Общие сведения о генераторах

Тема: Измерительные генераторы

ЛЕКЦИЯ 10

План лекции:

10.1. Общие сведения о генераторах

10.3 Цифровые измерительные генераторы низких частот

10.2. Генераторы гармонических колебаний

Измерительные генераторы сигналов (автогенераторы) – источники сигналов различных форм и частот, предназначенные для работы с радиоэлектронными схемами. Они имеют ряд принципиальных отличий от обычных генераторов: обладают возможностью точной установки и регулировки выходных параметров колебаний (частоты, формы и уровня напряжения или мощности) в широких диапазонах; имеют высокую стабильность параметров и встроенные измерительные приборы, позволяющие контролировать установки сигналов; могут работать совместно с другими средствами измерения и программного управления.

В зависимости от формы выходных сигналов различают измерительные генераторы гармонических и релаксационных (импульсных) колебаний. В спектре выходного сигнала генератора гармонических колебаний имеется одна или несколько гармоник. Выходные колебания релаксационного генератора содержат широкий спектр гармоник, имеющих соизмеримые амплитуды.

По частотному диапазону генераторы делятся на: инфранизкочастотные (0,01...20) Гц, низкочастотные, или генераторы звукового диапазона (20 Гц...30 кГц), генераторы высоких частот (0,3...300) МГц, сверхвысокочастотные свыше 300 МГц.

Особую группу представляют генераторы случайных колебаний (сигналов) – измерительные генераторы шумовых сигналов. Отметим также генераторы псевдослучайных и линейно-изменяющихся напряжений (ГЛИН), которые относятся к релаксационным генераторам. Такие генераторы используют как измерительные, так и в качестве генераторов разверток.

Независимо от назначения, принципа действия и схемотехнического выполнения генератор любых перечисленных колебаний (кроме параметрических схем генерации) состоит из нелинейного усилителя, цепи положительной обратной связи и источника питания постоянного тока. Форма и частота выходных колебаний определяются только параметрами самого генератора.

Генератор гармонических колебаний должен содержать в своем составе узкополосную колебательную систему. Принцип действия релаксационных генераторов основан на зарядно-разрядных или накопительно-поглощающих явлениях, протекающих в широкополосных энергоемких цепях положительной обратной связи.

Рассмотрим условия самовозбуждения генератора гармонических колебаний. Для возбуждения и генерации колебаний часть их мощности с выхода усилителя (точнее, с колебательной системы) подается на его вход по специально введенной цепи положительной обратной связи (ОС). Говоря иначе, подобное устройство «возбуждает само себя» и поэтому называется генератором с самовозбуждением.

Механизм возникновения колебаний в генераторе можно упрощенно трактовать следующим образом. В момент запуска в колебательной системе самопроизвольно возникают слабые свободные колебания, обусловленные включением источников питания, замыканием цепей, скачками токов и напряжений в усилительном приборе и т. д. Благодаря введению цепи положительной ОС часть энергии колебаний с выхода усилителя поступает на его вход. Из-за наличия узкополосной колебательной системы все описанные процессы происходят на одной частоте и резко затухают на других частотах.

Вначале, после включения питания генератора, усиление возникшего в колебательной системе сигнала происходит в линейном режиме, а затем, по мере роста амплитуды колебаний, существенную роль начинают играть нелинейные свойства усилительного элемента. В результате амплитуда выходных колебаний генератора достигает некоторого установившегося уровня и потом становится практически неизменной. Энергия, отбираемая от источника постоянного тока усилителем схемы за один период колебаний, оказывается равной энергии, расходуемой за то же время в нагрузке. В этом случае говорят о стационарном режиме работы генератора.

Генератор гармонических колебаний (как и колебаний любой формы и частоты) можно представить обобщенной структурной схемой (рис. 10.1).

Рисунок 10.1 – Обобщенная структурная схема генератора

Данная схема состоит из нелинейного резонансного усилителя с комплексным коэффициентом усиления и цепи положительной ОС с комплексным коэффициентом передачи по напряжению . В представленной схеме генератора отмечены комплексные амплитуды следующих напряжений: входного – ; выходного – и обратной связи .

Выражение для напряжения обратной связи на любой частоте генерации запишем в виде:

;

Отсюда следует, что автогенератор будет работать в стационарном режиме при условии, когда:

Если , то амплитуда выходных колебаний нарастает, что определяет необходимое условие самовозбуждения генератора. Представим формулу следующим образом:

Здесь показатели и – действительные значения коэффициента усиления собственно усилителя (без цепи ОС) и коэффициента передачи цепи положительной ОС; и – фазовые сдвиги, вносимые соответственно усилителем и цепью положительной ОС на текущей частоте .

В теории генераторов представляют двумя равенствами:

;

где – коэффициент усиления усилителя с цепью положительной обратной связи;

Соотношение определяет условие баланса амплитуд в автогенераторе. Из него следует, что в стационарном режиме на генерируемой частоте коэффициент усиления усилителя с обратной связью .

Равенство характеризует условие баланса фаз. Оно показывает, что в стационарном режиме суммарные фазовые сдвиги сигнала на частоте генерации, создаваемые усилителем и цепью положительной ОС, должны быть равны нулю или кратны . Следует отметить, что только условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний.

В схемах генераторов гармонических колебаний, работающих в стационарном режиме, соотношения БА и БФ выполняются на одной фиксированной частоте , которая является резонансной для узкополосной колебательной системы. При работе автогенератора негармонических колебаний условия БА и БФ должны выполняться для некоторой полосы частот.

В генераторах гармонических колебаний колебательными системами служат резонансные LC-контуры (в СВЧ-генераторах для этих целей используются резонаторные системы) и частотно-зависимые (фазирующие) -цепи. Генераторы гармонических колебаний с LC-контурами называются LC-генераторами, а с фазирующими RC-цепями – RC-генераторами. LC-генераторы вырабатывают колебания достаточно высокой частоты (более 100 кГц), а RC-генераторы применяют для создания низкочастотных гармонических колебаний (от долей герц до десятков килогерц).

Дата добавления: 2014-11-08