Электроника в вопросах и ответах - И. Хабловски

Рис. 10.13. Эквивалентная схема кварцевого контура (а) и соответствующее ей изменение реактивной проводимости (б)

Резонансные частоты кварца обратно пропорциональны его размерам и толщине. Размеры типового кварца на частоту 428 кГц — 2,75х3,33х0,636 см. Параметры элементов эквивалентной схемы составляют: С0 = 5,8 пФ; Сm = 0,042 пФ, Lm = 3,3 Гн; Q = 23 000.

Кварцевые пластины (кварцевые резонаторы) изготавливаются на частоты от 2 кГц примерно до 35 МГц. Возможно также изготовление кварцев, работающих на более высоких частотах, даже до 150 МГц. Однако в этом случае генераторы работают на так называемых «обертонах», т. е. на частотах колебаний, почти в точности равных гармоническим частотам основной частоты.

Что такое кварцевый генератор Пирса?

Схема генератора Пирса представлена на рис. 10.14. Генератор Пирса является разновидностью генератора с емкостной связью. Кварцевый резонатор работает на частоте, близкой к частоте параллельного резонанса, и имеет индуктивное реактивное сопротивление Два конденсатора С1 и С2 образуют емкостной, делитель.

Генератор Пирса очень удобен для применения в многоканальных передатчиках, стабилизированных кварцем, поскольку не требует подстройки контура при смене кварца.

Рис. 10.14. Генератор Пирса

Что такое RС-генератор?

Это генератор, в котором не содержатся резонансные контуры LC, а цепь, определяющая генерируемую частоту, состоит только из элементов RC. Различают RС-генераторы с фазосдвигающими и мостовыми схемами. Обычно RС-генераторы используются для получения синусоидальных колебаний с частотами от долей герц (например, 0.01 Гц) до нескольких десятков килогерц. Обычно верхний предел частоты не превышает 300 кГц. RС-генераторы характеризуются хорошей стабильностью, легко перестраиваются и позволяют получать колебания с очень низкими частотами. Реализация LC-генератора, генерирующего колебания очень низкой частоты, является не простым делом из-за трудностей, связанных с изготовлением катушки с очень большой индуктивностью.

Что такое RС-генератор с фазосдвигающей цепью?

Схема генератора показана на рис. 10.15.

Рис. 10.15. RС-генератор с фазосдвигающей цепью

В состав генератора входит резистивный усилительный каскад, а также трехсекционная лестничная RС-цепочка, включенная между выходом и входом усилителя. Эта цепочка, находящаяся в петле ОС, вносит фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями. Одним из условий возникновения колебаний в схеме является фазовый сдвиг между этими напряжениями, составляющий 180°. В рассматриваемой цепи подобная ситуация может возникнуть только на одной частоте. Действие цепи легко можно понять, если принять во внимание, что каждая RС-секция является простым фазовращателем, вносящим в первом приближении сдвиг фазы 60° на рабочей частоте схемы. Три такие секции вносят, следовательно, требуемый сдвиг фазы 180°. Поэтому ПОС является избирательной, и в связи с этим колебания имеют синусоидальную форму.

Фазосдвигающая цепь вносит достаточно заметное затухание, и поэтому коэффициент усиления транзистора должен быть соответственно большим. Для RС-цепи, состоящей из трех секций, коэффициент усиления должен составлять не менее 29. Тогда будет выполнено также второе условие возникновения колебаний — условие баланса амплитуд.

При одинаковых сопротивлениях резисторов R и емкостей конденсаторов С частота колебаний генератора рассчитывается по формуле f = 1/(2π√6·RC). Для изменения частоты колебаний достаточно изменить сопротивление или емкость в фазосдвигающей цепи.

Что такое RС-генератор с мостом Вина?

Общая структурная схема генератора мостового типа представлена на рис. 10.16. При соответствующем выборе параметров элементов моста (R1 = R2; R4 < R3) напряжение на диагонали АВ моста находится в фазе с напряжением на диагонали СО. Напряжение UAB управляет двухкаскадным усилителем без инверсии фазы (фазовый сдвиг 360°), выход которого является источником сигнала, подключаемого к одной диагонали моста.

Рис. 10.16. Структурная схема генератора мостового типа

Если коэффициент усиления достаточен, то в схеме выполняются условия, необходимые для возникновения колебаний. Поскольку схема является широкополосной и не выделяет какой-либо частоты, генерируемое напряжение не имеет синусоидальной формы.

Если схема должна генерировать напряжение некоторой определенной частоты, то ветвь моста с резисторами R1 и R2 должна быть заменена избирательной схемой. Схема такого типа, образующая совместно с резисторами R3 и R4 мост Вина, представлена на рис. 10.17, а. Резистор R1 заменен последовательной RС-цепочкой, а резистор R2 — параллельной RС-цепочкой. Условие соответствующей фазы напряжения, возбуждающего усилитель, выполняется только на одной частоте f = 1/(2πRC). На других частотах имеет место меньшее напряжение UАВ, а его фаза отличается от желаемой.

Схема генератора с мостом Вина изображена на рис. 10.17, б. Резистор R4 в мостике заменен лампой накаливания с вольфрамовой нитью. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике лампы накаливания достигается автоматическая регулировка усиления и в результате — постоянная амплитуда колебаний.

Генератор с мостом Вина можно легко перестраивать с помощью сдвоенного конденсатора переменной емкости, включенного в схему вместо постоянных конденсаторов с емкостью С.

Рис. 10.17. Мост Вина (а) и схема генератора с мостом Вина (б)

Как получают несинусоидальные колебания?

Несинусоидальными колебаниями обычно называют колебания, форма которых отличается (сильнее или слабее) от синусоидальной. Однако в импульсной технике название «несинусондальные» относится к колебаниям, принципиальным образом отличающимся от синусоидальных, например к прямоугольным или треугольным.

Существуют два способа получения несинусоидальных колебаний. Рассмотрим первый способ. Синусоидальное колебание сначала подвергается ограничению (иногда многократному), обычно сопровождаемому усилением. В результате получается колебание, более или менее близкое к прямоугольному, которое затем подвергают линейному формированию в дифференцирующих или интегрирующих цепях. Таким способом, повторяя некоторые процессы формирования и придавая им разную последовательность, можно получить колебания различной формы (рис. 10.18): прямоугольные, пилообразные, трапецеидальные, импульсные и т. п.

Рис. 10.18. Формы колебаний, полученные из синусоидальных колебаний с использованием линейных и нелинейных цепей

Второй способ состоит в непосредственном генерировании несинусоидальных колебаний. Общий принцип генерирования несинусоидальных колебаний, упрощенно представлен на рис. 10.19.

Рис. 10.19. Общий принцип генерирования несинусоидальных колебаний

Конденсатор С заряжается через сопротивление от источника постоянного напряжения при разомкнутом ключе К и разряжается через ключ К, когда последний замыкают. Ключом может быть, например, лампа или транзистор. Размыкание ключа соответствует закрытому состоянию, замыкание — открытому. Перевод лампы или транзистора в эти состояния осуществляется с помощью импульсов, подведенных извне, либо в результате процессов, происходящих в схеме самого генератора. Полученное таким образом пилообразное колебание напряжения может быть использовано для получения других колебаний в зависимости от схемы и ее параметров. Например, в релаксационных генераторах изменение напряжения на заряженном и разряженном конденсаторе может быть использовано для получения на выходе прямоугольного колебания. Линейность изменения напряжения на конденсаторе зависит от постоянной времени цепи заряда и уровня напряжения, до которого заряжается конденсатор. В общем можно сказать, что такое изменение носит экспоненциальный характер.