Теория: генераторы синусоидальных колебаний. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Начинающему радиолюбителю

 Комментарии к статье

Один из видов генераторов синусоидальных колебаний используют для задания частоты RC-элементы. Такие генераторы достаточно сложны, требуют специальных мер по стабилизации амплитуды колебаний и не отличаются высокой стабильностью частоты.

Надежнее и лучше работают генераторы с параллельным колебательным контуром в качестве частотозадающего элемента - их часто называют LC-генераторами. Напомним, что параллельный колебательный контур содержит конденсатор и катушку индуктивности. Если заряженный конденсатор подключить к катушке, то в образовавшемся контуре (рис. 47) возникнут затухающие колебания. Их частота определяется формулой Томсона: fo = 1/2π(LC)1/2.

Колебания продолжались бы бесконечно, если бы в контуре не было потерь энергии, например, на активном сопротивлении провода катушки. Кроме того, какую-то. пусть и небольшую часть энергии надо отдавать в нагрузку генератора!

Чем меньше потери энергии, тем выше добротность контура, которая равна числу колебаний до момента уменьшения их амплитуды пример но в 10 раз. Этот факт мало кому известен. Потери в контурном конденсаторе обычно малы по сравнению с потерями в катушке, поэтому добротность контура практически равна добротности катушки, определяемой как отношение реактивного сопротивления катушки к активному.

Добротность радиочастотных катушек диапазонов ДВ, СВ и KB лежит обычно в пределах 30...300, в зависимости от размеров и качества исполнения. Большие катушки, намотанные для диапазонов ДВ и СВ специальным многожильным проводом (ЛЗШО - литцендратом) или толстым посеребренным проводом для диапазона KB, имеют обычно и большую добротность.

Значительно сократить размеры катушек при сохранении высокой добротности позволяют магнитопроводы (сердечники) из высокочастотного феррита или другого магнитодиэлектрика (магнетита, оксифера, карбонильного железа). Однако при использовании таких катушек в генераторах надо обращать внимание на температурную зависимость свойств магнитопровода, чтобы не ухудшить стабильность частоты генератора.

Добротность контура определяет и ширину его резонансной кривой. Она характеризует зависимость амплитуды колебаний в контуре от частоты при возбуждении его от постороннего источника синусоидальных колебаний. Связь источника с контуром для получения правильных результатов должна быть очень слабой при совпадении частоты колебаний источника с резонансной частотой контура амплитуда колебаний в нем максимальна, а при расстройке она уменьшается. Ширина резонансной кривой по точкам, где амш!итуда падает до 0,7 (на 3 дБ), обратно пропорциональна добротности: 2Δf=f/Q (рис, 47).

Основная идея построения генераторов с LC-контуром состоит в следующем: убыль энергии в контуре в процессе колебаний должна восполняться усилительным элементом, возбуждаемым от того же контура, в полном соответствии с рис. 44. При этом должны выполняться два условия: баланс амплитуд и баланс фаз.

Первое условие требует, чтобы энергия, подводимая к контуру от усилительного элемента, в точности равнялась потерям энергии в самом контуре и в цепях связи с нагрузкой. При более слабой обратной связи колебания затухают и генерация прекращается, при более сильной - амплитуда нарастает и усилительный элемент либо входит в режим ограничения, либо закрывается напряжением, вырабатываемым цепью стабилизации амлитуды. В обоих случаях усиление уменьшается, восстанавливая баланс амплитуд.

Условие баланса фаз состоит в том, чтобы колебания от усилительного элемента подводились к контуру синфазно с его собственными. Следовательно, общий фазовый сдвиг по петле обратной связи должен быть нулевым. Впрочем, небольшой фазовый сдвиг, вносимый усилителем, может компенсироваться контуром. Фазовый сдвиг колебаний в контуре (относительно возбуждающих) составляет 0 на резонансной частоте и достигает ±π/4 при расстройке частоты на ±Δf в соответствии с фазовой характеристикой контура. При наличии фазового сдвига в усилительном элементе колебания будут возбуждаться не на резонансной частоте, а где-то сбоку от нее, что, конечно, нежелательно.

