Тема 2.5. Электронные генераторы и измерительные приборы
Электронные аналоговые и цифровые измерительные приборы используются измерениях постоянных и переменных электрических сигналов, в первую очередь амплитуды, частоты, фазы, а также при измерениях и анализе характеристик нестационарных и быстропротекающих процессов. Электронные приборы включают последовательность электронных измерительных преобразователей, с помощью которых производится обработка измерительной информации и извлечение из нее размера требуемой физической величины, отображение полученных значений в аналоговом или цифровом виде. При этом надо иметь в виду, что наличие цифрового дисплея еще не делает сам прибор цифровым, если вся обработка информационного сигнала осуществляется в аналоговой форме.
По сравнению с электромеханическими приборами электронные имеют значительно большие функциональные возможности и большую точность, а в силу большого входного сопротивления позволяют значительно уменьшить возможное влияние на источник сигнала.
Электронные приборы уступают цифровым и микропроцессорным по многим показателям. Однако у них есть качества – прямое преобразование сигнала, независимость от программного обеспечения, работа в реальном времени и наглядность представления информации, что во многих случаях делает их незаменимыми. Прежде всего эти качества востребованы при наладке и настройке радиоэлектронного оборудования, в т.ч. и измерительного, при отладке методик измерения. Кроме того многие аналоговые электронные приборы, которые по сути есть измерительные преобразователи реального времени, являются базой для создания на их основе соответствующих цифровых и микропроцессорных приборов.
Электронные генераторы
Устройства, преобразующие электроэнергию источника постоянного тока в незатухающую энергию электрических колебаний расчетной частоты и формы, называются электронные генераторы.
Такие генераторы приобрели популярность в электронике, компьютерной технике, радиоприемниках. Генераторами может выдаваться сигнал частотой до нескольких мегагерц. Форма выходного напряжения имеет формы синусоиды, прямоугольника и пилы.
Контур колебаний получает возбуждение от наружного источника тока, появляются колебания, которые со временем затухают, так как сопротивление поглощает энергию. Чтобы колебания не затухали, в контуре нужно восполнять потерю энергии. Этот процесс восполнения выполняется положительной обратной связью. Эта связь подает в контур некоторую часть сигнала, который должен совпадать с сигналом обратной связи.
Электронные генераторы состоят из следующих частей:
Контур колебаний, задающий частоту генератора.
Усилитель, повышающий амплитуду сигнала на выходе контура колебаний.
Обратная связь, подающая некоторое количество энергии в контур.
Электронные генераторы используют постоянный ток для образования колебаний переменного тока, и являются схемами с положительной связью.
Классификация
Электронные генераторы делятся на несколько классов по различным параметрам. Рассмотрим основные разновидности таких генераторов.
По форме сигнала:
В виде синусоиды.
Прямоугольные.
В форме пилы.
Специальные.
По частоте:
Высокочастотные (более 100 килогерц).
Низкочастотные (менее 100 килогерц).
По возбуждению:
С независимым возбуждением.
Автогенераторы (самовозбуждение).
Автоматическим генератором называют устройство, которое самостоятельно возбуждается, без воздействия извне, преобразует поступающую энергию в колебания. Электронные генераторы выполняются по схемам, аналогичным усилителям, за исключением отсутствия питания сигнала входа. Вместо него используют обратную связь, которая является передачей некоторого количества сигнала выхода на вход.
Определенная форма сигнала создается обратной связью. Частота колебаний создается на цепях RС или LС, и зависит от времени зарядки емкости. Сигнал обратной связи приходит на вход усилителя, где повышается в несколько раз и выходит. Часть сигнала возвращается и ослабевает в несколько раз, что дает возможность поддерживать одинаковую амплитуду сигнала на выходе.
Генераторы с внешним видом возбуждения считаются усилителями мощности с определенным частотным интервалом. На его вход подается сигнал от автогенератора, усиливается определенный интервал частот.
Автогенератор типа LС
Простейший автогенератор с индуктивной связью ниже - а представляет собой однокаскадный усилитель на транзисторе VТ, включенном по схеме с общим эмиттером, с нагрузкой в виде параллельного колебательного контура LКСК и цепи обратной связи, созданной обмоткой LБ, индуктивно связанной с индуктивным элементом LК контура. Усилитель выполнен по схеме с фиксированным напряжением смещения делителем RБ1 и RБ2 и термостабилизируюшей RЭCЭ-цепью.
На вход усилителя через конденсатор CБ, ёмкостное сопротивление которого на частоте генерации незначительно, поступает сигнал обратной связи, представленный ЭДС базовой обмотки LБ.
Коллекторный ток, появившийся в момент включения источника питания - Uп, заряжает конденсатор СК, который затем разряжаясь на индуктивный элемент LК создает в контуре колебания с резонансной частотой:
Эти колебания напряжения посредством индуктивной связи передаются на базу транзистора VT, вызывая колебания напряжения Uвх на входе усилителя и пульсации тока коллектора, которые, подпитывая LКСК -контур, восполняют активные потери энергии в нем. Чтобы колебания были незатухающими, нужно выполнить указанные выше два условия самовозбуждения.
