Генераторы гармонических колебаний

Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение при отсутствии входных сигналов. Генератор преобразует энергию источника постоянного напряжения в энергию переменного входного сигнала.

Различают два режима возбуждения генератора: самовозбуждение (мягкий режим) и с внешним начальным сигналом (жесткий режим).

RC-генераторы с мостом Вина. Мостом Вина обычно называют схему, приведенную на рис. 13.1.

Рис. 13.1. Мост Вина

При частоте входного сигнала, равной резонансной частоте f₀, напряжение на выходе u_вых равно нулю (при ненулевом входном напряжении u_вх). Резонансная частота определяется выражением

.

В реальных схемах генераторов для поддержания колебаний необходимо, чтобы на частоте колебаний напряжение u_вых несколько отличалась от нуля. Поэтому реально мост работает с некоторым рассогласованием, когда отношение сопротивлений R₁/R₂ несколько отличается от 2 (более точно R₁/R₂>2).

Схема генератора на операционном усилителе с очень простой схемой автоматической стабилизации амплитуды, которую обеспечивают диоды, представлена на рис. 13.2. Пунктиром показан усилитель, представляющий из себя ОУ, охваченный цепью отрицательной обратной связью (ООС) и имеющий коэффициент усиления К. С помощью частотно-зависимой RC -цепи (упрощенный мост Вина) этот усилитель охвачен цепью положительной обратной связи.

Рис. 13.2. Генератор на ОУ с мостом Вина и стабилизатором

амплитуды на диодах

На частоте f₀ коэффициент передачи упрощенного моста Вина β=1/3. Для соблюдения условия баланса амплитуд необходимо, чтобы К·β≥1, т.е. R₁+R₂≥2R₃.

При практическом применении подобных генераторов нагрузку часто желательно подключать через дополнительный буферный усилительный каскад.

Кварцевые генераторы. Основой генераторов составляют кварцевые резонаторы. Кварцевый генератор – это пластинка кварца, закрепленная определенным образом в кварцедержателе и представляющая собой электромеханическую колебательную систему. Эти резонаторы относятся к пьезоэлектрическим элементам, принцип действия которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта. При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис. 13.3, а) его удобно заменить эквивалентной схемой (рис. 13.3, б).

Рис. 13.3. Схема кварцевого резонатора (а) и его эквивалентная схема (б)

В эквивалентной схеме могут иметь место и параллельный, и последовательный резонанс. На практике используют оба вида резонанса.

На частоте последовательного резонанса

резонатор имеет минимальное сопротивление R_К. Частота параллельного резонанса

.

В диапазоне частот между ω_к и ω₀ резонатор ведет себя как некоторая индуктивность.

Кварцевые резонаторы характеризуются высокой стабильностью и добротностью (Q_к =10⁴ ÷ 10⁵). Использование кварцевых резонаторов позволяет снизить относительное изменение частоты генераторов до очень малых значений (10^–6 ÷ 10^–9).

Упрощенная схема кварцевого генератора на основе операционного усилителя при использовании последовательного резонанса (рис. 13.4).

Рис. 13.4. Кварцевый генератор с ОУ с последовательным резонансом

На частоте последовательного резонанса в схеме имеет место сильная положительная обратная связь, что и поддерживает автоколебания.