Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
17. ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ И ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ 17.1. Общие сведения Генератор колебаний – это устройство, посредством которого энергия источника питания преобразуется в электрические колебания нужной формы, частоты и мощности. Генераторы классифицируют по ряду признаков частоте, форме колебаний, назначению, выходной мощности, типу активного элемента, виду цепей обратной связи. По частоте различают инфранизкочастотные генераторы (частота генерации меньше 10 Гц, низкочастотные (от 10 Гц до 100 кГц, высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц, сверхвысокочастотные выше МГц. По форме колебаний различают генераторы гармонических и негармонических (импульсных) сигналов. По виду цепей обратной связи различают LC-, RC-, RL- генераторы. По используемым активным элементам генераторы подразделяют на транзисторные, ламповые, на операционных усилителях, динисторах и др. [27]. Генератор колебаний можно представить нелинейным устройством, обобщенная структурная схема которого показана на рис. 17.1. Рис. 17.1. Структурная схема генератора с внешней обратной связью (аи процесс установления колебаний (б) Схема содержит усилитель с коэффициентом усиления K, цепь отрицательной обратной связи с коэффициентом передачи m и цепь положительной обратной связи с коэффициентом передачи β. Различают этапа после включения питания этап возбуждения и этап стационарного режима. На первом этапе основную роль играет цепь положительной обратной связи (ПОС, которая обычно выполняется на пассивных элементах и имеет потери. После подачи питания в схеме возникают колебания, обусловленные нестационарными (переходными) процессами – зарядом емкостей, нарастанием тока в индуктивностях, переходными процессами в транзисторах или операционных усилителях. Эти колебания появляются на входе в виде сигнала U вх и на выходе усилителя в виде сигнала U вых =KU вх . С выхода усилителя колебания через цепь ПОС поступают на вход усилителя, те. U вх = βU вых . Сравнение выражений для U вых в установившемся режиме приводит к равенству U вых = βKU вых , откуда следует, что для возбуждения колебаний должно соблюдаться условие βK = 1 (17.1) Произведение βK называется петлевым усилением усилителя с обратной связью. Учитывая, что β и К – комплексные величины условие (17.1) распадается на два, которые называют условиями баланса амплитуд (17.2) и баланса фаз (17.3): |Kβ|= 1 (17.2); arg (Kβ) = к + с = 0, (17.3) где кис сдвиг по фазе усиливаемого сигнала соответственно для прямой и обратной передачи. Условие (17.2) означает, что модуль коэффициента усиления усилителя должен быть равен модулю обратной величины коэффициента передачи звена ПОС, те. насколько сигнал ослабляется при передаче через цепь ПОС, настолько он должен быть усилен при прохождении через усилитель. Если K ‹ β -1 , то колебания в схеме генератора будут затухающими и наоборот. Цепь отрицательной обратной связи служит для точного выполнения условия баланса амплитуд. Условие (17.3) означает, что полный фазовый сдвиг между колебаниями на входе и выходе в замкнутом контуре генератора должен быть равен 2 ∙n, где n – любое целое число. Если условие (17.3) соблюдается только на одной частоте, то (при выполнении условия баланса амплитуд) колебания будут гармоническими. Если условия баланса фаз выполняются для ряда частот, колебания будут негармони- ческими. 17.2. Генераторы гармонических сигналов Широкое распространение получили схемы генераторов, имеющих название трехточечных. Одна из них приведена ниже на рис. 17.2. Рис. 17.2. Схема индуктивного трехточечного генератора на биполярном транзисторе На рисунке изображена схема индуктивного трехточечного генератора на биполярном транзисторе. В ней колебания возникают в контуре С к , L 1 , L 2 , а часть напряжения через конденсатор связи C св. подается во входную эмиттерную цепь транзистора, образуя положительную обратную связь. Сопротивления R 1 и R 2 обеспечивают выбор рабочей точки транзистора по постоянному току. Выходное напряжение снимается с дополнительной индуктивной