2.7 Электронные генераторы2025

1. Электронные генераторы

Электронные
генераторы
– устройства
преобразующие энергию источника питания в
энергию электрических колебаний определенной
формы.
Для
работы генератора, также как для усилителя,
необходим активный элемент, управляющий
поступлением энергии от источника питания в
колебательную систему.

2. Классификация генераторов

1. По частоте генерируемых колебаний fг:
1) Генераторы низких частот (ГНЧ)
10 Гц < fг ≤ 100 кГц
2) Генераторы высоких частот (ГВЧ)
100 кГц < fг ≤ 100 МГц
3) Генераторы сверхвысоких частот (ГСВЧ)
fг > 100 МГц
4) Генераторы сверхнизких частот (ГСНЧ)
fг < 10 Гц

3.

2. По форме генерирующих колебаний
1) Генераторы гармонических колебаний –
вырабатывают колебания синусоидальной
формы.
2) Генераторы негармонических колебаний –
вырабатывают несинусоидальные колебания.
#Мультивибратор
–
прямоугольных импульсов.
генератор

4.

3. По способу возбуждения
1) Генераторы с внешним возбуждением
(ждущие) – генераторы, вырабатывающие
колебания,
только
после
прихода
запускающего импульса.
# ждущий мультивибратор
2) Генераторы с самовозбуждением
(автогенераторы)
–
генераторы,
вырабатывающие колебания сразу после
включения источника питания.

5.

4. По частотозадающим элементам:
1) LC – генераторы – частота задается
колебательным контуром;
2) RC – генераторы – частота задается
параметрами RC цепи;
3) RL – генераторы - частота задается
параметрами RL цепи;
4) Кварцевые генераторы – частота
задается кварцевыми резонаторами.

6. Автогенераторы

Блок-схема автогенератора
Источник
питания
Активный
элемент
Цепь ОС
Колебательная
система

7. Условия функционирования автогенераторов

Для
функционирования
любых
автогенераторов необходимо выполнение 2х
условий:
1. Баланс амплитуд: Ku=1/β
2. Баланс фаз: φк + φβ = 2πn, n = 0, 1, 2, …

8.

Баланс
амплитуд показывает, что потеря
энергии в цепях обратной связи должна
компенсироваться усилением на активном
элементе.
Баланс фаз показывает, что обратная связь
должна быть положительна.
Если два условия выполняются для одной
частоты, то мы получим генератор
гармонических сигналов.
Если условия выполняются одновременно
для нескольких частот, то получим генератор
негармонических сигналов.

9. Генераторы гармонических колебаний

10.

Схема гармонического LC автогенератора на
транзисторе с трансформаторной ОС.

11.

Назначение элементов:
Транзистор VT – активный элемент;
Lк,Cк – колебательная система; Lc,C1 – цепь
положительной ОС; R1, R2 – элементы
смещения транзистора; RэСэ – элементы
термостабилизации.

12.

Принципы
работы:
При включении напряжения
питания на базу транзистора с делителя R1R2 через катушку
Lc будет подаваться напряжение смещения, которое чуть
приоткроет транзистор. После этого конденсатор Ск начнёт
заряжаться. После его зарядки в колебательном контуре
LкСк начнут появляться свободные затухающие колебания с
частотой f 1
, которые за счет трансформаторной
2 L С
связи
катушек Lк и Lc также возникнут в
катушке Lc. Далее эти колебания через элементы C1 и Сэ
поступают на переход база-эмиттер транзистора и вызовут
колебания коллекторного тока с частотой fг. Если
полярность включения катушки Lc будет такой, что при
увеличении тока коллектора конденсатор Ск
будет заряжаться (ПОС), то схема будет
генерировать гармонические незатухающие
колебания с частотой fг.
г
к
к

13.

LC
генератор с емкостной ОС (емкостная
трехточка)
Назначение элементов: VT1, R1, R2, C3, R3 - усилитель на
транзисторе по схеме ОБ;
L1, C1, C2 – колебательная система;
емкостный делитель напряжения С1, С2 – цепь ОС.

14.

Принципы
работы:
сигнал положительной
обратной связи снимается с части колебательной
системы – емкостного делителя напряжения С1, С2
и через конденсатор С3 поступает на переход
эмиттер-база транзистора. При выполнении
условий баланса амплитуд и баланса фаз в системе
будут поддерживаться гармонические колебания,
частота которых будет зависеть от параметров L1,
C1, C2.
* В отличие от предыдущей схемы
сигнал
ОС
подается
непосредственно с колебательной
системы.

15.

RC генератор на фазосдвигающих цепочках
– генератор, использующий для выполнения
условий баланса фаз фазосдвигающие
цепочки (например RC).
Назначение элементов: (VT, Rб, Rк, Сp1) – усилитель;
(С1,С2,С3, R1,R2,R3) – фазосдвигающие элементы,
Eк – источник питания.

16.

Принципы работы: каждая цепочка RC имеет зависимость
фазового сдвига φ и коэффициента передачи Ku от частоты:
Коэффициент передачи
Фазовый сдвиг
Для работы данного генератора необходимо, чтобы суммарный угол
сдвига фаз в цепи ОС был равен 180о (Т.к. каскад с ОЭ обеспечивает φк
= 180). Можно подобрать определенное количество RC цепей, чтобы
обеспечивалось условие баланса амплитуд и фаз на одной частоте.
Частота вырабатываемых колебаний будет зависеть от параметров RC
цепей: f(RC)

17.

RC генератор на ОУ с мостом Вина.
Назначение элементов: R3, R4 в цепи ОСС ОУ – задают коэффициент
усиления схемы;
R1, C1, R2, C2 – мост Вина в цепи ПОС ОУ –
генерируемых колебаний.
определяет частоту
При R1 = R2, C1 = C2 схема будет вырабатывать сигналы
синусоидальной формы на частоте fг = 1/(2π·RC)

18.

Принципы работы:
АЧХ
ФЧХ
Из графиков видно, что максимальный коэффициент передачи моста Вина
β равен 1/3 на частоте f0 = 1/(2π·RC) . На этой частоте угол сдвига фаз φβ = 0.
Т.е. для выполнения баланса амплитуд усиление схемы на ОУ должно быть
Ku ≥ 3. Баланс фаз выполняется автоматически.

19.

Кварцевые генераторы – генераторы в которых
частота задается параметрами кварцевого
резонатора.
Кварцевые
генераторы обладают большей
стабильностью частоты, по этой причине они
получили широкое распространение в технике.
Основным
частотозадающим
элементом
кварцевого генератора является кварцевый
резонатор (кварц).
Кварцевый резонатор это электромеханическая
система, работающая на явлении пьезоэффекта.

20.

Внешний
вид,
внутреннее
устройство
эквивалентная схема кварцевого резонатора
и
По эквивалентной схеме видно, что кварц обладает
двумя резонансными частотами: частота резонанса
тока fт и резонанса напряжения fн. При этом fт ≈ fн.
На
частоте fт полное сопротивление кварца
максимально, а на частоте fн наоборот минимально.
* Наличие двух частот следует учитывать при разработке
генераторов на кварце, при этом для генерирования можно
использовать как резонанс токов так и резонанс напряжений.

21.

АЧХ кварцевого резонатора:

22.

Кварцевый генератор на транзисторе
Назначение
элементов: ZQ – колебательная система
(кварцевый резонатор); VT1, R2, R1 – усилитель на
транзисторе по схеме ОК; С1, С2 – цепь положительной
обратной связи.

23.

Принципы
работы:
в данной схеме в качестве
колебательной системы используется кварцевый резонатор
ZQ, работающий на резонансе токов.
На частоте резонанса токов сопротивление кварца велико и
напряжение с эмиттера поступает на базу с минимальным
ослаблением. На других частотах сопротивление кварца
уменьшается, коэффициент усиления падает, обратная связь
размыкается (колебания пропадают).

24. Генераторы негармонических колебаний

25.

Генераторы
негармонических колебаний
вырабатывают сигналы негармонической
формы (прямоугольной, пилообразной,
треугольной и пр.).
Для
таких устройств условия баланса
амплитуд и баланса фаз должны быть
выполнены не для одной, а для нескольких
частот.
Рассмотрим типовые схемы негармонических
генераторов.

26.

Схема мультивибратора
(генератора прямоугольных импульсов)
Генератор
представляет собой двухкаскадный
усилитель с глубокой положительной обратной
связью. Элементы Rб1, Rб2 и С1, С2 задают период
и длительность вырабатываемых импульсов.

27.

Принципы
работы:
При включении питания в силу
разброса параметров элементов один из транзисторов окажется
открытым, а другой закрытым. Пусть в начальный момент времени
открыт транзистор VT1, тогда минус обкладки конденсатора С2 будет
соединен с общем проводом (┴) и начнется зарядка конденсатора С2
через резистор Rб1. Время зарядки t будет определяться номиналами С2
и Rб1. В процессе зарядки заряд на конденсаторе С2 будет возрастать =>
будет увеличиваться напряжение на базе транзистора VT2. При
некотором напряжении на базе транзистор VT2 откроется, при этом
конденсатор С1 окажется соединенным с общим проводом
и
напряжение на базе транзистора VT1 упадет (транзистор VT1 закроется).
* Уменьшение напряжения на базе объясняется низким сопротивлением
конденсатора при его зарядке (когда заряд = 0). После закрытия
транзистора периодический процесс зарядки
конденсаторов повторяется. Таким образом
на коллекторах транзисторов будет действовать
напряжение прямоугольной формы (см. далее)

28.

