Генераторы гармонических и импульсных сигналов

Условия и режимы возбуждения генераторов

Генераторы гармонических колебаний осуществляют преобразование энергии источника постоянного тока в переменный ток требуемой частоты. Они выполняются на основе усилителей со звеном положительной обратной связи (ПОС), обеспечивающей устойчивый режим самовозбуждения на требуемой частоте. Структурная схема генератора гармонических колебаний приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структурная схема генератора

Коэффициент усиления усилителя и оэффициент передачи цепи обратной связи ǽ в общем случае являются комплексными величинами, зависящими от частоты. Входным сигналом для усилителя в схеме генератора является часть его выходного напряжения, передаваемого звеном ПОС: вх = ос = ǽ вых, где | ǽ | < 1. Выходное напряжение равно: вых = вх. Заменяя вх равным ему напряжением ос = ǽ вых, получаем условие, при котором колебания существуют (не затухают) в комплексном виде:

вых = ǽ · вых или · ǽ = 1. (2.1)

Условие существования колебаний можно записать в показательной форме:

К·æ ·е ^{j(φ у + φ æ)} = 1 (2.2)

Этому условию соответствуют два условия: условие баланса фаз:

φ _у + φ _æ = 2π n, (2.3)

где n = 0, 1, 2, 3….

и условие баланса амплитуд:

К·æ ·≥ 1. (2.4)

Таким образом, для работы любой схемы усилителя с ПОС в режиме генерации необходимо выполнение двух условий: баланс фаз и баланс амплитуд.

Условие баланса фаз (2.3) характеризуется тем, что фазовые сдвиги сигнала, создаваемые усилителем (φ _у) и звеном обратной связи (φ _æ ), в сумме должны быть кратны 2π. При выполнении условия баланса фазв усилителе имеет место положительная обратная связь.

Условие баланса амплитуд К•æ = 1 показывает, что ослабление сигнала цепью обратной связи должно компенсироваться усилением в усилителе.

Физический смысл неравенства К•æ ·> 1 заключается в том, что выходной сигнал, ослабленный звеном обратной связи в | ǽ | раз, усиливается усилителем в | | раз и вновь возникает на выходе усилителя с такой же или большей амплитудой. Иными словами, неравенство К•æ > 1 определяет необходимое условие для самовозбуждения генератора, когда первоначальные изменения тока и напряжения в усилителе при подключении к источнику питания, вызывают прогрессирующее нарастание амплитуды выходного напряжения. Равенство Кæ = 1 соответствует переходу генератора к установившемуся режиму.

Процесс развития и установления колебаний можно пояснить с помощью графических построений рис. 2.2, а, б где показаны амплитудная характеристика усилителя, обозначенная линией К, и прямая обратной связи (1/ æ) для двух режимов работы автогенераторов. На рис. 2.2, а амплитудная характеристика усилителя проходит выше прямой обратной связи при изменении Uвх от 0 до Uвх уст. Это означает, что коэффициент усиления усилителя К = Uвых / Uвх больше, чем 1/ æ при изменении Uвх в указанных пределах, что соответствует неравенству Кæ > 1 и возникшие, например, от уровня шумов, колебания нарастают.

Рис. 2.2. Режимы возникновения и развития колебаний в автогенераторах: а – “Мягкий”; б – “Жесткий”

Так при Uвх1 напряжение на выходе усилителя равно Uвых1, часть этого напряжения по цепи ПОС передается на вход усилителя Uос = Uвх2, которое усиливается усилителем до уровня Uвых2, превышающего напряжение Uвых1; и так до установившегося значения U уст, при котором К = 1/ æ. При Uвх > Uвх.уст колебательная характеристика идет ниже прямой обратной связи, коэффициент усиления К < 1/æ и колебания затухают до установившегося значения.

Режим возбуждения генератора, когда колебания возникают из уровня шумов без внешнего запускающего сигнала, называется «мягким» режимом самовозбуждения.

На рис. 2.2, б показана колебательная характеристика, имеющая вид S-образной кривой; она пересекается с прямой обратной связи в двух точках. На участке характеристики, при Uвх < Uвх.min, колебательная характеристика идет ниже прямой обратной связи, К < 1/æ и колебания затухают. Только при Uвх > Uвх min колебания возбуждаются. Такой режим самовозбуждения генератора называется «жестким». Такой режим может быть следствием неправильного выбора рабочей точки усилителя или обеспечивается специальными средствами в случае необходимости.

.