обмотки. Генераторы с контурами используются в основном на высокой частоте. На низких частотах обычно используют генераторы с цепями в звеньях ПОС. Часто используется цепь, называемая мостом Вина (рис. 17.3). Рис. 17.3. Схема моста Вина Мост Вина состоит из двух звеньев первое звено образовано последовательным соединением конденсатора и резистора и имеет сопротивление C j R z 1 1 ; второе звено образовано параллельным соединением таких же элементов и имеет сопротивление RC j R C j R C j R z 1 1 1 Схема генератора гармонических колебаний с мостом Вина показана на рис. 17.4. Мост Вина образует цепь ПОС с коэффициентом передачи 2 2 2 2 1 2 3 1 1 1 1 1 R C RC j RC j RC j RC j RC j z z z . (17.4) Если выполнить условие 0 1 2 2 2 R C , то есть CR 1 , то фазовый сдвиг будет равен нулю, а модуль коэффициента обратной связи 3 1 . Частота генерации будет определяться выражением RC f 2 1 (17.5) Стабилизацию амплитуды в таком генераторе обеспечивают с помощью нелинейной цепи отрицательной обратной связи R 1 , В качестве нелинейного сопротивления можно использовать миниатюрную лампочку накаливания. При этом с увеличением выходного напряжения ток вцепи, увеличивается, что приводит к увеличению сопротивления нити лампы накаливания и возрастанию глубины отрицательной обратной связи m =R 2 /(R 1 + R 2 ) (17.6) Увеличение глубины отрицательной обратной связи приводит к замедлению увеличения выходного напряжения, в результате чего амплитуда выходного напряжения стабилизируется. Рис. 17.4. Схема генератора с мостом Вина 17.3. Кварцевые генераторы В кварцевых генераторах в качестве элемента колебательного контура используется кристалл кварца (кварцевый резонатор, имеющий высокостабильную собственную резонансную частоту. Схема замещения кварцевого резонатора представлена на риса. Кварцевый генератор может быть построен по схеме, приведенной на рис. 17.5, баб) Рис. 17.5. Схема замещения кварца (аи схема кварцевого генератора (б) В схеме замещения кварцевого резонатора L – эквивалентная индуктивность кварца, R – сопротивление потерь, С – последовательная емкость, С – параллельная емкость. В изображенном на риса контуре наблюдаются две резонансные частоты резонанса токов и резонанса напряжений. Для кварца эти частоты практически совпадают, поэтому частотная характеристика кварцевого резонатора имеет резко выраженный максимум. В схеме кварцевого генератора ПОС обеспечивается за счет того, что кварц вносит дополнительный фазовый сдвиг между входными выходным напряжениями. Конденсаторы Си С включаются для улучшения условий возбуждения. Основное преимущество кварцевых генераторов – высокая стабильность частоты колебаний. Например, стабильность частоты генераторов имеет величину около 0,1 %, генераторов – около 0,01 %, а кварцевый генератор имеет стабильность (10 -4 –10 -5 ) % [30]. 17.4. Генераторы колебаний прямоугольной формы (мультивибраторы) Принцип получения сигналов с прямоугольной формой напряжения поясним на примере использования схемы КР1006ВИ1, называемой интегральным таймером [12]. (Таймерами называют устройства, предназначенные для получения точных интервалов времени или последовательности импульсов со стабильными частотами. Упрощенная схема интегрального таймера изображена на рис. 17.6. Рис. 17.6. Упрощенная схема таймера КР1006ВИ1 (аи схема включения его мультивибратором (б) Схема таймера содержит делитель напряжения, составленный из одинаковых резисторов R 1 , R 2 , R 3 , два компаратора ДА, ДА, выполненные на основе схем операционных усилителей, триггер DD 1 , инвертор DD 2 , разрядный ключ на транзисторе VT 1 , ключ сброса VT 2 показан условно. При подаче напряжения на таймер конденсатор С рис. 17.6, б) заряжается по цепи R 4 , R 5 , C до напряжения п 2 , при котором срабатывает компаратор ДА. Компаратор ДА 1 устанавливает триггер в такое положение, при котором на его выходе появляется сигнал, включающий ключ VT 1 . При этом обеспечивается создание цепи разряда конденсатора через резистор R 5 и транзистор VT 1 . При достижении напряжением на конденсаторе значения 1/3 Е п срабатывает компаратор ДА 2 и через вход S триггера DD 1 устанавливает триггер в исходное