Назначение и классификация генераторов

Электронным генератором сигналов называют устройство, посредством

которого энергия внешних источников питания преобразуется в электрические колебания требуемой частоты, формы и мощности. Электронные генераторы входят в состав структурных схем многих электронных приборов. Они используются в универсальных измерительных приборах, осциллографах, микропроцессорных системах, телевизорах, радиоприемниках и т.д.

Классификация генераторов выполняется по ряду признаков: форме колебаний, их частоте, выходной мощности, назначению, типу используемого активного элемента, виду частотноизбирательной цепи обратной связи.

По назначению генераторы делятся на технологические, измерительные, медицинские, связные.

По форме колебаний их делят на генераторы гармонических и негармонических сигналов.

По выходной мощности генераторы делят на маломощные (менее 1 Вт), средней мощности (от 1 до 100 Вт) и мощные (более 100 Вт).

По частоте генераторы делят на инфранизкочастотные (менее 10 Гц), низкочастотные (от 10 Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц), СВЧ (выше 100 МГц).

По используемым активным элементам генераторы делят на ламповые, транзисторные, на ОУ, на тунельных диодах, динисторах.

По типу частотно-избирательных цепей ОС различают генераторы LC, RC и RL типа.

Генераторы прямоугольных импульсов

Генераторы прямоугольных импульсов широко используются в радиотехнике, телевидении, системах автоматического управления и вычислительной технике.

Для получения импульсов прямоугольной формы с крутыми фронтами широко применяются устройства, принцип работы которых основан на использовании электронных усилителей с положительной обратной связью. К этим устройствам относятся так называемые релаксационные генераторы – мультивибраторы, блокинг-генераторы. Эти генераторы могут работать в одном из следующих режимов: ждущем, автоколебательном, синхронизации и деления частоты.

В ждущем режиме генератор имеет одно устойчивое состояние равновесия. Внешний запускающий импульс вызывает скачкообразный переход ждущего генератора в новое состояние, которое не является устойчивым. В этом состоянии, называемом квазиравновесным, или временно устойчивым, в схеме генератора происходят относительно медленные процессы, которые в конечном итоге приводят к обратному скачку, после чего устанавливается устойчивое исходное состояние. Длительность состояния квазиравновесия, определяющая длительность генерируемого прямоугольного импульса, зависит от параметров схемы генератора. Основными требованиями к ждущим генераторам является стабильность длительности формируемого импульса и устойчивость его исходного состояния. Ждущие генераторы применяются, прежде всего, для получения определенного

временного интервала, начало и конец которого фиксируются соответственно фронтом и спадом генерируемого прямоугольного импульса, а также для расширения импульсов, для деления частоты повторения импульсов и других целей.

Вавтоколебательном режиме генератор имеет два состояния квазиравновесия и не имеет ни одного устойчивого состояния. В этом режиме без какого-либо внешнего воздействия генератор последовательно переходит скачком из одного состояния квазиравновесия в другое. При этом генерируются импульсы, амплитуда, длительность и частота повторения которых определяются в основном только параметрами генератора. Основным требованием, предъявляемым к таким генераторам, является высокая стабильность частоты автоколебаний. Между тем в результате изменения питающих напряжений, смены и старения элементов, воздействия других факторов (температуры, влажности, наводок и т. п.) стабильность частоты автоколебаний генератора обычно невелика.

Врежиме синхронизации или деления частоты частота повторения генерируемых импульсов определяется частотой внешнего синхронизирующего напряжения (синусоидального или импульсного), подаваемого в схему генератора. Частота повторения импульсов равна или кратна частоте синхронизирующего напряжения.

Генератор периодически повторяющихся прямоугольных импульсов релаксационного типа называется мультивибратором.

Схема мультивибратора может быть реализована как на дискретных элементах, так и в интегральном исполнении.

Рассмотрим работу мультивибратора на примере самых распространённых схем. Для примера возьмём две схемы — с симметричным и несимметричным исполнением.

Симметричный

В симметричном плечи работают в противофазе

В начальный период подачи питания транзисторы закрыты, а С1 и С2 полностью разряжены, их сопротивление незначительно. Это должно привести к быстрому открыванию транзисторов Т1 и Т2 через L2>R3>C1> база T1 и L1>R4>C2> база T2. Но в реальности, параметры элементов имеют разброс в характеристиках: ёмкость конденсаторов, сопротивление резисторов и переходы транзисторов различаются. В какой-то момент один из

транзисторов начнёт открываться чуть быстрее, допустим T2, что приводит к угнетению Т1 и ещё более быстрому открыванию Т2.

В итоге, с концом цикла мы имеем, что T1 закрыт, а T2 полностью открыт и насыщен. Светодиод L2 светится. Конденсатор C1 заряжен до напряжения питания. При заряженном C1, ток через резистор R1 прекращается. Напряжение на нём равно IBТ2·R2, а на коллекторе

T1 соответствует напряжению питания.

Напряжение на коллекторе T2 невелико. Заряженный конденсатор C2, начинает медленно разряжаться через открытый транзистор T2 и R3. Отрицательным напряжением на базе транзистор T1 он остаётся закрытым, до тех пор, пока C2 не начнёт перезаряжаться через R3 и напряжение базы T1 не достигнет порога его полного открывания +0,6 В.

T1 с ростом напряжения приоткрывается, и напряжение на его коллекторе снижается. Это вызывает начало запирания транзистора T2, с ростом напряжения на его коллекторе. При этом через C2 ещё больше открывается транзистор T1. Горит светодиод L1.

Процесс повторяется циклично, а его частота задаётся резисторами и конденсаторами. Такая схема имеет два выхода, с которых снимаются сигналы. Это коллекторы транзисторов Т1 и Т2.

Ждущий одновибратор на транзисторах

Одновибратор служит для формирования импульсов заданной длительности из импульсов любой ширины. Cхема одновибратора представлена на рис.162. Схему одновибратора можно представить в виде двух частей: одна часть - это половинка триггера, другая часть - это половинка мультивибратора.

При подаче питания одновибратор всегда устанавливается в определенное исходное состояние: транзистор VT2 - открыт, VT1 - закрыт. Открывается именно VT2, т.к. его базовый ток значительно больше, чем у VT1. Базовый ток VT1 определяется цепью с сопротивлением (Rб1+RК1), а базовый ток VT2 - цепью с Rб2 и параллельной ей цепью с

RК1,С1. Т.к. сопротивление RК всегда меньше сопротивления Rб, то базовый ток VT2 больше. Протекающий через RК1,С1 ток заряжает конденсатор С1. Полярность напряжения на конденсаторе С1 - плюс слева.

При подаче на базу VT1 положительного импульса тока этот транзистор открывается. Напряжение на конденсаторе С1 прикладывается к переходу Б-Э транзистора VT2 в обратном направлении и VT2 закрывается. За счет действия положительной обратной связи с

коллектора транзистора VT2 на базу VT1 через сопротивление Rб1 транзистор VT1 будет поддерживаться в открытом состоянии током, протекающим по цепи: +Uп, RК1, Rб1, Б-Э

транзистора VT1. При этом входной импульс уже может быть снят. Конденсатор С1 начинает перезаряжаться по цепи: +Uп, Rб2, С1, К-Э открытого транзистора VT1. Когда напряжение на

конденсаторе С1 в процессе перезаряда сменит знак и достигнет величины »0,6В, достаточной для открытия транзистора VT2, то этот транзистор откроется, цепь обратной связи транзистора VT1 оборвется. Если к этому моменту входной импульс уже закончился, то транзистор VT1 закроется. Если же он не закончился, то VT1 остается открытым до его окончания. При этом напряжение на конденсаторе С1 сохраняется на уровне 0,6В. Когда VT1 закроется, конденсатор С1 начинает заряжаться по цепи: +Uп, RК1, С1, Б-Э транзистора VT2.

Таким образом напряжение на конденсаторе С1 становится равным исходному. В этом исходном состоянии ждущий одновибратор находится до прихода следующего входного импульса.

Одновибраторы (ждущие мультивибраторы) предназначены для генерации под действием входных сигналов одиночных прямоугольных импульсов заданной длительности. От простых формирователей они отличаются наличием хронирующей (времязадающей) цепи, а часто и цепи обратной связи, обеспечивающей регенеративный (лавинообразный) характер переключения, а, следовательно — высокую крутизну фронтов формируемого импульса.

Примером простейшего одновибратора на микросхеме ТТЛ типа без цепей обратной связи является схема по рис. 5.49. Длительность выходного импульса зависит практически только от величины емкости конденсатора С. При С = 10 нФ длительность импульса примерно равна 1 мкс.

Очень широко используются одновибраторы на основе триггера, обеспечивающего высокую крутизну фронтов генерируемого импульса. На рис. 5.50 показана схема такого одновибратора, выполненная на ТТЛ логических элементах ИЛИ-НЕ. В исходном состоянии напряжение питания + Е через резистор R поступает на один из входов элемент D 2 вызывая

появление на его выходе лог.0. Это в свою очередь устанавливает элемент D 1 в такое

состояние, когда сигнал на его выходе будет равен лог. 1. Конденсатор С разряжен, так как на обеих обкладках существует почти один и тот же потенциал + Е.

При поступлении запускающего импульса, уровнем не менее величины лог.1, открывается элемент D 1, что вызовет заряд конденсатора С через резистор R. Импульс заряда переводит

элемент D 2 в закрытое состояние на время заряда. После заряда элемент D 2 переходит в

состояние лог.0, что устанавливает всю схему в исходное положение. Длительность импульса на выходе одновибратора:

где U 1 — уровень лог.1 на входе элемента. U пор — уровень срабатывания элемента. После возвращения элемента D 1 в исходное положение конденсатор разряжается через резистор R. Для ускорения разряда резистор шунтируется диодом D.

Простейший одновибратор на логических элементах МОП типа показан на рис.5.51. Длительность выходного импульса оценивается величиной . Крутизна фронтов выходного импульса, особенно заднего, не велики. Хорошей крутизной фронтов выходного импульса обладает одновибратор, реализованный на триггере.

На рис. 5.52 показана схема одновибраторы на D-триггере К561ТМ2. В этом одновибраторе зарядный резистор должен находиться в пределах 20–100 кОм.