Генераторы электрических сигналов реферат

Обновлено: 02.07.2024

Генератор является нелинейным устройством, которое преобразует энергию постоянного напряжения от источников питания в энергию колебаний.
Функционирование генератора можно разделить на два этапа: этап возбуждения генератора и этап стационарного режима.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….……..…3
1 общие сведения о Генераторах …………………………………. …4
1.1 Назначение и виды генераторов………………………… .…………. …. 4
1.2 Принципы построения генераторов……………………………………..………4
2 ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ……………….………………9
2.1 Генераторы импульсных сигналов ……………………………………………. 9
2.2 Генераторы прямоугольных импульсов……………………….………..………9
2.3 Генераторы линейно изменяющегося напряжения………………….………..15
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………..………………………………. ……………………26
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………

Работа состоит из 1 файл

Курсовая работа_2.doc

1 общие сведения о Генераторах …………………………………. …4

1.1 Назначение и виды генераторов………………………… .…………. …. 4

1.2 Принципы построения генераторов……………………………………..……… 4

2 ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ……………….………………9

2.1 Генераторы импульсных сигналов ……………………………………………. 9

2.2 Генераторы прямоугольных импульсов……………………….………..………9

2.3 Генераторы линейно изменяющегося напряжения………………….………..15

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………………. 27

В данной курсовой работе необходимо рассмотреть общее понятие генератора, виды генераторов импульсных сигналов, принципы их построения и работы, формулы вычисления определенных узлов, а также структурные схемы генераторов.

Классификация генераторов выполняется по ряду признаков: форме колебаний, их частоте, выходной мощности, назначению, типу используемого активного элемента, виду частотно-избирательной цепи обратной связи и др. По назначению генераторы делят на технологические, измерительные, медицинские, связные. По форме колебаний их делят на генераторы гармонических и негармонических (импульсных) сигналов.

Генератор является нелинейным устройством, которое преобразует энергию постоянного напряжения от источников питания в энергию колебаний.

Функционирование генератора можно разделить на два этапа: этап возбуждения генератора и этап стационарного режима.

Электронным генератором сигналов называют устройство, посредством которого энергия сторонних источников питания преобразуется в электрические колебания требуемой формы, частоты и мощности. Электронные генераторы входят составной частью во многие электронные приборы и системы. Так, например, генераторы гармонических или других форм колебаний используются в универсальных измерительных приборах, осциллографах, микропроцессорных системах, в различных технологических установках и др. В телевизорах генераторы строчной и кадровой разверток используются для формирования светящегося экрана.

По выходной мощности генераторы делят на маломощные (менее 1 Вт), средней мощности (ниже 100 Вт) и мощные (свыше 100 Вт). По частоте генераторы можно разделить на следующие группы: инфранизкочастотные (менее 10 Гц), низкочастотные (от 10 Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц) и сверхвысокочастотные (выше 100 МГц).

По используемым активным элементам генераторы делят на ламповые, транзисторные, на операционных усилителях, на туннельных диодах, или динисторах, а по типу частотно-избирательных цепей обратной связи — на генераторы LC-, RC- и RL-типа. Кроме того, обратная связь в генераторах может быть внешней или внутренней.

1.2 Принципы построения генераторов

Генератор является нелинейным устройством, которое преобразует, как уже сказано, энергию постоянного напряжения от источников питания в энергию колебаний. Обобщенная структурная схема генератора с внешней обратной связью приведена на рисунке 1. Она содержит усилитель с коэффициентом усиления К*, частотно-избирательную цепь положительной обратной связи с коэффициентом передачи β и цепь отрицательной обратной связи с коэффициентом передачи т.

Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема генератора (а) и процесс установления колебаний в генераторе (б)

Функционирование генератора можно разделить на два этапа: этап возбуждения генератора и этап стационарного режима. На этапе возбуждения колебаний в генераторе появляются колебания и амплитуда их постепенно нарастает. На втором этапе амплитуда колебаний стабилизируется и генератор переходит в стационарный режим. Форма колебаний на обоих этапах показана на рисунок 1 б.

На этапе возбуждения колебаний основную роль играет цепь положительной обратной связи. Эта цепь определяет условие возбуждения колебаний, их частоту и скорость нарастания амплитуды. После возникновения колебаний их амплитуда нарастает до тех пор, пока действие нелинейной отрицательной обратной связи не ограничит их рост [2, c.237].

Поскольку на этапе возбуждения цепь отрицательной обратной связи не работает, рассмотрим более простую схему генератора, изображенную на рисунке 2 а. Цепь положительной обратной связи обычно выполняется на пассивных элементах и потому имеет потери. Затухание сигнала в цепи обратной связи компенсируется усилением, которое обеспечивает усилитель У. Рассмотрим условия, при которых в схеме, приведенной на рисунке 2 а могут возникнуть колебания.