положение, при котором на его выходе образуется низкое напряжение, ключ VT 1 закрывается. Начинается заряд конденсатора до напряжения п. В схеме устанавливаются устойчивые колебания. На выходе инвертора DD 2 получим прямоугольные импульсы, амплитуда которых определяется напряжением питания. Длительность стадий заряда Т и разряда T 2 конденсатора С можно определить следующим образом C R C R R 5 2 5 4 1 693 0 , 693 0 (17.7) Частота генерируемых импульсов определяется выражением C R R f 4 5 2 1 2 443 1 1 . (17.8) Скважность импульсов определяется формулой D=R 5 /(R 4 +2R 5 ). (17.9) При изменении емкости конденсатора от 0,001 до 100 мкФ и суммарного сопротивления (R 4 +2R 5 ) от 1 кОм до 10 мОм можно получить любые частоты в диапазоне от 0,1 Гц до 100 кГц [12]. Следует отметить, что на основе рассмотренной схемы таймера можно собрать различные устройства, такие как ждущий мультивибратор, делитель частоты, широтно-импульсный и фазоимпульсный модуляторы и другие. Мультивибраторы на ОУ и логических элементах Генераторы прямоугольных импульсов с невысокими требованиями к стабильности могут быть выполнены на операционном усилителе. Примером может быть схема, показанная на рис. 17.7. Рис. 17.7. Схема мультивибратора на операционном усилителе Усилитель ДА работает в режиме регенеративного компаратора, то есть в режиме, при котором полярность и значение опорного напряжения изменяются в зависимости от полярности выходного сигнала. В схеме имеется положительная обратная связь, обеспечиваемая делителем R 3 , R 4 , а выходное напряжение может принимать два устойчивых значения + вых.макс . и U - вых макс Коэффициент передачи цепи ПОСВ зависимости от исходного состояния ОУ напряжение на неин- вертирующем входе будет max 1 вых U U , (17.10) либо max 2 вых U U Компаратор срабатывает в моменты, когда напряжение на конденсаторе достигает значения U 1 или U 2 . Если на выходе ОУ было отрицательное напряжение, конденсатор разряжается по цепи общий провод – резистор R 1 – диод VD 1 . Если на выходе ОУ было положительное напряжение, конденсатор перезаряжается по цепи R 2 , VD 2 . Время заряда и разряда определяются приближенно последующим соотношениям 1 ln , 1 ln max max max 2 2 max max max 1 1 вых вых вых вых вых вых U U U C R U U U C R (17.11) Частота колебаний f = 1/(T 1 + T 2 ). (17.12) Мультивибратор удовлетворительно работает в диапазоне частот от нескольких Гц до 100 кГц. Выбирая параметры R 1 , R 2 , C можно изменять не только частоту, но и скважность выходных импульсов. Стабильность частоты колебаний генератора на основе ОУ может быть существенно повышена, если в качестве реактивного элемента использовать кварцевый резонатор. Схема такого генератора приведена на рис. 17.8. Кварцевый резонатор включен в цепь ООС. Глубина ООС определяется соотношением m=R 2 /(R 2 + Z), (17.13) где Z – эквивалентное сопротивление параллельно соединенных резистора и кварцевого резонатора Q. Глубина ПОС определяется соотношением γ=R 4 /(R 3 +R 4 ). На резонансной частоте полное сопротивление кварцевого резонатора, а следовательно и эквивалентного сопротивления Z, резко увеличивается, глубина ООС уменьшается. Если результирующее значение обратной связи окажется положительными, то генератор возбудится. Ограничение амплитуды осуществляется за счет свойств ОУ. Рис. 17.8. Генератор колебаний на ОУ с кварцевым резонатором Мультивибраторы часто выполняют на логических элементах (ЛЭ). Логические элементы схемно представляют собой усилители с большим коэффициентом усиления, у которых имеются два входных пороговых значения 1 0 , пор вх пор вх U U . Следовательно, обеспечив положительную обратную связь в схеме рис. 17.9 подобно схеме рис. 17.7, при наличии реактивного элемента можно получить процесс генерации колебаний также, как было показано ранее. Для стабилизации частоты можно использовать кварцевый резонатор. Рис. 17.9. Мультивибратор на логических элементах К155ЛА7 Промышленность выпускает интегральные схемы мультивибраторов, с помощью которых можно получать колебания с частотой от долей Гц до МГц [46]. В схеме (рис. 17.9) использован кварцевый резонатор для повышения стабильности частоты колебаний. ЛЭ выполняют функции усилителей. Усилители охвачены ООС, обеспечиваемой резисторами R 1 , R 2 и R 3 , R 4 . Конденсаторы C 1 и C 2 включены для устранения паразитного возбуждения. Конденсатор С введен для развязки по постоянному току выхода микросхемы DD 1 от входа микросхемы DD 2 . Положительная обратная связь обеспечивается за счет фазового сдвига, осуществляемого кварцевым резонатором. Так как ЛЭ К155ЛА7 имеет открытый коллектор, тов цепях выходов имеются резисторы и R 6 . В зависимости от соотношения параметров колебания могут быть синусоидальными либо несинусоидальными. Стабильность частоты генерации при этом сохраняется. 17.5. Импульсные сигналы Импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым. В импульсных системах используются сигналы (напряжение, ток) импульсной формы. Наиболее распространены импульсы, близкие по форме к прямоугольной, пилообразной и экспоненциальной, они могут быть положительной, отрицательной или чередующейся полярности (рис. 17.10). Рис. 17.10. Примеры электрических импульсов различной формы U m – амплитуда, T – период импульсной последовательности, и – ширина (длительность) импульса, п – длительность паузы Импульсными называются устройства, предназначенные для генерирования, формирования, преобразования и передачи импульсных сигналов. Параметры электрического импульса Электрическим импульсом называют кратковременное скачкообразное изменение напряжения или силы тока. Все электрические импульсы принято разделять на видеоимпульсы и радиоимпульсы. Электрические импульсы однополярные называют видеоимпульсами (они не содержат высокочастотных колебаний. Электрические импульсы, представляющие собой ограниченные во времени ВЧ или СВЧ электромагнитные колебания, огибающая которых имеет форму видеоимпульса, называют радиоимпульсами. Рис. 17.11. Примеры видеоимпульсов (а, в, где) и радиоимпульса (б) Распространённые формы импульсов трапецеидальная – а, в, треугольная – г, колоколообразная – д, пилообразная – е (рис. 17.11). Принято различать следующие участки импульса фронт, вершина, срез, основание. Срез называют иногда задним фронтом. Основные параметры видеоимпульса (рис. 17.12): 1) высота импульса (амплитуда) – А 2) спад вершины импульса – Δ А 3) длительность импульса и определяют на уровне 0,1 А 4) время установления или нарастания фронта импульса (длительность фронта импульса) ф – время нарастания сигнала от уровня до уровня 0,9 своего максимального значения 5) длительность среза с определяется аналогично ф 6) длительность вершины импульса в – на уровне А 7) активная длительность импульса t иа – на уровне А. Выброс, образующийся чаще всего после спада, называют хвостом импульса, который характеризуется длительностью хи амплитудой выброса А в . В этом случае расчетная длительность среза t с должна быть увеличена. Периодическую последовательность импульсов характеризуют следующими параметрами 1. Периодом повторения импульсов Т. 2. Частотой повторения импульсов f = 1/ T. 3. Скважностью импульсов Q = T/ и , Q 1. 4. Коэффициентом заполнения з = 1/Q = из Рис. 17.12. Иллюстрация параметров видеоимпульса Устройства, в которых выполняются основные виды преобразований импульсных сигналов, разделяются на несколько видов а) электрические цепи, обеспечивающие неискаженную передачу импульсов – линии передачи, кабели, трансформаторы, линии задержки, усилители импульсов (видеоусилители б) устройства преобразования импульсов – обеспечивают получение импульсов одной формы из импульсов другой формы или той же формы, нос другими параметрами – линейные преобразователи (интегральные и дифференциальные устройства и др – нелинейные формирующие устройства (ограничители, компараторы, триггеры Шмитта, формирователи – преобразователи импульсов цифровых устройств, предназначенные для выполнения логических функций и преобразований одной последовательности импульсов в другую (логические элементы, триггеры, счетчики, регистры, комбинационные устройства и т. п в) импульсные генераторы (автогенераторы, мультивибраторы, одновибраторы, синхронизируемые генераторы, делители частоты и др. Основу всех этих устройств составляют электронные ключи. |