Генератор колебаний изменений частоты

ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ. СПОСОБЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАТОРОВ

Возбудитель. Возбудитель — устройство, предназначенное для выработки колебаний высокой частоты. В его состав обязательно входит генератор с самовозбуждением, который может быть дискретным, или с плавной перестройкой частоты по всему рабочему диапазону передатчика. Для стабилизации и преобразования частоты задающего генератора в состав возбудителя дополнительно могут входить умножители частоты, генераторы, стабилизированные кварцем, балансные смесители, усилители.

Генераторы с самовозбуждением являются источниками высокочастотных колебаний. Они собираются на
триодах или пентодах, по одноконтурной или двухконтурной схеме с умножением частоты и одновременным ее усилением, с различными способами подачи напряжения на аноды генераторных ламп, с различными способами обратной связи.

Рис. 3. Схема автогенераторов:
а — с последовательным питанием; б — трехточечная схема; в — с параллельным питанием; г — транзисторная с индуктивной обратной Связью; д — транзисторная емкостная; е — транзисторная индуктивная

По способу подачи постоянного напряжения на анод ламповые генераторы бывают с последовательным и параллельным питанием. В первом случае постоянная составляющая анодного тока проходит через катушку индуктивности колебательного контура (рис. 3, а); во втором — колебательный контур включается параллельно анодной цепи (рис. 3, б, в) и связан с анодом через разделительный конденсатор.

По виду связи сеточной цепи с колебательным контуром генераторы бывают с индуктивной, автотрансформаторной, емкостной и катодной связью. На рис. 3 приведены схемы некоторых ламповых и транзисторных генераторов с самовозбуждением.

Практически все схемы генераторов с самовозбуждением можно свести к обобщенной трехточечной схеме, в которой один колебательный контур тремя точками подключается к трем электродам лампы или транзистора. В зависимости от того, через какой элемент L или С-контур подсоединяется к электродам лампы или транзистора, трехточечные схемы генератора называются индуктивными или емкостными (рис. 3, в, г, д, е). Для повышения стабильности задающих генераторов применяются параметрическая и кварцевая стабилизация частоты.

Условия самовозбуждения в схемах ламповых генераторов. Для возникновения (самовозбуждения) колебаний в генераторе должны быть выполнены два условия: достаточная величина обратной связи, независимо от способа ее осуществления; соответствие нарастания напряжения на управляющей сетке лампы нарастанию анодного тока. Подача напряжения обратпой связи на управляющую сетку генератора нужной полярности достигается правильным включением концов индуктивности связи LCB.

Процесс возникновения колебаний в генераторе с самовозбуждением (рис. 3, а) начинается с подачи анодного напряжения при условии, что катод лампы разогрет до нормальной рабочей температуры. В лампе начинает протекать нарастающий по величине анодный ток. Одновременно происходит заряд конденсатора Са колебательного контура через открытую лампу до напряжения, почти равного величине напряжения источника питания.

Вследствие нестабильности процессов, происходящих в генераторе (нарастание и уменьшение анодного тока, протекающего по лампе и элементам, включенным в ее анодную цепь), в контуре генератора La, Са возникнет колебательный процесс, оказывающий влияние на нарастание и уменьшение анодного тока. Частота колебаний генератора определяется величинами индуктивности La и емкости Са колебательного контура, а их наличие в анодном контуре определяется по свечению неоновой лампы, связанной, например индуктивно, с колебательным контуром. При выполнении условий самовозбужденпя эти колебания будут незатухающими.

Лампа в генераторе выполняет роль управляющего элемента, регулирующего время, в течение которого должна производиться подача энергии от источника питания в колебательный контур. Величина же этой энергии определяется величиной обратной связи между анодом и управляющей сеткой лампы.

Стабилизация частоты. В связи с тем что колебательные системы задающих генераторов подвержены температурному воздействию, их элементы склонны к изменению своих параметров, что, в свою очередь, приводит к изменению параметров (частоты и амплитуды), вырабатываемых ими колебаний. Колебания становятся нестабильными.

Под нестабильностью частоты задающего генератора (передатчика, колебательной системы) понимается отношение ухода частоты за единицу времени (секунду) от ее номинального значения:

Для повышения устойчивости работы генераторов широко применяется параметрическая и кварцевая стабилизация частоты. В первом случае в колебательные системы включают одновременно элементы, изготовленные из материалов с различными знаками температурного коэффициента. Например, включенные последовательно или параллельно конденсаторы с различными температурными коэффициентами будут сохранять их общую емкость постоянной для данного вида соединения.

