Электронные генераторы

Генераторами называются электронные устройства, преобразующие энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока (электромагнитных колебаний) различной формы требуемой частоты и мощности.

Электронные генераторы применяются в радиовещании, медицине, радиолокации, входят в состав аналого-цифровых преобразователей, микропроцессорных систем и т. д.

Ни одна электронная система не обходится без внутренних или внешних генераторов, задающих темп ее работы. Основные требования к генераторам – стабильность частоты колебаний и возможность снятия с них сигналов для дальнейшего использования.

Классификация электронных генераторов:

1) по форме выходных сигналов:

— сигналов прямоугольной формы (мультивибраторы);

— сигналов линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) или их еще называют генераторами пилообразного напряжения;

— сигналов специальной формы.

2) по частоте генерируемых колебаний (условно):

— низкой частоты (до 100 кГц);

— высокой частоты (свыше 100 кГц).

3) по способу возбуждения:

— с независимым (внешним) возбуждением;

— с самовозбуждением (автогенераторы).

Автогенератор — генератор с самовозбуждением, без внешнего воздействия преобразующий энергию источников питания в незатухающие колебания, например, колебательный контур.

Рисунок 1 – Структурная схема генератора

Сигнал, сформированный в цепи ПОС, поступает на вход усилителя, усиливается в К раз и поступает на выход. При этом часть сигнала с выхода возвращается на вход через цепь ПОС, где ослабляется в К раз, что позволят поддерживать постоянную амплитуду выходного сигнала генератора.

Генераторы с независимым внешним возбуждением (избирательные усилители) являются усилителями мощности с соответствующим частным диапазоном, на вход которых подаётся электрический сигнал от автогенератора. Т.е. происходит усиление только определенной полосы частот.

Для создания генераторов низкой частоты обычно используют операционные усилители, в качестве цепи ПОС устанавливают RC-цепи для обеспечения заданной частоты f0 синусоидальных колебаний.

На рисунке 2 показаны основные типы частотных фильтров и их амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). АЧХ показывает пропускную способность фильтра в зависимости от частоты.

Рисунок 2 – Типы частотных фильтров и их амплитудно-частотная характеристика

— фильтры нижних частот (ФНЧ);

— фильтры верхних частот (ФВЧ);

— полосовые частотные фильтры (ПЧФ);

-заграждающие частотные фильтры (ЗЧФ).

Фильтры характеризуются частотой среза fc, выше либо ниже которой идет резкое ослабление сигнала. Полосовые и заграждающие фильтры характеризуются также шириной полосы пропускания у ПЧФ (непропускания у ЗЧФ).

На рисунке 3 приведена схема синусоидального генератора. Необходимый коэффициент усиления задаётся с помощью цепи ООС на резисторах R1, R2.Для обеспечения сдвига по фазе равного 0, цепь ПОС подключена между выходом ОУ и его неинвертирующим входом. При этом цепь ПОС представляет собой полосовой фильтр. Частота резонанса f0 определяется по формуле: f0 = 1/(2πRC)

Рисунок 3 – Схема RC-генератора синусоидальных сигналов

Мультивибратор в подавляющем большинстве случаев выполняет функцию задающего генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системе импульсного или цифрового действия.

На рисунке 4 приведена схема симметричного мультивибратора на ИОУ. Симметричный – время импульса прямоугольного импульса равно времени паузы tимп = tпаузы.

ИОУ охвачен положительной обратной связью – цепь R1,R2, действующей одинаково на всех частотах. Напряжение на неивертирующем входе постоянно и зависит от сопротивления резисторов R1,R2. Входное напряжение мультивибратора формируется при помощи ООС через цепочку RC.

Рисунок 4 – Схема симметричного мультивибратора

Если напряжение выхода Uвых = +Uнас конденсатор заряжается и напряжение Uс, действующее на инвертирующем входе возрастает по экспоненциальному закону (рис. 5).

Рисунок 5 – Временные диаграммы работы мультивибратора

Изменение постоянной времени RC-цепи приводит к изменению времени заряда и разряда конденсатора, а значит и частоты колебаний мультивибратора. Кроме того, частота зависит от параметров ПОС и определяется по формуле: f = 1/T = 1/2tи = 1/[2 ln(1+2 R1/R2)]

При необходимости получить несимметричные прямоугольные колебания для tи ≠ tп, используют несимметричные мультивибраторы, в которых перезаряд конденсатора происходит по разным цепочкам с различными постоянными времени.

