Лекция 25

Лекция 25

Принцип построения и работы генератора синусоидальных (гармонических) колебаний. Основные понятия и требования к построению генераторов гармонических колебаний. Автогенератор типа LC. Трехточечные схемы автогенераторов типа LC. Стабилизация частоты генераторов типа LC. Современные методы получения гармонических сигналов. Синтезаторы частоты.

Вопросы лекции:

1. Принцип построения и работы генератора синусоидальных (гармонических) колебаний.

2. Основные понятия и требования к построению генераторов гармонических колебаний.

3. Автогенератор типа LC. Трехточечные схемы автогенераторов типа LC.

4. Стабилизация частоты генераторов типа LC. Кварцевые генераторы и схемы с применением кварцевых стабилизаторов.

5. Современные методы получения гармонических сигналов. Синтезаторы частоты.

Все электронные генераторы имеют одинаковое принципиальное решение – усилитель, охваченный положительной обратной связью - ПОС. Для превращения усилителя в генератор необходимо выполнить два условия:

· баланс фаз;

· баланс амплитуд.

Баланс фаз – совпадение по фазе напряжения сигнала на входе усилителя и напряжения на выходе цепи обратной связи - ЦОС.

Баланс амплитуд – напряжение на выходе ЦОС должно быть не менее напряжения сигнала на входе усилителя.

В генераторах гармонических сигналов ЦОС может быть построена на LC или RC элементах. Разберём схемы LC генераторов

Одна из возможных схем LC генератора это схема Мейснера (трансформаторная схема) (см. рис. 25.1,а).

Рис.25.1. Схемы LC генераторов.

Здесь транзистор включён по схеме с общим эмиттером – ОЭ, поэтому он поворачивает фазу сигнала на базе транзистора на 180°. Это означает, что сигнал в цепи коллектора находится в противофазе относительно сигнала в цепи базы. Поэтому для выполнения баланса фаз, Мейснер предложил с помощью трансформатора повернуть фазу сигнала ещё на 180°. Так как транзистор обладает коэффициентом по току, то с помощью трансформатора Мейснер выполнил и второе условие – баланс амплитуд. Эта схема работает устойчиво на всех частотах. Контур в коллекторной цепи определяет частоту генерации сигнала. Ещё один изобретатель Армстронг поставил контур в входную (базовую) цепь. Недостаток трансформаторной схемы то, что на частотах выше 5÷10 МГц становится трудно сделать трансформатор, именно базовую обмотку. В этом случае она может содержать не целое число витков, а часть витка.

Этот недостаток в некоторой степени исправлен в схеме генератора Хартли (индуктивная трёхточка) (см. рис 25.1,б). В этой схеме сигнал обратной связи снимается с автотрансформатора. Так как отвод катушки контура соединён с общим проводом, то сигнал ПОС на эмиттер транзистора по фазе совпадает с сигналом на его коллекторе. Транзистор включён по схеме с ОБ и поэтому фазу сигнала не переворачивает. Таким образом, баланс фаз в этой схеме генератора выполняется. Схема с ОБ имеет большой коэффициент усиления по напряжению, поэтому выполняется и баланс амплитуд. Схема Хартли конструктивно выполнима до частот 30÷50 МГц. Дальше сложно сделать отвод, так как необходимо отвод делать от 0,1 и менее части витка.

Схема Колпитца (см. рис.25.1,в) (ёмкостная трёхточка) основана на организации выхода ПОС с помощью ёмкостного делителя напряжения. Применение конденсаторов позволяет более точно и в большем диапазоне подобрать напряжения ПОС. Эта схема очень хорошо работает до частот 300÷500 МГц.

Есть много схем других изобретателей Вачкар, Клапп, но все они являются модернизацией схемы Колпитца.

При практическом использовании перечисленных схем возникает вопрос стабильности частоты и амплитуды генерируемого сигнала. На генератор действуют: температура, влажность, давление воздуха, перегрузки, вибрация. Все перечисленные причины воздействует как на усилительный элемент, так и на элементы контура (катушку индуктивности и конденсаторы контура).

Для защиты генератора и контура генератора от влажности, давления воздуха, перегрузок, вибрации генератор вместе с контуром герметизируют и амортизируют.

Для уменьшения влияния температуры применяют различные способы стабилизации частоты:

· параметрическая - с помощью ТКЕ конденсаторов компенсируют ТНИ катушки индуктивности;

· термостабилизация – с помощью термостата поддерживают стабильной температуру контура генератора;

· кварцевая стабилизация – замена контура генератора или частей его (катушки индуктивности или конденсаторов) на кварцевую пластину.

LC генераторы без применения каких либо способов стабилизации частоты имеют нестабильность частоты δ= =10^-3÷5·10^-4.

Параметрическая стабилизация на порядок уменьшить нестабильность частоты генератора δ=10^-4÷5·10^-5.

Термостабилизация контура генератора, а ещё лучше всей схемы генератора позволяет добиться нестабильности в δ=10^-5, но в этом случае значительно увеличиваются сложность (за счёт схемы регулировки температуры термостата), габариты и вес конструкции.

Стабилизация частоты с помощью кварцевых резонаторов поуменьшает нестабильность до δ=10^-6÷5·10^-7.

Применение термостатированных кварцевых генераторов уменьшает нестабильность частоты до δ=10^-8.

Кварцевый резонатор представляет собой пластину, вырезанную под определённым углом из кварца (горного хрусталя) (см. рис. 25.2,а).

а) б) в)

Рис. 25.2 Кварцевые резонаторы.

На пластину с обеих сторон напыляют слой серебра и к нему припаивают проволочные выводы, затем полученную конструкцию помещают в металлический или пластмассовый корпус (см. рис. 25.2,б и в). Эквивалентная схема кварцевого резонатора представлена на рис 25.3 и представляет собой колебательный контур.

Рис. 25.3. Эквивалентная схема и УГО кварцевого резонатора.

Поэтому кварцевый резонатор используют в схемах LC генераторов вместо колебательного контура (см. рис.25.4,а).

Рис. 25.4. Примерные схемы кварцевых генераторов.

а) схема Колпитца, б) схема Пирса

В схеме Колпитца катушка индуктивности заменена кварцевым резонатором. В схеме Пирса кварцевый резонатор играет роль ЦОС. Резистор R₁ уменньшает усиление логического элемента (переводит рабочую точку покоя в линейного участка характеристики).

Кварцевые резонаторы значительно уменьшают нестабильность частоты генератора, но обладают существенным недостатком – работают на фиксированных частотах. Для конструировании стабильных генераторов работающих в широком диапазоне частот в настоящее время применяют синтезаторы частоты.

В настоящее время существует достаточно много типов синтезаторов частот, но основными являются синтезатор на основе ФАПЧ (PFD — Phase Frequency Detector) и DDS (Direct Digital Synthesizer).

Главная идея синтезаторf частоты с ФАПЧ заключается в сравнении частоты генератора плавного диапазона (ГПД) с сеткой стабильных частот и по результатам сравнения подстройки частоты генератора управляемого напряжением - ГУН.

Рис.25.5. Структурная схема синтезатора на основе ФАПЧ.

Работа синтезатора частот на основе ФАПЧ.

Имеется высокостабильный источник опорной частоты, как правило, на основе термостатированного кварцевого генератора, который вырабатывает сетку частот с определённым шагом. Генератор ГУН вырабатывает напряжение неопределённой частоты. Эта частота подаётся на делитель с переменным коэффициентом деления N. С выхода делителя частоты сигнал подаётся на фазовый детектор, который сравнивает эту частоту с ближайшей частотой из сетки частот. Результат сравнения через фильтр подаётся на ГУН и на его выходе устанавливается частота равная частоте из сетки частот.

Меняя коэффициент деления делителя можно устанавливать разные частоты в определённом диапазоне частот. Недостаток тот, что шаг частоты настройки ГУН будет равен шагу сетки частот.

Контрольные вопросы:

1. Какие типы LC генераторов вы знаете?

2. Как работает генератор Мейснера?

3. Как работает генератор Хартли?

4. Как работает генератор Колпитца?

5. Какие факторы влияют на стабильность частоты?

6. Какие методы существуют для стабилизации частоты генератора?

7. Как с помощью кварца повысить стабильность частоты генератора?

8. Какие виды синтезаторов частот вы знаете?

9. Как работает синтезатор частот на основе ФАПЧ?

⇐ Предыдущая 12