Nizkofrekvenčni generatorji.

Nizkofrekvenčni generatorji ali nizkofrekvenčni generatorji (LFO) so viri sinusoidnega signala v različnih frekvenčnih območjih: F<20 Гц (инфразвуковые), 20 Гц... 20 кГц (звуковые), 20...200 кГц (ультразвуковые). Диапазон частот может быть расширен до F>200 kHz. V nekaterih vrstah naprav se skupaj s sinusoidnim signalom generira signal, ki se imenuje meander.

riž. 2.1. Blok diagram analognega LFO

LFO se uporabljajo za celovito študijo poti radijskih sprejemnikov, za napajanje AC mostov itd.

Glavni generator določa obliko in vse frekvenčne parametre signala: frekvenčno območje, napako pri nastavitvi frekvence, frekvenčno nestabilnost, harmonsko popačenje.

Če valovna oblika ni navedena na sprednji plošči naprave, je vedno sinusna. Generatorji te vrste RC, katerega oscilatorni sistem je sestavljen iz faziranja RC- verige. Celotno frekvenčno območje generatorja je razdeljeno na 3-4 podpasove. Vsako podobmočje ustreza določeni vrednosti upora upora (slika 2.2), ki vam omogoča diskretno spreminjanje frekvence.

riž. 2.2. Načelo nastavitve frekvence glavnega oscilatorja

Nemoteno nastavljanje frekvence izvaja spremenljivi kondenzator, ki služi vsem podpasom. Glavni oscilatorji tipa RC so preprosti, poceni, imajo nizek koeficient harmonskega popačenja in majhne dimenzije.

Formula frekvence nihanja tipa generatorja RC:

V nekaterih LFO diskretno krmiljenje frekvence ne izvaja upor, temveč kondenzator. Nato za gladko nastavitev frekvence poskrbi spremenljivi upor-potenciometer. Ojačevalnik oslabi vpliv naslednjih blokov na glavni oscilator, zaradi česar so njegovi frekvenčni parametri bolj kakovostni, zagotavlja ojačanje napetostnega (moči) signala in omogoča gladko spreminjanje izhodne napetosti.

Ujemni transformator je zasnovan za postopno usklajevanje izhodne upornosti generatorja z uporom priključene obremenitve.

Prisotnost srednje točke (s.t.) na transformatorju omogoča, da dobimo dve izhodni napetosti enake vrednosti, vendar nasprotno v fazi (slika 2.3).

riž. 2.3. Električni shematski diagram transformatorja za ujemanje srednje točke

Izhodni transformator se uporablja v generatorjih z višjimi nivoji izhodne moči. Večina nizkofrekvenčnih generatorjev nima izhodnega transformatorja.

Stikalo obremenitve zagotavlja ustrezno izhodno impedanco D ven generator z odpornostjo na obremenitev R n... Če ujemanje ni izvedeno, izhodna napetost ne ustreza nastavljeni z indikatorjem generatorja, generator lahko celo odpove. Najpogostejši pomeni D ven so 5, 50, 600 in 6000 ohmov. Za uskladitev uporov na izhodu 1 je napravi priložena posebna obremenitev 50 Ohm s kablom.

Nadzor izhodne napetosti zagotavlja elektronski voltmeter tip U-D ali elektromehanski voltmeter usmerniškega sistema. Indikator izhodne napetosti vedno prikazuje efektivno vrednost sinusnega vala.

Dušilnik zagotavlja izhodne napetosti različnih vrednosti, ki se diskretno spreminjajo. V tem primeru se vhodni in izhodni upornosti dušilnika ne spremenita in ujemanje ni kršeno. Včasih slabljenje ni prikazano v voltih, ampak v decibelih.

Dušenje, ki ga uvede dušilnik, se izračuna po formuli:

, (2.2)

kje U in(B) - napetost na vhodu dušilca; U ven(B) - napetost na izhodu dušilnika.

Poglejmo si dva primera.

Primer 1. Določite napetost na izhodu generatorja v voltih, če je 1 V na vhodu in U = 60 dB na izhodu. Na podlagi formule zapišemo:

Primer 2. Določite vrednost dušenja, ki ga vnese dušilnik generatorja, če je napetost na njegovem vhodu 1 V in na izhodu 100 mV.

Na podlagi formule pišemo

Digitalni LFO.

