Русская Википедия:Генератор сигналов
Генератор сигналов — устройство, позволяющее производить (генерировать) сигнал определённой природы (электрический, акустический и т. д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например, усилителя, охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра).
Генераторы электрических колебаний
- По форме выходного сигнала:
- Синусоидальных, гармонических колебаний (сигналов) (генератор Мейснера, генератор Хартли (индуктивная трёхточка), генератор Колпитца (ёмкостная трёхточка) и др.)[1]
- Прямоугольных импульсов — мультивибраторы, тактовые генераторы
- Функциональный генератор — прямоугольных, треугольных и синусоидальных импульсов
- Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН)
- Генератор шума
Существуют также генераторы более сложных сигналов, таких, как телевизионная испытательная таблица
- По частотному диапазону:
- Низкочастотные
- Высокочастотные
- По принципу работы:
- Стабилизированные кварцевым резонатором — Генератор Пирса
- Блокинг-генераторы
- LC-генераторы
- RC-генераторы[2][3]
- Генераторы на туннельных диодах
- По назначению:
Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток. Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью. Однофазные генераторы ещё большей мощности строят по четырёхтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно ещё вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трёхфазные двухтактные (полумостовые) и четырёхтактные (полномостовые) генераторы.
Генераторы гармонических колебаний
Генератор гармонических колебаний представляет собой усилитель с положительной обратной связью (ПОС). Термин положительная обратная связь означает, что фазовый сдвиг в петле обратной связи близок к <math>2\pi</math>, то есть цепь обратной связи не инвертирует сигнал.
Необходимыми условиями для возникновения гармонических незатухающих колебаний с малыми искажениями синусоиды являются:
- петлевой сдвиг фазы равен 360°,
- обратная связь резонансная или квазирезонансная, как, например, в генераторе с мостом Вина, или сам усилитель является частотноизбирательным (резонансным).
- петлевое усиление точно равно 1,
- рабочая точка усилительного каскада находится на его линейном или приблизительно линейном участке.
Пояснения необходимости 2-го и 3-го условий: если петлевое усиление ниже 1, то колебания затухают. Если петлевое усиление больше 1, то колебания нарастают до физического ограничения, так, амплитуда выходного напряжения усилителя не может быть больше напряжения питания[4], при таком ограничении форма синусоидального напряжения искажается.
Примером структур с положительной обратной связью может служить мультивибратор, или иные релаксационные генераторы, но в таких схемах применены частотно-неизбирательные обратные связи и усилители, поэтому генерируемые ими колебания далеки от синусоидальных.
История
В 1887 году Генрих Герц на основе катушки Румкорфа изобрёл и построил искровой генератор электромагнитных волн.
В 1913 году Александр Мейснер (Германия) изобрёл электронный генератор Мейснера на ламповом каскаде с общим катодом с колебательным контуром в выходной (анодной) цепи с трансформаторной положительной обратной связью на сетку.[5]
В 1914 году Эдвин Армстронг (США) запатентовал электронный генератор на ламповом каскаде с общим катодом с колебательным контуром во входной (сеточной) цепи с трансформаторной положительной обратной связью на сетку.
В 1915 году американский инженер из Western Electric Company Ральф Хартли, разработал ламповую схему известную как генератор Хартли, известную также как индуктивная трёхточечная схема («индуктивная трёхточка»). В отличие от схемы А. Мейсснера, в ней использовано автотрансформаторное включение контура. Рабочая частота такого генератора обычно выше резонансной частоты контура.
В 1919 году Эдвин Колпитц изобрёл генератор Колпитца на электронной лампе с подключением к колебательному контуру через ёмкостной делитель напряжения, часто называемый «ёмкостная трёхточка».
В 1932 году американец Гарри Найквист разработал теорию устойчивости усилителей, которая также применима и для описания устойчивости генераторов. (Критерий устойчивости Найквиста-Михайлова).
Позже было изобретено множество других электронных генераторов.
Устойчивость генераторов
Устойчивость генераторов складывается из двух составляющих: устойчивость усилительного каскада по постоянному току и устойчивость генератора по переменному току.
Фазовый анализ генератора Мейснера
Генераторы «индуктивная трёхточка» и «ёмкостная трёхточка» могут быть построены как на инвертирующих каскадах (с общим катодом, с общим эмиттером), так и на неинвертирующих каскадах (с общей сеткой, с общим анодом, с общей базой, с общим коллектором).
Каскад с общим катодом (с общим эмиттером) сдвигает фазу входного сигнала на 180°. Трансформатор, при согласном включении обмоток, сдвигает фазу ещё на приблизительно 180°. Суммарный петлевой сдвиг фазы составляет приблизительно 360°. Запас устойчивости по фазе максимален и равен почти ± 90°. Таким образом генератор Мейснера относится, с точки зрения теории автоматического управления (ТАУ), к почти идеальным генераторам. В транзисторной технике каскаду с общим катодом соответствует каскад с общим эмиттером.
Фазовый анализ LC-генератора с СR положительной обратной связью
LC-генераторы на каскаде с общей базой наиболее высокочастотны, применяются в селекторах каналов почти всех телевизоров, в гетеродинах УКВ приёмников. Для гальванической развязки в цепи положительной обратной связи с коллектора на эмиттер стоит CR-цепочка, которая сдвигает фазу на 60°. Генератор работает, но не на частоте свободных колебаний контура, а на частоте вынужденных колебаний, из-за этого генератор излучает две частоты: большую — на частоте вынужденных колебаний и меньшую на частоте свободных колебаний контура. При первой итерации две частоты образуют четыре: две исходные и две суммарноразностные. При второй итерации четыре частоты производят ещё большее число суммарноразностных частот. В результате, при большом числе итераций получается целый спектр частот, который в приёмниках смешивается с входным сигналом и образует ещё большее число суммарноразностных частот. Затем всё это подаётся в блок обработки сигнала. Кроме этого, запас устойчивости работы по фазе этого генератора составляет +30°. Чтобы уменьшить шунтирование контура каскадом применяют частичное включение контура через ёмкостной делитель, но при этом происходит дополнительный перекос фазы. При одинаковых ёмкостях дополнительный перекос фазы составляет 45°. Суммарный петлевой сдвиг фазы 60°+45°=105° оказывается больше 90° и устройство попадает из области генераторов в область дискриминаторов, генерация срывается. При оптимально рассчитанном емкостном делителе запас устойчивости по фазе составляет менее 30°.
Генератор Мейснера на каскаде с общей базой, с частичным включением контура без перекоса фазы.
Если в «ёмкостной трёхточке» на каскаде с общей базой в цепи положительной обратной связи вместо CR-цепочки включить трансформатор со встречным включением обмоток, то петлевой сдвиг фазы составит около 360°. Генератор станет почти идеальным. Чтобы уменьшить шунтирование контура каскадом и не внести дополнительного перекоса фазы, нужно применить частичное включение контура без дополнительного перекоса фазы через два симметричных отвода от катушки индуктивности. Такой генератор излучает одну частоту и имеет наибольший запас устойчивости по фазе (± 90°).
Применение
Далеко не полный список устройств, в которых применяются генераторы сигналов:
- Устройства связи — радиоприемники (гетеродин в супергетеродинных радиоприёмниках), телевизионные приемники, мобильные телефоны, приёмопередатчики, аппаратура передачи данных и др.
- Цифровая и вычислительная техника обязательно содержит генератор тактовых импульсов.
- Импульсные источники питания, инверторы, источники бесперебойного электропитания.
- Измерительные приборы — осциллографы, измерительные вольтметры, амперметры и др.
- Медицинское оборудование — электрокардиографы, томографы, рентгенографы, электронные тонометры, аппараты для ультразвукового исследования (УЗИ), физиотерапевтические приборы и др.
- Эхолоты.
- Бытовая техника — программируемые стиральные машины, СВЧ-печи, посудомоечные машины и др.
Электромагнитная совместимость
Устройства, имеющие в своём составе генератор сигналов, потенциально способны создавать электромагнитные помехи другим электронным устройствам, поэтому при их разработке и эксплуатации приходится учитывать вопросы электромагнитной совместимости.
См. также
- Электронный усилитель
- Фильтр
- Автогенератор
- Генератор, управляемый напряжением
- Критерий устойчивости Найквиста-Михайлова
- Гетеродин
- Магнетрон
- Осциллистор
- Стабильность частоты
Литература
- Шамшин И. Г. История технических средств коммуникации. Учеб. пособие., 2003. Дальневосточный государственный технический университет.
Ссылки
- Генераторы синусоидальных колебаний
- Генераторы /вебархив/
Примечания
Шаблон:Часы Шаблон:Радиоприёмник
- ↑ http://logic-bratsk.ru/radio/ewb/ewb2/CHAPTER2/2-8/2-8-1/2-8-1.htm Шаблон:Wayback На рис.8.1.а) изображён генератор Мейснера, а не генератор Хартлея
- ↑ http://radiomaster.ru/stati/radio/gen.php Шаблон:Wayback Рис.1.7 RC-генератор на транзисторе. Рис.1.8 RC-генератор с мостом Вина.
- ↑ http://logic-bratsk.ru/radio/ewb/ewb2/CHAPTER2/2-8/2-8-1/2-8-1.htm Шаблон:Wayback Рис.8.9. RC-генератор с трёхзвенной фазосдвигающей цепочкой (а) и осциллограмма выходного сигнала (б)
- ↑ если не применен трансформатор
- ↑ Шаблон:Cite web Радиотехника и радиофизика