Стабильность параметров катушек индуктивности при температурных колебаниях окружающей среды поддерживается специальным способом их изготовления, например впеканием ее витков в каркасы с малыми значениями температурного коэффициента.

При кварцевой стабилизации используется свойство кварца устойчиво сохранять свои геометрические размеры в пределах рабочих температур. Вырезанные специальным

образом пластинки из кристаллов кварца используются как элементы индуктивности колебательного контура. Нестабильность кварцевых генераторов не хуже 10-6—10

8. Некоторые схемы кварцевых генераторов приведены на рис. 4.

Получили распространение схемы дискретной и диапазонной стабилизации частоты. При дискретной стабилизации на каждой заданной частоте или ее гармонике используется собственный кварц. При диапазонной стабилизации кварцевый генератор работает совместно с генератором плавного диапазона, элементы колебательного контура которого собраны на обычных конденсаторах и индуктивностях. В этом случае нестабильность возбудителя определяется как сумма нестабильностей кварцевого и диапазонного генераторов.

Стабилизирующие свойства кварца проявляются в большей степени в том случае, когда рабочая частота возбудителя (после смешения) близка к частоте кварца, а колебания генератора плавного диапазона значительно ниже колебаний кварцевого генератора. Нестабильность такого возбудителя определяется из выражения:

В случаях когда колебания генератора плавного диапазона близки по своему значению к колебаниям смесителя, а колебания кварцевого генератора значительно отличаются от них, нестабильность возбудителя будет в основном определяться нестабильностью генератора плавного диапазона. Кварцевый генератор выполняет в таких схемах главным образом функции элемента, расширяющего диапазон возбудителя, и почти не участвует в стабилизации частоты.

Регулировка частоты генератора

Чаще всего перестраиваемые по частоте генераторы строятся на основе моста Вина со стабилизируемой амплитудой, как показано на рис 4.18.

Рис. 1.18 Генератор с регулировкой

С номиналами элементов, указанными на рисунке, схема имеет диапазон рабочих частот 150 Гц—1,5 кГц. При необходимости этот диапазон может быть сдвинут изменением номиналов конденсаторов С1 и С2. Однако максимальная частота генерации ограничена конечной скоростью нарастания выходного напряжении ОУ и для ОУ типа 140УД7 обычно не превышает 25 кГц (при допустимом уровне искажений выходного сигнала)

Генератор синусоидального напряжения с регулируемой частотой может быть построен также по принципу фильтрации по первой гармонике прямоугольных импульсов (табл 4.1) При этом метоле сигнал на выходе генератора будет стабильным по амплитуде, так как стабилизация амплитуды прямоугольного напряжения осуществляется ограничителем. Поэтому, используя генератор прямоугольных импульсов с ограничителем, можно упростить схему генератора синусоидальных колебаний с регулируемой частотой за счет отсутствия петли АРУ, необходимой для схем с мостом Вина. Поэтому такой генератор быстро запускается, и амплитуда напряжения на его выходе устанавливается за несколько периодов колебаний.

На рис. 1.19 представлена схема генератора, в которой перестройка частоты осуществляется одним потенциометром R3. В схеме ОУ1 типа 153УД2 используется в режиме активного фильтра, а компаратор ОУ2 типа 521САЗ является генератором прямоугольного напряжения. Частота сигналов зависит от значений элементов R1, R3, С1 и С2 (табл. 4.2) Если выбрать номиналы конденсаторов С1 и С2 одинаковыми, то частота генерируемых колебаний определится из выражения

В табл. 4.3 приведены значения номиналов конденсаторов, позволяющие получить различные частотные диапазоны.

В рассмотренной схеме уровень нелинейных искажений изменяется от 0,75 до 2%, в зависимости от значения резистора R3. Увеличение номинала этого резистора выше 1 кОм приведет к недопустимым искажениям, а уменьшение ниже 50 Ом — к автогенерации схемы фильтра. Получить частоты свыше 20 кГц от таких генераторов затруднительно, так как на более высоких частотах падает добротность фильтра, и на выходе появляются импульсы клинообразной формы. Нижняя частота генератора ограничивается лишь емкостью конденсаторов. Для усилителя ОУ1 в схеме использована компенсация с опережением, расширяющая полосу усиления свыше 1 МГц и увеличивающая скорость нарастания выходного напряжения до 10 В/мкс. При стандартной схеме компенсации максимальная частота, на которой имеет место полный размах амплитуды сигнала, ограничена на уровне 6 кГц. Для повышения температурной стабильности схемы следует правильно выбирать типы применяемых резисторов и конденсаторов.

