Общие принципы генерирования колебаний

Известно, что из ничего ничего не рождается. Чтобы произвести в природе какое-либо действие, скажем, создать движение, надо затратить определенную энергию. Колебания, в том числе и электрические, - один из видов движения. Энергия мускулов нужна, чтобы раскачать качели, энергия пара или воды, скопившейся перед плотиной, - чтобы раскрутить турбину и выработать ток промышленной частоты (50 Гц). Точно так же энергия источника электропитания позволяет возбудить радиочастотный генератор, который, по сути дела, является преобразователем энергии постоянного тока в энергию высокочастотных колебаний - их можно усилить и подвести к антенне радиопередатчика.

В самых первых радиопередатчиках, например, функции генерирования и усиления колебаний совмещались в одном устройстве, выполненном на мощной радиолампе (а еще ранее - на искровом или дуговом разряднике либо машине высокой частоты). Впоследствии оказалось целесообразнее генерировать колебания сравнительно малой мощности (но зато высокостабильные), а затем усиливать их до нужного уровня. Генераторы, в которых самостоятельно возникают колебания, называются самовозбуждающимися, или автогенераторами, а усилители мощности высокочастотных колебаний часто называют генераторами с посторонним возбуждением.

Маломощные генераторы - гетеродины - имеются почти в каждом радиовещательном и телевизионном приемнике. Они являются частью преобразователя частоты - устройства, служащего для переноса сигнала с принимаемой частоты на так называемую промежуточную частоту, на которой и происходят основное усиление, фильтрация и обработка сигнала. Такой приемник называют супергетеродинным.

Автогенератор содержит обычно усилительный элемент, выход которого соединен со входом цепью обратной связи (ОС), как показано на рис. 44.

Полярность колебаний, поступающих на вход по цепи ОС, должна быть такой, чтобы поддерживать уже имеющиеся в системе колебания, увеличивая их амплитуду Такая ОС называется положительной (ПОС). При коэффициенте передачи петли усилительный элемент - цепь ОС более единицы достаточно малейшего толчка, даже тепловых флуктуаций, чтобы в автогенераторе возникли колебания. Их амплитуда будет нарастать до тех пор, пока не заработает какой-либо сдерживающий механизм, снижающий усиление, например, пока не наступит ограничение амплитуды в усилительном элементе.

Релаксационные генераторы

Если в генераторе применить широкополосные усилитель и цепь ОС (широкополосные - значит пропускающие широкую полосу частот, от самых низких до достаточно высоких), получится релаксационный генератор. Процесс самовозбуждения в нем происходит настолько быстро, что не успевает пройти даже одного цикла (периода) колебаний, как усилительный элемент оказывается в режиме насыщения (ограничения). После этого устройство должно некоторое время "отдохнуть" (relax - отдыхать), чтобы возвратиться в исходное состояние, после чего процесс повторится.

Релаксационные генераторы вырабатывают несинусоидальные колебания. На их основе создают генераторы коротких импульсов прямоугольного, треугольного или какого-либо другого напряжения специальной формы. Их используют, например, для генерирования напряжения развертки в телевизорах. Катушек индуктивности в релаксационных генераторах чаще всего нет (исключением является трансформатор в блокинг-генераторе), а частота или период колебаний определяется длительностью зарядки-разрядки конденсаторов через резисторы, т. е. постоянной времени RC-цепей (t = RC).

Один из самых простых релаксационных генераторов обычно выполняют на триггере Шмитта (рис. 45,а) - устройстве, выходное напряжение которого может принимать два значения - высокое (скажем, 5 В) и низкое (О В). Если напряжение на входе триггера возрастает, то при определенном его значении (например, 3 В) выходное напряжение становится низким, а при падении входного напряжения ниже другого порога (к примеру, 2 В) - высоким. Таким образом, характеристика передачи триггера Шмитта имеет вид прямоугольной петли гистерезиса, на что и указывает фигура на его условном обозначении. На то, что выходное напряжение инвертировано, т. е, имеет обратную полярность относительно входного, указывает кружок на выходном выводе микросхемы. Готовые триггеры Шмитта имеются в различных сериях цифровых микросхем, выпускаемых промышленностью.

Работает этот генератор так. После его включения конденсатор С1 разряжен, напряжение на выходе DD1 - высокое. Конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R1, и через некоторое время напряжение на нем достигает верхнего порога переключения триггера (3 В). Выходное напряжение скачком понижается до нуля, и конденсатор начинает разряжаться через тот же резистор. Когда напряжение на нем понизится до нижнего порога переключения (2 В), выходное напряжение скачком возрасте г. Такой процесс будет периодически повторяться - возникнут автоколебания. Форма напряжения на конденсаторе близка к треугольной (рис. 45,б), а на выходе генератора - прямоугольная (рис. 45,в).

Рассмотрим еще один широко распространенный релаксационный генератор, выполненный на дискретных элементах, - мультивибратор (рис. 46).

По сути дела - это двухкаскадный транзисторный усилитель со связью между каскадами через разделительный конденсатор С1. Конденсатор С2 соединяет выход усилителя со входом, создавая ОС. Поскольку каждый каскад инвертирует сигнал, после двух каскадов сигнал оказывается неинвертированным, а обратная связь - положительной. R1 и R4- резисторы нагрузки каскадов, a R2 и R3 - резисторы смещения, задающие некоторый начальный ток базы, обеспечивающий насыщение транзисторов.

На коллекторах транзисторов формируются противофазные импульсы, по форме близкие к прямоугольным. Если номиналы резисторов и конденсаторов одинаковые, импульсы будут одинаковой длительности - такой мультивибратор называют симметричным. При разных номиналах деталей импульсы станут несимметричные - один полупериод короче, другой длиннее. Мультивибратор становится несимметричным.

Схем релаксационных генераторов много, с ними можно познакомиться в радиотехнической литературе, посвященной импульсной технике. Сегодня подобные устройства в большинстве случаев выполняют на цифровых микросхемах, что проще, удобнее и надежнее.

Автор: В.Поляков, г.Москва