Digitalni LFO imajo v primerjavi z analognimi LFO boljše meroslovne lastnosti: manjšo napako pri vgradnji in frekvenčno nestabilnost, manjše harmonsko popačenje, stabilnost nivoja izhodnega signala.

Takšni generatorji postajajo vse bolj razširjeni v primerjavi z analognimi zaradi njihove večje hitrosti, poenostavljene nastavitve frekvence in odprave subjektivnih napak pri nastavljanju parametrov izhodnega signala. Zahvaljujoč vgrajenemu mikroprocesorju v digitalnih LFO je možno samodejno uglasiti frekvenco signala v skladu z danim programom.

Delovanje digitalnih LFO temelji na principu oblikovanja numerične kode z njeno kasnejšo transformacijo v analogni harmonski signal, ki se aproksimira s funkcijo, modelirano z digitalno-analognim pretvornikom (DAC). Blok diagram digitalnega LFO je prikazan na sl. 2.4.

riž. 2.4. Blok diagram digitalnega LFO

Glavni generator impulzov s stabilizacijo kvarčne frekvence generira kratke impulze v periodičnem zaporedju, ki se napajajo v frekvenčni delilnik. Na izhodu frekvenčnega delilnika z nastavljivim delitvenim razmerjem se oblikuje zaporedje impulzov s dano obdobje sledi določitvi koraka vzorčenja.

Števec šteje impulze, ki prihajajo do njega, kodna kombinacija impulzov, nabranih v števcu, se dovaja v digitalno-analogni pretvornik, ki generira ustrezno napetost. Po prelivu se števec ponastavi na nič in je pripravljen za začetek oblikovanja naslednjega obdobja.

Tema 2.2. Generatorji signalov visoka frekvenca

Visokofrekvenčni in ultravisokofrekvenčni generatorji ali generatorji visokih in ultravisokih frekvenc (HHF in UHF) so viri sinusoidnega in vsaj enega signala, moduliranega s katerim koli parametrom (amplitudno moduliran - AM signal, frekvenčno moduliran - FM signal) z znanih parametrov... Valovna oblika signalov na izhodu MHF je prikazana na sl. 2.5.

riž. 6.5. Sinusoidni (a) in amplitudno modulirani (b) signali na izhodu MHF

Če valovna oblika ni prikazana na sprednji plošči naprave, je to vedno sinusni in AM signal.

Za dane signale so značilni naslednji parametri: f- nosilna (modulirana) visoka frekvenca, F- moduliranje nizka frekvenca, M- koeficient amplitudne modulacije.

M = (A-B) 100 % / (A + B) (2.3)

MHF in MHCF pokrivata naslednja nosilna frekvenčna območja: 200 kHz ... 30 MHz (visoka) in f> 30 MHz (ultra visoko). Frekvenčno območje se lahko razširi na f< 200 кГц. Такие генераторы применяются для всестороннего исследования высокочастотных трактов теле- и радиоприемных устройств, для питания схем напряжением высоких и сверхвысоких частот. Структурная схема ГВЧ приведена на рис. 2.6.

riž. 2.6. Blok diagram MHF

Glavni oscilator I določa vrednost nosilne frekvence in valovno obliko. Generator takega tipa LC, katerega nihajni sistem je vzporedno vezje, sestavljeno iz induktorja L in kondenzator Z... Frekvenca vibracij je izražena s formulo:

(2.4)

Celotno frekvenčno območje MHF je razdeljeno na podpasove, katerih število lahko doseže osem. Vsako podobmočje ustreza določenemu induktorju, gladka nastavitev frekvence (znotraj podobmočja) pa se izvaja s pomočjo spremenljivega kondenzatorja. MHF ima dva izhoda: mikrovoltni in enovoltni.

Iz izhoda glavnega generatorja I se napetost dovaja na dva kanala: glavni in pomožni. Glavni kanal vsebuje ojačevalnik-modulator in visokofrekvenčni dušilnik ("μV" izhod). Iz tega izhoda se vzame nemodulirano sinusno ali modulirano nastavljivo visokofrekvenčno kalibrirano nihanje. Tako kot pri LFO indikator prikazuje efektivno vrednost sinusne napetosti.