При включении питания в схеме возникают колебания, обусловленные нестационарными процессами — зарядом емкостей и индуктивностей, переходными процессами в транзисторах или ОУ. Эти колебания поступают на вход усилителя в виде сигнала U_BX и, пройдя усилитель, появляются на его выходе в виде сигнала U_вых = U_BXK. С выхода усилителя колебания через цепь положительной обратной связи вновь поступают на вход усилителя, поэтому

U_вых = U_BXβ или U_вых = U_BX(1- K β) , (1)

где К — комплексное значение коэффициента усиления, β — передача цепи обратной связи.

Рисунок 2 – Структурная схема генератора без отрицательной обратной связи (а) и форма выходного напряжения и начальной стадии возбуждения колебаний (б)

Из уравнения (1) следует, что напряжение на входе усилителя, а следовательно, и на его выходе может иметь конечное значение только при выполнении условия:

1 – Kβ = 0, откуда находим условие возбуждения колебаний:

где произведение Kβ называется петлевым усилением усилителя с обратной связью [2, c.238].

Условие возникновения колебаний (2) распадается на два условия, которые принято называть условиями баланса амплитуд и фаз:

Первое из условий (2) означает, что в стационарном режиме полное петлевое усиление на рабочей частоте генератора должно быть равно единице, т. е. модуль коэффициента усиления усилителя должен быть равен модулю обратной величины коэффициента передачи звена положительной обратной связи │К│ =

=│β -1 │. Иначе говоря, насколько сигнал ослабляется при передаче через цепь обратной связи β, настолько же он должен усиливаться усилителем.

Если коэффициент усиления усилителя │К│ -1 │, то колебания в схеме генератора будут затухающими, и наоборот, при │К│ > │β -1 │ колебания будут нарастающими, как показано на рисунке 2 б. Для точного выполнения условия баланса амплитуд в схему генератора вводится отрицательная обратная связь, посредством которой изменяется петлевое усиление усилителя. Возможны различные способы регулирования петлевого усиления: изменением коэффициента усиления усилителя, изменением коэффициента передачи цепи положительной обратной связи, изменением коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи. В качестве элементов, регулирующих петлевое усиление, используются или пассивные нелинейные элементы: термисторы, варисторы, позисторы, лампы накаливания и др. или транзисторы в режиме регулируемого сопротивления [2, c.239].

Второе условие (3), называемое условием баланса фаз, означает, что полный фазовый сдвиг в замкнутом контуре генератора должен быть равен 2nπ, где п— любое целое число. Условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний. Если условие баланса фаз выполняется только на одной частоте, то при выполнении условия баланса амплитуд колебания будут гармоническими. Если условие баланса фаз выполняется для ряда частот, то колебания будут негармоническими.

Кроме рассмотренных генераторов с внешней обратной связью, существуют генераторы с внутренней обратной связью, у которых положительная обратная связь обусловлена устройством используемого активного элемента. К таким элементам относятся некоторые типы полупроводниковых диодов, имеющих участки с отрицательным сопротивлением: динисторы, тиристоры, туннельные диоды, а также электронные лампы с вторичной эмиссией. В таких генераторах отрицательное сопротивление активного элемента используется для компенсации положительного сопротивления потерь в пассивных элементах. Эти генераторы могут использоваться как при синусоидальной форме выходного напряжения, так и при негармонических выходных напряжениях. Для формирования гармонических напряжений в таких генераторах обычно используются различные резонансные контуры.

В генераторах гармонических сигналов цепь положительной обратной связи выполняется таким образом, чтобы условие баланса фаз выполнялось на одной единственной частоте, на которой также выполняется условие баланса амплитуд.

Наиболее распространенными генераторами гармонических сигналов являются генераторы, в которых цепь положительной обратной связи выполнена на последовательных или параллельных резонансных контурах, на фазосдвигающих RC – или RL – цепях .

2 ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

2.1 Генераторы импульсных сигналов

Под генерированием электрических колебаний понимают преобразование энергии источников питания в энергию электрических колебаний. На низких радиочастотах колебания возбуждаются в системах с сосредоточенными параметрами. В дециметровом и более коротковолновых диапазонах для возбуждения колебаний необходимы системы с распределенными параметрами, поэтому здесь уместен термин "электромагнитные колебания". Существуют два основных способа получения электрических колебаний: преобразование с помощью активных электронных элементов энергии источников постоянного тока или преобразование энергии одних электрических колебаний в энергию других с требуемой частотой (параметрические и квантовые генераторы). [1 , c. 251]

Наиболее распространены генераторы прямоугольных и линейно изменяющихся (пилообразных) импульсов напряжения.

Генераторы импульсных сигналов (импульсные генераторы) могут работать в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем или синхронизации.

В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего воздействия. В ждущем режиме генераторы формируют импульсный сигнал лишь по приходе внешнего (запускающего) сигнала. В режиме синхронизации генераторы вырабатывают импульсы напряжения, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала.

Рассмотрим некоторые из генераторов импульсных сигналов.

2.2 Генераторы прямоугольных импульсов

Генераторы прямоугольных импульсов делятся на мультивибраторы и блокинг-генераторы. И те и другие могут работать как в автоколебательном, так и в ждущем режимах.

