Генераторы колебаний. Основы. Часть 1

Введение

Эти статьи о генераторах рассказывают о том, как много применяется генераторов для различных целей, построенных как на дискретных (отдельных) компонентах, так и в виде интегральных микросхем. Также вы узнаете, как собрать и протестировать генераторы своими руками. 

Что такое генератор

Генератор обеспечивает наличие повторяющегося (периодического) переменного сигнала на его выходных зажимах, не требуя при этом наличия какого-либо входного сигнала (кроме источника питания). Сигнал, вырабатываемый генератором, обычно имеет постоянную амплитуду.

Форма сигнала и амплитуда определяется схемой генератора и выбором параметров компонентов.

Частоты выходного сигнала может быть фиксированной или изменяющейся, в зависимости от схемы генератора.

Типы генераторов

Генераторы могут классифицироваться по типу сигнала, который они "производят".

• ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ производят синусоидальные колебания на выходе
• РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ и АСТАБИЛЬНЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ производят импульсы прямоугольной формы и треугольные импульсы.
• ГЕНЕРАТОРЫ ПИЛООБРАЗНЫХ КОЛЕБАНИЙ (генераторы развертки) производят пилообразные сигналы.

    
Рисунок 1.0.1 - Условное обозначение генератора (источника переменного тока)

Генераторы синусоидальных колебаний также можно классифицировать по частоте или по типу используемого управления частотой. РЧ-генераторы (генераторы радио-частоты) работают на частотах выше, примерно, 30 - 50 кГц и используют LC (катушки индуктивности и конденсаторы) или кварцевые резонаторы для задания частоты. Они также могут подразделяться на СЧ, ВЧ и СВЧ генераторы в зависимости от частоты.

НЧ (низкочастотные) генераторы в общем используются для генерирования частот ниже 30 кГц и обычно представляют собой RC-генераторы, поскольку используют резисторы и конденсаторы для задания частоты.

Генераторы прямоугольных колебаний такие как релаксационные генераторы и астабильные мультивибраторы могут использоваться на частотах от 1 Гц, до нескольких ГГц и очень часто реализованы в виде интегральных микросхем.

Генераторы синусоидальных колебаний

В идеале эти схемы производят чистые синусоидальные колебания, имеющие постоянную амплитуду и стабильную частоту. Тип схемы выбирается в зависимости от определенного количества факторов, включая требуемую частоту. Решения, построенные основе колебательного контура или кварцевого резонатора применяются для ультразвуковых и радиочастотных конструкций, однако в аудиотехнике и низкочастотных схемах физический размер компонентов колебательного контура (L и C) будет слишком большим для практического применения. По этим причинам для задания частоты применяется комбинация из R и C.

Схемные решения, используемые для этих цепей задания частоты приведены на рисунке 1.0.2.

Рисунок 1.0.2 - Схемные решения для задания частоты

LC генераторы

Катушки и конденсаторы объединяются в схеме резонатора, которая генерирует синусоидальные колебания очень хорошей формы и имеет довольно хорошую стабильность частоты. То есть частота не сильно меняется при изменении напряжения источника питания или температуры окружающей среды, но при этом относительно просто, используя регулируемую катушку индуктивности или переменный конденсатор, сделать изменяющуюся (настраиваемую) частоту. LC генераторы широко применяются для генерирования и приёма радиочастотных сигналов, где необходима подстройка частоты.

RC (или CR) генераторы

На низких частотах, таких как аудио сигналы, значения L и C, необходимые для генерирования колебательным контуром, будут слишком большими и громоздкими для практического применения. Поэтому резисторы и конденсаторы объединяются в схеме RC генераторы для производства синусоидальных сигналов на этих частотах, несмотря на то, что намного труднее получить чистые синусоидальные колебания, используя R и C. Эти низкочастотные синусоидальные генераторы применяются в аудиотехнике и различных технических решениях, использующих или стабильную или переменную частоту.

Кварцевые генераторы

На радиочастотах и выше, когда требуется фиксированная частота с очень хорошими показателями стабильности, компонентом, который устанавливает частоту генерации, обычно, является кварцевый резонатор, который, когда подвергается воздействию переменного напряжения, резонирует с очень точной частотой. Частота зависит от физических размеров кристалла, то есть кристалл, изготовленный по конкретным размерам будет иметь определенную точную резонансную частоту. Схемы кварцевых генераторов могут генерировать как синусоидальные колебания, так и прямоугольные сигналы и так же применяются для генерирования очень точно частоты несущей волны в радио трансмиттерах. Они также формируют основу для точных тактовых схем, часов и компьютерных систем.

Релаксационные генераторы

Эти генераторы работают по принципу, отличающемуся от генераторов синусоидальных колебаний. Они производят прямоугольный сигнал или пульсации и в общем виде имеют два усилителя, схема управления частотой просто генерирует временную задержку между двумя "действиями". Два усилителя работают в ключевом режиме, поочередно переключаясь из режима насыщения в режим отсечки, а время переключения из одного состояния в другое занимает очень малую часть каждого периода колебаний. Остальную часть цикла они "отдыхают", пока времязадающая цепь "производит" остальную часть волны. Альтернативное название этого типа генераторов - "астабильный мультивибратор", это название происходит из того факта, что они содержат более одного генераторного элемента. Обычно имеется два осциллятора, т.е. "вибратора", каждый из которых передает часть своего сигнала второму, и выход изменяет своё состояние с низкого на высокое и так повторяется снова, то есть отсутствует стабильное состояние, поэтому он астабильный. Релаксационные генераторы могут быть построены на основе нескольких различный решений и могут работать на разных частотах. Астабильные схемы часто выбирают для таких задач, как генерация цифровых сигналов высокой частоты. Они также используются для создания низкочастотных ON-OFF сигналов для мигающих огней.

Генераторы пилообразного напряжения (развертки)

Они имеют линейно-изменяющееся напряжение в течение почти всего цикла, которое следует за быстрым возвратом к начальному значению. Эта форма сигнала удобна для изменения частоты генератора, управляемого напряжением, который может изменять свою рабочую частоту относительно установленного значения за счёт изменяющего пилообразного напряжения, поданного на его управляющий вход. Генераторы пилообразного напряжения часто строятся на основе генератора линейно-изменяющего напряжения, который представляет собой конденсатор, заряжающийся постоянным значением тока. Удержание зарядного тока неизменным пока увеличивается напряжение позволяет конденсатору заряжаться линейно, в отличие от его обычной экспоненциальной кривой. В последний момент конденсатор быстро разряжается, возвращая выходное напряжение в исходную точку.

Оригинал статьи

Теги:

• Генератор
• Колебания
• Перевод