Временные диаграммы работы
мультивибратора
t1 = ln2∙Rб1С2
t2 = ln2∙Rб2С1
T = ln2·(Rб1С2+Rб2С1) - период
F = 1/T =1/(ln2∙(Rб1С2+Rб2С1)) частота
S = T/t2 – скважность импульсов
D = 1/S =t2/T – коэффициент заполнения
При t1 = t2 S = 2; D = 0.5 – симметричный
мультивибратор, форма колебаний – меандр.

29.

Ждущий мультивибратор 1 (одновибратор) –
разновидность мультивибратора, который
вырабатывает
импульс
определенной
длительности при поступлении на вход
запускающего импульса.

30.

Принципы работы: В начальный момент времени транзистор Q2 –
открыт, тогда на его коллекторе будет низкое напряжение, которое через
резистор R4 поступит на базу транзистора Q1, т.е. транзистор Q1 будет
закрытым.
В некоторый момент времени на базу транзистора Q2 поступает
короткий импульс отрицательной полярности, который быстро
закрывает транзистор Q2. При этом транзистор Q1 откроется, т.к. на его
базе будет действовать высокое напряжение коллектора с закрытого
транзистора Q2.
Система будет находиться в этом состоянии пока конденсатор C1 не
перезарядится через резистор R2 и открытый транзистор Q1.
После зарядки С1 система вновь перейдет в
устойчивое состояние, а на выходе устройства
будет сформирован импульс с фиксированной
длительностью, определяемой величинами С1 и
R2.

31.

Ждущий мультивибратор 2

32.

Принципы работы: В начальный
момент времени транзистор VT2 открыт
из-за смещения базы через резистор R.
Транзистор VT1 закрыт, т.к. на его
эмиттере
действует
положительное
(запирающее) напряжение, снимаемое с
Rэ. Резисторы R1 и R2 подобраны таким
образом, чтоб их напряжение было
меньше запирающего напряжения. После
поступления импульса через конденсатор
С1 на базу VT1 этот транзистор
открывается, соединяя левую (по схеме)
обкладку конденсатора С с общим
проводом через Rэ. Конденсатор начинает
заряжаться
одновременно
закрывая
транзистор VT2. Пока конденсатор не
зарядится транзистор VT2 будет находится
в закрытом состоянии и на выходе будет
действовать
высокое
постоянное
напряжение. После открытия транзистора
– напряжение на выходе упадет.

33.

Блокинг-генератор
– релаксационный генератор,
формирующий кратковременные импульсы с
большой скважностью.
Выходные импульсы
В
схеме используется глубокая трансформаторная
ПОС.

34.

Принципы работы: при включении питания, после
зарядки конденсатора транзистор начнет приоткрываться
при этом в первичной обмотке трансформатора появится
изменяющийся ток, который приведет к появлению
большой переменной ЭДС на вторичной обмотке (цепь ОС)
Эта ЭДС еще сильнее открывает транзистор и быстро
перезаряжает конденсатор С1 (формирование импульса).
После насыщения транзистора ток в коллекторе и
первичной обмотке трансформатора станет постоянным и
ЭДС ОС = 0, но конденсатор, заряженный обратным
напряжением, будет закрывать транзистор.
И начнется медленный процесс
перезарядки конденсатора C1, через
резистор R1. Время этого процесса
пропорционально С1, R1.

35. Вопросы

1. Дайте определение электронным генераторам.
2. Приведите классификацию электронных генераторов.
3. Нарисуйте блок-схему автогенераторов.
4. В чем физический смысл баланса амплитуд и баланса фаз как условий
возникновения автоколебаний?
5. Нарисуйте схему LC автогенератора на биполярном транзисторе.
Опишите назначение элементов схемы.
6. Что такое кварцевые генераторы? Приведите пример схемы
кварцевого гармонического автогенератора.
7. Приведите УГО и эквивалентную схему кварцевого резонатора.
8. Нарисуйте схему симметричного мультивибратора на биполярных
транзисторах. Опишите назначение элементов схемы.
9. Как изменить частоту колебаний в симметричном мультивибраторе на
биполярных транзисторах?
10. Что такое ждущий мультивибратор? Нарисуйте схему.
11. Что такое блокинг-генератор? Нарисуйте схему.