Генераторы синусоидальных колебаний

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

LC гене раторы используют колебательный контур из конденсатора и катушки индуктивности, соединенных либо параллельно, либо последовательно, параметры контура 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. Для применения на этих частотах используются RC генераторы, имеющие резистивно-емкостную цепь для задания частоты колебаний.

Тремя основными типами LC генераторов являются генератор Хартли, генератор Колпитца и генератор Клаппа. На рисках изображены два основных типа генератора Хартли.

Генератор Колпитца

Катушка с отводом в колебательном контуре указывает, что эти цепи являются генераторами Хартли. Недостатком генератора Хартли с последовательной обратной связью является то, что через часть колебательного контура течет постоянный ток. В генераторе Хартли с параллельной обратной связью постоянный ток в колебательный контур не поступает, так как в цепь обратной связи включен конденсатор.

Генератор Колпитца похож на генератор Хартли с параллельной обратной связью, за исключением того, что катушка с отводом заменена двумя конденсаторами. Генератор Колпитца стабильнее, чем генератор Хартли и чаще используется.

Генератор Клаппа является разновидностью генератора Колпитца. Основным отличием является добавление конденсатора, включенного последовательно с индуктивностью в колебательный контур. Этот конденсатор позволяет изменять частоту генератора.

Изменения температуры, старение компонентов и изменение требований к нагрузке служит причиной нестабильности генераторов. Если требуется высокая стабильность параметров генерируемого сигнала, используются кварцевые генераторы.

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

Кварцы обладают собственной частотой колебаний, обусловленной их структурой. 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. Частота механических колебаний кристалла кварца является величиной постоянной, что делает его идеальным для использования в генераторах.

В качестве генераторных кристаллов кроме кварца используются также турмалин и сегнетова соль. Сегнетова соль наиболее электрически активна, но легко разрушается. Турмалин имеет наименьшую электрическую активность, но большую прочность. Кварц лучше всего подходит для использования в генераторах: он имеет хорошую электрическую активность, достаточно прочен и поэтому чаще всего используется в качестве генераторного кристалла.

Кристаллическая пластинка размещается между двумя металлическими пластинами, которые прижимаются пружинами для того, чтобы обеспечить электрический контакт этих пластин с кристаллом. После этого кристалл помещается в металлический корпус. На рисунке изображено схематическое обозначение кристалла.

Схематическое обозначение кварца

На схемах кристаллы обозначаются буквами Y и XTAL

На рисунке изображена схема генератора Хартли с параллельной обратной связью с добавлением кварца.

Генератор Хартли с параллельной обратной связью, включающей кварц

Кварц включен последовательно в цепь обратной связи. Если частота колебательного контура отклоняется от частоты кварца, импеданс кварца увеличивается, уменьшая глубину обратной связи. Это приводит к изменению частоты колебательного контура.

На рисунке изображен генератор Колпитца с кварцем, включенным так же как и в генераторе

Кварцевый генератор Колпитца

Хартли. Кварц управляет величиной обратной связи. Колебательный LC контур может быть настроен на частоту кварца.

На рисунке изображен генератор Пирса.

Генератор Пирса

Эта схема подобна генератору Колпитца, за исключением того, что катушка индуктивности в колебательном контуре заменена кварцем. Кварц управляет импедансом колебательного контура, что определяет величину обратной связи и стабилизирует генератор.

На рисунке изображен генератор Батлера.

Генератор Батлера

Схема собрана на двух транзисторах, использует колебательный контур и кварц для определения и стабилизации частоты колебаний. Колебательный контур должен быть настроен на частоту кварца, в противном случае генератор не будет работать. Преимущество генератора Батлера в том, что к кварцу приложено небольшое напряжение, уменьшающее его механические деформации. Заменив элементы колебательного контура, генератор можно заставить работать на частоте одной из гармоник кварца.

RC генераторы используют для задания частоты резистивно-емкостную цепь. Существуют два основных типа RC генераторов синусоидальных колебаний: генератор с фазосдвигающей цепью и генератор на основе моста Вина.

Генератор с фазосдвигающей цепью — это обычный усилитель с фазосдвигающей RC цепью обратной связи.

Генератор с фазосдвигающей цепью

Обратная связь должна сдвигать фазу сигнала на 180 градусов. 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. Транзистор должен иметь достаточно высокий коэффициент усиления для компенсации этих потерь.

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

Генератор на основе моста Вина

Цепь опережения-запаздывания состоит из последовательной (R1C1) цепочки и параллельной (R2C2) цепочки. Схема называется цепью опережения- запаздывания потому, что выходное напряжение на некоторых частотах опережает входное напряжение по фазе, ана некоторых частотах отстает от него. На резонансной частоте сдвиг фаз равен нулю и выходное напряжение максимально. Резисторы R3 и R4 образуют цепь делителя напряжения, используемого для отрицательной обратной связи. Положительная обратная связь подается на базу, а отрицательная обратная связь на эмиттер генераторного транзистора Qr Выход транзистора Qt через емкость связан с базой транзистора Q2, который усиливает напряжение и сдвигает его по фазе на 180 градусов. Выход транзистора Q2 связан с мостовой цепью.

На рисунке изображен мостовой генератор Вина на интегральной микросхеме.

Генератор на основе моста Вина на интегральной микросхеме

Инвертирующий и неинверти- рующий входы операционного усилителя идеальны для использования в генераторе на основе моста Вина. Усиление операционного усилителя высокое, что компенсирует все потери в цепи.

 

Рейтинг: 4 / Голосов: 3