Генераторы синусоидальных сигналов структурная схема

Генераторы синусоидальных и несинусоидальных колебаний.

Генераторы синусоидальных колебаний.

T ремя основными типами электронных генераторов сигналов синусоидальной формы являются LC генераторы, кварцевые генераторы и RC генераторы.
LC генераторы используют колебательный контур из конденсатора и катушки индуктивности, соедененных либо параллельно, либо последовательно, параметры которых определяют частоту колебаний. LC генераторы используют в основном, в диапазоне радиочастот. На низких(звуковых) частотах удобнее применять RC генераторы, в которых для задания частоты колебаний используются резистивно — емкостная цепь.

LC генераторы синусоидальных колебаний.

Основными типами LC генераторов являются генератор Хартли и генератор Колпитца.

Генератор Хартли.

В генераторе Хартли, или как еще называют эту схему — индуктивной трехточке положительная обратная связь, необходимая для возникновения колебаний берется с отвода катушки индуктивности(L1 — L2) колебательного контура.

Генератор Колпитца.

В генераторе Колпитца (емкостной трехточке) положительная обратная связь снимается с средней точки составной емкости(C1 — C2) колебательного контура. Генератор Колпитца более стабилен, чем генератор Хартли и более часто используется. Когда требуется высокая стабильность, используют кварцевые генераторы.

Кварц — это материал, способный преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот. Если к кристаллу кварца приложить переменное напряжение, он начнет колебаться, в такт с его частотой. Каждый кристалл обладает собственной резонансной частотой, зависящей от его размеров и структуры. Чем ближе частота приложенного напряжения, к резонансной частоте, тем выше интенсивность колебаний. Для изготовления кварцевого резонатора на кристаллическую пластинку кварца наносят металлические электроды.

Схема кварцевого генератора Хартли с параллельной обратной связью.

Кварц включен последовательно в цепь обратной связи. Если частота колебательного контура отклоняется от частоты кварца, волновое сопротивлние(импенданс) кварца увеличивается, уменьшая величину обратной связи с колебательным контуром. Колебательный контур возвращается на частоту кварца.

Генератор Пирса.

Очень популярная схема, поскольку в ней не используются катушки индуктивности.

Верхний предел резонанса кварца составляет 25 МГц. Если необходим стабильный генератор на более высокой частоте используют схему Батлера. Колебательный контур настраивается на частоту кварца или на частоту одной из его нечетных гармоник (третьей или пятой).

RC генераторы синусоидальных колебаний.

RC генераторы используют для задания частоты резисивно — емкостную связь. Основные два вида генераторов синусоидальных колебаний это: генератор с фазосдвигающей цепью и генератор на основе моста Вина. Генератор с фазосдвигающей цепью — это обычный усилитель с фазосдвигающей цепью обратной связи. На комбинации цепочек имеют место потери мощности, поэтому транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления.

Частота генератора рассчитывается по формуле.

R в этой формуле — значения сопротивлений R1,R2, (они одинаковые). C — это соответственно, любое из значений емкости С1 или С2 (также одинаковые)

Генератор на основе моста Вина – двухкаскадный усилитель с цепью опережения-запаздывания и делителем напряжения.

Резисторы R1 и R2 одинакового номинала(по сопротивлению), сопротивление резистора R3 примерно вполовину меньше. Емкость конденсаторов C1 и C2 равна, а конденсатора C3 — примерно в два раза больше.
Частота генерируемых колебаний определяется соотношением.

Где C — номинал конденсатора C1(C2), R номинал сопротивления — R1(R2).
При R1,R2 = 10KOm, R3=4,7KOm, C1,C2 =16нФ, C3=33нФ частота равняется, примерно — 1000гц.
Используя сдвоенный переменный резистор (в качестве R1 и R2) можно плавно изменять частоту колебаний в больших пределах.

Генератор синосуидальных колебаний имеющий несколько поддиапазонов, можно получить с помощью несложной коммутационной схемы, с помощью которой можно попеременно подключать конденсаторы различной емкости, в качестве С1, С2 и С3. Подобное устройство может быть очень полезным для радиолюбителя, в частности — для настройки различных усилительных каскадов.