Используя коммутаторы на МДП-транзисторах, можно построить генератор синусоидальных колебаний с фиксированным набором частот. Схема такого генератора на основе моста Вина изображена на рис. 4.20. Выходная частота задается одним из подключаемых с помощью коммутатора моста Вина в соответствии с табл. 5.3.

Выбор частоты f1 . f4 производится при помощи напряжения отрицательной полярности величиной — 9 В, подаваемого на один из входов схемы.

Управление частотой такого генератора может осуществляться с выхода логических схем. Если необходимо, последовательность изменения выходной частоты может быть запрограммирована программно-временным устройством, управляющим МДП-транзисторами. Диапазон генерируемых частот легко изменить дополнительными частотозадающими цепями и коммутаторами.

Рис. 1.20 Генератор с цифровым управлением частотой

Генератор высокой частоты – враг электросчетчиков

Высокочастотные генераторы служат для образования колебаний электрического тока в интервале частот от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц. Такие устройства создают с применением контуров колебаний LС или резонаторов на кварцах, которые являются элементами задания частоты. Схемы работы остаются такими же. В некоторых цепях контуры гармонических колебаний заменяются кварцевыми резонаторами.

Генератор ВЧ

Устройство для остановки электросчетчика энергии служит для питания электроприборов бытового назначения. Его выходное напряжение 220 вольт, потребляемая мощность 1 киловатт. Если в приборе применить составляющие элементы с характеристиками мощнее, то от него можно запитывать более мощные устройства.

Такой прибор включается в розетку бытовой сети, от него идет питание на нагрузку потребителей. Схема электрических проводов не подвергается каким-либо изменениям. Систему заземления подключать нет необходимости. Счетчик при этом работает, но учитывает примерно 25% энергии сети.

Действие устройства остановки в подключении нагрузки не к питанию сети, а к конденсатору. Заряд этого конденсатора совпадает с синусоидой напряжения сети. Заряд происходит высокочастотными импульсами. Ток, который расходуется потребителями из сети, состоит из высокочастотных импульсов.

Счетчики (электронные) имеют преобразователь, который не чувствителен к высоким частотам. Поэтому, расход энергии импульсного вида счетчик учитывает с отрицательной погрешностью.

Схема прибора

Главные составляющие элементы прибора: выпрямитель, емкость, транзистор. Конденсатор подключен по последовательной цепи с выпрямителем, когда выпрямитель производит работу на транзистор, заряжается в данный момент времени до размера напряжения линии питания.

Зарядка осуществляется частотными импульсами 2 кГц. На нагрузке и емкости напряжение близко к синусу на 220 вольт. Для ограничения тока транзистор в период заряда емкости, предназначен резистор, подключенный с каскадом ключа по последовательной схеме.

Генератор выполнен на логических элементах. Он образует импульсы 2 кГц с амплитудой на 5 вольт. Сигнальная частота генератора определена свойствами элементов С2-R7. Такие свойства могут использоваться для настройки максимальной погрешности учета расхода энергии. Создатель импульсов выполнен на транзисторах Т2 и Т3. Он предназначен для управления ключом Т1. Создатель импульсов рассчитан так, что транзистор Т1 начинает насыщаться в открытом виде. Поэтому на нем расходуется небольшая мощность. Транзистор Т1 тоже закрывается.

Выпрямитель, трансформатор и остальные элементы создают блок питания низкой стороны схемы. Такой блок питания работает на 36 В для микросхемы генератора.

Сначала делают проверку блока питания отдельно от схемы с низким напряжением. Блок должен создавать ток выше 2-х ампер и напряжение 36 вольт, 5 вольт для генератора с малой мощностью. Далее делают наладку генератора. Для этого отключают силовую часть. От генератора должны идти импульсы размером 5 вольт, частотой 2 килогерца. Для настройки выбирают конденсаторы С2 и С3.

Создатель импульсов при проверке должен выдавать импульсный ток на транзисторе около 2 ампер, иначе транзистор выйдет из строя. Для проверки такого состояния включают шунт, при выключенной силовой схеме. Напряжение импульсов на шунте измеряют осциллографом на работающем генераторе. Основываясь на расчете, вычисляют значение тока.