Одновибраторы (ждущие мультивибраторы) предназначены для формирования прямоугольного импульса напряжения требуемой длительности при воздействии на входе короткого запускающего импульса. Одновибраторы часто называют еще электронными реле выдержки времени.

В технической литературе встречается еще одно название одновибратора – ждущий мультивибратор.

Одновибратор обладает одним длительно устойчивым состоянием равновесия, в котором он находится до подачи запускающего импульса. Второе возможное состояние является временно устойчивым. В это состояние одновибратор переходит под действием запускающего импульса и может находиться в нем конечное время tв, после чего автоматически возвращается в исходное состояние.

Основными требованиями к одновибраторам являются стабильность длительности выходного импульса и устойчивость его исходного состояния.

Генераторы линейно-изменяющихся напряжений (ГЛИН) формируют периодические сигналы, изменяющиеся по линейному закону (пилообразные импульсы).

Пилообразные импульсы характеризуются длительностью рабочего хода tр, длительностью обратного хода tо и амплитудой Um (рисунок 6, б).

Для создания линейной зависимости напряжения от времени чаще всего используют заряд (или разряд) конденсатора постоянным током. Простейшая схема ГЛИН приведена на рисунок 6, а.

Когда транзистор VT закрыт, конденсатор С2 заряжается от источника питания Uп через резистор R2. При этом напряжение на конденсаторе, а значит и на выходе линейно возрастает. При поступлении на базу положительного импульса транзистор открывается, и конденсатор быстро разряжается через его малое сопротивление, чем обеспечивается быстрое уменьшение выходного напряжения до нуля – обратный ход.

ГЛИН применяются в устройствах развертки луча в ЭЛТ, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и других преобразовательных устройствах.

Рисунок 6 – а) Простейшая схема для формирования линейно изменяющегося напряжения б) Временная диаграмма импульсов пилообразной формы.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Электронным генератором называют устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний различной формы, требуемой частоты и мощности.
Различают электронные генераторы гармонических колебаний (синусоидальных) и импульсных (релаксационных) колебаний.

Классификация генераторов

В зависимости от частоты генераторы делятся на три типа:
1. низкочастотные
2. высокочастотные
3. сверхчастотные

В зависимости от типа возбуждения генераторы делятся:
1. с независимым возбуждением
2. с самовозбуждением (автогенераторы)

Существует несколько режимов работы генераторов:
1. автоколебаний
2. ждущий
3. синхронизированный

Структурная схема генератора

условия самовозбуждения

• два условия, которые должны выполняться одновременно:
1. условие баланса амплитуд

2. условие баланса фаз (только на резонансной частоте)

• Для получения стационарных устойчивых колебаний в автогенераторе должно выполнятся условие:

Высокочастотный генератор

• используется условие самовозбуждения – условие баланса амплитуд и фаз на резонансной частоте, R3>>Roc

• Чтобы колебания были немного больше по амплитуде, необходимо условие

Низкочастотный генератор

• ОУ со звеном отрицательной обратной связи на Ro Roc, задающий коэффициент усиления К=3.

• Частота автогенератора:

Для регулировки частоты изменяют либо R1и R2 (плавная регулировка) либо С1и С2 на переключателях. На выходе будет чистая синусоида, если в цепь ООС поставить позистор или лампу накаливания (ток увеличивается сопротивление увеличивается).

• частота f
Генераторы синусоидальных колебаний лучше держат частоту, чем генераторы других форм сигнала.

Стоит задача улучшить этот параметр, т.е. свести к нулю

Применение генераторов

• как составная часть измерительных приборов и автоматических систем
• для питания приборов контроля состава и качества различных веществ
• для питания установок для высокочастотного нагрева металлов и т.д.
• Звуковые генераторы и высокочастотные генераторы в радиотехнике и электронике.
Импульсные генераторы

Электронные ключи

Период импульса Ти или частота fи = 1/Ти
Амплитуда импульса Uи
Длительность импульса tи
Длительность фронта tф
Длительность среза tс
Длительность паузы tп

МУЛЬТИВИБРАТОР
Просто теория или теория по-простому

2. КАК СОЗДАТЬ МУЛЬТИВИБРАТОР?
Шаг №1. Возьмем простейший усилитель НЧ

Шаг №2. Объединим два идентичных усилителя так, чтобы получился двухкаскадный УНЧ:

Шаг №3. Соединим выход этого усилителя с его входом:

Возникнет так называемая положительная обратная связь (ПОС). Вы наверняка слышали свист, который издавали звуковые колонки, если человек с микрофоном становился слишком близко к ним. То же самое происходит с музыкальным центром в режиме «караоке», если поднести микрофон к колонкам. В любом таком случае сигнал с выхода усилителя поступает на его же вход, усилитель входит в режим самовозбуждения и превращается в автогенератор, возникает звук. Иногда усилитель может самовозбуждаться даже на ультразвуковых частотах. Короче – при изготовлении усилителей ПОС вредна и с ней всячески приходится бороться, но это уже несколько другая история.
Вернемся к нашему усилителю, охваченному ПОС, т.е. МУЛЬТИВИБРАТОРУ! Да, это уже он! Правда, изображать именно мультивибратор принято так, как на рис. справа. Кстати, в сети имеется достаточное количество «извращенцев», которые рисуют эту схему и перевернутой, и на боку лежащей. Зачем это? Наверное, как в анекдоте, «чтобы отличаться». Или выделиться, или (есть такое русское слово!) выпендриться.

Мультивибратор можно собрать на транзисторах n-p-n или p-n-p:

Оценить работу мультивибратора можно на слух или зрительно. В первом случае нагрузкой должен быть звуковой излучатель, во втором – лампочка или светодиод:

В случае применения низкоомных динамиков, потребуется выходной трансформатор или дополнительный усилительный каскад:

Нагрузка может быть включена в оба плеча мультивибратора:

В случае применения светодиодов желательно включить дополнительные резисторы, роль которых и выполняют, в данном случае, R1 и R4.

3. КАК РАБОТАЕТ МУЛЬТИВИБРАТОР?

В момент включения питания транзисторы обоих плеч мультивибратора открываются, так как на их базы через соответствующие им резисторы R2 и R3 подаются положительные (отрицательные – здесь и далее в скобках для p-n-p транзисторов) напряжения смещения.

Одновременно начинают заряжаться конденсаторы связи:

Эти цепи зарядки конденсаторов, являясь делителями напряжения источника питания, создают на базах транзисторов (относительно эмиттеров) все возрастающие по значению положительные (отрицательные) напряжения, стремящиеся все больше открыть транзисторы.

Второй транзистор остается открытым. Но эти состояния транзисторов неустойчивы, ибо электрические процессы в их цепях продолжаются.

По мере разрядки конденсатора С1 отрицательное (положительное) напряжение на базе закрытого транзистора V2 уменьшается.

Как только конденсатор полностью разрядится и напряжение на базе транзистора V2 станет близким нулю, в коллекторной цепи этого, теперь уже открывающегося транзистора появляется ток, который воздействует через конденсатор С2 на базу транзистора V1 и понижает положительное (отрицательное) напряжение на ней.

В результате ток, текущий через транзистор V1, начинает уменьшаться, а через транзистор V2, наоборот, увеличиваться. Это приводит к тому, что транзистор V1 закрывается, а транзистор V2 открывается.

Теперь начнет разряжаться конденсатор С2, но через открытый транзистор V2 и резистор R3, что в конечном итоге приводит к открыванию первого и закрыванию второго транзисторов и т.д.

Транзисторы все время взаимодействуют, в результате чего мультивибратор генерирует электрические колебания.
Работу мультивибратора иллюстрируют графики зависимостей напряжений Uбэ и Uк одного и второго транзисторов:

Как видно, мультивибратор генерирует, практически, «прямоугольные» колебания. Некоторое нарушение прямоугольной формы связано с переходными процессами в моменты отпирания транзисторов. Отсюда же видно, что сигнал можно «снимать» с любого транзистора. Просто наиболее принято изображать именно так, как это показано выше.
На практике можно считать форму колебаний мультивибратора «чисто прямоугольной»:

С одной стороны, кажется, что форма сигнала мультивибратора довольно простая. Но это не совсем так. Точнее, совсем не так. Наиболее простая форма сигнала – это синусоида:

Если генератор создает идеальный синусоидальный сигнал, то ему соответствует строго одна определенная частота колебаний. Чем больше форма сигнала отличается от синусоиды, тем больше в спектре сигнала присутствует частот, кратных основной. А форма сигнала мультивибратора довольно далека от синусоиды. Следовательно, если, например, частота его колебаний составляет 1000 Гц, то в спектре будут присутствовать частоты и 2000 Гц, и 3000 Гц, и 4000 Гц… и т.д. правда амплитуды этих гармоник будут значительно меньше основного сигнала. Но они будут! Вот почему данный генератор называется МУЛЬТИвибратор.
Частота колебаний мультивибратора зависит как от емкости конденсаторов связи, так и от сопротивления базовых резисторов. Если в мультивибраторе соблюдаются условия: R1=R4, R2=R3, R1 Примеры с сайта http://lessonradio.narod.ru/Diagram.htm

Пример применения ждущего мультивибратора – индикатор максимального числа оборотов.
При обкатке нового автомобиля, число оборотов двигателя не должно превышать в течение определенного времени максимально допустимого значения, рекомендованного заводом-изготовителем.
Для контроля числа оборотов двигателя, можно воспользоваться устройством, собранным по приводимой здесь схеме. В качестве индикатора максимального числа оборотов двигателя использована лампа накаливания.

Основными частями тахометра являются ждущий мультивибратор на транзисторах Т1 и Т2 и триггер Шмитта на транзисторах T5 и Т6. Входной сигнал, поступающий с прерывателя, подается на дифференцирующую цепочку R4C1 (это необходимо для получения импульсов одинаковой длительности). Дальнейшее формирование сигнала выполняет мультивибратор. Диод Д1 не пропускает отрицательные полуволны входного сигнала на базу транзистора Т2. Импульсы, генерируемые мультивибратором, через эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе Т3, и интегрирующую цепочку R7C3 поступают на триггер Шмитта. Индикаторная лампа Л1, включенная в эмиттерную цепь транзистора T6, загорается только тогда, когда число оборотов двигателя станет больше заранее установленного (с помощью переменного резистора R8).
Калибровку готового прибора можно произвести по образцовому тахометру или по звуковому генератору. Так, например, для четырехтактного четырехцилиндрового двигателя 1500 об/мин соответствует частота звукового генератора 60 Гц, 3000 об/мин — 100 Гц, 6000 об/мин — 200 Гц и так далее.
При использовании деталей с данными, которые указаны на схеме, тахометр позволяет регистрировать от 500 до 10000 об/мин. Потребляемый ток — 20 мА.
Транзисторы ВС107 можно заменить на КТ315 с любым буквенным индексом. В качестве диода Д1 можно использовать любой кремниевый диод. Применение германиевых транзисторов и диодов не рекомендуется из-за тяжелого температурного режима.

7. МУЛЬТИВИБРАТОРЫ МНОГОФАЗНЫЕ
получаются путём добавления усилительных каскадов и ПОС.
Трёхфазный мультивибратор:

Пример с сайта http://www.votshema.ru/324-simmetrichnyy-multivibrator.html

Четрёхфазный мультивибратор требует особых мер для обеспечения стабильности работы:

Пример с сайта http://www.moyashkola.net/krugok/r_begog.htm

8. МУЛЬТИВИБРАТОРЫ НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ
Мультивибратор может быть выполнен на логических элементах, например, И-НЕ. Схема возможного варианта, например, такая:

Функцию активных элементов здесь выполняют логические элементы 2И-НЕ (см. мою статью «МИКРОСХЕМА» на стр. «РАДИОкомпоненты»), включенные инверторами. Благодаря ПОС между выходом DD1.2 и входом DD1.1, а также выходом DD1.1 и входом DD1.2, создаваемым конденсаторами С1 и С2, устройство возбуждается и генерирует электрические импульсы. Частота следования импульсов зависит от номиналов конденсаторов и резисторов R1 и R2. Уменьшив емкости конденсаторов до 1…5 мкФ получим звуковую частоту 500…1000 Гц. Головной телефон надо подключить к одному из выходов мультивибратора через конденсатор емкостью 0,01…0,015 мкФ.
Иногда этот же мультивибратор изображают так:

Мультивибратор может быть выполнен на трёх логических элементах:

Все элементы включены инверторами и соединены последовательно. Времязадающая цепочка образована С1 и R1. В качестве индикатора можно использовать лампочку накаливания. Для плавного изменения частоты вместо R1 следует включить переменный резистор на 1,5 кОм.

Если ёмкость конденсатора будет 1 мкФ, то частота колебаний станет звуковой.
Как работает такой мультивибратор? После включения какой-то из логических элементов первым примет одно из возможных состояний и тем самым повлияет на состояние других элементов. Пусть это будет элемент DD1.2, который оказался в единичном состоянии. Через элементы DD1.1 и DD1.2 мгновенно заряжается конденсатор, и элемент DD1.1 оказывается в нулевом состоянии. В таком же состоянии оказывается элемент DD1.3, поскольку на его входе логическая 1. Такое состояние неустойчиво, потому что на выходе DD1.3 логический 0, и конденсатор начинает разряжаться через резистор и выходной каскад элемента DD1.3. По мере разрядки положительное напряжение на входе элемента DD1.1 уменьшается. Как только оно станет равным пороговому, этот элемент переключится в единичное состояние, а элемент DD1.2 – в нулевое. Конденсатор начнет заряжаться через элемент DD1.3 (на его выходе теперь уровень логической 1), резистор и элемент DD1.2. Вскоре напряжение на входе первого элемента превысит пороговое, и все элементы переключатся в противоположные состояния. Так формируются электрические импульсы на выходе мультивибратора – на инверсном выходе элемента DD1.3.
«Трёхэлементный» мультивибратор можно упростить, удалив из него DD1.3:

Работает он аналогично предыдущему. Именно такой мультивибратор чаще всего применяется в различных радиоэлектронных устройствах.

На логических элементах можно сделать и ждущий мультивибратор. Как и предыдущий, он построен на 2-х логических элементах.

Первый DD1.1 используется по своему прямому назначению – как элемент 2И-НЕ. Кнопка SB1 выполняет функцию датчика запускающих сигналов. Для индикации импульсов используется, например, светодиод. Длительность импульсов можно увеличивать, увеличивая ёмкость С1 и сопротивление R1. Вместо R1 можно включить переменный (подстроечный) резистор сопротивлением около 2 кОм (но не более 2,2 кОм) для изменения длительности импульсов в некоторых пределах. Но при сопротивлении менее 100 Ом мультивибратор перестанет работать.
Принцип действия. В начальный момент нижний вывод элемента DD1.1 ни с чем не соединён – на нём уровень логической 1. А для элемента 2И-НЕ этого достаточно, чтобы он оказался в нулевом состоянии. На входе DD1.2 также уровень логического 0, поскольку падение напряжения на резисторе, создаваемое входным током элемента, удерживает входной транзистор элемента в закрытом состоянии. Напряжение логической 1 на выходе этого элемента поддерживает первый элемент в нулевом состоянии. При нажатии кнопки на вход первого элемента подаётся запускающий импульс отрицательной полярности, который переключает элемент DD1.1 в единичное состояние. Возникающий в этот момент скачок положительного напряжения на его выходе передаётся через конденсатор на входы второго элемента и переключает его из единичного состояния в нулевое. Такое состояние элементов остаётся и после окончания действия запускающего импульса. С момента появления положительного импульса на выходе первого элемента начинает заряжаться конденсатор – через выходной каскад этого элемента и резистор. По мере зарядки напряжение на резисторе падает. Как только оно достигнет порогового, второй элемент переключится в единичное состояние, а первый – в нулевое. Конденсатор быстро разрядится через выходной каскад первого элемента и водной каскад второго, и устройство окажется в ждущем режиме.
Следует иметь ввиду, что для нормальной работы мультивибратора длительность запускающего импульса должна быть меньше длительности формируемого.

Источник