Генераторы несинусоидальных колебаний.

Генераторы несинусоидальных колебаний применятся для создания периодических электрических сигналов произвольной формы – прямоугольной, пилообразной или треугольной формы.

Блокинг – генератор.

Пока конденсатор заряжен — транзистор закрыт. Но конденсатор постепенно разряжается через резистор и запирающее напряжение исчезает. Транзистор начинает приоткрываться — появляется ток в цепи обмотки трансформатора, соответственно на вторичной обмотке возникает напряжение способствуещее лавинообразному открыванию транзистора.
Транзистор переходит в режим насыщения — конденсатор заряжается через переход эмиттер – база, напряжение в вторичной обмотке падает до нуля. Транзистор запирается, после чего процесс повторяется снова и снова.

Очень часто, схему блокинг — генератора используют в различных устройствах, преобразующих постоянный ток в переменный. Это — различные импульсные блоки питания, вариации которых встречаются в современной аппаратуре очень широко. Преобразователи постоянного тока в переменный, с повышением выходного напряжения — являются основой целого ряда устройств, разной степени полезности — от портативного мегаомметра, до карманного электрошокера.

Мультивибратор.

Мультивибратор — генератор импульсов формы близкой к прямоугольной. Его основу составляют два усилительных каскада связанных между собой так, что на вход каждого каскада подается сигнал с выхода другого. Получается, что они по очереди запирают друг друга. Частота зависит от емкости конденсаторов, и величины сопротивления резисторов, через которые осуществляется их разряд.

Мультивибратор можно легко собрать, используя широко распостраненные детали, на абсолютно любых биполярных транзисторах. Кроме основной частоты рассчитываемой по формуле:

мультивибратор вырабатывает большое количество дополнительных гармоник. Если применив высокочастотные транзисторы собрать мультивибратор с основной частотой в звуковой области(лучше около 1000 гц), то частоты высших гармоник оказываются в какой то степени, промодулированными на этой, основной частоте. Получается, что подобный генератор может использоваться как универсальный пробник, для проверки как радиочастотных усилительных трактов, так и каскадов усиления низкой(звуковой) частоты.

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».

Источник

Генераторы синусоидальных сигналов низкой частоты

При нормировании метрологических характеристик низкочастотных генераторов вводится понятие индекса класса точности. За индекс класса точности принимается значение основной погрешности установки частоты и уровня выходного напряжения в процентах. Запись вида, например, F0,5
U2,5 означает, что основная относительная погрешность установки частоты не превышает 0,5 %, а основная приведенная погрешность установки выходного напряжения (уровня) не превышает 2,5 %. Для большинства генераторов НЧ широкого применения установлено 6 классов по частоте и 5 классов по напряжению

F 0,1 ; 0,5 ; 1,0 ; 1,5 ; 2,0 ; 3,0

U 1,0 ; 2,0 ; 3,5 ; 4,0 ; 6,0 .

Для каждого класса точности установлены нормы на другие метрологические характеристики ГНЧ.

Обобщенная структурная схема генератора синусоидальных сигналов низкой частоты.

На схеме обозначены:

ЗГ – задающий генератор

УНЧ – усилитель низкой частоты

СТ – согласующий трансформатор

АРУ –система автоматической регулировки уровня

Задающий генератор (ЗГ) — предназначен для формирования сигнала заданной формы и частоты. Известные типы и схемные решения ЗГ будут рассмотрены ниже.

УНЧ – предназначен для усиления сигнала ЗГ по напряжению и мощности, а также для развязки выхода ЗГ от выхода генератора.

Аттенюатор
– предназначен для внесения известного затухания в уровень выходного сигнала генератора. Как правило, он позволяет ступенчато (обычно через 10 ДБ) изменять ослабление сигнала на выходе генератора.

Согласующий трансформатор (СТ) – предназначен для согласования выходного сопротивления генератора Rвых с сопротивлением нагрузки Rн. Условием полного согласования является Rвых = Rн.

