Текст книги "Электроника в вопросах и ответах"

Автор книги: И. Хабловски

Соавторы: В. Скулимовски
сообщить о нарушении

Текущая страница: 22 (всего у книги 29 страниц)

Что такое трехточечный генератор с индуктивной ОС?

Схема подобного генератора изображена на рис. 10.4, а. Это одна из наиболее часто используемых схем. Трехточечный генератор с индуктивной ОС характеризуется использованием в настраиваемом контуре разделенной катушки L. Отсюда происходит и другое название трехточечного генератора – генератор с разделенной индуктивностью. Из эквивалентной схемы (рис. 10.4, б) следует, что одна часть катушки (L₂ + М) включена между базой и массой, а другая (L₁ + М) – между коллектором и массой. Следовательно, обе части катушки L совместно с конденсатором С образуют четырехполюсник, соединяющий коллектор с базой. Можно показать, что сдвиг фазы между напряжением на коллекторе и напряжением на базе или между входом и выходом четырехполюсника составляет 180°[24]24
  В этом случае выполняется условие баланса фаз. – Прим. ред.


[Закрыть], что необходимо для поддержания колебаний. Усиление в схеме зависит от коэффициента передачи по току транзистора. Обычно отвод выполняется на 1/10 длины всей катушки. Остальные элементы схемы на рис. 10.4 выполняют те же функции, что и генератор с индуктивной ОС. Резисторы R₁, R₂ и конденсатор С₁ образуют цепь смещения. Конденсатор С₂ заземляет по переменному току отвод катушки, а резистор R_а цепи эмиттера ограничивает ток коллектора до безопасного максимального начального значения. Несмотря на последовательное питание, в схеме имеется высокочастотный дроссель, который разделяет резонансный контур и положительный зажим источника напряжения питания.

При сохранении высокой добротности катушки частота генератора выражается формулой f₀ =1/(2π√(L·C)) и, следовательно, не зависит от расположения вывода на катушке индуктивности.

Рис. 10.4. Трехточечный генератор с индуктивной ОС:

_{а – электрическая схема; б – эквивалентная схема включения контура}

Другие варианты трехточечного генератора с индуктивной ОС показаны на рис. 10.5.

Рис. 10.5. Трехточечные схемы генераторов с индуктивной ОС:

_{а – с последовательным питанием и заземленным перестраиваемым конденсатором; б – с дополнительным выводом катушки; в – на полевом транзисторе; г – на электронной лампе}

Схема на рис. 10.5, а также питается последовательно, однако перестраиваемый конденсатор заземлен, поэтому в отличие от предыдущей схемы нет необходимости в его полной изоляции от массы.

В схеме на рис. 10.5, б используется дополнительный отвод на катушке, чтобы препятствовать демпфирующему действию транзистора и, следовательно, получить большую добротность. Трехточечные генераторы с индуктивной ОС на полевом транзисторе и электронной лампе представлены соответственно на рис. 10.5, в, г.

Что такое трехточечный генератор с емкостной ОС?

Емкостная трехточечная схема генератора (рис. 10.6, а) несколько отличается от индуктивной. Разница заключается в том, что в емкостной трехточечной схеме в качестве делителя используется конденсатор, а не катушка индуктивности. Подобный генератор также называют генератором с разделенной емкостью. На практике разделение конденсатора сводится к использованию двух последовательно включенных конденсаторов. Из эквивалентной схемы (рис. 10.6, б) следует, что четырехполюсник, включенный между коллекторов и базой и инвертирующий фазу выходного напряжения, состоит из индуктивности L, и конденсаторов C₁ и С₂.Действующее на конденсаторе С₁ напряжение подводится к базе после усиления предназначено для поддержания колебаний в схеме.

Рис 10.6. Трехточечный генератор с емкостной ОС:

_{а – электрическая схема; б – эквивалентная схема включения контура}

Емкость конденсатора C₁ обычно равна емкости конденсатора С₂. Частота колебаний зависит от индуктивности и эквивалентной емкости С_экв = C₁C₂/(C₁ + С₂) согласно формуле f₀ = 1/(2π√(L·С_экв)).

Перестройка генератора возможна путем одновременного изменения емкости обоих конденсаторов, поскольку отношение этих емкостей должно поддерживаться постоянным. Существуют также схемы с одиночным подстроечным конденсатором.