Pomožni kanal vsebuje ojačevalnik in "1V" izhod. Iz tega izhoda se odstrani nenadzorovana, modulirana (tj. sinusoidna), neregulirana visokofrekvenčna napetost 1 ... 2 V na ustrezno obremenitev

AM vhod je namenjen za priključitev zunanjega modulirnega generatorja (glavni oscilator I), ko je položaj preklopnega stikala "Ext." ali notranji modulacijski generator (glavni generator II) s položajem preklopnega stikala "Int." Običajno je vrednost modulacijske frekvence fiksna (400 ali 1000 Hz). Če na sprednji plošči ni označena, se vzame enako 1000 Hz.

Značilnost RGMF je uporaba posebnih mikrovalovnih ojačevalnih naprav: klistronov, žarnic BWO za povratni val, plazovnih tranzitnih diod, Gunnovih diod, magnetronov, pa tudi oscilatornih sistemov na resonančni votlini ali četrtvalovnem delu valovoda, koaksialna linija.

Pri kalibriranem izhodu RGHM moč ne presega več mikrovatov, pri nekalibriranem pa več vatov. Poleg sinusoidnega signala lahko RGHM generira pulzno moduliran signal (IM signal).

Tema 2.3. Generatorji impulznih signalov

Impulzni generatorji ali generatorji impulzov (GI) so našli uporabo pri postavljanju in regulaciji impulznih vezij, ki se uporabljajo v televiziji in komunikacijah, računalnikih, radarjih itd. Generatorji se pogosto uporabljajo za pridobivanje pravokotnih napetosti. Parametre impulznega signala je mogoče prilagoditi v širokem razponu.

GI je vir dveh signalov: glavnega in dodatnega (sinhronizirani impulzi - SI). Glavni parametri teh signalov, nastavljivih v širokem razponu (slika 2.7), vključujejo U m- amplitudno vrednost napetosti, t in- trajanje impulza, t 3- čas zakasnitve (časovni premik) glavnih impulzov glede na sinhronizacijske impulze, T- obdobje ponovitve pulza.

riž. 2.7. Parametri izhodnih signalov GI

Posredni (sekundarni) parametri signalov GI vključujejo - delovni cikel, ki mora biti ≥ 2 in se izračuna po formuli:

, (2.5)

kje F = 1/T je hitrost ponovitve impulza.

Blok diagram GI je prikazan na sl. 2.8.

>

riž. 2.8. Strukturni diagram GI

Glavni generator generira kratke impulze s frekvenco F in lahko deluje v samonihajočem (položaj tipke "1") ali v stanju pripravljenosti (položaj tipke "2"). V načinu zunanjega proženja hitrost ponovitve impulza določa zunanji generator, priključen na vtičnico "Input". Enkratni zagon je omogočen s pritiskom na gumb zunanje in enote za enkratni zagon.

Blok za oblikovanje sinhronizacijskih impulzov (SI) zagotavlja potrebno obliko SI.

Blok zakasnitve ustvari časovni odmik za čas t s glavni impulzi glede na SR, ki prihajajo iz glavnega oscilatorja.

Blok za oblikovanje glavnih impulzov zagotavlja, da se na izhodu dobijo impulzi želene oblike in trajanja.

Ojačevalnik poveča amplitudo impulzov, omogoča spreminjanje njihove polarnosti in izvaja upor, ki se ujema z obremenitvijo, ki jo napaja generator.

Atenuator zmanjša amplitudo impulza za določeno število krat.

Merilna enota je voltmeter, ki spremlja amplitudno vrednost impulznega signala.

Glavne meroslovne značilnosti generatorjev, ki jih morate vedeti pri izbiri naprave, vključujejo naslednje:

oblika signala;

Območje prilagajanja parametrov;

Dovoljena napaka pri nastavitvi posameznega parametra;

Največja dopustna časovna nestabilnost parametrov;

Toleranca popačenja valovne oblike.

Predlagani visokofrekvenčni generatorji so zasnovani za ustvarjanje električnih nihanj v frekvenčnem območju od desetine kHz do deset in celo sto MHz. Takšni generatorji se praviloma izvajajo z uporabo LC-oscilatornih vezij ali kvarčnih resonatorjev, ki so elementi za nastavitev frekvence. Načeloma se vezja od tega bistveno ne spremenijo, zato bodo v nadaljevanju obravnavani LC-generatorji visoke frekvence. Upoštevajte, da je mogoče po potrebi nihajna vezja v nekaterih generatorskih tokokrogih (glej na primer slike 12.4, 12.5) brez težav zamenjati s kvarčnimi resonatorji.

Visokofrekvenčni generatorji (sl. 12.1, 12.2) so izdelani po tradicionalni in v praksi dobro preverjeni "induktivni tritočkovni" shemi. Razlikujejo se v prisotnosti oddajne RC-verige, ki nastavi način delovanja tranzistorja (slika 12.2) za enosmerni tok. Za ustvarjanje povratne informacije v generatorju je iz induktorja izdelana pipa (sl. 12.1, 12.2) (običajno iz njegovega 1/3 ... 1/5 dela, štetje od ozemljenega terminala). Nestabilnost delovanja visokofrekvenčnih generatorjev na bipolarnih tranzistorjih je posledica opaznega ranžirnega učinka samega tranzistorja na nihajno vezje. Ko se temperatura in / ali napajalna napetost spremeni, se lastnosti tranzistorja opazno spremenijo, tako da generacijska frekvenca "plava". Da bi oslabili vpliv tranzistorja na delovno frekvenco generiranja, je treba čim bolj oslabiti sklop nihajnega kroga s tranzistorjem in zmanjšati prehodne kapacitivnosti na minimum. Poleg tega sprememba upornosti obremenitve pomembno vpliva na frekvenco proizvodnje. Zato je med generatorjem in obremenitvenim uporom nujno vklopiti sledilnik oddajnika (vira).

Za napajanje generatorjev je treba uporabiti stabilne napajalnike z nizkimi valovi.

Najboljše lastnosti imajo generatorji, izdelani na tranzistorjih z učinkom polja (slika 12.3).

Visokofrekvenčni generatorji, sestavljeni po "kapacitivni tritočkovni" shemi na bipolarnih in polijskih tranzistorjih, so prikazani na sl. 12.4 in 12.5. Načeloma se po svojih značilnostih "induktivna" in "kapacitivna" tritočkovna vezja ne razlikujejo, vendar v "kapacitivnem tritočkovnem" vezju ni treba narediti dodatnega zaključka na induktorju.

V mnogih generatorskih vezjih (sl. 12.1 - 12.5 in druga vezja) je izhodni signal mogoče vzeti neposredno iz nihajnega kroga preko majhnega kondenzatorja ali preko induktivne sklopne tuljave, pa tudi iz neozemljenega izmenični tok elektrode aktivnega elementa (tranzistor). Upoštevati je treba, da dodatna obremenitev nihajnega kroga spremeni njegove značilnosti in delovno frekvenco. Včasih se ta lastnost uporablja "v dobro" - za namene merjenja različnih fizikalnih in kemičnih veličin, nadzora tehnoloških parametrov.

Na sl. 12.6 prikazuje diagram nekoliko spremenjene različice VF generatorja - "kapacitivni tritočkovni". Globina pozitivne povratne informacije in optimalni pogoji za vzbujanje generatorja se izberejo s pomočjo kapacitivnih elementov vezja.

Generatorsko vezje, prikazano na sl. 12.7, je učinkovit v širokem območju vrednosti induktivnosti tuljave nihajnega kroga (od 200 μH do 2 H) [R 7 / 90-68]. Takšen generator se lahko uporablja kot generator visokofrekvenčnih signalov širokega razpona ali kot merilni pretvornik električnih in neelektričnih veličin v frekvenco, pa tudi v vezju za merjenje induktivnosti.

Generatorji na osnovi aktivnih elementov z I-V karakteristiko v obliki črke N (tunelske diode, lambda diode in njihovi analogi) običajno vsebujejo tokovni vir, aktivni element in element za nastavitev frekvence (LC vezje) z vzporedno ali zaporedno povezavo. Na sl. 12.8 prikazuje diagram visokofrekvenčnega generatorja, ki temelji na elementu z lambda podobno volt-ampersko karakteristiko. Njegovo frekvenco nadziramo s spreminjanjem dinamične kapacitivnosti tranzistorjev, ko se tok, ki teče skozi njih, spremeni.

NI LED stabilizira delovno točko in kaže vklopljeno stanje generatorja.

Generator, ki temelji na analogu lambda diode, izdelan na tranzistorjih z učinkom polja, in s stabilizacijo delovne točke z analogom zener diode - LED, je prikazan na sl. 12.9. Naprava deluje do frekvence 1 MHz in več s pomočjo tranzistorjev, navedenih na diagramu.

Na sl. 12.10 je za primerjavo shem glede na stopnjo njihove kompleksnosti prikazano praktično vezje RF generatorja na osnovi tunelske diode. Naprej usmerjen spoj visokofrekvenčne germanijeve diode se uporablja kot polprevodniški nizkonapetostni stabilizator napetosti. Ta generator je potencialno sposoben delovati na najvišjih frekvencah - do nekaj GHz.

Visoka frekvenca frekvenčni generator, po shemi, zelo podobni sliki. 12.7, vendar izdelan s pomočjo tranzistorja s polnim učinkom, je prikazan na sl. 12.11 [Rl 7 / 97-34].

Prototip RC generatorja, prikazan na sl. 11.18 je diagram generatorja na sl. 12.12.

Ta generator odlikuje visoka frekvenčna stabilnost, sposobnost delovanja v širokem razponu parametrov elementov za nastavitev frekvence. Da bi zmanjšali učinek obremenitve na delovno frekvenco generatorja, je v vezje uvedena dodatna stopnja - sledilec oddajnika, izdelan na bipolarnem tranzistorju VT3. Generator lahko deluje do frekvenc nad 150 MHz.

Med vsemi vrstami generatorskih vezij je treba posebej izpostaviti generatorje z udarnim vzbujanjem. Njihovo delo temelji na periodičnem vzbujanju nihajnega kroga (ali drugega resonančnega elementa) z močnim kratkim tokovnim impulzom. Kot posledica "elektronskega udarca" v tako vzbujanem nihajnem krogu se pojavijo periodična sinusna nihanja, ki po amplitudi postopoma upadajo. Dušenje nihanj v amplitudi je posledica nepopravljivih izgub energije v nihajnem krogu. Hitrost dušenja nihanj je določena s faktorjem kakovosti (kakovostjo) nihajnega kroga. Visokofrekvenčni izhodni signal bo amplitudno stabilen, če se vzbujevalnim impulzom sledijo pri visoki frekvenci. Ta tip generatorja je najstarejši v obravnavani seriji in je znan že od 19. stoletja.

Praktični diagram generatorja visokofrekvenčnih nihanj udarnega vzbujanja je prikazan na sl. 12,13 [P 9 / 76-52; 3 / 77-53]. Udarni vzbujevalni impulzi se dovajajo v oscilatorni krog L1C1 preko diode VD1 iz nizkofrekvenčni generator kot je multivibrator ali drug generator pravokotnih impulzov (GRP), o katerem smo govorili prej v poglavjih 7 in 8. Velika prednost generatorjev za vzbujanje šoka je, da delujejo z uporabo nihajnih krogov skoraj vseh vrst in katere koli resonančne frekvence.

Druga vrsta generatorjev so generatorji hrupa, katerih vezja so prikazana na sl. 12.14 in 12.15.

Takšni generatorji se pogosto uporabljajo za uglaševanje različnih elektronskih vezij. Signali, ki jih ustvarjajo takšne naprave, zasedajo izjemno širok frekvenčni pas - od nekaj Hz do sto MHz. Za ustvarjanje hrupa se uporabljajo povratno pristranska stičišča polprevodniških naprav, ki delujejo v mejnih pogojih plazovnega razpada. Za to se lahko uporabijo prehodi tranzistorjev (slika 12.14) [Rl 2 / 98-37] ali zener diod (slika 12.15) [R 1 / 69-37]. Za prilagoditev načina, v katerem je napetost ustvarjenega hrupa največja, prilagodite obratovalni tok skozi aktivni element (slika 12.15).

Upoštevajte, da se upori v kombinaciji z večstopenjskimi nizkofrekvenčnimi ojačevalniki, superregenerativnimi sprejemniki in drugimi elementi lahko uporabljajo tudi za ustvarjanje hrupa. Za doseganje največje amplitude napetosti hrupa je praviloma potrebna individualna izbira najbolj hrupnega elementa.

Za ustvarjanje ozkopasovnih generatorjev hrupa se lahko na izhod oscilatorskega vezja vključi LC ali RC filter.

Literatura: Shustov M.A. Praktično vezje (knjiga 1), 2003