Глава 29. Генераторы

ЦЕЛИ:

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Описать генератор и его назначение.

• Перечислить основные требования к генератору.

• Объяснить, как работает колебательный контур и как он связан с генератором.

• Нарисовать блок-схему генератора.

• Знать схемы LC, RC и кварцевого генераторов синусоидальных колебаний.

• Знать схемы генераторов несинусоидальных релаксационных (затухающих) колебаний.

• Нарисовать примеры генераторов синусоидальных и несинусоидальных колебаний.

Генератор — это невращающееся устройство, вырабатывающее переменный ток. Генераторы интенсивно используются в электронике: в радиоприем никах и телевизорах, в системах связи, в компьютерах, в промышленных системах управления и в устройствах точного измерения времени. Без генераторов не существовали бы очень многие электронные устройства.

29-1. ОСНОВЫ ГЕНЕРАТОРОВ

Генератор — это электрическая цепь, генерирующая периодический сигнал переменного тока. Частота сигнала может изменяться от нескольких герц до многих миллионов герц. Электронный генератор является альтернативой механическому генератору, используемому для получения электроэнергии. Преимуществом электронного генератора является отсутствие движущихся частей и значительно большая ширина диапазона, в котором может генерироваться сигнал. Выходное напряжение генератора может быть синусоидальным, прямоугольным или пилообразным, в зависимости от типа генератора. Основным требованием к генератору является постоянство частоты и амплитуды генерируемого напряжения.

Когда катушку индуктивности и конденсатор соединяют параллельно, они образуют цепь, называемую колебательным контуром. При возбуждении колебательного контура внешним источником постоянного тока, в нем возникают колебания; это означает, что в нем начинает течь переменный ток. Вследствие большого сопротивления цепи, колебания в колебательном контуре могут не возникнуть, так как сопротивление колебательного контура поглощает энергию тока и колебания в цепи затухают.

Для поддерживания колебаний в колебательном контуре рассеянную энергию необходимо восполнить. Это восполнение энергии осуществляется с помощью положительной обратной связи. Положительная обратная связь — это подача в колебательный контур части выходного сигнала для поддержки колебаний. Сигнал обратной связи должен быть в фазе с сигналом в колебательном контуре.

На рис. 29-1 изображена блок-схема генератора.

Рис. 29-1. Блок-схема генератора.

Структурное устройство генератора 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. Генератор — это схема с обратной связью, использующая постоянный ток для получения колебаний переменного тока.

29-1. Вопросы

1. Что такое генератор?

2. Как работает колебательный контур?

3. Что надо сделать для поддержания колебаний в колебательном контуре?

4. Нарисуйте блок-схему генератора.

5. Каковы функции основных частей генератора?

29-2. ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Генераторы синусоидальных колебаний — это 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 генераторы 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 рис. 29-2 и 29-3 изображены два основных типа генератора Хартли. Катушка с отводом в колебательном контуре указывает, что эти цепи являются генераторами Хартли. Недостатком генератора Хартли с последовательной обратной связью (рис. 29-2) 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.

Рис. 29-2. Генератор Хартли с последовательной обратной связью.

Рис. 29-3. Генератор Хартли с параллельной обратной связью.

Генератор Колпитца (рис. 29-4) 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.

Рис. 29-4. Генератор Колпитца.

Генератор Клаппа (рис. 29-5) является разновидностью генератора Колпитца. Основным отличием является добавление конденсатора, включенного последовательно с индуктивностью в колебательный контур. Этот конденсатор позволяет изменять частоту генератора.

Рис. 29-5. Генератор Клаппа.

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 рис. 29-6 изображено схематическое обозначение кристалла. На схемах кристаллы обозначаются буквами Y и XTAL.

Рис. 29-6. Схематическое обозначение кварца.

На рис. 29-7 изображена схема генератора Хартли с параллельной обратной связью с добавлением кварца. 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.

Рис. 29-7. Генератор Хартли с параллельной обратной связью, включающей кварц.

На рис. 29-8 изображен генератор Колпитца с кварцем, включенным так же как и в генераторе Хартли. Кварц управляет величиной обратной связи. Колебательный LC контур может быть настроен на частоту кварца.

Рис. 29-8. Кварцевый генератор Колпитца.

На рис. 29-9 изображен 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.

Рис. 29-9. Генератор Пирса.

На рис. 29–10 изображен 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.

Рис. 29–10. Генератор Батлера.

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 (рис. 29–11).

Рис. 29–11. 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 (рис. 29–12).

Рис. 29–12. 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, а на 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 Q₁. Выход транзистора Q₁ 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 рис. 29–13 изображен мостовой генератор Вина на интегральной микросхеме. Инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя идеальны для использования в генераторе на основе моста Вина. Усиление операционного усилителя высокое, что компенсирует все потери в цепи.

Рис. 29–13. Генератор на основе моста Вина на интегральной микросхеме.

29-2. Вопросы

1. Каковы три типа генераторов синусоидальных колебаний?

2. Нарисуйте схемы трех типов LC генератора.

3. Чем отличается генератор Колпитца от генератора Хартли?

4. Как можно улучшить стабильность LC генератора?

5. Каковы два типа RC генераторов, используемых для получения синусоидальных колебаний?

29-3. ГЕНЕРАТОРЫ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Генераторы несинусоидальных колебаний генерируют несинусоидальные колебания. Это не какая-то особая форма колебаний. Несинусоидальные колебания могут иметь прямоугольную, пилообразную или треугольную форму или комбинацию этих форм. Общей характеристикой для всех генераторов несинусоидальных колебаний является то, что все они — релаксационные генераторы. Релаксационный генератор запасает энергию в реактивной компоненте в течение одной фазы цикла колебаний и постепенно отдает ее в течение релаксационной фазы цикла.

Релаксационными генераторами являются блокинг-генераторы и мультивибраторы. На рис. 29–14 изображена схема блокинг-генератора.

Рис 29–14. Блокинг-генератор.

Причиной названия является то, что транзистор легко переводится в режим блокирования (запирания). Условие блокирования определяется разрядом конденсатора C₁. Конденсатор C₁ заряжается через переход эмиттер-база транзистора Q₁. Однако когда конденсатор C₁ заряжен, у него есть только один путь разряда — через резистор R₁. Величина постоянной времени RC цепочки из резистора и конденсатора С₁, устанавливает, как долго транзистор будет заперт (блокирован), а также определяет частоту колебаний. Большая постоянная времени соответствует низкой частоте, а маленькая постоянная времени — высокой частоте.

Если выходное напряжение взять с RC цепочки в эмиттерной цепи транзистора, то оно будет иметь пилообразную форму (рис. 29–15).

Рис. 29–15. Напряжение пилообразной формы, генерируемое блокинг-генератором.

RC цепочка определяет частоту колебаний и создает пилообразное напряжение. На транзистор подано напряжение смещения в прямом направлении через резистор R₁. Как только транзистор Q₁ начинает проводить, конденсатор С₁ быстро заряжается. Положительный потенциал на верхней обкладке конденсатора С₁ смещает эмиттерный переход в обратном направлении, запирая транзистор Q₁. Конденсатор С₁ разряжается через резистор R₂, образуя задний фронт пилообразного импульса. Когда конденсатор С₁ разряжается, транзистор опять смещается в прямом направлении и начинает проводить, повторяя процесс.

Конденсатор С₁ и резистор R₂ определяют частоту колебаний. Сделав резистор R₂ переменным, можно изменять частоту колебаний. Если резистор R₂ имеет высокое сопротивление, постоянная времени RC цепочки велика и частота колебаний низка. Если резистор R₂ имеет низкое сопротивление, постоянная времени RC цепочки уменьшится и частота колебаний возрастет.

Мультивибратор — это релаксационный генератор, который может находиться в одном из двух временно стабильных состояний, и быстро переключаться из одного состояния в другое.

На рис. 29–16 изображена основная схема автоколебательного мультивибратора.

Рис. 29–16. Автоколебательный мультивибратор.

Основой генератора являются два каскада, связанные между собой таким образом, что на вход каждого каскада подается сигнал с выхода другого каскада. Когда один каскад открыт, другой заперт до тех пор, пока эти условия не поменяются местами. Цепь самовозбуждается благодаря наличию положительной обратной связи.

Частота колебаний определяется параметрами цепи связи.

Астабильный мультивибратор является разновидностью автоколебательных мультивибраторов. Астабильный мультивибратор вырабатывает прямоугольные импульсы. Изменением постоянной времени RC цепочки цепей связи можно получить прямоугольные импульсы любой желаемой ширины. Изменением значений резистора и конденсатора может быть изменена рабочая частота. Стабильность частоты мультивибратора выше, чем у типового блокинг-генератора.

Интегральной микросхемой, которая может быть использована в качестве астабильного мультивибратора является таймер 555 (рис. 29–17). Эта интегральная микросхема может выполнять много функций. Она состоит из двух компараторов, триггера, выходного каскада и разрядного транзистора.

Рис. 29–17. Блок-схема интегральной микросхемы таймера 555.

На рис. 29–18 изображена схема, в которой таймер 555 используется в качестве астабильного мультивибратора. Частота колебаний определяется резисторами R_А и R_B и конденсатором С₁. Эта цепь находит широкое применение в промышленности.

Рис. 29–18. Астабильный мультивибратор на основе таймера 555.

29-3. Вопросы

1. Нарисуйте наиболее часто встречающиеся виды несинусоидальных колебаний.

2. Что такое релаксационный генератор?

3. Приведите два примера релаксационных генераторов.

4. Нарисуйте схему блокинг-генератора.

5. Нарисуйте схему астабильного мультивибратора на основе таймера 555.

РЕЗЮМЕ

• Генератор — это невращающееся устройство, вырабатывающее переменный ток.

• Выходное напряжение генератора может быть синусоидальным, прямоугольным или пилообразным.

• Основное требование к генератору — его выходное напряжение должно иметь постоянную частоту или амплитуду.

• Когда конденсатор и катушка индуктивности соединяются параллельно, образуется колебательный контур.

• Когда к колебательному контуру прикладывается напряжение от внешнего источника, в нем возникают колебания.

• Колебания в колебательном контуре затухают из-за потерь, обусловленных наличием сопротивления.

• Для поддержания колебаний в колебательном контуре требуется положительная обратная связь.

• Генератор состоит из трех основных частей: частотоопределяющего устройства, усилителя и цепи обратной связи.

• Тремя основными типами генераторов синусоидальных колебаний являются LC генераторы, кварцевые генераторы и RC генераторы.

• Тремя основными типами LC генераторов являются генератор Хартли, генератор Колпитца и генератор Клаппа.

• Кварцевые генераторы обеспечивают большую стабильность частоты выходного сигнала, чем LC генераторы.

• RC генераторы используют резистивно-емкостные цепи для задания частоты генератора.

• Генераторы несинусоидальных колебаний вырабатывают несинусоидальные колебания.

• Генераторы несинусоидальных колебаний генерируют колебания прямоугольной, пилообразной или треугольной формы или комбинацию этих форм.

• Релаксационный генератор — это основа всех генераторов несинусоидальных колебаний.

• Релаксационный генератор запасает энергию в реактивной компоненте в течение части цикла колебаний.

• Примерами релаксационных генераторов являются блокинг-генераторы и мультивибраторы.

Глава 29. САМОПРОВЕРКА

1. Перечислите части генератора и объясните, какой вклад в работу генератора вносит каждая часть.

2. Объясните, как можно поддерживать колебания в колебательном контуре?

3. Каковы главные типы генераторов синусоидальных колебаний?

4. Как используются кварцы в схемах генераторов?

5. Чем генератор несинусоидальных колебаний отличается от генератора синусоидальных колебаний?

6. Из каких компонентов состоят генераторы несинусоидальных колебаний?