СТ, как правило, используется в генераторах с повышенной выходной мощностью (Рвых
> 5 Вт).

АРУ – предназначен для стабилизации уровня сигнала на выходе УНЧ. Применяется в генераторах с повышенными требованиями к точности установки выходного напряжения и его стабильности.

Вольтметр (В) – предназначен для контроля напряжения на выходе УНЧ в процессе регулировки и установки заданного уровня выходного сигнала генератора.

Наиболее важным блоком структурной схемы ГНЧ, определяющим диапазон генерируемых частот, погрешность установки и нестабильность частоты, искажения формы сигнала и т.д., является задающий генератор (ЗГ). В ЗГ могут использоваться следующие схемные решения:

— генераторы на биениях

— синтезаторы частот (генераторы с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты

Остановимся подробнее на указанных схемных решениях ЗГ.

LC – генератор представляет собой усилительную схему с самовозбуждением, содержащую колебательный LC – контур. Частота генерируемого сигнала f0
определяется параметрами контура

(9.3)

В генераторах основной частоты данная схема не используется, т.к. при формировании низких частот требуются большие величины L и С, что, в свою очередь, ухудшает характеристики генерируемых сигналов.

RC – генератор представляет собой усилитель, охваченный положительной RC обратной связью (как правило двойной Т – образный мост Вина). В этом случае схема RC – генератора имеет следующий вид:

C1 = C2
= C , то частота формируемого сигнала определяется соотношением

(9.4)

Для того, чтобы схема работала в автоколебательном режиме необходимо выполнить два условия самовозбуждения:

а) Баланс амплитуд Кβ > 1, где

К – коэффициент передачи разомкнутого усилителя (коэффициент усиления )

β – коэффициент передачи цепи обратной связи.

(9.5)

где — сдвиг фазы обеспеченный операционным усилителем

— сдвиг фазы цепи обратной связи.

В данной схеме перестройка по частоте, как правило, осуществляется:

— по поддиапазонам – дискретно за счет переключения сопротивлений

— внутри поддиапазона – плавно за счет изменения величины емкости.

9.2.2. Генератор на биениях

Выходной сигнал в ЗГ данного типа формируется за счет смешения двух высокочастотных сигналов близких по частоте и последующего выделения сигнала разностной частоты – напряжения биения.

Рисунок 9.3. Структурная схема задающего генератора на биениях.

На схеме обозначены:

ГФЧ — генератор фиксированной частоты

ГПЧ — генератор перестраиваемой частоты

ФНЧ — фильтр низкой частоты

В блоках ГФЧ и ГПЧ, как правило, используются схемы автогенерации типа LC.

В структурных схемах ЗГ данного типа удается обеспечить более высокую стабильность частоты.

9.2.3. Синтезаторы частоты

Выходной сигнал в рассматриваемых ЗГ формируется в результате преобразования частоты опорного высокостабильного генератора (как правило с кварцевой стабилизацией частоты).

Основные характеристики синтезаторов частоты

— Диапазон частот выходного сигнала от 50 Гц до 50*106 Гц с дискретностью установки до 0,01 Гц

— Нестабильность частоты до 10-8 за сутки

— Уровень подавления комбинационных частот до 70 дБ

Синтезаторы строятся по методу прямого или косвенного синтеза. Прямой синтез основан на выполнении 4–х арифметических действий (умножение, деление, сложение, вычитание) над частотой опорного генератора и последующей фильтрации возникающих комбинационных частот. Косвенный синтез заключается в синхронизации частоты автогенератора выходного сигнала с частотой опорного генератора.

Рисунок 9.4 Упрощенная структурная схема прямого синтеза частоты

На схеме обозначены:

ГОЧ – высокостабильный генератор опорной частоты.

БСЧ – блок синтеза частот

9.2.4. Цифро-аналоговые генераторы.

В задающих генераторах данного типа входной сигнал формируется путем кусочно-ступенчатой аппроксимации функции sin задающей частоты. С использованием данного метода строится схема генераторов низких и инфронизких частот, а также генераторы с фиксированным значением частоты входного сигнала.

Обобщенная структурная схема формирования цифро-аналогового генератора и принцип кусочно-ступенчатой аппроксимации входного сигнала представлен на рисунках.

Рисунок 9.5. Структурная схема цифро-аналогового генератора.

На схеме обозначены:

ГОЧ – генератор опорной частоты

СТ – счетчик импульсов

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство (хранит коды функции sin в точках дискретизации)

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь

УНЧ – усилитель низкой частоты

Рисунок 9.6. Принцип кусочно-ступенчатой аппроксимации функции sin.

С использованием данного метода строятся схемы ГНЧ в диапазоне частот (от 0,01 до 10) Гц обладающие лучшими метрологическими характеристиками.

— Погрешность установки частот 0,05 %.

— Нестабильность частот формируемого сигнала – до 10-8 в сутки.

— коэффициент гармоник кг0,05%.

— легко согласуются с информационно-измерительными комплексами более высокого уровня иерархии.

Источник

Генераторы синусоидальных колебаний

Генератор электрических колебаний, — это нели­нейное устройство, преобразующее энергию источ­ника постоянного тока в энергию колебаний. Гене­раторы широко используются в электронике: в ра­диоприемниках и телевизорах, в системах связи, компьютерах, промышленных системах управления и устройствах точного измерения времени.

Генератор — это электрическая цепь, которая ге­нерирует периодический сигнал переменного тока. Частота сигнала может изменяться от нескольких герц до многих миллионов герц. Выходное напря­жение генератора может быть синусоидальным, пря­моугольным или пилообразным в зависимости от типа генератора.

Когда колебательный контур возбуждается вне­шним источником постоянного тока, в нем возни­кают колебания. Эти колебания являются затухаю­щими, поскольку активное сопротивление колеба­тельного контура поглощает энергию тока. Для под­держания колебаний в колебательном контуре по­глощенную энергию необходимо восполнить. Это осуществляется с помощью положительной обрат­ной связи. Положительная обратная связь — это по­дача в колебательный контур части выходного сиг­нала для поддержки колебаний. Сигнал обратной связи должен совпадать по фазе с сигналом в коле­бательном контуре.

На (рис. 12.34) изображена блок-схема генерато­ра. Генератор можно разбить на три части. Частотозадающей цепью генератора обычно является LC ко­лебательный контур. Усилитель увеличивает амп­литуду выходного сигнала колебательного контура. Цепь обратной связи подает необходимое количество энергии в колебательный контур для поддерж­ки колебаний. Таким образом, генератор — это схе­ма с обратной связью, которая использует постоян­ный ток для получения колебаний переменного тока

Генераторы, синусоидальных колебаний — это генераторы, которые генерируют напряжение сину­соидальной формы. Они классифицируются соглас­но их частотозадающим компонентам. Тремя основ­ными типами генераторов синусоидальных колеба­ний являются LC генераторы, кварцевые генерато­ры и RC генераторы.

LC генераторы используют колебательный кон­тур из конденсатора и катушки индуктивности, со­единенных либо параллельно, либо последовательно, параметры которых определяют частоту колебаний. Кварцевые генераторы подобны LC генераторам, но обеспечивают более высокую стабильность колеба­ний. LC генераторы и кварцевые генераторы исполь­зуются в диапазоне радиочастот. Они не подходят для применения на низких частотах. На низких частотах используются RC генераторы, в которых для задания частоты колебаний используется резистивно-емкостная цепь.

LC генераторы

Основными типами LC генераторов являются ге­нератор Хартли и генератор Колпица. На (рис. 12.35) изображен генератор Хартли. Величина обратной связи в этой схеме зависит от положения отвода катушки L₁. Выходной сигнал снимается с катуш­ки связи L₃.

На (рис. 12.36) изображен генератор Колпитца. Ве­личина обратной связи в схеме Колпитца определя­ется отношением емкостей конденсаторов С₁ и С₂. Генератор Колпитца более стабилен, чем генератор Хартли, и более часто используется.

Кварцевые генераторы

Основное требование, предъявляемое к генерато­ру, — это стабильность частоты и амплитуды его ко­лебаний. Причинами нестабильной работы генера­торов являются зависимости емкости и индуктив­ности от температуры, старение компонентов и из­менение требований к нагрузке. Когда требуется высокая стабильность, используются кварцевые ге­нераторы.

Кварц — это материал, который может преобразо­вывать механическую энергию в электрическую, когда к нему прикладывают давление, и электри­ческую энергию в механическую, когда к нему при­кладывают напряжение. Когда к кристаллу кварца приложено переменное напряжение, кристалл начи­нает растягиваться и сжиматься, создавая механи­ческие колебания, частота которых соответствует частоте переменного напряжения.

Каждый кристалл кварца обладает собственной ча­стотой колебаний, обусловленной его структурой и размерами. Если частота приложенного переменного напряжения совпадает с собственной частотой, коле­бания кристалла ярко выражены. Если частота при­ложенного переменного напряжения отличается от собственной частоты кварца, кристалл колеблется слабо. Собственная частота механических колебаний кристалла кварца практически не зависит от темпе­ратуры, что делает его идеальным для использова­ния в генераторах. В тех случаях, когда необходимо обеспечить очень высокую стабильность частоты колебаний, применяют термостатирование генератора (кварцевый резонатор помещают в термостат).

Для изготовления кварцевого резонатора на кри­сталлическую пластинку кварца наносятся метал­лические электроды, к которым прижимаются пружины для обеспечения электрического контакта. После этого кристалл помещается в металлический корпус. На (рис. 12.37) показано схематическое обо­значение кварца.

На (рис. 12.38) изображена схема кварцевого ге­нератора Хартли с параллельной обратной связью. Кварц включен последовательно в цепь обратной связи. Если частота колебательного контура откло­няется от частоты кварца, импеданс кварца увели­чивается, уменьшая величину обратной связи с ко­лебательным контуром. Это позволяет колебатель­ному контуру вернуться на частоту кварца.

На (рис. 12.39) изображен генератор Колпица с кварцем, включенным так же, как и в генераторе Хартли. Кварц управляет обратной связью с коле­бательным контуром.

На (рис. 12.40) изображен генератор Пирса. Эта схема подобна генератору Колпитца, за исключени­ем того, что катушка индуктивности в колебатель­ном контуре заменена кварцем. Эта схема очень популярна, поскольку в ней не используются катуш­ки индуктивности. Кварц управляет импедансом колебательного контура, что определяет величину обратной связи и стабилизирует генератор.

Верхний предел частоты основного резонанса кри­сталла кварца составляет около 25 МГц. Однако в аппаратуре связи необходимы стабильные генера­торы более высоких частот. Для этого требуется обес­печить работу кварцевых резонаторов на их гармо­нических частотах. Обычно используются нечетные гармоники (третья и пятая).

В таких случаях используют генератор Батлера, изображенный на (рис. 12.41). Схема собрана на двух транзисторах и использует колебательный контур и кварц для задания и стабилизации частоты коле­баний. Колебательный контур должен быть настро­ен на частоту основного резонанса кварца или на частоту одной из его гармоник. Преимущество ге­нератора Батлера в том, что к кварцу приложено небольшое напряжение, что уменьшает его механи­ческие деформации.

RC генераторы

RC генераторы используют для задания частоты резистивно-емкостную цепь. Простейшим RC генератором синусоидальных колебаний является генератор с фазосдвигающей цепью.

Генератор с фазосдвигающей цепью — это обыч­ный усилитель с фазосдвигающей RC цепью обрат­ной связи (рис. 12.42).

Обратная связь должна сдвигать фазу сигнала на 180 0 . Так как емкостное сопротивление изменяется при изменении частоты, то эта компонента чувстви­тельна к частоте. Стабильность улучшается при уменьшении величины фазового сдвига на каждой RC цепочке. Однако на комбинации RC цепочек имеют место потери мощности. Для компенсации этих потерь транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления.

Источник