінного струму і форму хвилі струму.

Потім цей процес формує основу резервуарної схеми LC-генераторів, і теоретично цей циклічний рух уперед і назад продовжуватиметься нескінченно. Однак справи не ідеальні, і щоразу, коли енергія передається від конденсатора C до індуктора L і назад від L до C, відбуваються деякі втрати енергії, які згодом згасають коливання до нуля.

Ця коливальна дія передачі енергії туди й назад між конденсатором C і котушкою індуктивності L тривала б нескінченно, якби втрати енергії всередині ланцюга. Електрична енергія втрачається в постійному струмі або реальному опорі котушки індуктивності, діелектриці конденсатора і випромінюванні ланцюга, тому коливання поступово зменшуються, поки вони повністю не згаснуть і процес не зупиниться.

Тоді в практичному LC-ланцюзі амплітуда коливальної напруги зменшується на кожному напівперіоді коливань і зрештою згасає до нуля. У цьому випадку кажуть, що коливання "загасають", при цьому величина загасання визначається якістю або добротністю ланцюга.

Затухаючі коливання

Частота коливальної напруги залежить від значення індуктивності та ємності в ланцюзі LC-резервуару. Тепер ми знаємо, що для того, щоб у ланцюгу резервуара виник резонанс, має бути точка частоти, в якій значення XC, ємнісний реактивний опір такий самий, як значення XL, індуктивний реактивний опір (XL = XC), і який, отже, буде компенсувати один одного, залишаючи в ланцюзі тільки опір постійному струму, що протидіє перебігу струму.

Якщо тепер ми помістимо криву індуктивного реактивного опору дроселя поверх кривої ємнісного реактивного опору конденсатора так, щоб обидві криві знаходилися на одній і тій же осі частот, точка перетину дасть нам точку резонансної частоти ( r або r) як показано нижче.

Резонансна частота

Де: ƒr - у герцях, L - у генрі, а C - у фарадах.

Тоді частота, з якою це відбуватиметься, визначається як:

Потім, спрощуючи наведене вище рівняння, ми отримуємо остаточне рівняння для резонансної частоти в налаштованої LC-ланцюга:

Резонансна частота LC-генератора

Де:

• L - індуктивність у генрі.

• C — ємність у фарадах.

• ƒr — вихідна частота у герцах.

Це рівняння показує, якщо L або C зменшуються, частота збільшується. Цій вихідній частоті зазвичай надається скорочення (ƒr), щоб позначити її як «резонансну частоту».

Щоб підтримувати коливання в контурі LC-резервуару, нам необхідно заповнювати всю енергію, яка втрачається при кожному коливанні, а також підтримувати амплітуду цих коливань на постійному рівні. Тому кількість заміненої енергії має дорівнювати енергії, втраченої протягом кожного циклу.

Якщо замінена енергія занадто велика, амплітуда збільшуватиметься доти, доки не відбудеться перекриття шин живлення. Альтернативно, якщо кількість заміненої енергії надто мала, амплітуда з часом зменшиться до нуля, і коливання припиняться.

Найпростіший спосіб заповнити цю втрачену енергію – взяти частину вихідного сигналу з контуру LC-резервуару, посилити його і потім знову подати назад до контуру LC. Цього процесу можна досягти за допомогою підсилювача напруги, який використовує як активний пристрій операційний підсилювач, польовий транзистор або біполярний транзистор. Однак, якщо посилення контуру підсилювача зворотного зв'язку занадто мало, бажане коливання згасає до нуля, а якщо воно занадто велике, форма сигналу спотворюється.

Для створення постійних коливань необхідно точно контролювати рівень енергії, що повертається до мережі LC. Тоді має бути якась форма автоматичного регулювання амплітуди або посилення, коли амплітуда намагається відхилитися від опорної напруги у більшу чи меншу сторону.

Для підтримки стабільних коливань загальний коефіцієнт посилення схеми повинен дорівнювати одиниці або одиниці. Якщо менше, то коливання не почнуться або затихнуть до нуля, якщо більше коливання виникатимуть, але амплітуда обмежуватиметься шинами живлення, викликаючи спотворення.

Розглянемо схему нижче.

Базова схема транзисторного LC-генератора

Біполярний транзистор використовується як підсилювач LC-генераторів, а налаштований LC-контурний ланцюг діє як колекторне навантаження. Інша котушка L2 включена між базою та емітером транзистора, електромагнітне поле якого «взаємно» пов'язане з полем котушки L.

Між двома ланцюгами існує «взаємна індуктивність», і струм, що змінюється в одному ланцюгу котушки, за рахунок електромагнітної індукції індукує потенційну напругу в іншій (ефект трансформатора), так що, коли в налаштованому ланцюгу виникають коливання, електромагнітна енергія передається від котушки L котушці L2 між базою і емітером транзистора подається напруга тієї ж частоти, що і в налаштованому ланцюгу. Таким чином, на підсилювальний транзистор подається необхідна напруга автоматичного зворотного зв'язку.

Величину зворотний зв'язок можна збільшити або зменшити, змінюючи зв'язок між двома котушками L і L2. Коли схема коливається, її опір є резистивним, а напруги колектора і бази зсунуті по фазі на 180°. Щоб підтримувати коливання (так звані стабільність частоти), напруга, що подається на налаштований ланцюг, має бути «синфазною» з коливаннями, що відбуваються в налаштованому ланцюзі.

Тому ми повинні ввести додатковий зсув фази на 180о ланцюг зворотного зв'язку між колектором і базою. Це досягається шляхом намотування котушки L2 у правильному напрямку щодо котушки L, що дає нам правильні амплітудні та фазові співвідношення для схеми генераторів або шляхом підключення схеми фазового зсуву між виходом і входом підсилювача.

Таким чином, LC-генератор є «синусоїдальним осцилятором» або «гармонічним осцилятором», як його частіше називають. LC-генератори можуть генерувати високочастотні синусоїдальні хвилі для використання в додатках радіочастотного (РЧ) типу з транзисторним підсилювачем, що є біполярним транзистором або польовим транзистором.

Гармонічні генератори бувають різних форм, оскільки існує безліч різних способів побудови мережі LC-фільтрів та підсилювачів, найбільш поширеними з яких є LC-генератор Хартлі, LC-генератор Колпіта, генератор Армстронга та генератор Клаппа, і це лише деякі з них.

Приклад LC-генератора №1

Індуктивність 200 мГн та конденсатор 10 пФ з'єднані паралельно для створення контуру LC-генератора. 

Обчисліть частоту коливань.

Тоді ми можемо бачити з наведеного вище прикладу, що зменшення значення ємності C, або індуктивності L призведе до збільшення частоти коливань контуру LC-резервуару.

ВИСНОВКИ щодо LC-генераторів

Основні умови, необхідні резонансної схеми LC-генератора, наведені нижче.

• Для існування коливань схема генератора ПОВИННА містити реактивний (залежний від частоти) компонент або Індуктор (L) або Конденсатор (C), а також джерело живлення постійного струму.

• У простій LC-ланцюзі з індуктивністю та конденсатором коливання згодом згасають через втрати в компонентах та ланцюгах.

• Посилення напруги необхідно для подолання цих втрат у схемі та забезпечення позитивного посилення.

• Загальний коефіцієнт посилення підсилювача має бути більшим за одиниці.

• Коливання можна підтримувати, повертаючи частину вихідної напруги в налаштовану схему, яка має правильну амплітуду та синфазність (0o).

• Коливання можуть виникати лише за умови позитивного зворотного зв'язку (самовосстановлення).

• Загальний фазовий зсув схеми повинен дорівнювати нулю або 360°, щоб вихідний сигнал ланцюга зворотного зв'язку був «синфазним» із вхідним сигналом.

У наступному посібнику з генераторів ми розглянемо роботу однієї з найбільш поширених схем LC-генератора, в якій використовуються дві котушки індуктивності для формування індуктивності з центральним відведенням резонансної ланцюга резервуара. Цей тип схеми LC-генератора широко відомий як генератор Хартлі.

Далі буде

Магазин Gtest® - авторизований постачальник генераторів сигналів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/generatory

Постачання зі складу та на замовлення