Генераторы синусоидальных колебаний

Среди генераторных устройств следует различать генераторы синусоидальных (гармоничных) колебаний, прямоугольных колебаний или сигналов прямоугольной формы (генераторы импульсов) и колебаний специальных форм (например, генераторы линейно изменяющегося напряжения). Генератором называется автоколебательная структура, в которой энергия источников питания преобразуется в энергию электрических автоколебаний. Генераторы синусоидальных колебаний обеспечивают образование на выходе устройства переменного тока (напряжения) заданной частоты. В них часто используются колебательные LC-контуры (обычно параллельные).

Представим себе параллельный LC-контур. Если зарядить емкость такого контура до определенного напряжения, то в нем будет запасена соответствующая энергия . Теперь замкнем этот заряженный конденсатор на индуктивность. В результате будет происходить колебательный обмен энергией между конденсатором и катушкой индуктивности. Период этих колебаний можно определить как

(5.1)

Через четверть периода вся энергия ε уже будет сосредоточена в магнитном поле катушки индуктивности, а конденсатор полностью разрядится. После этого конденсатор начнет перезаряжаться за счет энергии магнитного поля, которая в момент времени вернется на конденсатор в виде ε, но полярность напряжения обкладок конденсатора изменится на противоположную. В момент времени Т конденсатор снова полностью зарядится, и колебательный процесс будет продолжаться. Поскольку в реальном контуре всегда имеют место потери, эти колебания будут затухать. Для предотвращения затухания нужно периодически подавать в контур дополнительную энергию. Обычно пополнение энергии осуществляется от источника питания с помощью усилительного каскада.

Генераторы синусоидальных колебаний обычно содержат усилительный каскад, охваченный частотно-избирательнойПОС, которая обеспечивает устойчивый режим самовозбуждения на заданной частоте. На рис. 5.1 приведена структурная схема генератора синусоидальных колебаний, где и обозначены в виде комплексных величин, в чем учитывается их зависимость от частоты. В дальнейшем это будем иметь в виду, но запись для этих параметров будем производить в обычном виде.

Для работы электронного устройства в режиме автогенерации необходимо выполнение двух условий. Эти условия можно записать в следующем виде:

, (5.2,а)

, (5.2,б)

где , - фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью обратной связи соответственно; - целое число.

Для получения на выходе генератора синусоидального напряжения необходимо, чтобы соотношения (5.2) выполнялись лишь на одной частоте.

Соотношение (5.2,а) принято называть балансом амплитуд. Амплитуда сигнала на выходе устройства оказывается в K раз больше, чем на входе. Но она ослабляется в раз цепью обратной связи. Для возникновения генерации необходимо, чтобы сигнал, поступающий на вход по цепи обратной связи, был больше начального сигнала на входе устройства, т.е. . Это условие позволяет первоначальным изменениям токов и напряжений (появившимся при подключении устройства к источнику питания) осуществить необходимое нарастание. Условие определяет установившийся режим генерации, в котором сигналы на выходе и входе генератора равны своим установившимся значениям, т. е. коэффициент усиления компенсируется коэффициентом обратной связи.

Соотношение (5.2,б) принято называть балансом фаз. Возникший на входе сигнал (при подключении источника питания) после прохождения усилителя и цепи обратной связи должен возвратиться на вход устройства без изменения своей фазы, т. е. суммарный фазовый сдвиг должен быть равен , , и т.д. В результате происходит увеличение этого сигнала за счет сложения тока (или напряжения) с возвратившимся по цепи ПОС сигналом. Соотношение (5.2,6) обязывает обеспечить в генераторе устойчивую ПОС.

Генераторы синусоидальных колебаний принято различать по типу используемых частотно-избирательных элементов. Так, можно выделить LC-, RC- и кварцевые (акустоэлектронные) генераторы.