Далее, проверяют силовую часть. Восстанавливают все цепи по схеме. Конденсатор отключают, вместо нагрузки применяют лампу. При подключении прибора напряжение при нормальной работоспособности прибора должно равняться 120 вольт. На осциллографе видно напряжение нагрузки импульсами с частотой, определенной генератором. Импульсы модулируются синусом напряжения сети. На сопротивлении R6 – импульсами выпрямленного напряжения.

При исправности устройства включают емкость С1, в результате напряжение повышается. При дальнейшем повышении размера емкости С1 доходит до 220 вольт. Во время этого процесса нужно контролировать температуру транзистора Т1. При сильном нагревании на небольшой нагрузке возникает опасность, что он не вошел в режим насыщения или не осуществилось полное закрытие. Тогда нужно сделать настройку создания импульсов. На практике такого нагрева не наблюдается.

В итоге, подключается нагрузка по номиналу, определяется емкость С1 такого значения, чтобы создать для нагрузки напряжение 220 вольт. Емкость С1 выбирают осторожно, с небольших значений, потому что повышение емкости резко повышает ток транзистора Т1. Амплитуду токовых импульсов определяют, если подключить осциллограф к резистору R6 по параллельной схеме. Импульсный ток не поднимется выше допускаемого для определенного транзистора. Если нужно, то ток ограничивают путем повышения значения сопротивления резистора R6. Оптимальным решением будет выбрать наименьший размер емкости конденсатора С1.

При данных радиодеталях прибор рассчитан на потребление 1 киловатта. Чтобы повысить мощность потребления, нужно применить более мощные силовые элементы ключа на транзисторе и выпрямителя.

При выключенных потребителях устройство расходует немалую мощность, учитываемую счетчиком. Поэтому лучше выключать этот прибор при отключенной нагрузки.

Принцип работы и конструкция полупроводникового генератора ВЧ

Генераторы высокой частоты выполнены на широко применяемой схеме. Различия генераторов заключаются в цепочке RС эмиттера, которая задает транзистору режим по току. Для образования обратной связи в цепи генератора от индуктивной катушки создают вывод клеммы. Генераторы ВЧ работают нестабильно на биполярных транзисторах из-за влияния транзистора на колебания. Свойства транзистора могут измениться при колебаниях температуры и разности потенциалов. Поэтому образующаяся частота не остается постоянной величиной, а «плавает».

Чтобы транзистор не влиял на частоту, нужно уменьшить связь контура колебаний с транзистором до минимальной. Для этого нужно снизить размеры емкостей. На частоту оказывает влияние изменение нагрузочного сопротивления. Поэтому нужно между нагрузкой и генератором включить повторитель. Для подключения напряжения к генератору применяют постоянные блоки питания с небольшими импульсами напряжения.

Генераторы, сделанные по схеме, изображенной выше, имеют максимальные характеристики, собраны на полевиках. Во многих схемах генераторов ВЧ сигнал выхода снимается с контура колебаний через небольшой конденсатор, а также с электродов транзистора. Здесь нужно учесть, что вспомогательная нагрузка контура колебаний изменяет его свойства и частоту работы. Часто это свойство применяют для замера разных физических величин, для проверки технологических параметров.

На этой схеме показан измененный генератор высокой частоты. Значение обратной связи и лучшие условия возбуждения выбирают при помощи элементов емкости.

Из всего количества схем генераторов выделяются варианты с ударным возбуждением. Они действуют за счет возбуждения контура колебаний сильным импульсом. В итоге электронного удара в контуре образуются затухающие колебания по синусоидальной амплитуде. Такое затухание происходит из-за потерь в контуре гармонических колебаний. Скорость таких колебаний вычисляется по добротности контура.

Сигнал ВЧ на выходе будет стабильным в том случае, если импульсы будут иметь высокую частоту. Такой вид генераторов самый старый из всех рассматриваемых.

Ламповый генератор ВЧ

Чтобы получить плазму с определенными параметрами, необходимо подвести необходимую величину к разряду мощности. Для эмиттеров на плазме, работа которых основана на разряде высокой частоты, применяется схема подведения мощности. Схема изображена на рисунке.

