4.21 Генератор импульсов, стабилизированный кварцем

На рисунке 4.59 представлена схема генератора импульсов, стабилизированная кварцем.

Рисунок 4.59 — Генератор импульсов, стабилизированный кварцем

За основу схемы принимают логические элементы с открытым коллектором. Здесь используются ЛА7 ТТЛ логики с четырьмя входами. Их разделяют друг от друга конденсатором С3 для того, чтобы режимы по постоянному току каскадов &1 и &1 не накладывались друг на друга. В цепях ООС каждой логики вводят резисторы, наподобие резисторов в цепях ООС ОУ. Они снижают коэффициенты усиления каскадов &1,&2, удовлетворяя баланс амплитуд. Для того, чтобы образовать фильтр нижних частот, создать условия для самовозбуждения только на первой гармонике вводим в эти частные цепи конденсаторы С1, С2. Получаем эквивалент интегратора на логическом элементе. Весь контур охватываем кварцем. В контуре два логических элемента, инвертора, каждый из них образует 180–градусный фазовый сдвиг (в сумме 360°), следовательно, получается ПОС, что является одним из необходимых условий генерации (удовлетворяется баланс фаз).

Так как здесь открытый коллектор, то подводим напряжение питания + 5 В через резисторы R4, R6. Для того, чтобы выставить режим, близкий к активной области, вводим смещающие резисторы R3, R5.

Кварц – это чрезвычайно узкополосный прибор, поэтому через него проходит в сущности одна синусоида почти без искажений, в итоге здесь в действительности не генератор импульсов, а генератор синусоиды, из которой путем введения дополнительных логических элементов, обрезания вершин и оснований синусоиды формируются импульсы.

5 Генераторы синусоидальных колебаний

5.1 Общие определения

В радиотехнике имеют в виду удовлетворение баланса фаз, удовлетворение баланса амплитуд.

В автоматике вместо баланса фаз подразумевают положительную обратную связь, как показано на рисунке 5.1, а). Здесь знак + означает суммирование входного сигнала Xвх и сигнала обратной связи Xос. Это, в прямом смысле, частный случай ПОС. Но и в обычных системах автоматики с отрицательной обратной связью (а таких большинство), кроме отрицательной обратной связи может образовываться ПОС. Причина в том, что прямая часть передаточной функции W рисунка 5.1, а), а также обратная связь создают фазовые сдвиги, т.е. фазо–частотная характеристика может иметь, например, вид, приведенный на рисунке 5.1, б). Если для горизонтальной оси имеет место ООС, то для– ПОС,– опять ООС,– ПОС и т.д. В одной и той же системе, из–за наличия ФЧХ, на разных частотах создаются условия как для ООС, так и для ПОС. С точки зрения устойчивости, качества работы систем автоматики желательно, чтобы были только ООС, а ПОС максимально устранялись для предотвращения неустойчивости, самовозбуждения. Если этого не сделать, то на частотахи т.д. возникнет неустойчивость, одним из видов которой являются колебания, такие же, как и в генераторах синусоидальных колебаний. Но в генераторах синусоидальных колебаний обычно вводят непосредственно положительную обратную связь, суммируя входящий сигналX_ВХ и сигнал обратной связи X_ОС.

Балансу амплитуд в радиотехнике также есть соответствие в автоматике. Под балансом амплитуд в радиотехнике понимают удовлетворение условия генерирования неизменной амплитуды X_ВЫХ во времени на рисунке 5.1, а). В автоматике этому условию соотносят тождественность произведения. т.е. в реальных условиях для конкретной, одной и той же схемы могут быть три случая:

Рисунок 5.1 — ПОС, а); фазо–частотная характеристика, б)

а) ;

б) ;

в) .

В случае а) электронный усилитель по–прежнему работает как усилитель, но с ПОС. Его коэффициент усиления увеличивается, однако линейные и нелинейные искажения возрастают, нестабильность тоже возрастает, полоса пропускания сужается.

В случае б) это генератор колебаний, в том числе и синусоидальных. Для синусоидальности должны быть удовлетворены еще два условия:

1 Введены цепи (обычно пассивные), которые описываются математически таким образом, что в их решении есть комплексные корни (иногда их называют колебательными). Именно они формируют синусоиду.

2 Электронные схемы с ПОС нестабильны, и вследствие дрейфа условие тождества нарушается. Поэтому вводят нелинейность (обычно насыщение), которая стабилизирует тождество. Схемы получаются несложные, но нелинейности искажают синусоиду, вводят в нее дополнительные гармоники.

Физический смысл баланса амплитуд заключается в том, что сигнал ξ усиливается передаточной функцией W, поступает на выход и на β, через устройство сравнения вновь на W, при этом амплитуда на выходе должна быть той же.

Условие баланса фаз: тот же сигнал проходит через W, β, элемент сравнения, при этом фазы выходного и входного сигналов должны совпадать.

Т.о. в схемах генераторов синусоидальных колебаний должны быть удовлетворены следующие условия

1 – баланс амплитуд;

2 ПОС – баланс фаз;

3 Комплексные корни;

4 Стабилизирующая нелинейность.

Выделяют мягкое и жесткое возбуждение.

Мягкое возбуждение заключается в том, что при подаче напряжения питания колебания возрастают до точки устойчивости равновесия. Известны два способа пояснения физического смысла возникновения генерации:

1 После включения напряжения питания образуется толчок, скачок от нуля до уровня напряжения питания (см. рисунок 5.2, а), который создает в колебательных цепях переходной колебательный процесс. Он, вследствие области неустойчивости (заштрихованная область на рисунке 5.2, а), нарастает до точки устойчивого равновесия.

Рисунок 5.2 — Мягкое возбуждение, а); жесткое возбуждение, б)

2 Пусть в схеме уже есть напряжение питания. Замыкаем ПОС. В сущности скачка нет, но есть наводки, флюктуация, они образуют в цепях колебательные процессы, усиливающиеся до установившихся.

При жестком возбуждении необходимо дать толчок, превзойти положение первой неустойчивой точки равновесия (см. рисунок 5.2, б), дальше амплитуда возрастает самопроизвольно до установившейся точки.

Выделяют генераторы синусоидальных колебаний с LC контурами (обычно для частот свыше 1 кГц) и RC цепями для частот до 1 кГц, при этом габариты цепей получаются приемлемыми.

Различают генераторы синусоидальных колебаний:

– с трансформаторной связью;

– с индуктивной трехточкой;

– с емкостной трехточкой;

– на транзисторах;

– на ОУ;

– на микросхемах.

Выделяют генераторы с RCL цепями, стабилизированные кварцем.