Принципы построения генераторов электрических колебаний

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Принципы построения и функционирования различного вида генераторов колебаний»

МИНСК, 2008

Принципы построения генераторов электрических колебаний

Генераторами сигналов называются устройства, формирующие электрические колебания определенной формы, частоты и амплитуды.

Различают генераторы с внешним возбуждением, генерирующие колебания под влиянием воздействия внешних синхронизирующих и запускающих импульсов (это по сути дела резонансные усилители мощности, работающие в нелинейном режиме), и генераторы с самовозбуждением (или автогенераторы), начинающие работать с момента включения питания.

Автогенераторы являются источниками высокочастотных колебаний в радиопередатчиках, входят в состав различной измерительной аппаратуры и устройств автоматики, используются как источники колебаний гетеродина в радиоприемниках, как источник СВЧ колебаний в микроволновых печах и установках индукционного нагрева в оборудовании ЭП. Простейшим методом формирования гармонических колебаний является метод компенсации потерь в LC-колебательном контуре при помощи усилителя. Для этого усилитель нужно охватить обратной связью, компенсирующей эти потери (рис. 1). Автогенератор гармонических колебаний можно образовать путем подключения к усилителю цепи положительной обратной связи, действие которой должно обеспечить подачу на вход усилителя сигнала с амплитудой не ниже амплитуды первоначального сигнала и со сдвигом фаз, равным нулю.

Рис. 1. Принцип построения генератора на основе усилителя положительной обратной связью

Необходимым и достаточным условием самовозбуждения замкнутой схемы автогенератора является равенство выходного напряжения цепи обратной связи первоначальному входному напряжению усилителя, послужившему толчком для возбуждения колебаний:

Это условие называется условием баланса амплитуд. Оно заключается в том, что генератор может возбуждаться только тогда, когда усилитель компенсирует все потери в цепи возбуждения этих колебаний.

Вторым условием возникновения автоколебаний является условие баланса фаз:

Это условие означает, что колебания в замкнутой системе могут возбуждаться только тогда, когда фаза выходного напряжения цепи ОС и фаза входного напряжения усилителя совпадают или сдвинуты относительно друг друга на целое число периодов колебаний.

Рассмотрим эти условия на примере LC-генератора на ОУ с колебательным контуром в цепи положительной обратной связи (рис. 2).

Рис. 2. LC-генератор на ОУ с колебательным контуром в цепи ПОС (а) и диаграммы напряжений, иллюстрирующие его работу (б).

Напряжение на выходе ОУ будет определяться напряжением на колебательном контуре:

U₂ = KU₁

Для точки (1) можно записать следующее равенство по правилу Кирхгофа для токов узла:

i_R - i_C - i_L = 0

Отсюда получим дифференциальное уравнение затухающих колебаний:

Обозначим:

Решение уравнения:

Имеют место следующие частные случаи этого решения:

1. При g > , т.е. K < 1, амплитуда напряжения на контуре U₁(t) падает по экспоненте с коэффициентом затухания g и генератор не возбуждается, т.к. в этом случае усилитель не компенсирует потери в контуре;

2. При g = , т.е. K = 1 возникают синусоидальные колебания с частотой w₀ = и постоянной амплитудой U_m0. В этом случае возникает условие баланса амплитуд;

3. при g < , т.е. K > 1 амплитуда выходных колебаний возрастает по экспоненциальному закону до наступления перегрузки усилителя (при этом амплитуда генерируемого сигнала на выходе усилителя достигает максимально возможного значения, зависящего от напряжения питания усилителя). Это происходит до тех пор, пока амплитуда сигнала на входе усилителя тоже не достигнет максимально возможного значения и K не снизится до значения, равного 1. В этом случае также существует условие баланса амплитуд, однако форма генерируемого напряжения будет не гармоническая, а близкая к прямоугольной (т.к. возникают перегрузки).