Что такое электронный генератор
Перейти к содержимому

Что такое электронный генератор

  • автор:

Электронный генератор

Электронные генераторы — большое множество устройств в радиотехнике и электронике (радиоэлектронике). Генератор представляет собой электронный усилитель охваченный цепью положительной обратной связи с фильтром.

Содержание

Виды электронных генераторов

  • По форме выходного сигнала:
    • Синусоидальных, гармонических колебаний (сигналов) (генератор Мейснера, генератор Хартли (индуктивная трёхточка), генератор Колпитца (ёмкостная трёхточка) и др.) [1]
    • Прямоугольных импульсов — мультивибраторы, тактовые генераторы
    • Функциональный генератор — прямоугольных, треугольных и синусоидальных импульсов
    • Низкочастотные
    • Высокочастотные
    • Стабилизированные кварцевым резонатором — Генератор Пирса
    • LC-генераторы [2][3]

    Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток. Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью. Однофазные генераторы ещё большей мощности строят по четырёхтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно ещё вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трёхфазные двухтактные (полумостовые) и четырёхтактные (полномостовые) генераторы. Мощные преобразователи называются силовыми инверторами и относятся к силовой электронике.

    Генераторы гармонических колебаний

    Генератор (производитель) электрических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Усилитель с отрицательной обратной связью является дискриминатором (подавителем, активным фильтром). Усилитель генератора может быть как однокаскадным, так и многокаскадным.

    Цепи положительной обратной связи выполняют две функции: сдвиг сигнала по фазе для получения петлевого сдвига близкого к n*2π и фильтра, пропускающего нужную частоту. Функции сдвига фазы и фильтра могут быть распределены на две составные части генератора — на усилитель и на цепи положительной обратной связи или целиком возложены на цепи положительной обратной связи. В цепи положительной обратной связи могут стоять усилители.

    Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний являются:
    1. петлевой сдвиг фазы равный n*360°±90°,
    2. петлевое усиление >1,
    3. рабочая точка усилительного каскада в середине диапазона входных значений.
    Необходимость третьего условия.
    Петлевой сдвиг фазы и в триггере и в генераторе равен около 360°. Петлевое усиление в триггере почти вдвое больше, чем в генераторе, но триггер не генерирует, т.к. рабочие точки каскадов в триггере смещены на края диапазона входных значений и эти состояния в триггере устойчивы, а состояние со средней величиной входных значений — неустойчиво. Такой характеристикой обладает компаратор.
    В гармоническом генераторе среднее состояние устойчивое, а отклонения от среднего состояния неустойчивые.

    История

    В 1887 году Генрих Герц на основе катушки Румкорфа изобрёл и построил искровой генератор электромагнитных волн.

    В 1913 году Александр Мейснер (Германия) изобрёл электронный генератор Мейснера на ламповом каскаде с общим катодом с колебательным контуром в выходной (анодной) цепи с трансформаторной положительной обратной связью на сетку. [4]

    В 1914 году Эдвин Армстронг (США) запатентовал электронный генератор на ламповом каскаде с общим катодом с колебательным контуром во входной (сеточной) цепи с трансформаторной положительной обратной связью на сетку.

    В 1915 году американский инженер из Western Electric Company Ральф Хартли, разработал ламповую схему известную как генератор Хартли, известную также как индуктивная трёхточечная схема («индуктивная трёхточка»). В отличие от схемы А. Мейсснера, в ней использовано автотрансформаторное включение контура. Рабочая частота такого генератора обычно выше резонансной частоты контура.

    В 1919 году Эдвин Колпитц изобрёл генератор Колпитца на электронной лампе с подключением к колебательному контуру через ёмкостной делитель напряжения, часто называемый «ёмкостная трёхточка».

    В 1932 году американец Гарри Найквист разработал теорию устойчивости усилителей, которая также применима и для описания устойчивости генераторов. (Критерий устойчивости Найквиста-Михайлова).

    Позже было изобретено множество других электронных генераторов.

