Осциллятор

В данной статье мы подробно разберем осциллятор и принцип его работы, а так же разберем схемы, резонанс осциллятора, затухающие колебания и резонансную частоту.

Описание и принцип работы

Осцилляторы преобразуют вход постоянного тока (напряжение питания) в выход переменного тока (форму волны), который может иметь широкий диапазон различных форм и частот, которые могут быть либо сложными по своей природе, либо простыми синусоидальными волнами в зависимости от применения.

Осцилляторы также используются во многих испытательных приборах, генерирующих синусоидальные, квадратные, пилообразные или треугольной формы волны или просто последовательность импульсов переменной или постоянной ширины. Осцилляторы LC обычно используются в радиочастотных цепях из-за их хороших характеристик фазового шума и простоты их реализации.

Осциллятор является в основном усилителем с «положительной обратной связью», или регенеративной обратной связью (в фазе) и одной из многих проблем в конструкции электронных схем является прекращение генерации усилителей при попытке заставить осциллятор колебаться.

Осцилляторы работают, потому что они преодолевают потери своей резонансной цепи обратной связи либо в виде конденсатораиндуктора или обоих в одной и той же цепи, подавая энергию постоянного тока с требуемой частотой в эту резонаторную цепь. Другими словами, осциллятор представляет собой усилитель, который использует положительную обратную связь, которая генерирует выходную частоту без использования входного сигнала.

Таким образом, осцилляторы являются самоподдерживающимися цепями, генерирующими периодическую форму выходного сигнала с точной частотой, и для того, чтобы любая электронная схема работала в качестве осциллятора, она должна иметь следующие три характеристики.

  • Некоторая форма усиления
  • Положительная обратная связь (регенерация)
  • Частота определения обратной связи сети

Осциллятор имеет небольшой усилитель с обратной связью по сигналу с коэффициентом усиления разомкнутого контура, равным или немного превышающим единицу для запуска колебаний, но для продолжения колебаний средний коэффициент усиления контура должен возвращаться к единице. В дополнение к этим реактивным компонентам требуется усилительное устройство, такое как операционный усилитель или биполярный транзистор.

В отличие от усилителя, для работы осциллятора не требуется внешний вход переменного тока, так как энергия источника постоянного тока преобразуется осциллятором в энергию переменного тока на необходимой частоте.

Базовая цепь обратной связи осциллятора

Базовая цепь обратной связи генератора

Где: 
β — доля обратной связи.

Осциллятор усиления без обратной связи

Генератор усиления без обратной связи

Осциллятор с обратной связью

Осциллятор с обратной связью

Осцилляторы — это схемы, которые генерируют непрерывный выходной сигнал напряжения на требуемой частоте со значениями индукторов, конденсаторов или резисторов, образующих частотно-избирательный LC-резонансный контур емкости и сеть обратной связи. Эта сеть обратной связи является сетью ослабления, которая имеет коэффициент усиления меньше единицы ( β <1 ) и запускает колебания, когда Aβ> 1, который возвращается к единице ( Aβ = 1 ) после начала колебаний.

Частота генераторов LC контролируется с использованием настроенной или резонансной индуктивно-емкостной (LC) цепи, а результирующая выходная частота называется частотой колебаний. Делая обратную связь осцилляторов реактивной сетью, фазовый угол обратной связи будет изменяться как функция частоты, и это называется фазовым сдвигом.

Есть в основные типы осцилляторов:

  • 1. Синусоидальные осцилляторы   — они известны как гармонические осцилляторы и обычно представляют собой осциллятор типа «LC Tuned-feedback» или «RC-Tuned-Feedback», который генерирует чисто синусоидальный сигнал с постоянной амплитудой и частотой.
  • 2. Несинусоидальные осцилляторы   — они известны как осцилляторы релаксации и генерируют сложные несинусоидальные сигналы, которые очень быстро меняются от одного состояния устойчивости к другому, например, «прямоугольная волна», «треугольная волна» или «пилообразная волна» формы сигналов.

Резонанс осциллятора

Когда к цепи, состоящей из индуктора, конденсатора и резистора, приложено постоянное напряжение, но переменной частоты, реактивное сопротивление цепей конденсатора / резистора и индуктора / резистора должно изменять как амплитуду, так и фазу выходного сигнала по сравнению с входным сигналом из-за реактивного сопротивления используемых компонентов.

На высоких частотах реактивное сопротивление конденсатора очень низкое, действуя как короткое замыкание, в то время как реактивное сопротивление индуктора высокое, действующее как разомкнутая цепь. На низких частотах верно обратное, реактивное сопротивление конденсатора действует как разомкнутая цепь, а реактивное сопротивление индуктора действует как короткое замыкание.

Между этими двумя крайностями комбинация индуктивности и конденсатора создает «настроенную» или «резонансную» цепь, которая имеет резонансную частоту ( ƒr ), в которой емкостное и индуктивное реактивные сопротивления равны и взаимно компенсируются, оставляя только сопротивление схема противодействия потоку тока. Это означает, что фазовый сдвиг отсутствует, поскольку ток находится в фазе с напряжением. Рассмотрим схему ниже.

Базовая схема осциллятора LC

цистерная схема осциллятора LC

Цепь состоит из индукционной катушки L и конденсатора C. Конденсатор накапливает энергию в форме электростатического поля и создает потенциал ( статическое напряжение ) на своих пластинах, в то время как индуктивная катушка накапливает энергию в форме электромагнитного поля. Конденсатор заряжается до напряжения питания постоянного тока V, поставив переключатель в положение A. Когда конденсатор полностью заряжен изменения переключателя в положение B.

Заряженный конденсатор теперь подключен параллельно через индуктивную катушку, поэтому конденсатор начинает саморазряжаться через катушку. Напряжение на C начинает падать, когда ток через катушку начинает расти.

Этот возрастающий ток создает электромагнитное поле вокруг катушки, которое сопротивляется этому потоку тока. Когда на конденсаторе C полностью разряжается энергия, которая была первоначально сохранена в конденсаторе C в качестве электростатического поля теперь сохраняется в индуктивной катушке L в виде электромагнитного поля вокруг обмоток катушек.

Поскольку в цепи теперь нет внешнего напряжения для поддержания тока внутри катушки, оно начинает падать, когда электромагнитное поле начинает разрушаться. В катушке индуцируется обратная ЭДС ( e = -Ldi / dt ), сохраняя ток в первоначальном направлении.

Этот ток заряжает конденсатор C с полярностью, противоположной его первоначальному заряду. C продолжает заряжаться до тех пор, пока ток не уменьшится до нуля и электромагнитное поле катушки полностью не исчезнет.

Энергия, первоначально введенная в цепь через переключатель, была возвращена конденсатору, который снова имеет потенциал электростатического напряжения на нем, хотя теперь он имеет противоположную полярность. Теперь конденсатор снова начинает разряжаться через катушку, и весь процесс повторяется. Полярность напряжения изменяется по мере того, как энергия передается туда-сюда между конденсатором и индуктором, создавая синусоидальное напряжение переменного тока и форму волны тока.

Этот процесс затем формирует основу цепи резервуара осцилляторов LC, и теоретически эта циклическая перемотка будет продолжаться бесконечно. Тем не менее, все не идеально, и каждый раз, когда энергия передается от конденсатора C к катушке индуктивности L и обратно от L к C, происходят потери энергии, которые со временем затухают колебания до нуля.

Это колебательное действие по передаче энергии назад и вперед между конденсатором C и катушкой индуктивности L будет продолжаться бесконечно, если бы не потери энергии в цепи. Электрическая энергия теряется в постоянном или реальном сопротивлении катушки индуктивности, в диэлектрике конденсатора и в излучении цепи, поэтому колебания неуклонно уменьшаются, пока они полностью не затухнут и процесс не остановится.

Затем в практической LC— схеме амплитуда колебательного напряжения уменьшается на каждом полупериоде колебаний и в конечном итоге затухает до нуля. Затем говорят, что колебания «демпфируются», причем величина демпфирования определяется качеством или добротностью цепи.

Затухающие колебания

демпфированные колебания LC

Частота колебательного напряжения зависит от значения индуктивности и емкости в цепи LC — бака. Теперь мы знаем, что для возникновения резонанса в контуре резервуара должна быть точка частоты, где значение C емкостное сопротивление совпадает со значением X L индуктивного сопротивления ( X L  = X C ) и что, следовательно, компенсирует друг друга, оставляя только постоянное сопротивление в цепи, чтобы противостоять потоку тока.

Если теперь мы поместим кривую для индуктивного реактивного сопротивления индуктора поверх кривой для емкостного реактивного сопротивления конденсатора так, чтобы обе кривые были на одной оси частот, точка пересечения даст нам точку резонансной частоты, (  ƒ r или ωr  ), как показано ниже.

Резонансная частота

Резонансная частота

Где: 
ƒ r в Герцах,
L в Генри и 
C в Фарадах

Тогда частота, с которой это произойдет, определяется как:

резонансное частотное уравнение

Затем за счет упрощения приведенного выше уравнения, мы получаем окончательное уравнение для резонансной частоты ƒ г в настроенном LC цепи, как:

частотное уравнение осциллятора

Где: L индуктивность в Генри
C — емкость в Фарадах
ƒ r — выходная частота в Герцах

Это уравнение показывает, что если L или C уменьшаются, частота увеличивается. Эта выходная частота обычно дается сокращенная (  ƒ г  ) , чтобы определить его как «резонансную частоту».

Чтобы сохранить колебания в цепи резервуара LC, мы должны заменить всю энергию, потерянную в каждом колебании, а также поддерживать амплитуду этих колебаний на постоянном уровне. Следовательно, количество заменяемой энергии должно быть равно энергии, потерянной в течение каждого цикла.

Если замещаемая энергия слишком велика, амплитуда будет увеличиваться до тех пор, пока не произойдет ограничение питающих шин. В качестве альтернативы, если количество заменяемой энергии слишком мало, амплитуда в конечном итоге со временем уменьшится до нуля, и колебания прекратятся.

Самый простой способ восполнить эту потерянную энергию — это взять часть выходного сигнала из цепи резервуара LC , усилить его и затем снова подать обратно в цепь LC . Этот процесс может быть достигнут с использованием усилителя напряжения с использованием операционного усилителя, полевого транзистора или биполярного транзистора в качестве активного устройства. Однако, если усиление контура усилителя обратной связи слишком мало, требуемое колебание уменьшается до нуля, а если оно слишком велико, форма сигнала искажается.

Чтобы производить постоянные колебания, уровень энергии, возвращаемой обратно в сеть LC, должен точно контролироваться. Тогда должна быть некоторая форма автоматической амплитуды или получить контроль, когда амплитуда пытается отличаться от опорного напряжения либо вверх, либо вниз.

Для поддержания стабильных колебаний общий коэффициент усиления цепи должен быть равен единице. Меньше, и колебания не начнутся или не угаснут до нуля, колебания больше не будут происходить, но амплитуда будет ограничена питающими рельсами, вызывая искажения. Рассмотрим схему ниже.

Базовая транзисторная схема осциллятора LC

картинка-схема базового транзисторного осциллятора LC

В качестве усилителя LC-генератора используется биполярный транзистор, а настроенная схема LC- бака действует как нагрузка коллектора. Еще одна катушка L2 соединена между базой и эмиттером транзистора, чье электромагнитное поле «взаимно» в сочетании с этим катушки L.

«Взаимная индуктивность» существует между двумя цепями, и изменяющийся ток, протекающий в одной цепи катушки, посредством электромагнитной индукции индуцирует потенциальное напряжение в другой (эффект трансформатора), так что при возникновении колебаний в настроенной цепи электромагнитная энергия передается от катушки L на катушку L2, и напряжение базы той же частоты, что и в настроенной цепи, подается между базой и эмиттером транзистора. Таким образом, необходимое усилие автоматической обратной связи подается на усилительный транзистор.

Величина обратной связи может быть увеличена или уменьшена путем изменения связи между двумя катушками L и L2 . Когда цепь осциллирующая его импеданс резистивные и коллектор и база напряжение 180o по фазе. Чтобы поддерживать колебания (называемые стабильностью частоты), напряжение, подаваемое на настроенную цепь, должно быть «синфазным» с колебаниями, возникающими в настроенной цепи.

Таким образом, мы должны ввести дополнительный 180 о фазовом сдвиге в цепь обратной связи между коллектором и базой. Это достигается путем намотки катушки L2 в правильном направлении относительно катушки L, что дает нам правильные соотношения амплитуды и фазы для цепи осцилляторов, или путем подключения сети фазового сдвига между выходом и входом усилителя.

Таким образом, LC-осциллятор представляет собой «Синусоидальный генератор» или «Гармонический генератор», как его чаще называют. Осцилляторы LC могут генерировать высокочастотные синусоидальные волны для использования в радиочастотных (РЧ) типов с транзисторным усилителем, состоящим из биполярного транзистора или полевого транзистора.

Гармонические осцилляторы бывают разных форм, потому что есть много различных способов построить сеть LC фильтра и усилитель с наиболее распространенными из которых являются в осциллятор Хартли LC , Колпитс LC осцилляторArmstrong осциллятор и Clapp осциллятор.

Резюме осцилляторов LC

Основные условия, необходимые для резонансного контура резервуара осциллятора LC, приведены ниже.

  • Чтобы колебания существовали, схема генератора ДОЛЖНА содержать реактивный (зависящий от частоты) компонент либо «Индуктор», ( L ) или «Конденсатор», ( С ), а также источник питания постоянного тока.
  • В простой индуктивно-конденсаторной цепи LC колебания со временем затухают из-за потерь компонентов и цепей.
  • Усиление напряжения требуется для преодоления этих потерь в цепи и обеспечения положительного усиления.
  • Общее усиление усилителя должно быть больше единицы.
  • Колебания могут поддерживаться путем подачи некоторого выходного напряжения в настроенную цепь, которая имеет правильную амплитуду и синфазный сигнал (0 o ).
  • Колебания могут возникать только тогда, когда обратная связь является «положительной» (самовосстановление).
  • Общий фазовый сдвиг цепи должен быть нулевым или 360 o, чтобы выходной сигнал из сети обратной связи был «синфазным» с входным сигналом.

В следующем уроке об осцилляторах мы рассмотрим работу одной из наиболее распространенных контуров LC-осциллятора, в которой используются две катушки индуктивности для формирования индуктивности с центральным постукиванием в его резонансной цепи бака. Этот тип схемы LC генератора известен как генератор Hartley.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

meanderss.ru © 2020

Adblock
detector