Исторически первый LC-генератор был изобретен Мейсснером в 1913 г. (немецкое общество беспроволочного телеграфа) и затем усовершенствован Роундом (английская фирма Маркони). В нем использовалась индуктивная обратная связь (рис. 48).

Колебания от контура L2C2 подводятся к сетке лампы VL1. Ее анодный ток, изменяющийся в такт с колебаниями в контуре, протекает через катушку связи и, и энергия усиленных колебаний поступает обратно в контур. Для правильной фазировки обе катушки должны включаться так, как показано на рисунке (начала обмоток, намотанных в одну сторону, обозначены точками). Регулировать обратную связь можно, изменяя расстояние между катушками.

Для стабилизации амплитуды колебаний служит гридлик - цепочка C3R1 (кстати, в самом первом генераторе Мейсснера ее еще не было). Действует она так: во время положительных полупериодов колебаний на сетке часть электронов притягивается на нее и заряжает правую по схеме обкладку конденсатора C3 минусовым напряжением. Оно сдвигает рабочую точку на участок характеристики с меньшей крутизной (лампа немного закрывается), и усиление уменьшается. Резистор "утечки сетки" R1 позволяет накапливающемуся заряду стекать на катод, иначе лампа закрылась бы совсем.

Конденсатор С1 служит для замыкания токов высокой частоты на общий провод ("землю") - ведь совсем не нужно, чтобы они протекали через источник питания, создавая наводки и помехи другим элементам устройства, в котором использован генератор.

В дальнейшем американской фирмой "Вестерн Электрик" были разработаны более простые и совершенные генераторы - индуктивная "трехточка" Хартли (1915 г) и емкостная "трехточка" Колпитца (1918 г.). Мы намеренно привели имена изобретателей, поскольку схемы их генераторов практически не изменились за более чем три четверти века, и до сих пор в технической литературе встречаются названия "схема Мейснера" или "схема Колпитца" без пояснения, что это такое. Элементная база тем не менее значительно изменилась, и в качестве примера рассмотрим генератор, выполненный по схеме индуктивной трехточки (Хартли) на современном полевом транзис торе с изолированным затвором (рис. 49).

По принципу действия такой транзистор во многом подобен трехэлектродчой радиолампе - триоду, но ток в нем протекает не в вакууме, а в толще полупроводника, где технологически создан проводящий канал между стоком (верхний по схеме вывод) и истоком (нижний вывод). Проводимость канала управляется напряжением на затворе - электроде, расположенном очень близко к каналу, но изолированном от него. При подаче на затвор отрицательного напряжения его поле как бы "пережимает" канал и ток стока уменьшается. Если же подано и увеличивается положительное напряжение, проводимость канала растет и ток стока увеличивается. В любом случае ток затвора отсутствует, и это заставило дополнить гридлик C2R1 - цепь стабилизации амплитуды - диодам VD1, детектирующим поступающие на затвор колебания и создающим отрицательное смещение при возрастании их амплитуды.

Колебания на затвор подаются с контура L1С1, определяющего частоту генератора. Достоинство полевого транзистора в том, что его входное сопротивление на радиочастотах очень велико, и оно практически не шунтирует контур, не внося в него дополнительных потерь. Обратная связь создается подключением истока транзистора к части витков катушки L1 (обычно от 1/3 до 1/10 общего числа витков).

Работает генератор так: при положительной полуволне колебаний на верхнем по схеме выводе контура увеличивается ток транзистора, который "подбрасывает" в контур очередную порцию энергии.

По сути дела, транзистор в этом генераторе включен истоковым повторителем, и фаза колебаний на истоке совпадает с фазой колебаний на затворе, что и обеспечивает баланс фаз. Коэффициент передачи повторителя по напряжению меньше единицы, однако катушка по отношению к истоку включена как повышающий автотрансформатор. В результате полный коэффициент передачи по петле обратной связи становится больше единицы, обеспечивая баланс амплитуд.

В качестве другого примера рассмотрим генератор, выполненный по схеме емкостной "трехточки" на биполярном транзисторе (рис. 50). Собственно генератор собран на транзисторе VT1. Его режим по постоянному току задается делителем в цепи базы R1R2 и сопротивлением эмиттерного резистора R3 (мы уже рассматривали такие схемы в разделе об усилителях). Колебательный контур генератора образован катушкой индуктивности L1 и цепочкой из трех последовательно включенных конденсаторов С1-C3. К отводам получившегося емкостного делителя подключены не только эмиттер, но и база транзистора. Это продиктовано желанием уменьшить шунтирование контура транзистором - ведь входное сопротивление биполярного транзистора относительно невелико.

Практически емкости конденсаторов С2 и C3, шунтирующих переходы транзистора, стараются выбрать побольше, а емкость С1 - минимально необходимой для возникновения колебаний. Это улучшает стабильность частоты. В остальном работа генератора происходит так же. как и предыдущего.

Каскад на транзисторе VT2 - так называемый буферный каскад - служит для ослабления влияния последующих каскадов на генератор. Транзистор включен эмиттерным повторителем и получает смещение непосредственно с эмиттера генераторного транзистора VT1. Дополнительно связь ослаблена резистором R4. Все принятые меры позволяют довести относительную нестабильность частоты описанного генератора до столь малой величины, как 0,001 %, тогда как у обычных LC-генераторов она на порядок хуже.

В радиовещательных и телевизионных приемниках используют более простые генераторы по схеме емкостной трехточки, типичная схема одного из которых показана на рис. 51.

Здесь контур L1C3 включен в коллекторную цепь транзистора, база по высокой частоте соединена с общим проводом через конденсатор С2, а обратная связь подается на эмиттер через емкостный делитель С4С5. Включение транзистора по схеме с общей базой позволяет получить особенно высокие частоты генерации, близкие к предельным для данного типа транзистора. Сигнал генератора снимают с катушки связи L2.

Автор: В.Поляков, г.Москва

Смотрите другие статьи раздела Начинающему радиолюбителю.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Особенности почек помогают легче переносить высоту 18.01.2025

Высокогорные регионы всегда привлекали внимание исследователей, изучающих, как человек адаптируется к жизни в условиях разреженного воздуха. Недавнее исследование группы ученых из Университета Маунт-Ройал в Канаде, возглавляемое доктором Тревором Деем, проливает свет на важную роль почек в акклиматизации к большим высотам. Работы канадских ученых объясняют, почему представители народности шерпа, которые веками живут в высокогорных районах Тибета, значительно лучше переносят высокогорье. В своем исследовании ученые наблюдали за дыханием и составом крови участников во время их подъема на высоту 4300 метров в Гималаях, в Непале. Эксперимент проводился с участием двух групп: одна состояла из жителей низменностей, не привыкших к горной среде, а другая - из шерпов, чей организм приспособлен к жизни на большой высоте. Основное различие между этими группами было в том, как их организмы реагировали на дефицит кислорода в воздухе. У шерпов наблюдалась более быстрая и масштабная адаптация к ...>>

Производство электричества с помощью термоядерного синтеза 18.01.2025

Американская компания Commonwealth Fusion Systems (CFS) нацелена на создание первой в мире термоядерной электростанции, способной подключаться к электрической сети. Этот амбициозный проект, известный как ARC (Affordable, Robust, Compact), будет построен вблизи города Ричмонд, штат Вирджиния. В соответствии с планами, новая электростанция сможет производить до 400 мегаватт чистой энергии, что вполне хватит для обеспечения электричеством 150 тысяч домохозяйств. Прогнозируется, что станция начнет работу в 2030-х годах. Принцип работы термоядерной электростанции основан на процессе термоядерного синтеза, который происходит в ядре звезд. В отличие от традиционной атомной энергетики, где используется деление ядер атомов с образованием радиоактивных отходов, термоядерный синтез создает в качестве побочного продукта безопасный гелий. Для того чтобы удерживать плазму с температурой свыше 100 миллионов градусов Цельсия, установка будет использовать мощные магнитные поля. Тем не менее, н ...>>

Экологическая защита для овощей и фруктов 17.01.2025

Исследователи из женского колледжа Шри Нараяна в Колламе, Керала, Индия, разработали инновационный способ продления свежести фруктов и овощей. Группа под руководством Пурнимы Виджаян предложила использовать съедобное покрытие, созданное на основе целлюлозных нановолокон (CNF), полученных из луковой шелухи. Этот подход не только продлевает срок хранения продуктов, но и способствует их безопасности благодаря включению нанокуркумина, известного своими антимикробными свойствами. Основным компонентом покрытия являются CNF, полученные из переработанных отходов лука. Эти нановолокна соединяются с синтетическим биополимером, который улучшает структуру покрытия, устраняя проблемы с водостойкостью и термической стабильностью, ранее свойственные материалам на основе CNF. Кроме того, добавление нанокуркумина усиливает антимикробные свойства покрытия, делая его особенно эффективным для предотвращения порчи. Для проверки эффективности этой разработки ученые провели эксперимент с апельсинами. П ...>>

Случайная новость из Архива INA253 - новый измеритель тока со встроенным шунтом 22.04.2019 Монитор тока Texas Instruments INA253 представляет собой специализированный усилитель со встроенным шунтом 2 мОм. INA253 предназначен для контроля двунаправленных токов в широком синфазном диапазоне от -4 В до + 80 В, независимо от собственного напряжения питания. Микросхемы доступны с тремя фиксированными значениями коэффициента усиления: 100 мВ/А, 200 мВ/А и 400 мВ/А. Интеграция прецизионного резистора с усилителем с нулевым дрейфом (zero-drift chopped amplifier) обеспечивает прецизионную точность измерения, благодаря постоянной калибровке. INA253 имеет минимальный температурный дрейф 15 ppm/°C и включает оптимизированную схему Кельвина для подключения измерительной части к резистору шунта. INA253 разработан для работы в цепях с ШИМ-регулировкой тока и включает специальные средства подавления больших (dv / dt) сигналов, что позволяет проводить непрерывные измерения тока в реальном времени. Измерения тока имеют решающее значение в приложениях с электроприводом, а также для приложений управления электромагнитными клапанами. Особенности INA253: прецизионный шунт: 2 мОм, 3 нГн, 0,1% (макс.); измерение: +- 15 A; температурный диапазон: -40...85°C; температурный коэффициент от 0...125°C: 10 ppm/°C; полоса пропускания: 350 кГц; улучшенная устойчивость к ШИМ; отличная CMRR > 120 дБ DC; 90 дБ при 50 кГц; параметры точности: усиление: ошибка: 0.4% (max); дрейф: 45 ppm/°C (max); смещение: ток смещения: +-15 мA (max); дрейф: 125 мкA/°C (max); широкий диапазон синфазного напряжения: -4...+80 В; варианты коэффициентов передачи: 100 мВ/А, 200 мВ/А и 400 мВ/А; собственный ток потребления: 2,4 мA (max).

Другие интересные новости:

▪ Операционные усилители STMicroelectronics TSX561, TSX562, TSX564

▪ Расплавлен электронный кристалл

▪ Электронные сигареты провоцируют аритмию

▪ Пауки, питаясь графеном, плетут прочнейшую паутину

▪ 4K-монитор Iiyama ProLite B2888UHSU

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Звонки и аудио-имитаторы. Подборка статей

▪ статья Теренс Маккенна. Знаменитые афоризмы

▪ статья Как скоро американский президент Вудро Вильсон нарушил свое главное предвыборное обещание? Подробный ответ

▪ статья Тут. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Экономичный источник питания счетчика Гейгера. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Мечта о небе. Физический эксперимент

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025