ГЛАВА 11 ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 11.1. Общие сведения

устройства, которые преобразуют электрическую энергию постоянного тока в энергию электрических

сигналов той или иной формы. Названия генераторам дают в соответствии с формой сигнала, который они вырабатывают, например:
1. Генераторы гармонических колебаний
2. Генераторы импульсов прямоугольной формы
3. Генераторы сигналов специальной формы (треугольной, пилообразной, трапециидальной и т.д.).
В зависимости от способов создания сигналов генераторы подразделяют:
А) Генераторы с самовозбуждением, их называют автогенераторы. Это устройства которые автономно преобразуют энергии источника питания в энергию сигналов требуемой формы.
Б) Генераторы с внешним возбуждением, это, фактически, усилитель мощности. В зависимости от элементов, определяющих частоту автогенератора, генераторы бывают:
1. LC-типа
2. RC-типа
3. кварцевые генераторы (высокая стабильность частоты).
По принципу построения автогенераторы подразделяются:
С внешней обратной связью.
С внутренней обратной связью.

положительной обратной связью. Основными элементами генератора являются:
1. Источник питания
2. Нелинейный

усилитель
3. Цепь обратной связи
Коэффициент усилителя, охваченный обратной связью,

определяется выражением: Kос=

где, K(jω,а) - β(jω) –
Для того чтобы усилитель превратился в генератор, необходимо чтобы:
Kос → ∞, т.е. K(jω)β(jω)=1
Учитывая, что K(jω,а)= K(ω,а) , β(jω)= β(ω)
Получим, условие стационарных автоколебаний, т.е. автоколебаний с постоянной амплитудой:
K(ω,а) β(ω) =1
Последнее соотношение разбивается на два:
K(ω,аст) β(ω)=1 - баланс амплитуд БА
φk(ω)+φB(ω)=2πn, n=1,2,… - баланс фаз БФ
Обычно, цепь положительной ОС состоит из пассивных элементов, а потому β(ω)<1, а потому баланс амплитуд означает, что для стационарных автоколебаний энергия (амплитуда), теряемая в цепи обратной связи должна восстанавливаться усилителем. Только в этом случае в генераторе возможны колебания с постоянной (стационарной) амплитудой аст.
Баланс фаз означает, что для того, чтобы устройство было генератором необходима положительная обратная связь.
Важным этапом работы автогенератора является этап его самовозбуждения. На этом этапе амплитуда а возрастает от 0 до своего стационарного значения аст т.е. 0<а< аст
Условие самовозбуждения имеет следующий вид:
K(јω,а) β(јω)>1 Его можно разбить на два:

11.2. Структурная схема автогенератора. Баланс амплитуд, баланс фаз

энергия создаваемая усилителем должна превышать энергию, теряемую в цепи обратной

связи. За счет этого и происходит возрастание амплитуды автоколебания.
По мере роста амплитуды коэффициент усиления нелинейного усилителя K(ω,а) уменьшается и при некотором значении а= аст условие самовозбуждения автоматически переходит в условие стационарных автоколебаний.
Если баланс амплитуд и баланс фаз выполняются на одной частоте, то в генераторе возникает одночастотные, т.е. гармонические по форме колебания. Если баланс амплитуд и баланс фаз выполняются одновременно на многих частотах, то в генераторе возникают колебания с разными частотами. Форма таких сигналов отличается от гармоничных.
Генераторы прямоугольной формы иногда называют мультивибраторами. Это означает, что прямоугольные сигналы состоят из бесконечно большого числа гармонических колебаний.

с колебательным контуром Lк ,Cк в коллекторной цепи. Резисторы R1

и R2 задают рабочую точку транзистора на линейном участке, здесь наибольший коэффициент усиления. Катушка индуктивности контура Lк индуктивно связана с катушкой индуктивности в цепи базы Lсвязи (ее называют катушкой связи). За счет нее часть энергии колебательного контура передается в цепь базы транзистора.
Для того чтобы это устройство было генератором, необходимо чтобы Lк и Lсвязи были включены встречно, что дает фазовый сдвиг цепи обратной связи равный π.
Баланс фаз этой схемы:
φk(ω)+φB(ω)=2π
здесь φk(ωо)= π и φB(ω)= π.
В этой схеме за счет колебательного контура фазовый сдвиг усилителя равен 1800 (φk(ωо)= π) только на одной резонансной частоте ωо, а потому баланс амплитуд и баланс фаз выполняется только на одной частоте. Это означает, что в схеме возникают гармонические колебания, частота которых определяется параметрами колебательного контура

рис.11., называется мостом Вина. Ее комплексный коэффициент передачи определяется выражением

β(јω)=



а АЧХ и ФЧХ коэффициента передачи приведены на рис .11. Из них следует, что на частоте ω0=1/RC (она называется квазирезонансная) коэффициент передачи цепи равен 1/3, а фазовый сдвиг равен нулю.
Схема генератора гармонических колебаний с мостом Вина приведена на рис.11. . Мост Вина включен в цепь положительной обратной связи, а резисторы R1 и R2 образуют цепь отрицательной обратной связи и задают коэффициент усиления. Причем по отношению к сигналу обратной связи усилитель является неинвертирующим, т.е. φk(ω)=0, 2πк с коэфициентом усиления К=1+ R2/R1.
Установим условия, при которых выполняются баланс амплитуд и баланс фаз.
1. Т. к. φk(ω)= 2π, то баланс фаз φk(ω0)+φB(ω0)=0, выполняется только на одной частоте ω0.
2.Т. к. на резонансной частоте β(ω0)=1/3, то для выполнения баланса амплитуд Kβ(ω0) β(ω0)=1,коэффициент усиления должен быть K≥3.
Отсюда К ≥ 1+ R2/R1, следовательно, R2≥2R1 и в этом случае в схеме будут возникать гармонические колебания.

11.4. Генератор с мостом Вина в цепи с положительной обратной связи

две цепи обратной связи:
1.Цепь положительной обратной связи, образованна элементами R1

и R2. Она частотно независимая.
2.Цепь отрицательной обратной связи, образованна элементами R и C. Она частотно зависимая.
По отношению к напряжению на инвертирующем входе U–ВХ схема работает, как компаратор с положительной обратной связью, то есть переключается, когда напряжение напряжению на инвертирующем входе U–ВХ достигает величины напряжения на неинвертирующем входе U+вх, которое может принимать два значения UПВ, UПН:

-верхний порог срабатывания;

- нижний порог срабатывания.

1.Пусть , тогда U+вх = UПВ, а . Происходит заряд конденсатора С током iзар через сопротивление R. Напряжение на конденсаторе повышается, а когда оно достигает , восстанавливаются усилительные свойства ОУ (он выходит из насыщения и переходит в активный режим). После чего схема лавинообразно изменяет свое состояние на противоположное. В
результате чего выходное напряжение принимает значение Е–П. Это временной интервал 0 ≤t≤ t1.
2.Рассмотрим временной интервал t1≤t≤t2 При t1=t напряжения на выводах ОУ равны

11.5. Мультивибратор на операционном усилителе

. U+вх = UПН.

на
конденсаторе убывает по экспоненте, стремясь к Е-П. При t=t2

оно достигает
значения UПН , восстанавливаются усилительные свойства ОУ (он выходит из насыщения и переходит в активный режим). После чего схема лавинообразно изменяет свое состояние на противоположное. В результате чего выходное напряжение принимает значение Е+П.
В дальнейшем все повторяется.
Основными параметрами выходного сигнала являются:
1.Частота автоколебаний.

2.Уровни выходного напряжения ;
Если , то и мультивибратор называется симметричным.
Если или , то мультивибратор называется несимметричным.