Основой структурного построения генераторов на биениях являются два высокочастотных маломощных генератора (рис. 1.11). Один генератор работает на фиксированной опорной частоте /0, а частоту /пл второго задающего генератора можно плавно изменять в заданном диапазоне частот. Сигналы задающих генераторов усиливаются отдельными усилителями, что исключает влияние генераторов друг на друга. При подаче… Читать ещё >

Генераторы электрических сигналов ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Генераторы электрических сигналов, используемые при реализации СИ различного назначения, можно разделить на две группы:

— задающие генераторы, предназначенные для выработки высокостабильных электрических синусоидальных сигналов или сигналов сложной формы;
— релаксационные генераторы сигналов в основном импульсной и пилообразной формы, предназначенные для выполнения различных преобразовательных функций.

Задающие генераторы, используемые в измерительной технике, по схемной реализации подразделяются на RC- и LC-генераторы и генераторы на биениях.

/?С-генераторы нашли наибольшее распространение в диапазоне до 300 кГц. Эго объясняется возможностью получения напряжения синусоидальной формы с низким коэффициентом гармоник в указанном диапазоне частот при сравнительно простых схемно-конструктивных решениях.

Принципы построения и функционирования AC-генераторов детально анализируются в специальных курсах. В данном учебном пособии рассмотрены лишь общие положения и особенности.

AC-генераторы обычно выполняют по схеме резистивно-емкостного усилителя, охваченного положительной частотно-зависимой и отрицательной частотно-независимой обратными связями.

Положительная обратная связь обеспечивает генерацию колебаний определенной частоты, а отрицательная — стабилизирует работу генератора во всем диапазоне генерируемых частот. Цепи положительной и отрицательной обратных связей обычно сбалансированы таким образом, что в замкнутом кольце устанавливается стационарный режим автоколебаний, минимальное значение которых не выходит за границу линейного участка вольтамперной характеристики усилителя.

Благодаря этому генерируемые колебания синусоидальной формы оказываются постоянными по амплитуде при перестройке частоты и имеют низкий уровень нелинейных искажений (до 1%).

В качестве активных элементов в AC-генераторах используют операционные усилители.

Генераторы типа LC наибольшее применение находят на высоких частотах. Частота генерируемых колебаний определяется выражением.

где С — емкость, [Ф];

L — индуктивность, [Гн1;

Q — добротность контура.

При высокой добротности колебательного контура выражение (1.9) вырождается в.

Следует отметить, что на низких частотах колебательная система таких генераторов оказывается громоздкой.

Высокая стабильность частоты генерируемых колебаний в регенераторах обеспечивается обычно за счет использования кварцевых резонаторов, параметрическими мерами (термокомпенсация, развязка питания и др.), термостатированием (помещением элементов схемы в объем с постоянным температурным режимом). При использовании всех указанных мер относительная нестабильность PCгенератора может быть снижена до 10″" ("https://referat.bookap.info", 6).

Коэффициент гармоник, характеризующий форму генерируемого синусоидального сигнала, обычно составляет в РС-генераторах 1 …2%.

Схемно PC-генераторы обычно реализуют по трехточечной схеме, одно из сопротивлений которой образуется кварцевым резонатором.

Частота собственных колебаний кварца в измерительной технике выбирается обычно кратной десяти (100 кГц, 1 МГц, 5 МГц и т. д. ).

В диапазоне частот 300…3000 МГц и выше колебательная система в РС-генераторах выполняется с использованием отрезков коаксиальных или волноводных линий.

Генераторы на биениях, как и /?С-генераторы, нашли применение в низкочастотном диапазоне частот. Это объясняется в основном двумя достоинствами таких генераторов:

— высокой стабильностью колебаний по уровню, т. е. малой зависимостью выходного уровня сигнала от частоты;
— непрерывным перекрытием всего диапазона частот генерируемых колебаний без коммутации.

Основой структурного построения генераторов на биениях являются два высокочастотных маломощных генератора (рис. 1.11). Один генератор работает на фиксированной опорной частоте /₀, а частоту /_пл второго задающего генератора можно плавно изменять в заданном диапазоне частот. Сигналы задающих генераторов усиливаются отдельными усилителями, что исключает влияние генераторов друг на друга. При подаче двух колебаний с разными частотами на входы смесителя на его выходе фильтром нижних частот выделяется сигнал разностной частоты F=f> —/_пл.

Например, в измерительном генераторе ГЗ-104 опорная частота /о = 400 кГц, частота f_m второго задающего генератора изменяется в пределах 400…360 кГц. Генерируемый диапазон частот генератора составляет0,02…40 кГц, причем перекрывается одним поворотом ротора конденсатора переменной емкости.

Генераторы линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения (ГЛИН) широко используются в различных СИ. С помощью ГЛИН осуществляется представление сигналов в реальном времени, спектральное разложение сигналов и другие функциональные преобразования.

Для создания линейной зависимости напряжения от времени чаще всего используют заряд (или разряд) конденсатора постоянным током. Работу ГЛИН можно пояснить с помощью эквивалентной схемы, приведенной на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Эквивалентная схема ГЛИН.

Рис. 1. 11. Структурная схема генератора на биениях.

Напряжение U_c на обкладках конденсатора формируется путем его автоматического переключения с заряда на разряд и наоборот с помощью коммутирующего устройства. В соответствии с этой схемой, в зависимости от соотношения между постоянной времени заряда конденсатора т, = R_SC и постоянной времени его разряда т_р = /?_РС, линейное напряжение может быть получено как в процессе заряда, так и разряда. Кроме того, в зависимости от схемных решений ГЛИН линейное напряжение может быть нарастающим или падающим, положительным или отрицательным.

Пилообразное напряжение характеризуется следующими параметрами (рис. 1.13):

— длительностью прямого хода 7],_р;
— длительностью обратного хода Г_и6р;
— размахом колебания U_m
— периодом повторения Т_п
— коэффициентом нелинейности рабочего участка.

Коэффициент нелинейности рабочего участка определяется относительным изменением крутизны на участке прямого хода:

Важнейшим требованием к ГЛИН является линейность пилообразного напряжения. Для линеаризации указанного напряжения распространение получили следующие способы:

— использование начального участка экспоненциальной кривой заряда конденсатора;
— заряд конденсатора через токостабилизирующее устройство;
— компенсация напряжения заряда конденсатора;
— применение интегрирующих звеньев.

Рис. 1.13. Временная диаграмма пилообразного напряжения

В современных радиоэлектронных изделиях широко используют интегрирующие звенья на основе операционных усилителей (рис. 1.14). Из уравнения интегрирующего звена [2].

Рис. 1.14. Интегратор на ОУ.

для рассматриваемой схемы следует, что при большом значении коэффициента усиления К и при = Е напряжение на выходе является линейной функцией времени:

На основе интегрирующих операционных усилителей разработаны генераторы развертки электронных осциллографов с высокой линейностью.

Устройства, генерирующие электрические сигналы широко используются в различных областях науки и техники. Измерительные генераторы применяются при проверке и настройке различных приборов, определении частотных характеристик схем, например усилителей, и т. д. Измерительные генераторы бывают разных типов и, как правило, каждый из них выполняет несколько функций.

Классифицировать измерительные генераторы (ИГ) можно по многим признакам: по форме выходного сигнала они могут быть подразделены на генераторы гармонических колебаний, генераторы прямоугольных импульсов, генераторы импульсов треугольной формы и др.; по назначению они делятся на генераторы: сигналов низких частот (инфразвуковых и звуковых частот) Г3 . ; сигналов высоких частот (высоких и сверхвысоких ) Г4 … ; импульсов Г5 … ; шумовых сигналов Г2 … ; сигналов специальной формы Г6 … ; качающейся частоты (свип-генераторы) Г8 … .

Генераторы гармонических колебаний, как в звуковом, так и в высокочастотном диапазоне, которые обеспечивают генерацию высокостабильной фиксированной частоты, называют задающими генераторами.

Генераторами сигналов часто называют модулирующие устройства.

Генераторы функций вырабатывают на выходе сигналы разной формы: синусоидальной, прямоугольной и др. Они обычно имеют более низкие характеристики, чем специализированные генераторы.

Генераторы частот бывают двух типов: 1) автогенераторы, у которых сигнал на выходе можно непрерывно перестраивать в пределах диапазона частот механическим или электронным методом. Они имеют хорошие общие характеристики, но точность и стабильность частоты относительно невелики. Погрешность установки частот в подобных схемах определяется качеством исполнения задающего генератора и способами перестройки элементов частотно-избирательных цепей. Обычно эта погрешность составляет (0,5-2,5) %; 2) синтезаторы частот, у которых источником выходного сигнала служит генератор высокостабильной фиксированной частоты, а частотный диапазон перекрывается несколькими последовательными операциями. В синтезаторах можно существенно понизить погрешность установки частоты.

Важнейшими параметрами измерительных генераторов являются: диапазон частот выходного сигнала (частотный диапазон); параметры, характеризующие форму выходного сигнала; погрешность установки частоты; погрешность установки выходного напряжения; выходная мощность или выходное напряжение; выходное полное сопротивление.

Частотный диапазон генераторов лежит от сотых долей герца (лабораторные приборы работают от 0,00005 Гц) до частот СВЧ - диапазона. Широкодиапазонные генераторы обычно выполняются с несколькими поддиапазонами.

Форма выходного сигнала для различных генераторов характеризуется различными параметрами. Генераторы синусоидального сигнала характеризуются коэффициентом нелинейных искажений.

Для генераторов прямоугольных импульсов указывается длительность фронта и спада импульса, величина выбросов на вершине импульса и после его окончания, величина спада плоской вершины импульса.

К параметрам генераторов относится также и неравномерность частотной характеристики, которая показывает величину изменения выходного сигнала при изменении частоты.

Погрешность установки частоты определяется по двучленной формуле вида ±(аf + b) Гц, где f - частота выходного сигнала.

В генераторах может нормироваться также уход частоты после прогрева генератора. Стабильность частоты зависит от старения элементов, температурного дрейфа, изменений в источнике питания.

Стабильность амплитуды характеризует изменение амплитуды сигнала со временем при фиксированной частоте. Погрешность установки выходного сигнала определяется погрешностью вольтметра на выходе генератора и погрешностью аттенюатора.

Для достижения требуемого полного выходного сопротивления к генератору может подключаться последовательно добавочные сопротивления. Многие генераторы имеют 600-омный выходной аттенюатор.

Измерительные генераторы должны иметь широкие пределы изменения выходного напряжения (мощности), высокую стабильность выходного сигнала, хорошую экранировку, низкий уровень шумов на выходе.

Генераторы всех типов состоят в основном из следующих частей: задающего генератора, преобразователя, выходного и измерительных устройств.

Задающий генератор (ЗГ) 1, который является источником колебаний, вырабатывает сигнал заданной формы и частоты. От качества задающего генератора зависят основные метрологические характеристики всего генератора.

Преобразователь (Пр) 2 выполняет различные функции. Он может повышать энергетический уровень сигнала ЗГ (усилитель напряжения или мощности), формировать определенную форму (модулятор), образовывать сетку частот в синтезаторах (умножитель, делитель и преобразователь частоты), кодовые комбинации импульсов и др.

Выходное устройство (ВУ) 3 позволяет регулировать уровень выходного сигнала ИГ и изменять его выходное сопротивление, изменять полярность выходных импульсов и др. В составе ВУ могут быть аттенюатор, согласующий трансформатор, повторитель и т. п.

Измерительные устройства (ИУ) 4 обеспечивают установку параметров генерируемых сигналов с нормированной погрешностью. Функцию измерительных устройств могут выполнять отсчетные устройства функциональных узлов ИГ (например, частотные шкалы задающих генераторов, шкалы ослаблений аттенюаторов и др.) или встроенные измерительные приборы (вольтметры или ваттметры, частотомеры, осциллографические индикаторы и др.).

Генераторы гармонических колебаний строятся по различным схемам и их можно разделить на низкочастотные ИГ (20 Гц – 300 кГц), высокочастотные (30 кГц – 300 МГц), сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц). К источникам гармонических сигналов относятся также генераторы качающейся частоты (ГКЧ) и синтезаторы частот.

Особенностью генератора качающейся частоты является автоматическое изменение (качание) частоты.

Генераторы гармонических сигналов состоят в основном из трех частей: задающего генератора, усилителя мощности и цепи обратной связи, которая вводится с целью компенсации потерь в схеме генерации (часть энергии с выхода усилителя передается обратно на вход). Если коэффициент усиления равен k, а коэффициент обратной связи b, то для генерации нужно, чтобы выполнялись два условия, называемые условиями Баркгаузена. Во-первых, усиление kb в петле обратной связи должно быть равно единице, во-вторых, фазовый сдвиг между входным напряжением и напряжением обратной связи должен быть равен нулю. Усилитель с нечетным числом каскадов дает фазовый сдвиг 180 0, поэтому цепь обратной связи должна также обеспечивать фазовый сдвиг180 0 на частоте генерации.

Генераторы импульсов разделяются по форме выходных импульсов, которая может быть прямоугольной, треугольной, пилообразной и т.д. Наиболее распространены генераторы импульсов прямоугольной формы.

Задающий генератор (ЗГ) вырабатывает импульсы в заданном интервале частот, которые поступают на формирователь импульсов (Ф1). Сформированные импульсы выводятся для синхронизации внешних устройств (осциллографов, генераторов и т.д.) и поступают на вход устройства задержки (УЗ). Задержанные импульсы служат для запуска формирователя импульсов (Ф2). Формирователь Ф2 вырабатывает импульсы определенной формы и требуемой длительности. Эти импульсы усиливаются выходным усилителем (ВУ). Амплитуда импульсов измеряется пиковым вольтметром (В). Установка, и изменение амплитуды импульсов обеспечивается с помощью выходного аттенюатора АТ.

В ряде случаев возникает необходимость генерировать импульсы синхронно с воздействием на измерительный генератор внешних пусковых сигналов. В этом случае генератор импульсов с помощью ключа SA переводится в режим внешнего запуска.

В качестве ЗГ в генераторах импульсов используются: блокинг-генераторы, мультивибраторы, RC- и LC – генераторы. Для генерирования прямоугольных импульсов часто используются интегральные микросхемы (таймеры).

К основным характеристикам генераторов случайных сигналов относятся: спектральная плотность S0(ω) и номинальная корреляционная функция R0(τ) выходного сигнала; ширина спектра , определяемая разностью крайних частот диапазона, в котором отклонение спектральной плотности от заданной не превышает допустимого значения; номинальный интегральный закон распределения мгновенных значений выходного сигнала F0(х) или его числовые характеристики; среднее квадратическое отклонение s0, максимальное значение выходного напряжения UШ; пиковый коэффициент UШ/ s0 и др.

Отличие состоит в задающем генераторе, который вырабатывает шумовой сигнал с равномерной спектральной плотностью в заданном интервале частот.

В генераторах случайных сигналов в качестве вольтметра используется вольтметры действующих значений с большим временем усреднения, которое определяется заданным диапазоном частот выходного сигнала и погрешностью измерения.

В качестве задающих генераторов используются источники вырабатывающие аналоговый шумовой сигнал, которые могут быть электромеханическими, радиоактивными и электронными.

Электромеханические источники конструктивно сложны и дают узкую ширину спектра выходного сигнала.

Радиоактивные обладают сложностью конструкции и нестационарностью выходного сигнала, обусловленной снижением активности радиоактивного элемента во времени. Кроме того, при их использовании нужна биологическая защита от радиоактивного излучения.

Наибольшее распространение получили электронные источники шума, к которым относятся резисторы, электронные лампы, газоразрядные трубки, полупроводниковые шумовые диоды.

Металлические резисторы используются в высокочастотных генераторах случайных сигналов. Спектральная плотность металлических резисторов равномерна в диапазоне частот до 1010 Гц и выше.

В диапазоне низких частот используются непроволочные резисторы, многосеточные лампы и стабилитроны.

Используемые полупроводниковые шумовые диоды имеют спектральную плотность (10-11 – 10-9 ) В2/Гц и ширину спектра (1 – 3,5 МГц). Но они характеризуются сильной температурной зависимостью спектральной плотности (-1,1% / C0).

Генераторы с преобразованием спектра высокочастотного шума характеризуются равномерным и достаточно интенсивным спектром в области низких и инфранизких частот и получили наибольшее распространении.

Преобразование спектра шума может осуществляться двумя способами: гетеродированием и нелинейным преобразованием.

Характеристики генераторов случайных сигналов зависят от многих параметров схемы и поэтому трудно обеспечить малые погрешности параметров выходного сигнала.

Электронным генератором сигналов называют устройство, преобразующее энергию источника питания в электрические колебания требуемой формы, частоты и мощности.

Электронные генераторы входят составной частью во многие электронные устройства и системы. Так, например, генераторы гармонических колебаний, а также колебаний импульсной формы используются в универсальных измерительных приборах, осциллографах, микропроцессорных системах, в различных технологических установках и т. д. В телевизионных приемниках генераторы строчной и кадровой разверток используются для формирования растра на экране кинескопа. Кроме этого электронные генераторы широко применяются в технике связи, в медицинском оборудовании, в бытовой технике.

Классификация генераторов выполняется по ряду признаков: форме колебаний, их частоте, выходной мощности, назначению, типу используемого активного элемента, виду частотно-избирательной цепи обратной связи и др.

По назначению генераторы делят на:

- технологические;

- измерительные;

- медицинские;

По форме колебаний их делят на:

- генераторы гармонических сигналов;

- генераторы негармонических (импульсных) сигналов.

По выходной мощности генератора делят на:

- маломощные (менее 1 Вт);

- средней мощности (ниже 100 Вт);

- мощные (свыше 100 Вт).

По частоте генераторы можно разделить на следующие группы:

- инфранизкочастотные (менее 10 Гц);

- низкочастотные (от 10Гц до 100 кГц);

- высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц);

- сверхвысокочастотные (выше 100 МГц).

С учетом используемых активных элементовгенераторы делят на:

- транзисторные;

- на операционных усилителях;

- на туннельных диодах;

- на динисторах.

Генератор электрических колебаний является нелинейным устройством. Обобщенная структурная схема генератора приведена на рисунке 3.47, а. В состав генератора входят: усилитель с коэффициентом усиления K_U, частотно-избирательная цепь положительной обратной связи с коэффициентом передачи т и цепь ООС с коэффициентом передачи g.

Рисунок 3.47 – Структурная схема генератора электрических колебаний (а)

и форма колебаний на его выходе (б)

Функционирование генератора можно разделить на два этапа: этап возбуждения генератора и этап стационарного режима. На этапе возбуждения колебаний после подключения к генератору внешнего источника питания в генераторе появляются колебания, амплитуда которых постепенно нарастает. На втором этапе амплитуда колебаний стабилизируется и генератор переходит в стационарный режим. Форма колебаний на выходе генератора показана на рисунке 3.47, б.

На этапе возбуждения колебаний основную роль играет цепь положительной обратной связи. Эта цепь определяет условие возбуждения колебаний, их частоту и скорость нарастания амплитуды. После возникновения колебаний амплитуда напряжения на выходе генератора нарастает до тех пор, пока действие нелинейной отрицательной обратной связи не ограничит рост этого напряжения.

Поскольку на этапе возбуждения цепь отрицательной обратной связи не работает, рассмотрим упрощенную схему генератора, изображенную на рисунке 3.48, а. Цепь положительной обратной связи обычно выполняется на пассивных элементах и потому имеет потери. Затухание сигнала в цепи обратной связи компенсируется усилением, которое обеспечивает усилитель. Рассмотрим условия, при которых в схемемогут возникнуть незатухающие колебания.

Рисунок 3.48 – Работа генератора на этапе возбуждения колебаний

Цепь положительной обратной связи генератора содержит емкости или индуктивности (или и то и другое). Наличие реактивных элементов приводит к тому, что при включении питания в схеме возникают переходные процессы, имеющие колебательный характер. К таким же последствиям могут привести переходные процессы в активных элементах (транзисторах или ОУ). Возникшие колебания поступают на вход усилителя в виде сигнала U_вх и, пройдя через усилитель, появляются на его выходе в виде сигнала

С выхода усилителя колебания через цепь положительной обратной связи вновь поступают на вход усилителя, поэтому можно записать

или, с учетом (3.50) и (3.51),

где – фактор положительной обратной связи.

Как известно, для положительной ОС, с учетом того, что в общем случае и собственный коэффициент усиления усилителя K_U, и коэффициент передачи цепи обратной связи т могут носить комплексный характер, можно записать

Из (3.53) следует, что для надежного возникновения колебаний в генераторе должно выполняться условие

Поскольку коэффициенты, входящих в (3.54), являются комплексными (частотозависимыми) величинами, то условие возникновения колебаний распадается на два условия, которые принято называть условиями баланса амплитуд и баланса фаз:

где j_к и j_т – фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью положительной обратной связи соответственно;

Первое из условий означает, что в стационарном режиме полное петлевое усиление на рабочей частоте генератора должно быть равно единице, то есть модуль коэффициента усиления напряжения усилителя должен быть равен модулю обратной величины коэффициента передачи цепи положительной обратной связи (то есть ). Иначе говоря, насколько сигнал ослабляется при передаче через цепь положительной обратной связи, настолько же он должен усиливаться усилителем.

Если выполняется условие , то колебания в схеме генератора будут затухающими, и, наоборот, при колебания будут нарастающими (как показано на рисунке 3.48, б). Для точного выполнения условия баланса амплитуд в схему генератора вводят отрицательную обратную связь, посредством которой изменяется петлевое усиление . Возможны различные способы регулирования петлевого усиления:

- изменением коэффициента усиления усилителя;

- изменением коэффициента передачи цепи положительной обратной связи;

- изменением коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи.

В качестве элементов, регулирующих петлевое усиление, используются или пассивные нелинейные элементы (термисторы, варисторы, позисторы, лампы накаливания и др.) или транзисторы в режиме регулируемого сопротивления (чаще всего это полевые транзисторы).

Второе условие, называемое условием баланса фаз, означает, что полный фазовый сдвиг в замкнутом контуре генератора должен быть равен 2пp, где п – любое целое число. Условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний. Если это условие выполняется только на одной частоте, то генерируемое колебания будет гармоническим. Если условие баланса фаз выполняется для ряда частот, то колебание будет негармоническими (то есть будет содержать высшие гармоники).

3.10.2 Генераторы гармонических сигналов на ОУ

Для формирования гармонических колебаний в области высоких и сверхвысоких частот широко применяют генераторы с резонансными LC-контурами. Однако их применение в области низких частот ограничивается из-за низкого качества и больших габаритов катушек индуктивности. Для повышения технологичности изготовления и уменьшения габаритов в низкочастотных генераторах в цепи положительной ОС используют различные RС-цепи. Такие цепи обычно имеют квазирезонансные характеристики со сдвигом фаз между входным и выходным напряжениями, равным нулю или 180°. В качестве примера на рисунке 3.49, а показана цепь на фазосдвигающих звеньях, а на рисунке 3.49, б – мост Вина.

Цепь на рисунке 3.49, а состоит из трех фазосдвигающих звеньев, каждое из которых обеспечивает сдвиг по фазе на 60°. В результате выходное напряжение будет сдвинуто по отношения ко входному на 180°. Чтобы выполнялось условие баланса фаз, усилитель также должен обеспечивать сдвиг по фазе, равный 180°, то есть должен быть инвертирующим.

Рисунок 3.49 – Цепь на фазосдвигающих звеньях (а) и мост Вина (б)

Мост Вина (рисунок 3.49, б) на квазирезонансной частоте обеспечивает сдвиг по фазе, равный нулю, поэтому для выполнения условия баланса фаз усилитель должен быть неинвертирующим.

Проанализируем схему моста Вина с целью выявления условий возникновения колебаний в генераторе.

Мост Вина состоит из двух RC-звеньев, первое из которых представляет собой последовательное соединение R и С элементов и имеет сопротивление

а второе – параллельное соединение таких же R и С элементов, полное сопротивление которого равно

Коэффициент передачи цепи положительной обратной связи определяется выражением

Если выполнить условие , то фазовый сдвиг будет равен нулю, а коэффициент передачи . В этом случае частота колебаний на выходе генератора определяется по формуле

Для стабилизации амплитуды в генераторах гармонических сигналов используют нелинейную ООС. Пример схемы генератора низкой частоты с мостом Вина приведен на рисунке 3.50. Отрицательная обратная связь в генераторе выполнена в виде нелинейного делителя напряжения на сопротивлениях R_л и R1. Сопротивление R1 – линейное, а сопротивление R_л – нелинейное. В качестве сопротивления R_л в рассматриваемой схеме используется лампа накаливания. При увеличении выходного напряжения генератора сопротивление металлической нити лампы накаливания увеличивается, что приводит к увеличению глубины отрицательной обратной связи и, следовательно, к уменьшению коэффициента усиления напряжения усилителя. В результате выходное напряжение стабилизируется на определенном уровне.

Следует отметить, что коэффициент усиления усилителя в рассмотренной схеме должен быть больше трех. Именно это значение коэффициента усиления и устанавливается при помощи регулируемой цепи обратной связи.

Рисунок 3.50 – Генератор синусоидального колебания

3.10.3 Релаксационный генератор на ОУ

Принцип работы релаксационных генераторов на базе ОУ основан на использовании процессов заряда – разряда (релаксаций) конденсаторов RС-цепей. При этом заданное время релаксаций реализуется как параметрами самой RС-цепи, так и величиной порогового напряжения срабатывания, устанавливаемого на одном из входов операционного усилителя. ОУ в данном случае используется в режиме компаратора.

Релаксационный генератор (мультивибратор) формирует последовательность прямоугольных разнополярных импульсов заданной длительности и скважности. Схема мультивибратора приведена на рисунке 3.51, а временные диаграммы, поясняющие его работу – на рисунке 3.52.

Напряжение на конденсаторе U_c изменяется по экспоненте, начальный участок которой близок по форме к линейной зависимости (принято на временной диаграмме), при этом напряжение U_с стремится к ±Е_нас (то есть к напряжению, близкому к напряжению источников питания). В момент, когда , дифференциальное входное напряжение ОУ изменяет знак на противоположный и напряжение на выходе ОУ скачкообразно (благодаря действию положительной обратной связи) изменяет полярность.

Рисунок 3.51 – Схема мультивибратора (генератора

Рисунок 3.52 – Релаксационные процессы в мультивибраторе

Таким образом, мультивибратор может находиться в одном из двух квазиустойчивых состояний, в течение которых формируются длительности импульса и паузы.

Пороговое напряжение и длительности импульса и паузы выходного напряжения генератора определяются из формул:

где t = R₂C – постоянная времени цепи.

Если принять R1 = R3, то получим

При выполнении условий (3.62) и (3.63) выходное напряжение генератора представляет собой импульсную последовательность со скважностью, равной двум (то есть меандр).

Вопросы для самоконтроля

3.11.1 Что называется операционным усилителем?

3.11.2 Привести примерные значения основных параметров типового операционного усилителя.

3.11.3 Записать выражение, связывающее выходное напряжение ОУ с его входными напряжениями. Что усиливает операционный усилитель?

3.11.4 Что называется напряжением смещения операционного усилителя?

3.11.5 Изобразить передаточную характеристику ОУ для инвертирующего (неинвертирующего) входа.

3.11.6 Изобразить типовую АЧХ операционного усилителя. Как определяется частота среза и частота единичного усиления по АЧХ?

3.11.7 Как определяется коэффициент усиления напряжения при неинвертирующем включении ОУ с отрицательной обратной связью?

3.11.8 Как определяется коэффициент усиления напряжения при инвертирующем включении ОУ с отрицательной обратной связью?

3.11.9 Как влияет глубина обратной связи на ширину полосы пропускания усилителя с ООС?

3.11.10 Что называется интегратором? Как связано выходное напряжение интегратора со входным напряжением?

3.11.11 Что называется дифференциатором? Как связано выходное напряжение дифференциатора со входным напряжением?

3.11.12 Привести схему инвертирующего (неинвертирующего) сумматора и записать выражение, связывающее выходное и входные напряжения.

3.11.13 Привести схему логарифмического (антилогарифмического) усилителя и записать выражение, связывающее выходное и входное напряжения.

3.11.14 Составить схему умножителя (делителя) напряжений на ОУ.

3.11.15 Что называется компаратором напряжений? Привести схему однопорогового компаратора и пояснить принцип его работы.

3.11.16 Перечислить преимущества и недостатки активных фильтров на ОУ.

3.11.17 Привести примеры схем ФНЧ, ФВЧ на ОУ и изобразить их АЧХ.

3.11.18 Привести примеры схем полосового, режекторного фильтров на ОУ и изобразить их АЧХ

3.11.19 Что называется электронным генератором сигналов?

3.11.20 Пояснить работу генератора электрических колебаний по структурной схеме.

3.11.21 Что называют балансом амплитуд, балансом фаз? При каких условиях в генераторе возникают устойчивые колебания?

Читайте также: