Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое осцилляторная схемы генераторов, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое осцилляторная схемы генераторов, генератор армстронга и мейснера, генератор колпитца, генератор клаппа, генератор хартли, генератор пирса , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов.
Генератор сигналов — устройство, позволяющее производить (генерировать) сигнал определенной природы (электрический, акустический и т. д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например, усилителя, охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра).
Существуют также генераторы более сложных сигналов, таких, как телевизионная испытательная таблица
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 еще большей мощности строят по четырехтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно еще вдвое увеличить мощность генератора. Еще большую мощность имеют двухфазные и трехфазные двухтактные (полумостовые) и четырехтактные (полномостовые) генераторы.
Генератор гармонических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью (ПОС). Термин положительная обратная связь означает, что фазовый сдвиг в петле обратной связи близок к 
, то есть цепь обратной связи не инвертирует сигнал.
Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний с малыми искажениями синусоиды являются:
Пояснения необходимости 2-го и 3-го условий: если петлевое усиление ниже 1, то колебания затухают. Если петлевое усиление больше 1, то колебания нарастают до физического ограничения, так, амплитуда выходного напряжения усилителя не может быть больше напряжения питания , при таком ограничении форма синусоидального напряжения искажается.
Примером структур с положительной обратной связью может служить мультивибратор, или иные релаксационные генераторы, но в таких схемах применены частотно-неизбирательные обратные связи и усилители, поэтому генерируемые ими колебания далеки от синусоидальных.
В 1887 году Генрих Герц на основе катушки Румкорфа изобрел и построил искровой генератор электромагнитных волн.
В 1913 году Александр Мейснер (Германия) изобрел электронный генератор Мейснера на ламповом каскаде с общим катодом с колебательным контуром в выходной (анодной) цепи с трансформаторной положительной обратной связью на сетку.
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 трехточечная схема («индуктивная трехточка»). 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 изобрел генератор Колпитца на электронной лампе с подключением к колебательному контуру через емкостной делитель напряжения, часто называемый «емкостная трехточка».
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 складывается из двух составляющих: устойчивость усилительного каскада по постоянному току и устойчивость генератора по переменному току.
Генераторы «индуктивная трехточка» и «емкостная трехточка» 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 еще 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.
LC-генераторы на каскаде с общей базой наиболее высокочастотны, применяются в селекторах каналов почти всех телевизоров, в гетеродинах УКВ приемников. 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 еще большее число суммарноразностных частот. В результате, при большом числе итераций получается целый спектр частот, который в приемниках смешивается с входным сигналом и образует еще большее число суммарноразностных частот. Затем все это подается 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 емкостной делитель, но при этом происходит дополнительный перекос фазы. При одинаковых емкостях 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. При оптимально рассчитанном емкостном делителе запас устойчивости по фазе составляет менее 30°.
Генератор Мейснера на каскаде с общей базой, с частичным включением контура без перекоса фазы.
Если в «емкостной трехточке» 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 излучает одну частоту и имеет наибольший запас устойчивости по фазе (± 90°).
Устройства, имеющие в своем составе генератор сигналов, потенциально способны создавать электромагнитные помехи другим электронным устройствам, поэтому при их разработке и эксплуатации приходится учитывать вопросы электромагнитной совместимости.
Генератор может быть создан на любом усилительном компоненте, включающий положительную обратную связь.
Типовая схема генератора незатухающих колебаний приведена на рис. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 1.
Рисунок 1. типовая схема генератора
Для самовозбуждения колебаний в данной схеме необходимо соблюсти два условия:
Баланс амплитуд выполняется, если произведение коэффициента усиления усилителя K и коэффициента передачи цепи обратной связи β будет больше единицы:
|K| * |β| >= 1
Баланс фаз выполняется, если сумма фазового сдвига усилителя α и фазового сдвига цепи обратной связи φ будет равна нулю или кратна 360°:
(α+φ) = 2πn
где n — целое число
В качестве усилительного элемента можно использовать любой активный элемент, обладающий усилением. В случае создания гетеродина оптимальнее и проще применять транзистор. Известно, что для построения генератора на транзисторах применяются схемы индуктивных и емкостных трехточек, получившие общее название осцилляторные схемы. В настоящее время схема индуктивной трехточки практически не применяется. Это связано с тем что индуктивность дорога.
Емкостные трехточки тоже имеют три варианта включения колебательного контура. Эти варианты в иностранной литературе имеют свои названия. Их схемы приведены на рисунках 2 … 4.
Рисунок 2. Схема Пирса
Рисунок 3. Схема Колпитца
Рисунок 4. Схема Клаппа
Любую из приведенных схем генераторов можно использовать для реализации гетеродина. На рисунке 5 для примера приведена схема Колпитца, выполненная на биполярном транзисторе.
Онлайн демонстрация и симуляция работы Генератор Колпитца:
Открыть на весь экран Генератор Колпитца
Рисунок 5. Схема Клаппа, выполненная на биполярном транзисторе
В этой схеме усилительный элемент (транзистор VT1) включен в схему контура L1 C1 C2, резонансная частота которого и задает частоту генерации схемы. Глубина обратной связи задается соотношением емкостей C2 и C3 контура и коэффициентом усиления транзистора на заданной частоте самовозбуждения.
Развязывающий конденсатор C3 не дает индуктивности L1 закоротить базу транзистора VT1 на корпус схемы по постоянному току, поэтому цепи стабилизации тока транзистора по постоянному току можно рассматривать независимо.
В данной схеме применена схема коллекторной стабилизации. В схеме генератора в большинстве случаев для стабилизации режима достаточно этого вида стабилизации тока транзистора При увеличении коллекторного, а, значит, и эмиттерного, тока транзистора VT1 (например, из-за увеличения температуры) увеличивается падение напряжения на резисторе R2. Это приводит к уменьшению напряжения Uбэ, т.к. по закону Киргофа напряжение на базе может быть описано следующим образом:
откуда можно выразить напряжение Uбэ:
Уменьшение напряжения Uбэ приводит к уменьшению тока базы транзистора и в конечном итоге к стабилизации тока покоя транзистора VT1.
В качестве еще одного примера принципиальной схемы гетеродина, на рисунке 6 приведена схема Колпитца, выполненная на биполярном транзисторе.
Рисунок 6. Схема Колпитца, выполненная на биполярном транзисторе
В схеме гетеродина, приведенной на рисунке 6 применена схема эмиттерной стабилизации по постоянному току. В ней базовый делитель напряжения собран на резисторах R2 и R3, а эмиттерный резистор — это R1. В остальном схема включения транзистора по постоянному току не отличается от схемы включения транзистора, приведенной на рисунке 5.
В схеме гетеродина, приведенной на рисунке 6, транзистор включен по схеме с общей базой. Это позволяет применять данную схему гетеродина на очень высоких частотах. Как и в схеме включения транзистора с общим коллектором, она не инвертирует входной сигнал, поэтому для самовозбуждения колебаний достаточно подать на вход часть энергии колебаний из выходного контура. Частотно-задающий параллельный контур в данной схеме гетеродина составляют элементы L1, C1, C2. Глубина обратной связи определяется соотношением емкостей конденсаторов C1 и C2. Развязывающий конденсатор большой емкости C4 обеспечивает заземление верхнего по схеме конца индуктивности L1. Конденсатор C3 обеспечивает заземление базы транзистора VT1 по переменному току.
Для гетеродинов очень важно обеспечить стабильность генерируемой частоты. В этом случае воздействие мощной помехи, действующей на выход гетеродина, может привести к захвату его частоты или к паразитнойчастотной модуляции помехой. Именно поэтому очень важно обеспечить минимальное влияние нагрузки на частотуколебания, генерируемого гетеродином приемника. Особенно это требование касается первого гетеродина.
Развязку выходной и входной цепи обычно выполняют при помощи усилителя на транзисторе или интегральной микросхеме. Заодно и энергии от гетеродина можно забирать поменьше, что уменьшит вносимые потери вчастотозадающий контур и, в конечном итоге, повысит стабильность частоты гетеродина.
В качестве развязывающего устройства может подойти любой усилитель, однако чаще всего применяется транзисторный усилитель с общим коллектором (эмитерный повторитель). Подобная схема гетеродина с развязкойот смесителя при помощи эмитерного повторителя с гальванической связью междуусилительными каскадами приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. Гетеродин с развязкой от нагрузки при помощи эмиттерного повторителя
В настоящее время в качестве буферного усилителя применяются интегральные микросхемы, позволяющие получить нормированное усиление и развязку входа микросхемы от ее выхода во всем диапазоне рабочих частот. В качестве примера можно назвать буферизирующую микросхему MAX2470 фирмы MAXIM. Благодаря своим малым размерам эта микросхема занимает площадь, меньшую, чем схема, собранная на отдельных элементах.
Существуют микросхемы, в которых для реализации гетеродина достаточно подключить только внешнюю индуктивность. В качестве подобной микросхемы можно назвать микросхему MAX2605. Тем не менее, для получения качественных характеристик очень важна конструкция гетеродина и ряд фирм, таких как Mini-Circuits или Sirenza microdevices, выпускают готовые модули гетеродинов, предназначенные для работы в определенном диапазоне частот.
Рисунок 8. Схема гетеродина, реализованная на специализированной микросхеме MAX2620
На стабильность частоты гетеродина оказывает большое влияние стабильность и шумовые параметры источника питания, поэтому при реализации гетеродинов большое внимание уделяется схемам питания гетеродинов.
Первоначально для снижения уровня пульсаций напряжения, присутствующих на источнике питания радиоприемного устройства, по цепям питания гетеродина ставились фильтрующие RC цепочки. Эти же цепочки снижают влияние остальных блоков приемника на частоту сигнала, вырабатываемого гетеродином.
По мере совершенствования интегральных микросхем в качестве активных фильтров стали применять малошумящие стабилизаторы напряжения. В качестве примера подобного стабилизатора можно назвать микросхему ADP3330 фирмы ANALOG DEVISES. Схема гетеродина с применением в качестве фильтра питания малошумящего стабилизатора ADP3330 приведена на рисунке 9.
Рисунок 9. Схема гетеродина с малошумящим стабилизатором напряжения
На этой схеме в качестве каскада, уменьшающего влияние смесителя на выходную частоту гетеродина, применена буферизирующая микросхема MAX2470. Цепочка R20, C57 предназначена для уменьшения шумов на выходе микросхемы малошумящего стабилизатора напряжения ADP3330, примененной в качестве фильтра питания гетеродина.
Кроме нестабильности питающих напряжений и нагрузки на значение генерируемой частоты влияет старение и зависимость от температуры частотозадающих элементов (индуктивности и емкостей, входящих в состав контура). Для того, чтобы обеспечить стабильность генерируемой частоты применяют индуктивности и емкости с малой зависимостью от температуры. В ряде случаев применяется несколько конденсаторов с противоположной зависимостью от температуры.
Генератор Армстронга и генератор Мейснера (Майснера) называются в честь их изобретателей, электротехников Эдвина Армстронга и Александра Мейснера.
В обоих генераторах применяется трансформаторная обратная связь, но в генераторе Армстронга колебательный контур стоит и на входе и на выходе усилительного каскада, а в генераторе Мейснера колебательный контур стоит на выходе усилительного каскада.
Генераторы Армстронга и Мейснера представляют собой усилительные каскады (на лампе, биполярном или полевом транзисторе) с трансформаторной положительной обратной связью. Колебательный контур, образованный одной из катушек трансформатора и емкостью, может стоять или в выходной цепи (генератор Мейснера), или во входной цепи (генератор Армстронга), или в обеих цепях усилительного каскада (генератор Армстронга).
Частота генератора Армстронга приблизительно определяется по формуле:
.
В практических схемах действительная частота немного отличается от частоты по формуле.
Эта схема является основой регенеративного приемника с амплитудно модулированным радиосигналом. В этом применении антенна присоединяется к дополнительной катушке, обратная связь уменьшается, например, небольшим уменьшением расстояния между катушками T и L.
По виду каскада усиления (с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК), с общей базой (ОБ)) возможны три разновидности генераторов Армстронга и Мейснера. Так как усилитель по схеме с общей базой — наиболее высокочастотный, то и генератор на усилительном каскаде с общей базой — наиболее высокочастотен.
Схема на рис.1 представляет собой генератор Мейснера на каскаде с общим эмиттером. Каскад с общим эмиттером сдвигает фазу на 180°. В коллекторной цепи применено полное включение колебательного контура L2C2, которое фазу не сдвигает, но сильно шунтирует контур. Положительная обратная связь создается трансформатором L2L1, который при согласном включении обмоток сдвигает фазу приблизительно на 180°. Ёмкость C1 с эквивалентным параллельным сопротивлением резисторов R1 и R2 создает дополнительный сдвиг фазы приблизительно равный 60°. Суммарный петлевой сдвиг фазы составляет приблизительно 180°+180°+60°=420°. Запас устойчивости по фазе приблизительно −150°÷+30°. Другая разновидность этой схемы приведена в на рис.8.1.а).
Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах, генераторы большей мощности строят на двухтактных усилительных каскадах, которые имеют больший КПД.
На высоких частотах трансформатор выполняется в виде двух полосок печатного проводника.
Генератор ван дер Поля
Осциллятор Ван дер Поля является разновидностью генератора Армстронга с возбуждением от внешнего генератора Es.
Генератор Колпитца (емкостная трехточка), названный в честь его изобретателя Эдвина Колпитца, является одной из множества схем электронных генераторов, использующих комбинацию дроссель (L) с конденсатор (C) для определения частоты, также называется LC-генератором. Одной из ключевых особенностей генераторов этого вида является их простота (нужна только один дроссель без отводов).
Напряжение обратной связи снимается с емкостного делителя напряжения.
Идеальная частота генерации для схемы на рис.1 определяется уравнением:
Действительные схемы генерируют немного меньшую частоту.
В зависимости от схемы усилительного каскада возможны три вида генератора Колпитца: на каскаде с общим эмиттером, на каскаде с общим коллектором и на каскаде с общей базой. Характерной особенностью генератора Колпитца является положительная обратная связь через емкостный делитель напряжения на двух последовательных конденсаторах, которые одновременно являются емкостью LC-контура.
Схема генератора Колпитца на каскаде с общей базой наиболее высокочастотна (рис.1, рис.3). Каскад с общей базой фазу не сдвигает. Контур LC1C2 полностью подключен к коллектору. Полное включение контура фазу не сдвигает. Эмиттер подключен к контуру к средней точке емкостного делителя напряжения с перекосом фазы, при равных C1 и C2 перекос фазы и петлевой сдвиг фазы составляет 45°. Кроме этого сдвиг на 60° создает RC цепь образованная эквивалентной емкостью конденсаторов C1 и C2 и резистором R, что усложняет вычисление результирующего сдвига.
Схема генератора Колпитца на каскаде с общим эмиттером приведена на рис.8.1.б).
Схема генератора Колпитца на каскаде с общим коллектором (нужно исправить )приведена на рис.8.2. Каскад с общим коллектором фазу не сдвигает. Контур LC1C2 подключен к базе без перекоса фазы. Эмиттер подключен к контуру с перекосом фазы, при одинаковых величинах C1 и С2 перекос фазы и петлевой сдвиг фазы составляет 45°. Запас устойчивости по фазе 45°, но эмиттерные цепи при этом сильно шунтируют контур.
Разновидностью генератора Колпитца со вторым емкостным делителем напряжения является генератор Вачкара.
Генератор Пирса назван в честь его изобретателя Джорджа Пирса (1872—1956). Генератор Пирса является производным от генератора Колпитца. В схеме используется минимум компонентов: один логический элемент НЕ, один резистор, два конденсатора и кварцевый резонатор, который действует как высокоизбирательный элемент фильтра.
Автогенератор по схеме Клаппа — модификация трехточечной схемы автогенератора (генератора Колпитца). Была предложена Д. К. Клаппом (James K. Clapp) в 1948 году.
Классическая емкостная трехточечная схема (генератор Колпитца) малопригодна для технической реализации — расчет показывает, что индуктивность катушки должна иметь порядок единиц нГн. Основная идея схемы Клаппа заключается в замене катушки с малой индуктивностью последовательным колебательным контуром, имеющим на рабочей частоте то же сопротивление, что и исходная катушка.
Частота колебаний в установившемся режиме:
Генератор Хартли (индуктивная трехточка) является электронным LC-генератором, в котором положительная обратная связь берется через отвод от части катушки индуктивности параллельного LC-контура.
Был предложен Ральфом Хартли, который подал заявку на патент 1 июня 1915 г. и получил патент № 1356763 от 26 октября 1920 года.
В зависимости от схемы усилительного каскада возможны три разновидности генератора Хартли: на каскаде с общим эмиттером (катодом, стоком), на каскаде с общим коллектором (анодом, истоком) и на каскаде с общей базой (сеткой, затвором).
Каскад с общим истоком в схеме генератора Хартли на полевом транзисторе фазу не сдвигает. В цепи затвора колебательный контур включен без перекоса фазы, а в цепи стока используется частичное включение контура, которое при отводе от середины катушки имеет перекос фазы 45°, петлевой сдвиг фазы при этом составляет 45° (запас устойчивости по фазе −135°÷+45°), но при таком включении контур сильно шунтируется, поэтому коэффициент включения контура в стоковой цепи уменьшают (на рисунке до 1/4 от всей катушки), при этом перекос фазы и петлевой сдвиг фазы увеличиваются (в пределе до 90°) при этом положительный запас устойчивости по фазе уменьшается (в пределе до 0°), генерация срывается, поэтому приходится искать некое компромиссное включение. Включение контура к стоковой цепи через катушку связи позволяет регулировать коэффициент включения контура без изменения перекоса по фазе и петлевого сдвига фазы, но это уже будет генератор Мейснера со сдвигом фазы в трансформаторе около 360° (встречное включение обмоток), при согласном включении обмоток трансформатора сдвиг фазы составляет около 180°, при котором генератор становится дискриминатором (подавителем, режекторным активным фильтром).
Далеко не полный список устройств, в которых применяются генераторы сигналов:
Анализ данных, представленных в статье про осцилляторная схемы генераторов, подтверждает эффективность применения современных технологий для обеспечения инновационного развития и улучшения качества жизни в различных сферах. Надеюсь, что теперь ты понял что такое осцилляторная схемы генераторов, генератор армстронга и мейснера, генератор колпитца, генератор клаппа, генератор хартли, генератор пирса и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов
Термины: Устройства приема и обработки радиосигналов, Передача, прием и обработка сигналов