Практическая работа № 4
Генераторы сигналов
Краткие теоретические сведения
Генератор сигналов — это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический или другой), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются в излучающих трактах гидролокационных станций, в медицинских и измерительных приборах для формирования различных видов сигналов, для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Генератор состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра).
LC-генераторы
Наиболее простой способ генерации синусоидальных колебаний состоит в компенсации затухания колебательного LC-контура с помощью усилителя.
Основные условия генерации
На рис.1 показана структурная схема генератора. Усилитель увеличивает входное напряжение блока A. При этом возникает дополнительный сдвиг фазы α между U2 и U1. К выходу усилителя присоединен нагрузочный резистор Rv и частотно-зависимая цепь обратной связи, в качестве которой, например, может быть использован колебательный контур. При этом напряжение обратной связи U3 = kU2. Фазовый сдвиг между напряжениями U3 и U2 составляет угол β.
|
| Рисунок 1 – Структурная схема генератора |
Электронный усилитель усиливает напряжение U 1(t) в А раз. Так как выход усилителя является низкоомным, колебательный контур подключен параллельно сопротивлению R. Для вычисления напряжения обратной связи применим правило узлов закона Кирхгофа к точке 1 и получим
При U 2 = АU 1 получаем соотношение:
(4)
Формула (4) представляет собой дифференциальное уравнение затухающих колебаний. Заменяя коэффициенты
переходим к классической форме дифференциального уравнения:
Уравнение имеет следующее решение:
(5)
Можно рассмотреть три случая:
• γ > 0, то есть A < 1. Амплитуда выходного переменного напряжения уменьшается по экспоненте: имеют место затухающие колебания;
• γ = 0, то есть A = 1. Имеют место синусоидальные колебания с частотой ɷ и постоянной амплитудой, то есть незатухающие колебания;
• γ < 0, то есть A > 1. Амплитуда выходного переменного напряжения возрастает по экспоненте.
Уравнение (2) определяет необходимое условие существования колебаний. Теперь можно уточнить этот результат: для A = 1 получаем синусоидальное выходное напряжение с постоянной амплитудой и частотой:
При ослаблении обратной связи амплитуда уменьшается по экспоненте, при усилении – увеличивается. Чтобы генератор при включении напряжения питания начинал возбуждаться, значение A должно быть больше единицы (А > 1); в этом случае амплитуда колебаний будет возрастать по экспоненте (при условии компенсации ослабления усилителем) до наступления перегрузки. При появлении перегрузки значение A уменьшается до тех пор, пока не достигнет значения, равного единице. Однако при этом форма колебаний на выходе усилителя будет отличаться от синусоиды. Если желательна синусоидальная форма выходного напряжения, необходимо обеспечить автоматическую регулировку усиления такой, чтобы A = 1, прежде чем усилитель начнет перегружаться. В высокочастотной технике, как правило, легко можно реализовать колебательные контуры высокой добротности. Тогда напряжение на колебательном контуре будет синусоидальным даже при перегрузке усилителя. Поэтому при высоких частотах отказываются от регулировки усиления и в качестве выходного используют напряжение на колебательном контуре.