Усилитель мощности на лампах преобразовывает энергию электрического постоянного тока в переменный ток. Главным элементом работы генератора стала электронная лампа. В нашей схеме это тетроды ГУ-92А. Это устройство представляет собой электронную лампу на четырех электродах: анод, экранирующая сетка, управляющая сетка, катод.

Сетка управления, на которую поступает сигнал высокой частоты малой амплитуды, закрывает часть электронов, когда сигнал характеризуется отрицательной амплитудой, и повышает ток на аноде, при положительном сигнале. Экранирующая сетка создает фокус электронного потока, увеличивает усиление лампы, снижает емкость прохода между сеткой управления и анодом в сравнении с 3-электродной системой в сотни раз. Это уменьшает выходные искажения частот на лампе при действии на высоких частотах.

Генератор состоит из цепей:

  1. Цепь накала с питанием низкого напряжения.
  2. Цепь возбуждения и питания сетки управления.
  3. Цепь питания сетки экрана.
  4. Анодная цепь.

Между антенной и выходом генератора находится ВЧ трансформатор. Он предназначен для отдачи мощности на эмиттер от генератора. Нагрузка контура антенны не равна величине отбираемой наибольшей мощности от генератора. Эффективность передачи мощности от каскада выхода усилителя к антенне может быть достигнута при согласовании. Элементом согласования выступает емкостный делитель в цепи контура анода.

Элементом согласования может работать трансформатор. Его наличие необходимо в разных согласующих схемах, потому что без трансформатора не осуществится высоковольтная развязка.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Генераторы низкой частоты

Измерительные генераторы

Введение

Устройства, генерирующие электрические сигналы широко используются в различных областях науки и техники. Измерительные генераторы применяются при проверке и настройке различных приборов, определении частотных характеристик схем, например усилителей, и т. д. Измерительные генераторы бывают разных типов и, как правило, каждый из них выполняет несколько функций.

Классифицировать измерительные генераторы (ИГ) можно по многим признакам: по форме выходного сигнала они могут быть подразделены на генераторы гармонических колебаний, генераторы прямоугольных импульсов, генераторы пилообразной формы генераторы импульсов треугольной формы и др.

Генераторы гармонических колебаний, как в звуковом, так и в высокочастотном диапазоне, которые обеспечивают генерацию высокостабильной фиксированной частоты, называют задающими генераторами.

Генераторами сигналов часто называют модулирующие устройства.

Генераторы функций вырабатывают на выходе сигналы разной формы: синусоидальной, прямоугольной и др. Они обычно имеют более низкие характеристики, чем специализированные генераторы.

Генераторы частот бывают двух типов: 1) автогенераторы, у которых сигнал на выходе можно непрерывно перестраивать в пределах диапазона частот механическим или электронным методом. Они имеют хорошие общие характеристики, но точность и стабильность частоты относительно невелики. Погрешность установки частот в подобных схемах определяется качеством исполнения задающего генератора и способами перестройки элементов частотно-избирательных цепей. Обычно эта погрешность составляет (0,5-2,5) %; 2) синтезаторы частот, у которых источником выходного сигнала служит генератор высокостабильной фиксированной частоты, а частотный диапазон перекрывается несколькими последовательными операциями. В синтезаторах можно существенно понизить погрешность установки частоты.

Основные параметры измерительных генераторов

Важнейшими параметрами измерительных генераторов являются: диапазон частот выходного сигнала (частотный диапазон); параметры, характеризующие форму выходного сигнала; погрешность установки частоты; погрешность установки выходного напряжения; выходная мощность или выходное напряжение; выходное полное сопротивление.

Частотный диапазон генераторов лежит от сотых долей герца (лабораторные приборы работают от 0,00005 Гц) до частот СВЧ — диапазона. Широкодиапазонные генераторы обычно выполняются с несколькими поддиапазонами.

Форма выходного сигнала для различных генераторов характеризуется различными параметрами. Генераторы синусоидального сигнала характеризуются коэффициентом нелинейных искажений.

Для генераторов прямоугольных импульсов указывается длительность фронта и спада импульса, величина выбросов на вершине импульса и после его окончания, величина спада плоской вершины импульса.

К параметрам генераторов относится также и неравномерность частотной характеристики, которая показывает величину изменения выходного сигнала при изменении частоты.

Погрешность установки частоты определяется по двучленной формуле вида (аf + b) Гц, где f — частота выходного сигнала.

В генераторах может нормироваться также уход частоты после прогрева генератора. Стабильность частоты зависит от старения элементов, температурного дрейфа, изменений в источнике питания.

Стабильность амплитуды характеризует изменение амплитуды сигнала со временем при фиксированной частоте. Погрешность установки выходного сигнала определяется погрешностью вольтметра на выходе генератора и погрешностью аттенюатора.

Для достижения требуемого полного выходного сопротивления к генератору может подключаться последовательно добавочные сопротивления. Многие генераторы имеют 600-омный выходной аттенюатор.

Измерительные генераторы должны иметь широкие пределы изменения выходного напряжения (мощности), высокую стабильность выходного сигнала, хорошую экранировку, низкий уровень шумов на выходе.

Обобщенная структурная схема измерительных генераторов

Генераторы всех типов состоят в основном из следующих частей: задающего генератора, преобразователя, выходного и измерительных устройств. Обобщенная структурная схема измерительного генератора показана на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Структурная схема ИГ

Задающий генератор (ЗГ) 1, который является источником колебаний, вырабатывает сигнал заданной формы и частоты. От качества задающего генератора зависят основные метрологические характеристики всего генератора.

Преобразователь (Пр) 2 выполняет различные функции. Он может повышать энергетический уровень сигнала ЗГ (усилитель напряжения или мощности), формировать определенную форму (модулятор), образовывать сетку частот в синтезаторах (умножитель, делитель и преобразователь частоты), кодовые комбинации импульсов и др.

Выходное устройство (ВУ) 3 позволяет регулировать уровень выходного сигнала ИГ и изменять его выходное сопротивление, изменять полярность выходных импульсов и др. В составе ВУ могут быть аттенюатор, согласующий трансформатор, повторитель и т. п.

Измерительные устройства (ИУ) 4 обеспечивают установку параметров генерируемых сигналов с нормированной погрешностью. Функцию измерительных устройств могут выполнять отсчетные устройства функциональных узлов ИГ (например, частотные шкалы задающих генераторов, шкалы ослаблений аттенюаторов и др.) или встроенные измерительные приборы (вольтметры или ваттметры, частотомеры, осциллографические индикаторы и др.).

Генераторы гармонических (синусоидальных) сигналов

Генераторы гармонических колебаний строятся по различным схемам и их можно разделить на низкочастотные ИГ (20 Гц – 300 кГц), высокочастотные (30 кГц – 300 МГц), сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц). К источникам гармонических сигналов относятся также генераторы качающейся частоты (ГКЧ) и синтезаторы частот. Особенностью генератора качающейся частоты является автоматическое изменение (качание) частоты.

Генераторы низкой частоты

В низкочастотных генераторах синусоидальных сигналов в качестве ЗГ используются RC-генераторы (в LC- генераторах для генерации низких частот требуется большая индуктивность).

Если не предъявляется высоких требований к значению коэффициента гармоник, используются генераторы с частотно-задающей положительной и частотно-независимой отрицательной обратной связью. Для малых значений коэффициента гармоник, более оптимальной является схема с частотно-задающей отрицательной и частотно-независимой положительной обратной связью

На рис. 8.2 показана схема задающего генератора с частотно-задающей положительной и частотно-независимой отрицательной обратной связью на мосте Вина, который в основном используется для частот звукового диапазона с верхней границей примерно до 100 кГц. Мост Вина образуется последовательным и параллельным RC-контурами совместно с резисторами R1, R2 и применяется в цепи обратной связи операционного усилителя. Схема Вина имеет нулевой фазовый сдвиг между входом и выходом, поэтому усилитель также должен обеспечивать нулевой фазовый сдвиг. Этой может быть достигнуто, например, с помощью четного числа каскадов усиления.

Коэффициент передачи цепи положительной обратной связи β+, образованной резисторами R и конденсаторами С, находится как

β+ = jωRC/(1 — ω 2 R 2 C 2 + 3jωRC). (8.2)

Чтобы коэффициент обратной связи был вещественным, необходимо сделать знаменатель мнимым, т. Е. ω 2 R 2 C 2 = 1. При этом ω = 1/CR, а β+ = 1/3.

Ослабление, создаваемое цепью Вина, равно 3, поэтому минимальный коэффициент усиления усилителя должен быть равен 3.

