Ģenerators ir pašoscilējoša sistēma, kas ģenerē elektriskās strāvas impulsus, kuros tranzistors pilda komutācijas elementa lomu. Sākotnēji no tā izgudrošanas brīža tranzistors tika novietots kā pastiprinošs elements. Pirmā tranzistora prezentācija notika 1947. gadā. Lauku tranzistora prezentācija notika nedaudz vēlāk - 1953. gadā. Impulsu ģeneratoros tas pilda slēdža lomu un tikai maiņstrāvas ģeneratoros realizē savas pastiprinošās īpašības, vienlaikus piedaloties pozitīvas atgriezeniskās saites veidošanā atbalstam. oscilācijas process.
Vizuāla frekvenču diapazona dalījuma ilustrācija
Klasifikācija
Tranzistoru ģeneratoriem ir vairākas klasifikācijas:
- pēc izejas signāla frekvenču diapazona;
- pēc izejas signāla veida;
- saskaņā ar darbības principu.
Frekvenču diapazons ir subjektīvs lielums, bet standartizācijai tiek pieņemts šāds frekvenču diapazona sadalījums:
- no 30 Hz līdz 300 kHz – zemfrekvences (LF);
- no 300 kHz līdz 3 MHz – vidēja frekvence (MF);
- no 3 MHz līdz 300 MHz – augsta frekvence (HF);
- virs 300 MHz – īpaši augsta frekvence (mikroviļņu krāsns).
Šis ir frekvenču diapazona sadalījums radioviļņu jomā. Ir audio frekvenču diapazons (AF) - no 16 Hz līdz 22 kHz. Tādējādi, vēloties uzsvērt ģeneratora frekvenču diapazonu, to sauc, piemēram, par HF vai LF ģeneratoru. Skaņas diapazona frekvences savukārt tiek iedalītas arī HF, MF un LF.
Atkarībā no izejas signāla veida ģeneratori var būt:
- sinusoidāls – sinusoidālu signālu ģenerēšanai;
- funkcionāls – īpašas formas signālu pašsvārstībām. Īpašs gadījums ir taisnstūrveida impulsu ģenerators;
- trokšņu ģeneratori ir plaša frekvenču diapazona ģeneratori, kuros noteiktā frekvenču diapazonā signāla spektrs ir vienmērīgs no frekvences reakcijas apakšējās līdz augšējai daļai.
Saskaņā ar ģeneratoru darbības principu:
- RC ģeneratori;
- LC ģeneratori;
- Bloķējošie ģeneratori ir īsu impulsu ģeneratori.
Pamata ierobežojumu dēļ RC oscilatorus parasti izmanto zemfrekvences un audio diapazonā, bet LC oscilatorus augstfrekvences diapazonā.
Ģeneratora shēma
RC un LC sinusoidālie ģeneratori
Vienkāršākais veids, kā ieviest tranzistora ģeneratoru, ir kapacitatīvā trīspunktu ķēde - Colpitts ģenerators (Zīm. zemāk).
Tranzistora oscilatora ķēde (Colpitts oscilators)
Colpitts shēmā elementi (C1), (C2), (L) nosaka frekvenci. Atlikušie elementi ir standarta tranzistoru vadi, lai nodrošinātu nepieciešamo līdzstrāvas darbības režīmu. Ģeneratoram, kas samontēts saskaņā ar induktīvo trīspunktu ķēdi — Hārtlija ģeneratoru —, ir tāda pati vienkārša shēma (Zīm. zemāk).
Trīspunktu induktīvi savienota ģeneratora ķēde (Hārtlija ģenerators)
Šajā shēmā ģeneratora frekvenci nosaka paralēla ķēde, kas ietver elementus (C), (La), (Lb). Kondensators (C) ir nepieciešams, lai radītu pozitīvu maiņstrāvas atgriezenisko saiti.
Šāda ģeneratora praktiskā ieviešana ir grūtāka, jo tam ir nepieciešama induktivitāte ar krānu.
Abi pašoscilācijas ģeneratori galvenokārt tiek izmantoti vidējā un augstā frekvenču diapazonā kā nesējfrekvenču ģeneratori, frekvences iestatīšanas lokālo oscilatoru ķēdēs utt. Radio uztvērēju reģeneratori arī ir balstīti uz oscilatoru ģeneratoriem. Šim pielietojumam ir nepieciešama augstas frekvences stabilitāte, tāpēc ķēde gandrīz vienmēr tiek papildināta ar kvarca svārstību rezonatoru.
Galvenajam strāvas ģeneratoram, kura pamatā ir kvarca rezonators, ir pašsvārstības ar ļoti augstu RF ģeneratora frekvences vērtības iestatīšanas precizitāti. Miljardiem procentu ir tālu no robežas. Radioreģeneratori izmanto tikai kvarca frekvences stabilizāciju.
Ģeneratoru darbība zemfrekvences strāvas un audio frekvences reģionā ir saistīta ar grūtībām realizēt augstas induktivitātes vērtības. Precīzāk, vajadzīgā induktora izmēros.
Pīrsa ģeneratora shēma ir Kolpitsa shēmas modifikācija, kas realizēta, neizmantojot induktivitāti (Zīm. zemāk).
Caurduriet ģeneratora ķēdi, neizmantojot induktivitāti
Pierce shēmā induktivitāte tiek aizstāta ar kvarca rezonatoru, kas novērš laikietilpīgo un apjomīgo induktors un tajā pašā laikā ierobežo augšējo svārstību diapazonu.
Kondensators (C3) neļauj tranzistora bāzes nobīdes līdzstrāvas komponentei pāriet uz kvarca rezonatoru. Šāds ģenerators var radīt svārstības līdz 25 MHz, ieskaitot audio frekvenci.
Visu iepriekš minēto ģeneratoru darbība ir balstīta uz svārstību sistēmas rezonanses īpašībām, kas sastāv no kapacitātes un induktivitātes. Attiecīgi svārstību frekvenci nosaka šo elementu vērtējumi.
RC strāvas ģeneratori izmanto fāzes nobīdes principu rezistīvi-kapacitatīvā ķēdē. Visbiežāk izmantotā ķēde ir fāzes nobīdes ķēde (Zīm. zemāk).
RC ģeneratora ķēde ar fāzes maiņas ķēdi
Elementi (R1), (R2), (C1), (C2), (C3) veic fāzes nobīdi, lai iegūtu pozitīvo atgriezenisko saiti, kas nepieciešama pašsvārstību rašanās gadījumam. Ģenerēšana notiek frekvencēs, kurām fāzes nobīde ir optimāla (180 grādi). Fāzes nobīdes ķēde rada spēcīgu signāla vājināšanos, tāpēc šādai shēmai ir paaugstinātas prasības tranzistora pastiprināšanai. Ķēde ar Wien tiltu ir mazāk prasīga attiecībā uz tranzistora parametriem (Zīm. zemāk).
RC ģeneratora ķēde ar Wien tiltu
Dubultais T-veida Wien tilts sastāv no elementiem (C1), (C2), (R3) un (R1), (R2), (C3) un ir šaurjoslas iecirtuma filtrs, kas noregulēts uz svārstību frekvenci. Visām pārējām frekvencēm tranzistors ir pārklāts ar dziļu negatīvu savienojumu.
Funkcionālie strāvas ģeneratori
Funkcionālie ģeneratori ir paredzēti, lai ģenerētu noteiktas formas impulsu secību (formu apraksta noteikta funkcija - tātad nosaukums). Visizplatītākie ģeneratori ir taisnstūrveida (ja impulsa ilguma attiecība pret svārstību periodu ir ½, tad šo secību sauc par “meanderu”), trīsstūrveida un zāģa zoba impulsi. Vienkāršākais taisnstūrveida impulsu ģenerators ir multivibrators, kas tiek pasniegts kā pirmā ķēde iesācējiem radioamatieriem, ko montēt ar savām rokām (Zīm. zemāk).
Multivibratora ķēde - taisnstūra impulsu ģenerators
Multivibratora īpatnība ir tā, ka tajā var izmantot gandrīz visus tranzistorus. Impulsu un paužu ilgumu starp tiem nosaka kondensatoru un rezistoru vērtības tranzistoru bāzes ķēdēs (Rb1), Cb1 un (Rb2), (Cb2).
Strāvas pašsvārstību biežums var atšķirties no hercu vienībām līdz desmitiem kilohercu. HF pašsvārstības nevar realizēt multivibratorā.
Trīsstūrveida (zāģzobu) impulsu ģeneratori, kā likums, tiek veidoti uz taisnstūra impulsu ģeneratoru (galvenais oscilators) bāzes, pievienojot korekcijas ķēdi (Zīm. zemāk).
Trīsstūrveida impulsu ģeneratora ķēde
Impulsu formu, kas ir tuvu trīsstūrveida formai, nosaka uzlādes-izlādes spriegums uz kondensatora C plāksnēm.
Bloķējošs ģenerators
Ģeneratoru bloķēšanas mērķis ir radīt spēcīgus strāvas impulsus ar stāvām malām un zemu darba ciklu. Paužu ilgums starp impulsiem ir daudz ilgāks nekā pašu impulsu ilgums. Bloķējošos ģeneratorus izmanto impulsu formētājos un salīdzināšanas ierīcēs, bet galvenā pielietojuma joma ir galvenais horizontālās skenēšanas oscilators informācijas displeja ierīcēs, kuru pamatā ir katodstaru lampas. Bloķējošos ģeneratorus veiksmīgi izmanto arī jaudas pārveidošanas ierīcēs.
Ģeneratori, kuru pamatā ir lauka tranzistori
Lauka efekta tranzistoru iezīme ir ļoti augsta ieejas pretestība, kuras secība ir salīdzināma ar elektronisko lampu pretestību. Iepriekš uzskaitītie shēmu risinājumi ir universāli, tie ir vienkārši pielāgoti dažāda veida aktīvo elementu izmantošanai. Colpitts, Hartley un citi ģeneratori, kas izgatavoti uz lauka efekta tranzistora, atšķiras tikai ar elementu nominālvērtībām.
Frekvences iestatīšanas shēmām ir tādas pašas attiecības. Lai radītu HF svārstības, ir vēlams vienkāršs ģenerators, kas izgatavots uz lauka efekta tranzistora, izmantojot induktīvu trīspunktu ķēdi. Fakts ir tāds, ka lauka efekta tranzistoram ar augstu ieejas pretestību praktiski nav manevrēšanas ietekmes uz induktivitāti, un tāpēc augstfrekvences ģenerators darbosies stabilāk.
Trokšņa ģeneratori
Trokšņu ģeneratoru iezīme ir frekvences reakcijas vienmērīgums noteiktā diapazonā, tas ir, visu noteiktā diapazonā iekļauto frekvenču svārstību amplitūda ir vienāda. Trokšņu ģeneratorus izmanto mērīšanas iekārtās, lai novērtētu pārbaudāmā ceļa frekvences raksturlielumus. Audio trokšņu ģeneratori bieži tiek papildināti ar frekvences reakcijas korektoru, lai pielāgotos subjektīvajam skaļumam cilvēka dzirdei. Šo troksni sauc par "pelēko".
Video
Joprojām ir vairākas jomas, kurās tranzistoru izmantošana ir sarežģīta. Tie ir jaudīgi mikroviļņu ģeneratori radaru lietojumos un kur nepieciešami īpaši spēcīgi augstas frekvences impulsi. Jaudīgi mikroviļņu tranzistori vēl nav izstrādāti. Visās pārējās jomās lielākā daļa oscilatoru ir pilnībā izgatavoti ar tranzistoriem. Tam ir vairāki iemesli. Pirmkārt, izmēri. Otrkārt, enerģijas patēriņš. Treškārt, uzticamība. Turklāt tranzistorus to struktūras īpatnību dēļ ir ļoti viegli miniaturizēt.
Ģeneratoru ar oscilējošām shēmām izmantošana (piemēram, LC) radīt svārstības ar frekvencēm, kas mazākas par 15-20 kHz, ir grūti un neērti ķēžu apjomīguma dēļ. Pašlaik ģeneratori, piemēram, R.C. kurā oscilējošās ķēdes vietā tiek izmantoti selektīvie RC filtri. Ģeneratoru tips R.C. var radīt ļoti stabilas sinusoidālas svārstības salīdzinoši plašā frekvenču diapazonā no hercu daļām līdz simtiem kilohercu. Turklāt tiem ir mazi izmēri un svars. Vispilnīgākās tipa ģeneratoru priekšrocības R.C. parādās zemas frekvences reģionā.
Sinusoidālo svārstību ģeneratora tipa blokshēma R.C. attēlā parādīts. 1.5.
Rīsi. 1.5
Pastiprinātājs ir veidots saskaņā ar parasto pretestības shēmu. Pastiprinātāja pašiedrošināšanai, t.i., lai sākotnēji radušās svārstības pārveidotu par neslāpētām, pastiprinātāja ieejā jāpieliek daļa no izejas sprieguma, kas pārsniedz ieejas spriegumu vai ir vienāda ar to lielumā un sakrīt. ar to fāzē, citiem vārdiem sakot, lai pārklātu pastiprinātāju ar pozitīvu atgriezenisko saiti ar pietiekamu dziļumu . Kad pastiprinātāja izeja ir tieši savienota ar tā ieeju, notiek pašieskrūvēšanās, bet radīto svārstību forma krasi atšķirsies no sinusoidālās, jo daudzu frekvenču svārstībām vienlaicīgi tiks izpildīti pašiedvesmas nosacījumi. Lai iegūtu sinusoidālās svārstības, ir nepieciešams, lai šie nosacījumi tiktu izpildīti tikai vienā noteiktā frekvencē un tiktu strauji pārkāpti visās pārējās frekvencēs.
Rīsi. 1.6
Šī problēma tiek atrisināta, izmantojot fāzes maiņas ķēde, kam ir vairākas saites R.C. un kalpo, lai pagrieztu pastiprinātāja izejas sprieguma fāzi par 180°. Fāzes maiņa ir atkarīga no saišu skaita P un vienāds
Sakarā ar to, ka viena saite R.C. mainās fāzē pa leņķim< 90°, минимальное число звеньев фазовращающей цепочки P -- 3. Praktiskajās ģeneratoru shēmās parasti izmanto trīs posmu fāzu nobīdes ķēdes.
Attēlā 1.6. attēlā parādīti divi šādu ķēžu varianti, attiecīgi saukti par “R-parallel” un “C-parallel”. Ģenerēto sinusoidālo svārstību frekvence šīm ķēdēm ar nosacījumu R1 = R 2 = R 3 = R Un C t = C 2 = C3 = C aprēķina, izmantojot šādas formulas: ķēdei att. 1.6, a:
attēlā redzamajai diagrammai. 4.6, b:
Lai nodrošinātu amplitūdas līdzsvaru, pastiprinātāja pastiprinājumam jābūt vienādam ar vājinājumu, ko ievada fāzes maiņas ķēde, caur kuru pastiprinātāja ieejai tiek piegādāts izejas spriegums.
Aprēķini liecina, ka iepriekš minētajām shēmām vājināšanās
Līdz ar to ķēdes, kurās izmanto trīs posmu fāzu nobīdes ķēdes ar identiskām saitēm, var radīt sinusoidālas svārstības ar frekvenci f 0 tikai tad, ja pastiprinātāja pastiprinājums pārsniedz 29.
Fāzu maiņas ķēdē ar identiskiem posmiem katrai nākamajai saitei ir manevrēšanas efekts uz iepriekšējo. Lai samazinātu saišu manevrēšanas efektu un samazinātu vājināšanos fāzes nobīdes atgriezeniskās saites ķēdē, t.s. progresīvsķēdes. Šajā gadījumā tiek atlasīta katras nākamās saites rezistora pretestība tn reizes lielāka par iepriekšējās saites pretestību, un nākamo saišu kapacitāte samazinās par tādu pašu summu:
Parasti vērtība T nepārsniedz 4--5.
Attēlā 1.7 parāda vienu no iespējamām šāda veida pašoscilatora shēmām R.C. ar fāzes maiņas ķēdi.
No fāzes līdzsvara apstākļu nodrošināšanas viedokļa šādu ģeneratoru varētu uzbūvēt uz viena tranzistora (T2) ar kopīgu emitētāju. Tomēr šajā gadījumā atgriezeniskās saites ķēde apiet rezistoru R K pastiprinātāja tranzistoru un samazina tā pastiprinājumu, un tranzistora zemā ieejas pretestība krasi palielina vājināšanos atgriezeniskās saites ķēdē. Tāpēc ir ieteicams atdalīt fāzes nobīdes ķēdes izeju un pastiprinātāja ieeju, izmantojot emitera sekotāju, kas samontēts uz tranzistora T1.
Pašģeneratora darbība sākas brīdī, kad tiek ieslēgts strāvas avots. Iegūtais kolektora strāvas impulss satur plašu un nepārtrauktu frekvenču spektru, kas obligāti ietver nepieciešamo ģenerēšanas frekvenci. Sakarā ar paša ierosmes nosacījumu izpildi šīs frekvences svārstības kļūst neslāpētas, savukārt visu pārējo frekvenču svārstības, kurām nav izpildīts fāzes līdzsvara nosacījums, ātri samazinās.
Autoģeneratori ar fāzu maiņas shēmām parasti tiek izmantoti, lai radītu fiksētas frekvences sinusoidālās svārstības. Tas ir saistīts ar frekvenču noregulēšanas grūtībām plašā diapazonā. Autoģeneratoru klāsta tips R.C. ir uzbūvēti nedaudz savādāk. Apskatīsim šo jautājumu sīkāk.
Ja pastiprinātājs pagriež ieejas signāla fāzi par 2? (piemēram, pastiprinātājs ar pāra pakāpju skaitu), tad, pārklājot ar pietiekama dziļuma pozitīvu atgriezenisko saiti, tas var radīt elektriskās svārstības, neieslēdzot īpašu fāzes nobīdes ķēdi. Lai izolētu nepieciešamo sinusoidālo svārstību frekvenci no visa šādas ķēdes ģenerēto frekvenču spektra, ir jānodrošina, lai pašiedvesmas nosacījumi būtu izpildīti tikai vienai frekvencei. Šim nolūkam atgriezeniskās saites ķēdē var iekļaut virknes paralēlu selektīvo ķēdi, kuras diagramma ir parādīta attēlā. 1.8.
Rīsi. 1.7
Noteiksim šīs ķēdes īpašības, uzskatot to par sprieguma dalītāju.
Pastāv acīmredzama saikne starp izejas un ieejas spriegumiem
Šīs ķēdes sprieguma pārneses koeficients
Pie kvazirezonanses frekvences w 0 sprieguma pārneses koeficientam jābūt vienādam ar reālu skaitli. Tas ir iespējams tikai tad, ja pretestības, kas izteiktas ar atbilstošo matemātisko apzīmējumu pēdējās formulas skaitītājā un saucējā, ir vienādas. Šis nosacījums ir izpildīts tikai tad, ja saucēja reālā daļa ir vienāda ar nulli, t.i.
Līdz ar to kvazirezonanses frekvence
Kas attiecas uz sprieguma pārneses koeficientu, kvazirezonanses frekvencē tas ir vienāds ar
Vērtības aizstāšana šajā formulā
Ņemot vērā R1 = R 2 = R Un C 1 = C 2 = C, atradīsim f 0 galīgās vērtības
Vājināšanās, ko ievieš apskatāmā selektīvā ķēde pie kvazirezonanses frekvences, ir vienāda ar
Tas nozīmē, ka minimālajam pastiprinājumam, pie kura tiek izpildīts amplitūdas līdzsvara nosacījums, arī jābūt vienādam ar 3. Acīmredzot šo prasību ir diezgan viegli izpildīt. Īsts tranzistora pastiprinātājs ar diviem posmiem (mazākais pāra skaitlis) ļauj iegūt daudz lielāku sprieguma pieaugumu nekā UZ O = 3. Līdz ar to kopā ar pozitīvo atgriezenisko saiti vēlams pastiprinātājā ieviest negatīvu atgriezenisko saiti, kas, samazinot pastiprinājumu, vienlaikus būtiski samazina iespējamos radīto svārstību nelineāros kropļojumus. Šāda ģeneratora shematiskā diagramma ir parādīta attēlā. 1.9.
Tranzistora RC oscilatora shēma ar frekvences regulēšanu
Termistors tranzistora T1 emitētāja ķēdē ir paredzēts, lai stabilizētu izejas sprieguma amplitūdu, mainoties temperatūrai. Frekvences regulēšana tiek veikta, izmantojot pārī savienotu potenciometru R1R2.
Pašlaik ģeneratoru izgatavošanai reti tiek izmantoti diskrēti elementi (tranzistori). Visbiežāk šiem nolūkiem tiek izmantotas dažāda veida integrālās shēmas. Shēmas, kas veidotas uz darbības pastiprinātājiem, reizinātājiem, salīdzinājumiem un taimeriem, atšķiras ar vienkāršību, stabiliem parametriem un daudzpusību. Op-amp elastība un daudzpusība ļauj izveidot gandrīz visu veidu ģeneratorus ar apmierinošiem parametriem ar minimālu ārējo komponentu skaitu, bet tajā pašā laikā viegli konfigurējamus un pielāgojamus.
Šādu ģeneratoru darbības princips ir balstīts uz fāzu nobīdes vai rezonanses elementu izmantošanu OS ķēdēs: Wien tilts, dubultā T veida tilts, nobīdes RC ķēdes.
Ir arī citi veidi, kā radīt sinusoidālās svārstības, piemēram, filtrējot trīsstūrveida impulsus vai ekstrahējot taisnstūrveida impulsu pirmo harmonisko komponentu.
Mēs apskatījām vienu no ģeneratoru veidiem, izmantojot svārstību ķēdi. Šādus ģeneratorus galvenokārt izmanto tikai augstās frekvencēs, bet ģenerēšanas daļai zemākās frekvencēs LC ģeneratora izmantošana var būt sarežģīta. Kāpēc? Atcerēsimies formulu: KC ģeneratora frekvenci aprēķina pēc formulas
Tas ir: lai samazinātu ģenerēšanas frekvenci, ir jāpalielina galvenā kondensatora kapacitāte un induktora induktivitāte, un tas, protams, palielinās izmēru.
Tāpēc, lai radītu salīdzinoši zemas frekvences, viņi izmanto RC ģeneratori
kura darbības principu mēs apsvērsim.
Vienkāršākā RC ģeneratora ķēde(to sauc arī par ķēdi ar trīsfāzu fāzu ķēdi), parādīts attēlā:
Diagramma parāda, ka tas ir tikai pastiprinātājs. Turklāt tas ir pārklāts ar pozitīvo atgriezenisko saiti (POF): tā ieeja ir savienota ar izeju, un tāpēc tā pastāvīgi atrodas pašizdegšanās režīmā. Un RC oscilatora frekvenci kontrolē tā sauktā fāzes maiņas ķēde, kas sastāv no elementiem C1R1, C2R2, C3R3.
Izmantojot vienu rezistora un kondensatora ķēdi, jūs varat iegūt fāzes nobīdi ne vairāk kā 90º. Patiesībā nobīde izrādās tuvu 60º. Tāpēc, lai iegūtu fāzes nobīdi 180º, ir jāuzstāda trīs ķēdes. No pēdējās RC ķēdes izejas signāls tiek piegādāts tranzistora pamatnei.
Darbība sākas brīdī, kad tiek ieslēgts strāvas avots. Iegūtais kolektora strāvas impulss satur plašu un nepārtrauktu frekvenču spektru, kurā noteikti būs nepieciešamā ģenerēšanas frekvence. Šajā gadījumā tās frekvences svārstības, uz kurām ir noregulēta fāzes nobīdes ķēde, kļūs neslāpētas. Svārstību frekvenci nosaka pēc formulas:
Šajā gadījumā ir jāievēro šāds nosacījums:
R1=R2=R3=R
C1=C2=C3=C
Šādi ģeneratori var darboties tikai ar fiksētu frekvenci.
Papildus fāzes maiņas ķēdes izmantošanai ir vēl viena, biežāka iespēja. Ģenerators ir būvēts arī uz tranzistora pastiprinātāja, bet fāzes nobīdes ķēdes vietā tiek izmantots tā sauktais Vīnes-Robinsona tilts (uzvārdu Vin raksta ar vienu “H”!!). Tas izskatās šādi:
Ķēdes kreisajā pusē ir pasīvs RC joslas caurlaides filtrs, punktā A tiek noņemts izejas spriegums.
Labā puse ir kā no frekvences neatkarīgs dalītājs.
Ir vispārpieņemts, ka R1=R2=R, C1=C2=C. Tad rezonanses frekvence tiks noteikta ar šādu izteiksmi:
Šajā gadījumā pastiprinājuma modulis ir maksimālais un vienāds ar 1/3, un fāzes nobīde ir nulle. Ja dalītāja pastiprinājums ir vienāds ar joslas caurlaides filtra pastiprinājumu, tad pie rezonanses frekvences spriegums starp punktiem A un B būs nulle, un fāzes reakcija pie rezonanses frekvences veic lēcienu no -90º uz +90º. Kopumā ir jāievēro šāds nosacījums:
R3=2R4
Bet ir tikai viena problēma: to visu var uzskatīt tikai ideālos apstākļos. Patiesībā viss nav tik vienkārši: mazākā novirze no nosacījuma R3 = 2R4 novedīs pie paaudzes pārtraukuma vai pastiprinātāja piesātinājuma. Lai padarītu to skaidrāku, savienosim Wien tiltu ar op-amp:
Kopumā šo shēmu nevarēs izmantot šādā veidā, jo jebkurā gadījumā tilta parametros būs izkliede. Tāpēc rezistora R4 vietā tiek ieviesta sava veida nelineāra vai kontrolēta pretestība.
Piemēram, nelineārs rezistors: kontrolēta pretestība, izmantojot tranzistorus. Vai arī jūs varat aizstāt rezistoru R4 ar mikrojaudas kvēlspuldzi, kuras dinamiskā pretestība palielinās, palielinoties strāvas amplitūdai. Kvēldiegam ir diezgan liela termiskā inerce, un vairāku simtu hercu frekvencēs tas praktiski neietekmē ķēdes darbību vienā periodā.
Ģeneratoriem ar Wien tiltu ir viena laba īpašība: ja R1 un R2 aizstāj ar mainīgu mainīgo (bet tikai ar dubultu), tad ģenerēšanas frekvenci var regulēt noteiktās robežās.
Kondensatorus C1 un C2 iespējams sadalīt sekcijās, tad būs iespējams pārslēgt diapazonus un izmantojot divkāršo mainīgo rezistoru R1R2, lai vienmērīgi regulētu frekvenci diapazonos.
Gandrīz praktiska RC oscilatora shēma ar Wien tiltu ir parādīta attēlā zemāk:
Šeit: slēdzis SA1 var pārslēgt diapazonu, un dubultais rezistors R1 var pielāgot frekvenci. Pastiprinātājs DA2 kalpo, lai saskaņotu ģeneratoru ar slodzi.
Harmonisko svārstību ģenerators sauc par ierīci, kas rada mainīgu sinusoidālu spriegumu, ja nav ieejas signālu. Ģeneratoru ķēdēs vienmēr tiek izmantotas pozitīvas atsauksmes.
Svārstības sauc bezmaksas(vai viņu pašu), ja tie tiek paveikti sākotnēji perfektās enerģijas dēļ, kam vēlāk nav ārējas ietekmes uz svārstību sistēmu (sistēmu, kas svārstās). Vienkāršākais svārstību veids ir harmoniskās svārstības – svārstības, kurās svārstību lielums laika gaitā mainās atbilstoši sinusa (kosinusa) likumam.
Ģeneratori ir daudzu mērinstrumentu neatņemama sastāvdaļa un svarīgākie automātisko sistēmu bloki.
Ir analogie un digitālie ģeneratori. Analogajiem harmonikas ģeneratoriem svarīga problēma ir izejas sprieguma amplitūdas automātiskā stabilizācija. Ja ķēdē nav iekļautas automātiskās stabilizācijas ierīces, ģeneratora stabila darbība nebūs iespējama. Šajā gadījumā pēc svārstību rašanās izejas sprieguma amplitūda sāks pastāvīgi palielināties, un tas novedīs pie tā, ka ģeneratora aktīvais elements (piemēram, darbības pastiprinātājs) nonāks piesātinājuma režīmā. . Tā rezultātā izejas spriegums atšķirsies no harmonikas. Automātiskās amplitūdas stabilizācijas shēmas ir diezgan sarežģītas.
Strukturāls ģeneratora ķēde ir parādīts zemāk esošajā attēlā:
IE ir enerģijas avots,
UE - pastiprinātājs,
POS — pozitīvas atgriezeniskās saites ķēde,
OOS - negatīvas atgriezeniskās saites ķēde,
FC - svārstību veidotājs (LC ķēde vai fāzes RC ķēde).
Autors svārstību iegūšanas metode ģeneratorus iedala divās grupās: ģeneratori ar ārēja stimulācija un ģeneratori ar sevis uzbudinājums. Ārēji ierosināts ģenerators ir jaudas pastiprinātājs, kura ieeja tiek apgādāta ar elektriskiem signāliem no svārstību avota. Paši ierosmes ģeneratori satur svārstību veidotājus; šādus ģeneratorus bieži sauc autoģeneratori .
Pašģeneratora darbības princips.
Tas ir balstīts uz automātisku svārstību draivera iztērētās enerģijas papildināšanu.
Šajā gadījumā ir jāievēro sekojošais:
-amplitūdas līdzsvara noteikums- pastiprinājuma un atgriezeniskās saites koeficienta reizinājumam jābūt vienādam ar 1.
-fāzes līdzsvara noteikums- tas nozīmē, ka svārstības notiek ļoti noteiktā frekvencē, kurā fāzes sakrīt.
Ja abi nosacījumi ir izpildīti, svārstības rodas vienmērīgi vai pēkšņi un tiek automātiski uzturētas noteiktā diapazonā. Ar lielu fāzes nobīdi svārstības viena otru iznīcinās un pēc tam pilnībā izzudīs.
Ir daudz veidu sinusoidālo viļņu ģeneratoru ķēdes. Satur ģeneratorus frekvencēm no vairākiem desmitiem kilohercu un vairāk LC shēmas un ģeneratori zemām frekvencēm, kā likums, RC filtri .
LC harmonisko svārstību ģeneratoru shēmas.
Ģeneratoros ar LC shēmas Tiek izmantotas induktīvās spoles un kondensatori ar augstu kvalitātes koeficientu. Pašoscilators - svārstību veidotājs - ir viens vai vairāki pastiprināšanas posmi ar pozitīvu no frekvences atkarīgām atgriezeniskās saites ķēdēm; Atgriezeniskās saites ķēdes satur svārstību ķēdes. Iespējamas dažādas svārstību ķēdes ieslēgšanas iespējas attiecībā pret elektroniskās ierīces elektrodiem: tikai ieejā, tikai izejā vai vienlaikus vairākās ķēdes sadaļās. Pamatojoties uz LC elementu savienošanas metodēm ar pastiprinošo elementu elektrodiem, izšķir transformatora savienojumu un tā saukto trīspunktu savienojumu - induktīvo vai kapacitatīvo. Pašģenerators ar transformatora savienojumu ir parādīts attēlā. 1.
Rīsi. 1. Autoģenerators-sinusoidālo svārstību veidotājs ar transformatora savienojumu.
Svārstību ķēde, kas sastāv no spoles Lk un kondensatora C, ir tranzistora V1 kolektora slodze.Induktīvo savienojumu starp pastiprinātāja izeju un ieeju nodrošina spole Lb, kas savienota ar tranzistora pamatni. Elementi R1, R2, Re, Se ir paredzēti, lai nodrošinātu nepieciešamo darbības režīmu līdzstrāvai un tās termiskai stabilizācijai.
Pateicoties kondensatoram C1, kuram ir zema pretestība ģenerēšanas frekvencē, tiek izveidota ķēde maiņstrāvas komponentei starp tranzistora bāzi un emitētāju. Punkti norāda uz tinumu Lb un Lk sākumu, jo ir nepieciešams ievērot fāzes līdzsvara nosacījumu. Fāzes līdzsvara stāvoklis novērots, ja enerģijas pieplūdums notiek sinhroni ar sprieguma zīmes izmaiņām ķēdē; piemēram, kaskādē ar tranzistoru, kas pieslēgts pēc OE ķēdes, ieejas un izejas signālu fāzes tiek savstarpēji nobīdītas par 180° C. Tāpēc spoles Lb galiem jābūt savienotiem tā, lai ieejas un izejas svārstības. atrodas fāzē. Amplitūdas līdzsvara stāvoklis ir tas, ka zudumus ķēdē un slodzē nepārtraukti papildina strāvas avots.
Rīsi. 1.a. Autoģeneratora darbība. Pārejoši procesi.
Antiģeneratora darbība(1.a att.) sākas, kad tiek ieslēgts Ek avots. Sākotnējais strāvas impulss ierosina svārstības LcC ķēdē ar frekvenci 
, kas varētu apstāties siltumenerģijas zudumu dēļ spoles un kondensatora aktīvajā pretestībā. Bet, tā kā starp spolēm Lb un Lk ir induktīvs savienojums ar savstarpēju induktivitātes koeficientu M, bāzes ķēdē radīsies maiņstrāva., kas fāzē sakrīt ar kolektora ķēdes strāvu (fāzes līdzsvara stāvokli nodrošina tinuma Lb galu racionāla iekļaušana). Pastiprinātās svārstības no ķēdes atkal tiek pārraidītas uz bāzes ķēdi, un svārstību amplitūda pakāpeniski palielinās, sasniedzot noteiktu vērtību.
Rīsi. 2. Sinusoidālo svārstību ģeneratori, kuru pamatā ir svārstību ķēde, kas samontēta, izmantojot trīspunktu induktīvo (a) un kapacitatīvo (b) ķēdi.
Autoģenerators samontēts saskaņā ar trīs punktu shēma, parādīts attēlā. 2, a. Svārstību ķēde, kas sastāv no sekciju spoles Lk un kondensatora Sk, ir tranzistora V1 slodze. Lk spole ir sadalīta divās daļās: viena no tās spailēm ir savienota ar kolektoru, otra - ar tranzistora pamatni; enerģija tiek piegādāta vienam no šīs spoles vidējiem apgriezieniem. Šis savienojums nodrošina fāzes līdzsvaru un ir ļoti vienkāršs un uzticams. Tranzistora līdzstrāvas darbības režīms un tā termiskā stabilizācija tiek veikta, izmantojot tos pašus elementus kā transformatora ģeneratora ķēdē (sk. 1. att.). Kapacitatīvā trīspunktu ķēde (2.att.,b) satur divus kondensatorus svārstību ķēdes kapacitatīvā atzarā, starp kuriem viduspunkts ir savienots ar tranzistora V1 emitētāju. Svārstību ķēde ir virknē savienota starp enerģijas avotu un UE. Spriegumiem uz kondensatoriem ir pretēja polaritāte attiecībā pret kopējo punktu, kas nodrošina fāzes līdzsvara nosacījumu izpildi.
RC harmonisko svārstību ģeneratoru shēmas.
RC oscilatori izmanto infra-zemas un zemas frekvences svārstību ģenerēšanai (no herca daļām līdz vairākiem desmitiem kilohercu); RC ģeneratori var radīt svārstības augstākās frekvencēs, bet zemas frekvences svārstības ir stabilākas.
Rīsi. 3. Sinusoidālo svārstību autoģeneratori ar L-veida RC saišu mērķi (a) un tilta tipu (b).
RC oscilators sastāv no pastiprinātāja (vienpakāpju vai daudzpakāpju) un no frekvences atkarīgas atgriezeniskās saites ķēdes. Atgriezeniskās saites ķēdes tiek veidotas kā “kāpnes” (3. att., a) vai tilts (3. att., b) RC ķēdes.
RC oscilators ar vairāku saišu RC atgriezeniskās saites ķēde ir parādīta attēlā. 3, a. Trīs sērijveidā savienoti fāzu izlīdzinājumi R1C1-R3C3, kas savienoti starp pastiprinātāja stadijas izeju un ieeju, veido pozitīvas atgriezeniskās saites ķēdi ar filtrēšanas īpašībām. Tas atbalsta svārstību procesu tikai vienā noteiktā frekvencē; Bez RC elementiem vienpakāpes pastiprinātājam būtu negatīva sprieguma atgriezeniskā saite. Nosacījums fāzes līdzsvaram Rezultātā katra no RC saitēm pagriež signāla fāzi par 60° leņķi, un kopējais nobīdes leņķis ir 180°. Amplitūdas līdzsvara nosacījums tiek apmierināts, izvēloties atbilstošu pakāpes pastiprinājumu.
Autoģenerators ar RC filtru tilta tips attēlā parādīts. 3, b. Divas tilta rokas - saites R1C1 un R2C2 - ir savienotas ar pastiprinātāja 2 neinvertējošu ieeju (cipars trīsstūra iekšpusē norāda pakāpju skaitu). Šīs saites veido PIC ķēdi. Cita diagonāle ir savienota ar tā paša pastiprinātāja invertējošo ieeju, kas sastāv no nelineāriem elementiem R3 un r, kas izveido OOS ķēdi. Šajā shēmā tiltam ir selektīva īpašība un fāzes līdzsvara stāvoklis tiek nodrošināts vienā frekvencē (pie kuras tilta izejas signāls ir fāzē ar ieeju). Frekvences regulēšana šajā pašoscilatorā ir vienkārša un ērta, un ir iespējama ļoti plašā frekvenču diapazonā. To veic, mainot vai nu abu rezistoru pretestības, vai abu tilta kondensatoru kapacitātes.
Visu ģeneratoru kopīgs trūkums ir ģenerētās frekvences jutība pret barošanas sprieguma izmaiņām, temperatūru un ķēdes elementu "novecošanos".
R.C.-ģenerators ir harmonisko svārstību ģenerators, kurā oscilācijas sistēmas vietā, kas satur elementus L Un AR, tiek izmantota rezistīvi-kapacitatīvā ķēde ( R.C.-ķēde) ar frekvences selektivitāti.
Induktoru izslēgšana no ķēdes ļauj ievērojami samazināt ģeneratora izmēru un svaru, it īpaši zemās frekvencēs, jo, frekvencei samazinoties, induktoru izmēri strauji palielinās. Svarīga priekšrocība R.C.-ģeneratori, salīdzinot ar L.C.- ģeneratori ir iespēja tos ražot, izmantojot integrētu tehnoloģiju. Tomēr R.C.- ģeneratoriem ir zema radīto svārstību frekvences stabilitāte zema kvalitātes faktora dēļ R.C.-shēmas, kā arī slikta svārstību forma sakarā ar sliktu augstāko harmoniku filtrēšanu izejas svārstību spektrā.
R.C.-ģeneratori var darboties plašā frekvenču diapazonā (no hercu daļām līdz desmitiem megahercu), taču tie ir atraduši pielietojumu sakaru iekārtās un mērīšanas tehnoloģijā galvenokārt zemās frekvencēs.
Pamatteorija R.C.-ģeneratorus izstrādāja padomju zinātnieki V.P.Asejevs, K.F.Teodorčiks, E.O.Saakovs, V.G.Kriksunovs un citi.
R.C.- ģenerators parasti ietver platjoslas pastiprinātāju, kas izgatavots no lampas, tranzistora vai integrālās shēmas un R.C.- atgriezeniskās saites ķēde, kurai ir selektīvas īpašības un kas nosaka svārstību frekvenci. Pastiprinātājs kompensē enerģijas zudumus pasīvajos elementos un nodrošina, ka tiek ievēroti pašiedvesmas amplitūdas nosacījumi. Atgriezeniskās saites ķēde nodrošina, ka paš ierosmes fāzes nosacījums tiek izpildīts tikai vienā frekvencē. Pēc atgriezeniskās saites veida R.C.- ģeneratori ir sadalīti divās grupās:
ar nulles fāzes nobīdi atgriezeniskās saites ķēdē;
ar fāzes nobīdi atgriezeniskās saites ķēdē par 180.
Lai uzlabotu radīto svārstību formu R.C.ģeneratori izmanto elementus, kuriem ir nelinearitāte, kas ierobežo svārstību amplitūdas pieaugumu. Šāda elementa parametri mainās atkarībā no svārstību amplitūdas, nevis no to momentānām vērtībām (termistors, kura pretestība ir atkarīga no caur to plūstošās strāvas sildīšanas pakāpes). Ar šo ierobežojumu svārstību forma nemainās, tās paliek harmoniskas pat stacionārā režīmā.
Apskatīsim abus veidus R.C.- autoģeneratori.
Pašoscilators ar 180 fāzes nobīdi atgriezeniskās saites ķēdē.
Šādu pašģeneratoru sauc arī par pašģeneratoru ar trīs saišu ķēdi. R.C..
Diagrammās R.C.-oscilatori ar fāzes nobīdi 180 izmanto pastiprinātājus atgriezeniskās saites ķēdē, lai invertētu ieejas sprieguma fāzi. Šāds pastiprinātājs, piemēram, var būt darbības pastiprinātājs ar invertējošu ieeju, vienpakāpju pastiprinātājs vai daudzpakāpju pastiprinātājs ar nepāra skaitu invertējamo pakāpju.
Lai fāzes līdzsvara vienādojums būtu izpildīts, atgriezeniskās saites ķēdei jānodrošina fāzes nobīde OS = 180.
Lai pamatotu atgriezeniskās saites ķēdes struktūru, mēs reproducējam vienkāršākās fāzes frekvences raksturlielumus. R.C.-saites (3.,4. att.).
Rīsi. 3. iespēja R.C.-saite un tās fāzes reakcija
Rīsi. 4 Iespēja R.C.-saite un tās fāzes reakcija
No grafikiem ir skaidrs, ka viens no vienkāršākajiem R.C.-link ievieš fāzes nobīdi, kas nepārsniedz 90. Tāpēc fāzes nobīdi 180 var panākt, kaskādes savienojot trīs elementārus. R.C.-saites (5. att.).
Rīsi. 5 Trīs elementu ķēdes un fāzes reakcija R.C.- ķēdes
Elementi R.C.- ķēdes veidotas tā, lai pie ģenerēšanas frekvences iegūtu fāzes nobīdi 180. Viena no iespējām ģeneratoram ar trīssavienojumu ķēdi R.C. parādīts 6. attēlā
Rīsi. 6 Ģenerators ar trīs saišu ķēdi R.C.
Ģenerators sastāv no pretestības tranzistora pastiprinātāja un atgriezeniskās saites ķēdes. Vienpakāpes pastiprinātājs ar kopēju emitētāju rada fāzes nobīdi starp spriegumu uz kolektora un pamatnes K = 180. Tāpēc, lai panāktu fāzes līdzsvaru, atgriezeniskās saites ķēdei jānodrošina OS = 180 ar radīto svārstību frekvenci.
Analizēsim atgriezeniskās saites ķēdi, kurai mēs sastādīsim vienādojumu sistēmu, izmantojot cilpas strāvas metodi.
Atrisinot iegūto sistēmu attiecībā pret atgriezeniskās saites koeficientu, iegūstam izteiksmi
No izteiksmes izriet, ka fāzes nobīde 180 tiek iegūta gadījumā, ja tā ir reāla un negatīva vērtība, t.i.
tāpēc ģenerēšana ir iespējama ar frekvenci
Šajā frekvencē atgriezeniskās saites koeficienta modulis
Tas nozīmē, ka, lai ierosinātu pašsvārstības, pastiprinātāja koeficientam jābūt lielākam par 29.
Ģeneratora izejas spriegums parasti tiek ņemts no tranzistora kolektora. Lai iegūtu harmoniskas svārstības, emitera ķēdē ir iekļauts termistors R T ar pozitīvu temperatūras pretestības koeficientu. Palielinoties svārstību amplitūdai, pretestība R T palielinās un negatīvās atgriezeniskās saites dziļums pastiprinātājā maiņstrāvai palielinās, attiecīgi pastiprinājums samazinās. Kad notiek stacionāras svārstību režīms ( UZ= 1), pastiprinātājs paliek lineārs un netiek izkropļota kolektora strāvas forma.
Pašoscilators ar nulles fāzes nobīdi atgriezeniskās saites ķēdē.
Ķēžu raksturīga iezīme R.C.-oscilatori ar nulles fāzes nobīdi atgriezeniskās saites ķēdē ir pastiprinātāju izmantošana tajos, kas neapgriež ieejas signāla fāzi. Šāds pastiprinātājs var būt, piemēram, darbības pastiprinātājs ar neinvertējošu ieeju vai daudzpakāpju pastiprinātājs ar pāra skaitu invertējošām pakāpēm. Apsvērsim dažas iespējamās atgriezeniskās saites ķēžu iespējas, kas nodrošina nulles fāzes nobīdi (7. att.).
Rīsi. 7 Iespējas atgriezeniskās saites shēmām, kas nodrošina nulles fāzes nobīdi
Tie sastāv no divām saitēm, no kurām viena apzīmē RС-saite ar pozitīvu fāzes nobīdi, bet otrā – ar negatīvu fāzes nobīdi. Fāzes reakcijas pievienošanas rezultātā noteiktā frekvencē (ģenerācijas frekvencē) var iegūt fāzes nobīdi, kas vienāda ar nulli.
Praksē fāzes līdzsvara tilts jeb, citiem vārdiem sakot, Vīnes tilts (7.c att.), kura izmantošana ir parādīta diagrammā, visbiežāk tiek izmantota kā selektīva ķēde ar nulles fāzes nobīdi. R.C.-oscilators ar nulles fāzes nobīdi, izgatavots uz operacionālā pastiprinātāja (8. att.).
Rīsi. 8 R.C.-ģenerators ar nulles fāzes nobīdi OS ķēdē
Šajā shēmā spriegums no pastiprinātāja izejas tiek piegādāts tā neinvertējošajai ieejai caur atgriezeniskās saites ķēdi, ko veido Vīnes tilta elementi. R 1 C 1 un R 2 C 2. Pretestības ķēde R.R. T veido citu atgriezenisko saiti - negatīvu, kas paredzēta, lai ierobežotu svārstību amplitūdas pieaugumu un saglabātu to harmonisko formu. Negatīvās atgriezeniskās saites spriegums tiek pielietots darbības pastiprinātāja invertējošajai ieejai. Termistors R T jābūt negatīvam temperatūras pretestības koeficientam.
Atsauksmes ķēdes pastiprinājums
jābūt reālam un pozitīvam daudzumam, un tas ir iespējams, ja vienlīdzība
No šejienes tiek noteikta radīto svārstību frekvence. Ja R 1 = R 2 =R, C 1 = C 2 = C, Tas
Amplitūdas nosacījums paš ierosināšanai pie frekvences 0 prasa nevienādības izpildi
Ja ir vienlīdzība R 1 = R 2 = R Un C 1 = C 2 = C iegūt UZ > 3.
Svārstību frekvenci var mainīt, mainot pretestības R vai kondensatora jaudas AR, kas iekļauts Vīnes tiltā, un svārstību amplitūdu regulē pretestība R.
Galvenā priekšrocība R.C.- ģeneratori priekšā L.C.-ģeneratori ir tas, ka pirmos ir vieglāk īstenot zemām frekvencēm. Piemēram, ja ģeneratora ķēdē ar nulles fāzes nobīdi atgriezeniskās saites ķēdē (8. att.) R 1 = R 2 = 1 MOhm, C 1 = C 2 = 1 µF, tad ģenerētā frekvence
.
Lai iegūtu tādu pašu frekvenci L.C.-ģenerators, būtu nepieciešama induktivitāte L= 10 16 Hn plkst AR= 1 µF, ko ir grūti īstenot.
IN R.C.- ģeneratori, tas ir iespējams, vienlaikus mainot kondensatoru vērtības AR 1 un AR 2, iegūstiet plašāku frekvenču regulēšanas diapazonu, nekā tas ir gadījumā L.C.- ģeneratori. Priekš L.C.- ģeneratori
kamēr par R.C.- ģeneratori, ar AR 1 = AR 2
Uz mīnusiem R.C.-ģeneratorus vajadzētu attiecināt uz to, ka salīdzinoši augstās frekvencēs tos ir grūtāk realizēt nekā L.C.- ģeneratori. Patiešām, kapacitātes vērtību nevar samazināt zem instalācijas kapacitātes, un rezistora pretestības samazināšanās izraisa pastiprinājuma samazināšanos, kas apgrūtina amplitūdas pašizdegšanās nosacījumu izpildi.
Uzskaitītas priekšrocības un trūkumi R.C.-ģeneratori noveda pie to izmantošanas zemo frekvenču diapazonā ar lielu frekvenču pārklāšanās koeficientu.