    Устойчивость генераторов

    Устойчивость генераторов складывается из двух составляющих: устойчивость усилительного каскада по постоянному току и устойчивость генератора по переменному току.

    Фазовый анализ генератора Мейснера.

    Генераторы «индуктивная трёхточка» и «ёмкостная трёхточка» могут быть построены как на инвертирующих каскадах (с общим катодом, с общим эмиттером), так и на неинвертирующих каскадах (с общей сеткой, с общим анодом, с общей базой, с общим коллектором).

    Каскад с общим катодом (с общим эмиттером) сдвигает фазу входного сигнала на 180°. Трансформатор, при согласном включении обмоток, сдвигает фазу ещё на приблизительно 180°. Суммарный петлевой сдвиг фазы составляет приблизительно 360°. Запас устойчивости по фазе максимален и равен почти ± 90°. Таким образом генератор Мейснера относится, с точки зрения теории автоматического управления (ТАУ), к почти идеальным генераторам. В транзисторной технике каскаду с общим катодом соответствует каскад с общим эмиттером.

    Фазовый анализ LC-генератора с СR положительной обратной связью

    Colpitts ob.jpg

    Fazowaja diagramma2.jpg

    LC-генераторы на каскаде с общей базой наиболее высокочастотны, применяются в селекторах каналов почти всех телевизоров, в гетеродинах УКВ приёмников. Для гальванической развязки в цепи положительной обратной связи с коллектора на эмиттер стоит CR-цепочка, которая сдвигает фазу на 60°. Генератор работает, но не на частоте свободных колебаний контура, а на частоте вынужденных колебаний, из-за этого генератор излучает две частоты: большую — на частоте вынужденных колебаний и меньшую на частоте свободных колебаний контура. При первой итерации две частоты образуют четыре: две исходные и две суммарноразностные. При второй итерации четыре частоты производят ещё большее число суммарноразностных частот. В результате, при большом числе итераций получается целый спектр частот, который в приёмниках смешивается с входным сигналом и образует ещё большее число суммарноразностных частот. Затем всё это подаётся в блок обработки сигнала. Кроме этого, запас устойчивости работы по фазе этого генератора составляет +30°. Чтобы уменьшить шунтирование контура каскадом применяют частичное включение контура через ёмкостной делитель, но при этом происходит дополнительный перекос фазы. При одинаковых ёмкостях дополнительный перекос фазы составляет 45°. Суммарный петлевой сдвиг фазы 60°+45°=105° оказывается больше 90° и устройство попадает из области генераторов в область дискриминаторов, генерация срывается. Существует ряд формул для определения ёмкостей делителя, чтобы не сорвалась генерация, но запас устойчивости по фазе составляет менее 30°, что образно похоже на корабль плывущий с креном 60° и более градусов.

    Генератор Мейснера на каскаде с общей базой, с частичным включением контура без перекоса фазы.

    Meisner bez perekosa fazy.jpg

    Fazowaja diagramma1.jpg

    Если в «ёмкостной трёхточке» на каскаде с общей базой в цепи положительной обратной связи вместо CR-цепочки включить трансформатор со встречным включением обмоток, то петлевой сдвиг фазы составит около 360°. Генератор станет почти идеальным. Чтобы уменьшить шунтирование контура каскадом и не внести дополнительного перекоса фазы, нужно применить частичное включение контура без дополнительного перекоса фазы через два симметричных отвода от катушки индуктивности. Такой генератор будет излучать одну частоту, то есть будет подобен монохроматорам в оптике, и будет иметь наибольший запас устойчивости по фазе (± 90°), что образно похоже на корабль плывущий без крена.

    Тема 2.5. Электронные генераторы и измерительные приборы

    Электронные аналоговые и цифровые измерительные приборы используются измерениях постоянных и переменных электрических сигналов, в первую очередь амплитуды, частоты, фазы, а также при измерениях и анализе характеристик нестационарных и быстропротекающих процессов. Электронные приборы включают последовательность электронных измерительных преобразователей, с помощью которых производится обработка измерительной информации и извлечение из нее размера требуемой физической величины, отображение полученных значений в аналоговом или цифровом виде. При этом надо иметь в виду, что наличие цифрового дисплея еще не делает сам прибор цифровым, если вся обработка информационного сигнала осуществляется в аналоговой форме.

    По сравнению с электромеханическими приборами электронные имеют значительно большие функциональные возможности и большую точность, а в силу большого входного сопротивления позволяют значительно уменьшить возможное влияние на источник сигнала.

    Электронные приборы уступают цифровым и микропроцессорным по многим показателям. Однако у них есть качества – прямое преобразование сигнала, независимость от программного обеспечения, работа в реальном времени и наглядность представления информации, что во многих случаях делает их незаменимыми. Прежде всего эти качества востребованы при наладке и настройке радиоэлектронного оборудования, в т.ч. и измерительного, при отладке методик измерения. Кроме того многие аналоговые электронные приборы, которые по сути есть измерительные преобразователи реального времени, являются базой для создания на их основе соответствующих цифровых и микропроцессорных приборов.

    Э лектронные генераторы

    Устройства, преобразующие электроэнергию источника постоянного тока в незатухающую энергию электрических колебаний расчетной частоты и формы, называются электронные генераторы.

    Такие генераторы приобрели популярность в электронике, компьютерной технике, радиоприемниках. Генераторами может выдаваться сигнал частотой до нескольких мегагерц. Форма выходного напряжения имеет формы синусоиды, прямоугольника и пилы.

    ГЛАВА 20. ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

    источника постоянного тока в энергию незатухающих электрических колебаний заданной формы и частоты .

    Электронные генераторы широко используют в радиоаппаратуре , измерительной технике , устройствах автоматики , электронно — вычислительных машинах и т . д .

    По способу возбуждения генераторы подразделяют на генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением ( автогенераторы ). Генераторы с независимым возбуждением являются усилителями колебаний , которые вырабатывают посторонние источники .

    Автогенераторы сами создают незатухающие колебания за счет использования положительной обратной связи ( см . § 19.4).

    Среди автогенераторов можно выделить генераторы синусоидальных колебаний и импульсные генераторы . Генераторы синусоидальных колебаний подразделяют на автогенераторы типа LC и автогенераторы типа RC.

    §20.2. Транзисторный автогенератор типа LC

    Автогенераторы типа LC различают по способу создания положительной обратной связи как автогенераторы с емкостной , автотрансформаторной и индуктивной ( транформаторной ) связью . Они состоят из колебательного контура , в котором возбуждаются колебания нужной частоты ; усилительного элемента ( транзистора ), усиливающего сигнал , попадающий на его вход через цепь обратной связи ; цепи положительной обратной связи , обеспечивающей подачу энергии с выхода схемы на ее вход в нужном количестве и в должной фазе ; источника с постоянной ЭДС , энергия которого преобразуется в колебательную энергию в контуре .

    Рис . 20.1. Схема транзисторного автогенератора с

    Рис . 20.2. Колебательная характеристика автогенератора

    На рис . 20.1 приведена схема транзисторного автогенератора с индуктивной связью . При подключении к источнику питания E к конденсатор контура С к заряжается по цепи : + E к , резистор R 3 , эмиттер , база , коллектор транзистора Т , С к ( — Е к ). Конденсатор С к и индуктивная катушка образуют параллельный колебательный контур , и , так как конденсатор С к накопил определенную энергию , в контуре возникают свободные колебания с частотой f 0 , которая определяется параметрами этого контура . В результате индуктивной связи между катушками L к и L oc в катушке обратной связи L oc наводится переменное напряжение той же частоты , что и в контуре . Это напряжение подводится к участку эмиттер — база транзистора , что вызывает пульсацию коллекторного тока с частотой f 0 .

    Если обратная связь положительная , переменная составляющая коллекторного тока усиливает колебания в контуре , что вызывает увеличение амплитуды переменного напряжения на входе транзистора . Это , в свою очередь , вызывает новое увеличение амплитуды переменной составляющей коллекторного тока и т . д . Нарастание амплитуды переменной составляющей коллекторного тока ограничено , так как связь между входным и выходным напряжением

    транзистора определяется характеристикой , приведенной на рис . 20.2. Надо иметь в виду , что для

    установления режима незатухающих колебаний в контуре недостаточно только обеспечить положительную обратную связь . Необходимо , чтобы потери энергии в контуре были полностью скомпенсированы усилителем за счет энергии источника постоянного тока .

    Таким образом , незатухающие колебания в контуре генератора устанавливаются при выполнении двух условий , которые называют условиями самовозбуждения . Это условие баланса фаз , которое обеспечивается положительной обратной связью , и условие баланса амплитуд , зависящее от значения коэффициента обратной связи β .

    Карточка № 20.1 (251) Транзисторный автогенератор типа LC

    Чем отличается автогенератор от усилителя ?

    Видом усилительного элемента

    Наличием положительной обратной связи

    При сборке схемы автогенератора ( см . рис . 20.1)

    Поменять местами провода , идущие к С к

    было нарушено условие баланса фаз . Каким

    Заменить катушку L о c на другую

    образом можно обеспечить выполнение этого

    Поменять местами провода , идущие к L oc

    схемы ( см . рис . 20.1) надо

    изменить , чтобы обеспечить условие баланса

    между L к и L о c

    Соотношение между R 1 и R 2

    ( рис . 20.1) играет

    конденсатор С э ?

    составляющей коллекторного тока

    потенциала сигнала обратной связи на

    по переменной составляющей

    L к ; С к ; С э ; С б

    основном влияют на частоту колебаний ?

    §20.3. Транзисторный автогенератор типа RC

    Автогенераторы типа LC применяют в основном на частотах выше 20 кГц , так как для более низких частот конструкция таких колебательных контуров громоздка . Для получения

    синусоидальных колебаний на низких частотах применяют более простые и дешевые генераторы типа RC. Простейшая схема такого генератора приведена на рис . 20.3.

    Вместо колебательного контура в схеме включен резистор R н , а положительная обратная связь осуществляется через фазовращательную цепь , состоящую из трех звеньев RC. Если выход данной схемы соединить непосредственно с входом , обеспечив при этом условия самовозбуждения , то генерируемые колебания не будут синусоидальными . Для того чтобы схема вырабатывала именно синусоидальные колебания , положительная обратная связь должна обеспечиваться только для одной определенной гармоники • несинусоидальных колебаний . Эту функцию и выполняет фазовращательная цепь RC.

    Параметры цепи должны быть выбраны так , чтобы при увеличении коллекторного тока и , следовательно , увеличении потенциала коллектора потенциал базы ( рис . 20.3) уменьшался . Иными словами , напряжения на коллекторе и на базе должны находиться в противофазе . Это и есть условие баланса фаз . Покажем с помощью упрощенной векторной диаграммы ( рис . 20.4), как выполняется это условие . При этом будем полагать , что током в каждом последующем звене цепи RC можно пренебречь по сравнению с током в предыдущем звене . Переменная составляющая коллекторного напряжения U к вызовет в цепи C 1 R 1 ток , опережающий это напряжение по фазе на некоторый угол . Этот угол определяется соотношением между Х C1 и R 1 , и может быть выбран

    равным 60°. Напряжение U R1 в свою очередь , вызовет в цепи C 2 R 2 ток с таким же соотношением параметров , как и в цепи C 1 R 1 . Это обеспечит сдвиг по фазе между U R1 и U R2 также на 60° и т . д . В итоге напряжение на R 2 , приложенное к участку база — эмиттер транзистора Т ( см . рис . 20.3), окажется сдвинутым по отношению к U к на 180°. Частота синусоидальных колебаний в схеме

    определяется параметрами цепи RC и при условии C 1 =C 2 =C 3 =C; R 1 =R 2 =R 3 +R’ 2 =Rf 0 =1/(2 π 6 R С ).

    Рис . 20.3. Схема транзисторного автогенератора типа RC

    Рис . 20.4. Упрощенная векторная диаграмма напряжений

    Для выполнения условия баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя должен быть больше ослабления , вносимого фазовращательной цепью RC. Для схемы , приведенной на рис . 20.3, это ослабление равно 29.

    Электронные генераторы. Виды и устройство. Работа и особенности

    Устройства, преобразующие электроэнергию источника постоянного тока в незатухающую энергию электрических колебаний расчетной частоты и формы, называются электронные генераторы.

    Электронные генераторы

    Такие генераторы приобрели популярность в электронике, компьютерной технике, радиоприемниках. Генераторами может выдаваться сигнал частотой до нескольких мегагерц. Форма выходного напряжения имеет формы синусоиды, прямоугольника и пилы.

    Elektronnye generatory forma vykhodnogo napriazheniia

    Контур колебаний получает возбуждение от наружного источника тока, появляются колебания, которые со временем затухают, так как сопротивление поглощает энергию. Чтобы колебания не затухали, в контуре нужно восполнять потерю энергии. Этот процесс восполнения выполняется положительной обратной связью. Эта связь подает в контур некоторую часть сигнала, который должен совпадать с сигналом обратной связи.

    Elektronnye generatory struktura

    Электронные генераторы состоят из следующих частей:
    • Контур колебаний, задающий частоту генератора.
    • Усилитель, повышающий амплитуду сигнала на выходе контура колебаний.
    • Обратная связь, подающая некоторое количество энергии в контур.

    Электронные генераторы используют постоянный ток для образования колебаний переменного тока, и являются схемами с положительной связью.

    Классификация

    Электронные генераторы делятся на несколько классов по различным параметрам. Рассмотрим основные разновидности таких генераторов.

    По форме сигнала:
    • В виде синусоиды.
    • Прямоугольные.
    • В форме пилы.
    • Специальные.
    Частоте:
    • Высокочастотные (более 100 килогерц).
    • Низкочастотные (менее 100 килогерц).
    По возбуждению:
    • С независимым возбуждением.
    • Автогенераторы (самовозбуждение).

    Автоматическим генератором называют устройство, которое самостоятельно возбуждается, без воздействия извне, преобразует поступающую энергию в колебания. Электронные генераторы выполняются по схемам, аналогичным усилителям, за исключением отсутствия питания сигнала входа. Вместо него используют обратную связь, которая является передачей некоторого количества сигнала выхода на вход.

    Определенная форма сигнала создается обратной связью. Частота колебаний создается на цепях RС или LС, и зависит от времени зарядки емкости. Сигнал обратной связи приходит на вход усилителя, где повышается в несколько раз и выходит. Часть сигнала возвращается и ослабевает в несколько раз, что дает возможность поддерживать одинаковую амплитуду сигнала на выходе.

    Генераторы с внешним видом возбуждения считаются усилителями мощности с определенным частотным интервалом. На его вход подается сигнал от автогенератора, усиливается определенный интервал частот.

    Электронные генераторы RС

    Для образования низкочастотных генераторов применяют усилители. В них вместо обратной связи монтируют RС цепи для создания некоторой частоты колебаний. Эти цепи являются фильтрами частоты, которые пропускают сигналы в специальном интервале частот и не пропускают за его пределами. По обратной связи возвращается некоторая полоса частот.

    Типы фильтров

    Elektronnye generatory vidy filtrov

    • Низкочастотные фильтры.
    • Высокочастотные фильтры.
    • Полосовые фильтры.
    • Заграждающие фильтры.

    Характеристикой фильтра является частота среза. Если взять положение ниже этой частоты, или выше, то сигнал значительно уменьшается. Заграждающие и полосовые фильтры имеют характеристику в виде ширины полосы.

    Elektronnye generatory skhema 1

    На рисунке изображена цепь генератора с синусоидальным сигналом. Усиление определяется цепью обратной связи R1, R2. Для создания нулевого сдвига по фазе обратная связь подключена от выхода усилителя на неинвертирующий его вход. Цепь обратной связи выступает в качестве полосового фильтра.

    Для стабилизации величины частоты пользуются кварцевыми резонаторами, которые состоят из минеральной тонкой пластины, закрепленной в держателе. Кварц славится своим пьезоэффектом. Это дает возможность применять его в качестве системы, аналогичной колебательному контуру со свойством резонанса. Частота резонанса пластин колеблется от единиц до тысяч мегагерц.

    Мультивибраторы

    Эти электронные генераторы создают колебания формы прямоугольника, являются 2-х каскадным усилителем с обратной связью на основе резисторов. Выходы каскадов соединены со входами. Название этого генератора объясняет наличие значительного количества гармоник.

    Мультивибратор способен действовать в нескольких режимах:
    • Автоколебательный режим.
    • Синхронизация.
    • Ждущий режим.

    В первом виде режима мультивибратор работает с самовозбуждением. При синхронизации на генератор оказывает воздействие внешнее напряжение с частотой импульсов. Ждущий режим подразумевает работу с внешним возбуждением.

    Автоколебательный режим мультивибратора

    Устройство мультивибратора включает в себя два каскада усилителя с резисторами. Выходы каскадов подключены ко входам других каскадов через емкости С1 и С2.

    Avtokolebatelnyi rezhim multivibratora

    Мультивибраторы с аналогичными транзисторами и симметричными компонентами имеют название симметричных.

    В режиме автоколебаний мультивибратор может находиться в 2-х состояниях равновесия:
    1. Один транзистор в насыщении, второй в отсечке.
    2. Первый транзистор на отсечке, другой в насыщении.

    Такие положения неустойчивы. Одна схема переходит в другую с эффектом лавины с помощью обратной связи. Для оптимизации формы импульсов на выходе генератора подключают разделительные диоды в схемы коллекторов. Через диоды подключают вспомогательные резисторы.

    Avtokolebatelnyi rezhim multivibratora 2

    По такой схеме после закрытия одного транзистора и уменьшения потенциала коллектора диод тоже закрывается. При этом он отключает конденсатор от цепи. Конденсатор заряжается через вспомогательный резистор. Наибольшая длина импульсов определяется параметрами частоты транзисторов.

    Такой тип схемы дает возможность создать импульсы практически прямоугольной формы. В качестве недостатков можно отметить малую скважность и невозможность плавного регулирования периода колебаний.

    Avtokolebatelnyi rezhim multivibratora 3

    По такой схеме резисторы R2 и R5 включены параллельно емкостям С1 и С2. Резисторы R(1, 3, 4, 6) создают делители напряжения, которые стабилизируют потенциал базы транзистора. При коммутации мультивибратора ток базы резко меняется. Это уменьшает время снижения зарядов в базе и увеличивает скорость выхода транзистора из насыщения.

    Ждущий мультивибратор (одиночный)

    Если мультивибратор действует в режиме автоколебаний и не имеет устойчивости, то его можно преобразовать в генератор с одной устойчивой позицией и одной неустойчивой позицией. Такие цепи имеют название одновибраторов (релаксационных реле). Чтобы перевести схему из одного состояния в другое, необходимо воздействие внешнего импульса.

    В неустойчивой позиции цепь находится некоторое время, зависящее от ее параметров. Далее она скачкообразно возвращается в устойчивую позицию. Чтобы получить ждущий режим генератора, необходимо собрать следующую схему:

    ZHdushchii multivibrator

    В исходном положении транзистор VТ1 находится в закрытом виде. При поступлении на вход плюсового импульса по транзистору идет ток коллектора. При изменении разности потенциалов на транзисторе VТ1 оно подается через емкость С2 на базу VТ2. С помощью обратной связи повышается лавинный эффект, который приводит к закрытию VТ2 и открытию VТ1.

    В такой неустойчивой позиции схема находится до полного разряда емкости С2. Далее транзистор VТ2 открывается, VТ1 закрывается. Положение схемы возвращается в первоначальную позицию.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *