Электротехника радиотехнические схемы

Генераторы гармонических колебаний

Генераторы гармонических колебаний для средств измерений выполняются в двух видах: генераторы сигналов (ГС) и генераторы стандартных сигналов (ГСС). ГСС имеют более высокие показатели стабильности частоты и формы, но меньшие уровни сигнала, чем ГС. Отечественные генераторы сигналов маркируются Г3, а генераторы стандартных сигналов — Г4.

Обобщенные структурные схемы измерительных генераторов гармонических сигналов типа ГС и ГСС представлены на рис. 2.

LC-генераторы

В LC-генераторах, для которых выполняются условия балансов амплитуд и фаз, частота в основном определяется резонансом колебательного контура:

Упрощенная схема современного LС-генератора на операционном усилителе — показана на рис. а. Усилитель автогенератора охвачен двумя цепями обратной связи, обеспечивающими режимы балансов амплитуд и фаз. Баланс амплитуд устанавливается цепью отрицательной ОС, состоящей из резисторов R1 и R2. С ее помощью задается требуемый коэффициент усиления собственно усилителя |К|=R2/R1. Баланс фаз обеспечивает цепь положительной ОС, состоящая из резистора R и параллельного колебательного £С-контура. Коэффициент передачи цепи положительной ОС:

где R0 — резонансное сопротивление параллельного контура.

Кварцевая стабилизация частоты. К LС-генераторам относятся и генераторы с кварцевой стабилизацией частоты. Данный способ стабилизации основан на применении в электрических схемах кварцевого резонатора вместо элементов LC-контуров, что позволяет снизить нестабильность частоты колебаний автогенератора до 10-7 (отклонение частоты на ∆f= 0,1 Гц от генерируемой fp = 1 МГц). Относительная нестабильность частоты в дискретных точках составляет 5.10-9 за 15 мин и 3.10-8 за 16 ч работы генератора.

Кварцевый резонатор (сокращенно кварц) представляет собой помещенную в кварцедержателъ тонкую прямоугольную пластинку минерала кварца, грани которой определенным образом ориентированы по отношению к осям кристалла. Из физики известно, что кварц обладает прямым и обратным пьезоэлектрическим эффектом (проще, пьезоэффектом). Прямой пьезоэффект возникает при механическом сжатии или растяжении кварцевой пластинки и сопровождается появлением на ее противоположных гранях электрических зарядов.

При воздействии на кварцевую пластинку переменного электрического поля в ней возникают упругие механические колебания (обратный пьезоэффект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на гранях пластинки. Кварц можно рассматривать как электромеханическую колебательную систему и сравнивать ее свойства с обычным колебательным LС-контуром. Добротность кварцевого резонатора достигает сотен тысяч, тогда как у колебательного контура она не превышает 300...400. Механическая прочность и слабая зависимость частотных свойств от температуры обусловливают достаточно высокую эталонность частоты кварцевых резонаторов.

На рис. б показана упрощенная схема LC-генератора с кварцевой стабилизацией.

Как правило, LC-генераторы предназначаются для работы в автоматизированных измерительно-вычислительных комплексах и обеспечивают возможность дистанционного управления частотой и уровнем выходного напряжения посредством команд, передаваемых двоично-десятичным кодом. Диапазон перестройки частоты обычно лежит в пределах от 0,01 Гц до единиц мегагерц, минимальная дискретность ее установки составляет 0,01 Гц.

RС-генераторы

Технические характеристики LC-генераторов в диапазонах достаточно низких частот существенно ухудшаются из-за резкого возрастания величин индуктивностей и емкостей колебательных контуров и соответствующих им размеров катушек индуктивностей и конденсаторов. Кроме того, их трудно перестраивать по частоте в широких пределах. Поэтому в низкочастотных измерительных генераторах гармонических колебаний в качестве колебательных систем и цепей положительной ОС используют частотно-избирательные RC-цетш.

Обычно в RС-генераторах включают мост Вина (рис. 6.4, а), который осуществляет сдвиг фазы сигнала обратной связи на 180°.

Рис. 6.4. Схемы ЛС-генераторов с мостом Вина: а — обычная; б— кварц включен в мост Вина в качестве сопротивления

Схема генератора строится на основе усилителя, у которого в широком диапазоне частот коэффициент передачи — вещественная величина, а фазовый сдвиг φ=2π обеспечивается за счет моста Вина и инверсии сигнала в каскадах усиления.

Частота гармонических колебаний в RС-генераторе с мостом Вина:

На рис. 6.4, б изображена упрощенная схема ЛС-генератора с мостом Вина, в котором вместо одного из резисторов включен кварцевый резонатор, работающий в режиме резонанса напряжений.

Электротехника ТОЭ типовые задания примеры Лабораторные