Анализ электрического состояния усилителя показывает, что баланс фаз удовлетворяется, если амплитуда напряжения на контуре Um.p равна и противоположна по фазе амплитуде выходного напряжения Um.вых. Это возможно, если обмотка LК включена таким образом, что фаза индуктируемой в ней ЭДС находится в противофазе с напряжением контура uр, а напряжение uвых в однокаскадном усилителе, как известно, противофазно напряжению uвх. Очевидно, что фазы uвх и uвых сдвинуты на 180° + 180° = 360°.
Второе условие самовозбуждения - баланс амплитуд - сводится к тому, чтобы коэффициент усиления был больше или равен 1/β , т. е. Ки > 1/β.
Процесс возникновения, нарастания и установления колебательного режима удобно пояснить с помощью графика (рис. 4.13, б), где нанесены:
Ки = uвых/ uвх - амплитудная характеристика собственно усилителя и 1/β= uвых/ uвх.ос - прямая, характеризующая обратную связь.
Условию Ки > 1/β на графике соответствует расположение кривой Ки над прямой 1/β на участке 0а.
Пусть наличие колебания uвх1 вызвало на выходе (в соответствии с кривой Ки) колебание uвых1, которое через ПОС создает на входе возросшее колебание uвых2- что вызовет дальнейшее увеличение выходного напряжения до тех пор, пока не будет достигнута точка а см рис. - б, в которой Ки > 1/β или Ки β=1. В точке а переходный процесс заканчивается и устанавливается стационарный режим гармонических колебаний.
Автогенераторы типа RС
На частотах, меньших 15...20 кГц, при которых обмотки резонансных контуров получаются громоздкими, целесообразно применение RC-генераторов, выполняемых по структурной схеме (см. рис.- а).
Усилитель У (см. рис. -в) строится по обычной резистивной схеме, а положительная обратная связь осуществляется с помощью фазовозвращателя Фвр (RC-звеньев,см. рис. - б). Условия самовозбуждения таких генераторов прежние. Так как одно RC-звено сдвигает фазу своего выходного напряжения по отношению к её входному на угол, меньший 90°, то применяют трехзвенную структуру. Каждое Г-образное звено должно сдвигать фазу напряжения на 60°.
Частота генерируемых такими схемами синусоидальных колебаний при условии равенства сопротивлений резисторов R и ёмкостей С конденсаторов во всех трех звеньях определяется формулой
Как показывают расчеты, из-за падений напряжения на элементах, отношение uвх/uвых на фазовозвращателе (см. рис. - б) равно β= 29, поэтому для обеспечения условия баланса амплитуд коэффициент усиления собственно усилителя должен удовлетворять условию Ки ≥29.
Мультивибратор
Мультивибратор - релаксационный генератор, представляющий собой двухэлементный усилитель с ёмкостной связью, выход которого соединен с входом. При этом образуется замкнутая цепь с положительной обратной связью.
Различают два вида мультивибраторов: автоколебательные (не обладающие состоянием устойчивого равновесия) и ждущие (обладающие состоянием устойчивого равновесия, при выходе из которого сначала переходят в другое устойчивое состояние, а затем самопроизвольно возвращаются в первоначальное состояние).
Колебательный процесс в автоколебательном мультивибраторе происходит вследствие поочередного накопления энергии в соответствующих конденсаторах от источника питания и в последующей их разрядке через цепи транзисторов.
Пусть симметричный автоколебательный транзисторный мультивибратор собран из сходных элементов: транзисторов VТ1 и VТ2. резисторов с сопротивлениями RК1=RК2=RК , RБ1=RБ2=RБ и конденсаторов с ёмкостями С1=С2=С; RК << RБ (рис. 4.15, а).
Так же, как и в триггере, транзисторы в мультивибраторе работают в ключевом режиме. Мультивибратор имеет два состояния квазиравновесия: в одном их них транзистор VT1 открыт током базы іБ = іRБ + iС1 и находится в состоянии насыщения, а транзистор VT2 закрыт (находится в состоянии отсечки). Каждое из этих состояний квазиравновесия неустойчиво, так как отрицательный потенциал на базе закрытого транзистора VT1 по мере зарядки конденсатора С2 стремится к положительному потенциалу источника питания Uп(зарядка конденсатора C1 идет быстрее, чем разрядка конденсатора С2).
В тот момент, когда этот потенциал станет положительным, состояние квазиравновесия нарушится, закрытый транзистор откроется, открытый закрывается, и мультивибратор переходит в новое состояние квазиравновесия. На выходе формируются почти прямоугольные импульсы uвых при скважности N ≈2 (рис. - б).
Период колебаний симметричного мультивибратора
В несимметричном мультивибраторе длительность импульса tи напряжения uвых не равна длительности паузы tп.