Другие варианты трехточечного генератора с емкостной ОС изображены на рис. 10.7. Схема на рис. 10.7, а содержит одиночный подстроечный конденсатор. Конденсаторы С₁ и С₂ обеспечивают соответствующий делитель напряжения. Схема с параллельным питанием представлена на рис 10.7, б. Конденсатор C₁ в этой схеме используется учитывая механическую симметрию схемы.

Рис. 10. 7. Трехточечные схемы генераторов с емкостной ОС:

_{а – с одиночным перестраиваемым контуром; б – на полевом транзисторе; в – на электронной лампе}

В чем разница между генератором по схеме Клаппа и трехточечным генератором с емкостной связью?

Разница между этими генераторами минимальна. Генератор Клаппа (рис. 10.8) является модификацией трехточечного генератора с емкостной ОС, заключающийся в использовании подстроечного конденсатора С₃, включенного последовательно с катушкой индуктивности контура. Конденсаторы С₁ и С₂ образуют емкостный делитель напряжения, как в генераторе по трехточечной емкостной схеме.

Рис. 10.8. Генератор Клаппа

Что таксе генератор с резонансными контурами на входе и выходе?

Схема такого генератора показана на рис. 10.9. Он содержит два резонансных контура: один в цепи базы транзистора, другой – в цепи коллектора. Связь между контурами устанавливает результирующая емкость между коллектором и базой. Эта емкость состоит из обратной емкости транзистора и дополнительной внешней емкости. Колебание в схеме возникает в том случае, когда оба резонансных контура будут иметь сопротивление индуктивного характера. Это означает, что резонансные частоты контуров несколько выше, чем резонансная частота колебаний схемы. С учетом этого свойства схему можно свести к схеме трехточечного генератора с индуктивной связью.

Рис. 10.9. Генератор с резонансным контуром на входе и выходе

Какие факторы вызывают нестабильность частоты?

На нестабильность частоты генераторов влияют много факторов, наиважнейшими из которых являются температура, влажность, напряжение питания, недостаточная добротность контура и механические воздействия. Изменения температуры вызывают механические напряжения и деформации в катушке индуктивности и конденсаторе, которые имеют непосредственное влияние на параметры этих элементов. Аналогично влажность, влияя в основном на диэлектрическую проницаемость диэлектрика конденсатора, вызывает изменение его емкости.

Колебания напряжения питания вызывают изменения частоты, связанные с изменением параметров транзисторов, ламп и других активных элементов, а также изменение амплитуды колебаний и связанную с этим возможность появления нелинейных эффектов. Можно показать, что стабильность частоты генератора в большой мере зависит от добротности Q резонансного контура. Если добротность контура слишком мала из-за неправильного конструирования катушки индуктивности либо уменьшилась из-за нагрузки генератора слишком малым сопротивлением, то при этом увеличивается нестабильность частоты.

Изменения частоты генератора могут происходить также под влиянием внешних механических сил, например ударов или вибраций. Вибрации могут вызывать модуляцию частоты генератора.

Как можно повысить стабильность частоты генератора?

Стабильность частоты генератора можно повысить путем устранения или уменьшения факторов, вызывающих нестабильность. В связи с этим следует использовать стабилизацию напряжения питания, обеспечить высокую добротность колебательного контура, изменив каскад, развязывающий нагрузку от генератора, и защитить схему от механических воздействий, используя, например, антивибрационную подвеску некоторых элементов. Кроме того, можно обеспечить температурную компенсацию, заключающуюся в использовании элементов контуров с такими зависимостями параметров от температуры, что изменение одного компенсируется изменением другого. Иногда достаточно использовать элементы с малыми температурными коэффициентами. LC-генератор, выполненный без специальных мер повышения стабильности частоты, имеет стабильность около 10^-3 – 10^-4. При тщательном исполнении можно получить стабильность порядка 10^-5.

На чем основана автоматическая регулировка амплитуды колебаний?

Амплитуда колебаний генератора, особенно перестраиваемого, не является постоянной, а подвержена колебаниям в зависимости от питающего напряжения, диапазона перестройки и т. п. Для поддержания постоянной амплитуды на выходе генератора применяют специальные схемы, обычно называемые схемами автоматической регулировки амплитуды (АРА).

Принцип работы схемы АРА представлен на рис. 10.10.

Рис. 10.10. Структурная схема автоматической регулировки амплитуды

Сигнал Генератора усиливается с помощью усилителя, а затем детектируется. Полученное напряжение используется для изменения рабочей точки генератора путем изменения тока эмиттера, а следовательно, и крутизны характеристики транзистора Из-за наличия регулирующего напряжения, зависящего от выходного сигнала, можно обеспечить такие условия работы генератора, при которых каждое изменение уровня выходного сигнала за счет ООС будет автоматически вызывать изменение в противоположном направлении и поддерживать тем самым выходной уровень как можно более постоянным.

Постоянная времени цепи регулировки определяется фильтром нижних частот, включенным между детектором и генератором. Следует добавить, что генератор, работающий по схеме с АРА, является генератором, модулируемым сигналом ошибки.

Что такое кварцевый генератор?

Кварцевый генератор является генератором синусоидальных колебаний, относящимся к группе электромеханических генераторов. В генераторах этого типа частота определяется кварцем, связанных с электрической схемой генератора.

Для кварцевого генератора резонатором является пластинка, вырезанная соответствующим образом из кристалла кварца. Кварц относится к кристаллическим материалам, обладающим пьезоэлектрическими свойствами. Пьезоэлектрический эффект состоит в том, что механические напряжения, вызванные воздействием внешних сил, приводят к появлению на пластинке, выполненной из кварца, электродвижущей силы Наблюдается также обратное явление, основанное на том, что подводимое напряжение создает механические напряжения. Если в посеребренной с двух сторон и расположенной в соответствующей оправе кварцевой пластинке посредством электрического импульса вызвать механические колебания, то на ее обкладках возникает переменное электрическое напряжение. Частота изменений этого напряжения равна частоте собственных колебаний пластинки. Пластинка ведет себя аналогично резонансному контуру. Добротность Q этого резонансного контура очень велика – десятки тысяч. Благодаря высокой добротности кварцевого резонатора стабильность частоты кварцевых генераторов очень высока.

На рис. 10.11 изображена простая схема кварцевого генератора. Эта схема очень похожа на схему генератора с резонансными контурами на входе и выходе с той разницей, что входной резонансный контур заменен кварцем.

Рис. 10.11. Кварцевый генератор с кварцем в цепи базы

Механизм возникновения колебаний в схеме таков: произвольная электрическая флуктуация (результат включения питающих напряжений) вызывает возникновение колебаний в резонансном контуре и передачу их через емкость C₁ на кварц. Возбуждаемая таким образом кварцевая пластина управляет (посредством возникающего на ее зажимах переменного напряжения) напряжением на базе транзистора. Это напряжение после его усиления поддерживает колебания в цепи коллектора.

От чего зависят свойства кварцевого резонансного контура?

Свойства кварцевого резонансного контура зависят прежде всего от типа среза, размеров и условий работы.

Кристалл кварца (кристаллическая модификация кремнезема – SiО₂) имеет вид шестигранной пирамиды (рис. 10.12).

Рис. 10.12. Кристалл кварца

Из его середины вырезают пластины кварца. Различают различные типы срезов кристалла в зависимости от того, как ориентирована пластинка относительно осей кристалла. Как видно из рис. 10.12, существуют три главные взаимно перпендикулярные оси, обозначаемые буквами X, Y и Z. Ось Z называется оптической осью кристалла. Три оси X, проходящие через каждую пару противолежащих вершин шестиугольника, – электрические оси, а три оси Y, проходящие через каждую пару противоположных граней, – механические. Если пластинка кварца вырезана таким образом, что ее наибольшая поверхность перпендикулярна оси X, это означает, что использован срез X. Соответственно существует срез Y. Срезы под углом к оси Z обозначаются двумя буквами, например АТ, ВТ и др. От типа среза зависит пригодность кварца для работы в различных диапазонах частот, температурный коэффициент частоты, возможность использования в фильтрах и т. п. Например, пластины кварца, полученные из среза X, обладают отрицательным температурным коэффициентом. Это означает, что если температура окружающей среды возрастает, частота генератора убывает. Пластины кварца, полученные из срезов под углом к оси Z, в некотором интервале изменений температуры имеют нулевой температурный коэффициент.

Если требования к стабильности частоты генератора велики, то кварц должен быть помещен в термостат, внутри которого поддерживается постоянная температура. При этом можно получить стабильность лучше, чем 10^-6 (даже 10^-8). На основе таких генераторов создаются эталоны (стандарты) частоты и кварцевые часы.

Кварцевая пластина может быть представлена в виде эквивалентной схемы (рис. 10.13, а). Это схема, в которой механические параметры кварца заменяются электрическими эквивалентами. Так, индуктивность L_m – электрический эквивалент массы, емкость С_m – гибкости (упругости); сопротивление R_m представляет противодействие перемещению, вызываемому трением в кристалле. Емкость С₀ является емкостью между проводящими пластиками, присоединенными к кварцу. В схеме имеются два резонанса: последовательный и параллельный (рис. 10.13, б).

Рис. 10.13. Эквивалентная схема кварцевого контура (а) и соответствующее ей изменение реактивной проводимости (б)

Резонансные частоты кварца обратно пропорциональны его размерам и толщине. Размеры типового кварца на частоту 428 кГц – 2,75х3,33х0,636 см. Параметры элементов эквивалентной схемы составляют: С₀ = 5,8 пФ; С_m = 0,042 пФ, L_m = 3,3 Гн; Q = 23 000.

Кварцевые пластины (кварцевые резонаторы) изготавливаются на частоты от 2 кГц примерно до 35 МГц. Возможно также изготовление кварцев, работающих на более высоких частотах, даже до 150 МГц. Однако в этом случае генераторы работают на так называемых «обертонах», т. е. на частотах колебаний, почти в точности равных гармоническим частотам основной частоты.

Что такое кварцевый генератор Пирса?

Схема генератора Пирса представлена на рис. 10.14. Генератор Пирса является разновидностью генератора с емкостной связью. Кварцевый резонатор работает на частоте, близкой к частоте параллельного резонанса, и имеет индуктивное реактивное сопротивление Два конденсатора С₁ и С₂ образуют емкостной, делитель.

Генератор Пирса очень удобен для применения в многоканальных передатчиках, стабилизированных кварцем, поскольку не требует подстройки контура при смене кварца.

Рис. 10.14. Генератор Пирса

Что такое RС-генератор?

Это генератор, в котором не содержатся резонансные контуры LC, а цепь, определяющая генерируемую частоту, состоит только из элементов RC. Различают RС-генераторы с фазосдвигающими и мостовыми схемами. Обычно RС-генераторы используются для получения синусоидальных колебаний с частотами от долей герц (например, 0.01 Гц) до нескольких десятков килогерц. Обычно верхний предел частоты не превышает 300 кГц. RС-генераторы характеризуются хорошей стабильностью, легко перестраиваются и позволяют получать колебания с очень низкими частотами. Реализация LC-генератора, генерирующего колебания очень низкой частоты, является не простым делом из-за трудностей, связанных с изготовлением катушки с очень большой индуктивностью.

Что такое RС-генератор с фазосдвигающей цепью?

Схема генератора показана на рис. 10.15.

Рис. 10.15. RС-генератор с фазосдвигающей цепью

В состав генератора входит резистивный усилительный каскад, а также трехсекционная лестничная RС-цепочка, включенная между выходом и входом усилителя. Эта цепочка, находящаяся в петле ОС, вносит фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями. Одним из условий возникновения колебаний в схеме является фазовый сдвиг между этими напряжениями, составляющий 180°. В рассматриваемой цепи подобная ситуация может возникнуть только на одной частоте. Действие цепи легко можно понять, если принять во внимание, что каждая RС-секция является простым фазовращателем, вносящим в первом приближении сдвиг фазы 60° на рабочей частоте схемы. Три такие секции вносят, следовательно, требуемый сдвиг фазы 180°. Поэтому ПОС является избирательной, и в связи с этим колебания имеют синусоидальную форму.

Фазосдвигающая цепь вносит достаточно заметное затухание, и поэтому коэффициент усиления транзистора должен быть соответственно большим. Для RС-цепи, состоящей из трех секций, коэффициент усиления должен составлять не менее 29. Тогда будет выполнено также второе условие возникновения колебаний – условие баланса амплитуд.

При одинаковых сопротивлениях резисторов R и емкостей конденсаторов С частота колебаний генератора рассчитывается по формуле f = 1/(2π√6·RC). Для изменения частоты колебаний достаточно изменить сопротивление или емкость в фазосдвигающей цепи.

Что такое RС-генератор с мостом Вина?

Общая структурная схема генератора мостового типа представлена на рис. 10.16. При соответствующем выборе параметров элементов моста (R₁ = R₂; R₄ < R₃) напряжение на диагонали АВ моста находится в фазе с напряжением на диагонали СО. Напряжение U_AB управляет двухкаскадным усилителем без инверсии фазы (фазовый сдвиг 360°), выход которого является источником сигнала, подключаемого к одной диагонали моста.

Рис. 10.16. Структурная схема генератора мостового типа

Если коэффициент усиления достаточен, то в схеме выполняются условия, необходимые для возникновения колебаний. Поскольку схема является широкополосной и не выделяет какой-либо частоты, генерируемое напряжение не имеет синусоидальной формы.

Если схема должна генерировать напряжение некоторой определенной частоты, то ветвь моста с резисторами R₁ и R₂ должна быть заменена избирательной схемой. Схема такого типа, образующая совместно с резисторами R₃ и R₄ мост Вина, представлена на рис. 10.17, а. Резистор R₁ заменен последовательной RС-цепочкой, а резистор R₂ – параллельной RС-цепочкой. Условие соответствующей фазы напряжения, возбуждающего усилитель, выполняется только на одной частоте f = 1/(2πRC). На других частотах имеет место меньшее напряжение U_АВ, а его фаза отличается от желаемой.

Схема генератора с мостом Вина изображена на рис. 10.17, б. Резистор R₄ в мостике заменен лампой накаливания с вольфрамовой нитью. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике лампы накаливания достигается автоматическая регулировка усиления и в результате – постоянная амплитуда колебаний.

Генератор с мостом Вина можно легко перестраивать с помощью сдвоенного конденсатора переменной емкости, включенного в схему вместо постоянных конденсаторов с емкостью С.

Рис. 10.17. Мост Вина (а) и схема генератора с мостом Вина (б)

Как получают несинусоидальные колебания?

Несинусоидальными колебаниями обычно называют колебания, форма которых отличается (сильнее или слабее) от синусоидальной. Однако в импульсной технике название «несинусондальные» относится к колебаниям, принципиальным образом отличающимся от синусоидальных, например к прямоугольным или треугольным.

Существуют два способа получения несинусоидальных колебаний. Рассмотрим первый способ. Синусоидальное колебание сначала подвергается ограничению (иногда многократному), обычно сопровождаемому усилением. В результате получается колебание, более или менее близкое к прямоугольному, которое затем подвергают линейному формированию в дифференцирующих или интегрирующих цепях. Таким способом, повторяя некоторые процессы формирования и придавая им разную последовательность, можно получить колебания различной формы (рис. 10.18): прямоугольные, пилообразные, трапецеидальные, импульсные и т. п.

Рис. 10.18. Формы колебаний, полученные из синусоидальных колебаний с использованием линейных и нелинейных цепей

Второй способ состоит в непосредственном генерировании несинусоидальных колебаний. Общий принцип генерирования несинусоидальных колебаний, упрощенно представлен на рис. 10.19.

Рис. 10.19. Общий принцип генерирования несинусоидальных колебаний

Конденсатор С заряжается через сопротивление от источника постоянного напряжения при разомкнутом ключе К и разряжается через ключ К, когда последний замыкают. Ключом может быть, например, лампа или транзистор. Размыкание ключа соответствует закрытому состоянию, замыкание – открытому. Перевод лампы или транзистора в эти состояния осуществляется с помощью импульсов, подведенных извне, либо в результате процессов, происходящих в схеме самого генератора. Полученное таким образом пилообразное колебание напряжения может быть использовано для получения других колебаний в зависимости от схемы и ее параметров. Например, в релаксационных генераторах изменение напряжения на заряженном и разряженном конденсаторе может быть использовано для получения на выходе прямоугольного колебания. Линейность изменения напряжения на конденсаторе зависит от постоянной времени цепи заряда и уровня напряжения, до которого заряжается конденсатор. В общем можно сказать, что такое изменение носит экспоненциальный характер.