Отрицательная обратная связь (резисторы R1 и R2) повышает стабильность коэффициента усиления. Амплитуда колебаний определяется произведением усиления k и обратной связи β. Изменяя R2 можно изменить амплитуду колебаний. Включение в цепь отрицательной обратной связи термосопротивления (R1) ограничивает амплитуду колебаний. При увеличении напряжения на выходе усилителя возрастает ток, протекающий по резисторуR1, и увеличивается глубина обратной связи, что приводит к снижению выходного напряжения. Таким образом, устанавливается заданная амплитуда колебаний.

Для получения неискаженной формы кривой выходного сигнала усилитель должен работать в линейном режиме.

f = /2πRC (8.3)

Ослабление цепи обратной связи равно 29, поэтому коэффициент усиления усилителя не менее 29. На практике емкость (С) изменяется для плавной перестройки частоты, а резистор (R) –для выбора диапазона.

Для повышения стабильности амплитуды выходного напряжения в генераторах применяются различные, сложные замкнутые системы автоматической стабилизации. (например, двухконтурные системы стабилизации амплитуды, состоящие из точного контура и контура динамической коррекции как в генераторе Г-113).

Генераторы инфранизких частот по схемам RC- или LC-генераторов не выполняются. На инфранизких частотах требуются большие номиналы резисторов, конденсаторов и индуктивностей. На рис. 8.4 приведена одна из возможных структурных схем инфранизкочастотного генератора.

1, 3 – делители напряжения с коэффициентом деления α1 и α2;

2, 4 – интеграторы с коэффициентом передачи 1/ωτ1 и 1/ωτ2; 5 – инвертор

Выходной сигнал данной схемы является решением дифференциального уравнения

Решая данное уравнение, получаем

Uвых(t) = Um sin ( + φ) (8.5)

т.е. синусоидальный сигнал с частотой

f = (8.6)

Плавное изменение частоты осуществляется изменением коэффициентов деления α1 и α 2, а ступенчатое – изменением значений резисторов и конденсаторов , определяющих постоянные времени интеграторов.

Схема генератора позволяет установить желаемую начальную фазу колебаний, что существенно на инфранизких частотах. Для установки начальной фазы заряжают времязадающие конденсаторы в интеграторах до определенного напряжения.

Практические схемы генераторов имеют дополнительную цепь положительной обратной связи для обеспечения незатухающих устойчивых колебаний и узел нелинейной функции, обеспечивающий стабильность амплитуды выходного сигнала генератора.

9.4.2.Генераторы высокой частоты

Структурная схема генератора высокой частоты представлена на рис. 8.5. Высокочастотные колебания с задающего генератора (ЗГ) усиливаются и модулируются в усилителе (У) и через аттенюатор (АТ) поступают на выход. Обычно генераторы могут работать от ряда модулирующих устройств (МУ), например синусоидального или импульсного генераторов, а также внешнего сигнала. Некоторые генераторы имеют частотную модуляцию. В генераторах высокой частоты имеется обычно два вольтметра: В1 – вольтметр несущей частоты; В2 – вольтметр измеряющий глубину модуляции (модулометр).

Высокочастотные измерительные генераторы выполняются на базе LCгенераторов

Резонансная частота LC–цепи равна

f =1/2π (8.7)

В генераторе сигнал этой частоты усиливается и поступает на выход, причем часть сигнала поступает в цепь обратной связи для компенсации потерь в LC-цепи.

Рассмотрим в качестве примеров LC-генераторов индуктивный и емкостный трехточечные генераторы.

Один из вариантов выполнения индуктивного трехточечного генератора показан на рис. 8.6.

Один из вариантов емкостного трехточечного генератора показан на рис. 8.7. В схеме используется трансформаторный выход. Схема похожа, на ранее рассмотренную схему, только вместо индуктивности с отводом используются две емкости.

Частота генерации рассчитывается по той же формуле (8.7), в которой

Величина обратной связи зависит от значений С1 и С2, она возрастает, когда С1 уменьшается. РезисторR2 вызывает затухание колебаний, так что оно не должно выбираться слишком малым, а R1С3обеспечивает подачу смещения на базу транзистора.

Для получения необходимого диапазона частот генераторы выполняются многодиапазонными с малым перекрытием по диапазонам. Для получения большого перекрытия по диапазону при заданной неравномерности частотной характеристики применяют схемы на биениях. Структурная схема генератора на биениях представлена на рис. 8.8.

ГФЧ– генератор фиксированной частоты f0; ГПЧ–генератор перестраиваемой частоты f + ∆f; СМ – смеситель; ФНЧ – фильтр нижних частот

Частота выходного сигнала изменя­ется от 0 до Δf при относительно небольшой перестройке частоты генератора перестраиваемой частоты (ГПЧ), что и позволяет обеспечить заданную неравномерность частотной характеристики.

Стабильность частоты выходного напряжения определяется стабильностью частоты генераторов ГФЧ и ГПЧ и зависит от отношения f0/Δf. Чем больше это отношение, тем более высокие требования предъявляются к генераторам ГФЧ и ГПЧ. Схемы этих генераторов выполняются идентично для того, чтобы различные факторы одинаково влияли на оба генератора и в итоге разностная частота оставалась постоянной.

К недостаткам схемы на биениях следует отнести ее от­носительную сложность. Кроме того, при частотах выходного сигнала, близких к нулю, возможен захват частот генераторов (самосинхронизация). Для того чтобы избежать этого явления, схемы генераторов тщательно экранируют и развязывают по питанию, между генераторами и смесителем ставят буферные усилители, а это усложняет схему и конструкцию генераторов на биениях.

Погрешность установки частоты выходного напряжения рассмотренных схем генераторов определяется качеством исполнения и способами перестройки элементов частотно-избирательных цепей. Эта погрешность составляет (0,5 – 2,5)%. Существенно снизить погрешность можно в синтезаторах частоты.

Известны два типа синтезаторов частот: 1) с прямым синтезом частот; 2) с косвенным синтезом частот.

В приборах с прямым синтезом частот (рис. 8.9) используется стабильный генератор с несколькими каскадами гармонических умножителей и смесителей, что обеспечивает широкий выбор частот на выходе. При умножении и делении f0 получают ряд сигналов частот f0n1 и f0/n2, где n1и n2 любые целые числа. Последовательное применение этих операций позволяет получить сигналы с частотами f0n1/n2. С помощью смесителя образуются сигналы комбинационных частот. Большое распространение получили декадные синтезаторы, в которых сетка частот определяется соотношением

где n1, n2, n3, … – целые числа натурального ряда от 0 до 9; М и m – фиксированные величины, определяющие диапазон частот синтезатора. Минимальное дискретное изменение fВЫХ называется шагом сетки частот. При малых шагах (например, 0,01 Гц) уже не имеет значение, что fВЫХ изменяется дискретно, а не плавно.

Частотная декада преобразует одну из опорных частот fi в несколько частот в пределах одного десятичного разряда. Число этих частот определяется конкретным видом соотношения (8.7).

При прямом синтезе каждая декада представляет собой генератор гармоник fi, которые выделяются при помощи полосовых фильтров. Декады содержат обычно один или два смесителя в сочетании с делителем частоты в 10 раз и включаются последовательно или параллельно. Верхняя граница частоты в таких синтезаторах достигает сотен мегагерц (порядка 500 МГц).

При косвенном синтезе частот каждая декада имеет кольцо фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и может выполняться как с умножением, так и с делением частоты.

На рис. 8.10 показана одна из возможных схем подобных синтезаторов частот. Напряжение частотой fПД (КД – коэффициент деления УДЧ) с выхода управляемого генератора (УГ) через управляемый делитель частоты (УДЧ) поступает на один вход фазового детектора (ФД), на второй вход которого с кварцевого генератора (КГ) через делитель частоты (ДЧ) поступают опорные колебания с частотой f0/n (n – коэффициент деления ДЧ). В результате сравнения фаз двух колебаний на выходе ФД формируется напряжение, которое, изменяет выходную частоту УГ и пропорционально интегралу от разности частот fПД и f0/n.

Выходные колебания УГ и КГ смешиваются в смесителе (СМ), на выходе которого будет сигнал с частотой f = f0 — fП. ФНЧ предназначен для подавления высших гармоник разностной частоты. Изменяя коэффициент деления УДЧ, можно перестраивать частоту выходных сигналов в широких пределах.

При соответствующем выборе значения f0 (для некоторых схем f0 в пределах 1 – 10 МГц) можно с помощью одного синтезатора перекрыть диапазоны инфранизких, низких и высоких частот.

Следует отметить, что метод косвенного синтеза эффективен и в СВЧ диапазоне, но при этом схемы фазовой автоподстройки значительно усложняются и предусматривают последовательное преобразование частот СВЧ генератора.

Помогла статья? Оцените её
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars
Загрузка...
Добавить комментарий