Układy elektroniczne i technika pomiarowa/Moduł 6

From Studia Informatyczne

wersja beta


UKŁADY ELEKTRONICZNE I TECHNIKA POMIAROWA

Moduł 6 - Generatory sygnałów sinusoidalnych i niesinusoidalnych


Enlarge

Enlarge
Generatory to grupa urządzeń elektronicznych, których zadaniem jest wytwarzanie przebiegów elektrycznych o określonym kształcie kosztem energii dostarczanej ze źródła zasilania którym najczęściej jest źródło napięcia stałego. Wyróżnia się dwie podstawowe grupy generatorów samowzbudnych: generatory przebiegów sinusoidalnych i generatory przebiegów niesinusoidalnych: liniowych, trójkątnych, prostokątnych, impulsowych (szpilkowych).

Czasami generatory samowzbudne wymagają synchronizmu działania z innymi urządzeniami, z którymi współpracują wtedy są sterowane zewnętrznym sygnałem synchronizującym i nazywają się generatorami synchronizowanymi (np. generatory odchylania ramki i linii w rządzeniach telewizyjnych). Oprócz generatorów samowzbudnych buduje się także generatory funkcyjne, które wytwarzają przebiegi o określonych kształtach przez przekształcenie innych przebiegów np. z przebiegu prostokątnego formuje się przebieg piłokształtny. W zależności od przeznaczenia wyróżnia się generatory sygnałowe i generatory mocy. Generatory mogą mieć stałą lub przestrajaną w określonym zakresie częstotliwość wyjściową. Mogą generować przebiegi o częstotliwości bardzo niskiej rzędu 10^3 Hz i bardzo wysokiej rzędu GHz.


Enlarge
Generatory przebiegów sinusoidalnych służą do wytwarzania drgań harmonicznych

o stabilnej częstotliwości i amplitudzie. Do podstawowych parametrów opisujących właściwości tych układów zalicza się: częstotliwość i amplitudę przebiegu, stałość częstotliwości, stałość amplitudy oraz współczynnik zawartości harmonicznych mówiący o odkształceniu przebiegu rzeczywistego od idealnego przebiegu sinusoidalnego. W generatorach mocy dodatkowo uwzględnia się moc wyjściową i sprawność energetyczną. Wyróżnia się dwa podstawowe typy generatorów:

  • dwójniki, z elementem o ujemnej rezystancji dynamicznej odtłumiającym obwody rezonansowe, często stosowane w telekomunikacji (np. układy z diodami tunelowymi) pracujące w zakresie bardzo dużych częstotliwości, oraz
  • czwórniki, ze wzmacniaczami objętymi dodatnim sprzężeniem zwrotnym
  • pracujące we wszystkich pozostałych zakresach częstotliwości.

W zależności od zastosowanych w pętli sprzężenia zwrotnego elementów wyróżnia się generatory: LC, RC i kwarcowe.


Enlarge
Generatory z pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego

Warunki generacji drgań. Weźmy pod uwagę schemat układu zamkniętego przedstawiony na slajdzie 4. Kiedy przy zerowym sygnale wejściowym na wyjściu wzmacniacza objętego pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego jest sygnał, oznacza to, że wzmocnienie napięciowe takiego układu dąży do nieskończoności, iloczyn k i \beta dąży do jedności.


Enlarge
warunki generacji drgań sprowadzają się zatem do dwóch niezależnych warunków: amplitudy i fazy

Enlarge
Po załączeniu źródła zasilania w układzie generatora amplituda drgania będzie narastać, jeżeli charakterystyki przejściowe wzmacniacza i pętli sprzężenia zwrotnego, dla sygnału, dla którego jest spełniony warunek fazy, będą się przecinały (linia 1). Ponieważ charakterystyka u2=f(us) wzmacniacza jest z natury nieliniowa,

a charakterystyka uS=f(u2) pętli sprzężenia zwrotnego, ze względu na zastosowanie liniowych elementów, jest liniowa to uzyskanie stabilnej amplitudy drgań jest możliwe w punkcie Q przecięcia się tych charakterystyk. Gdy sprzężenie jest zbyt słabe (linia 3), lub kiedy wzmacniacz ma zbyt małe wzmocnienie (linia 2) nie uzyskamy stabilnego punktu pracy generatora i drgania zanikną.


Enlarge
Generatory LC

W układach generatorów sinusoidalnych LC w pętli sprzężenia zwrotnego jest włączony obwód rezonansowy, najczęściej równoległy. Wyróżnia się trzy podstawowe konfiguracje tego obwodu: układ z dzieloną pojemnością, z dzieloną indukcyjnością i ze sprzężeniem magnetycznym przez transformator. Powstałe w ten sposób generatory są nazywane odpowiednio generatorem Colpittsa, Hartleya i Meissnera.


Enlarge
Poza tymi trzema podstawowymi topologiami obwodów istnieje wiele ich modyfikacji np. generator Clappa, a także inne rozwiązania.

Enlarge
Generatory LC, w porównaniu z innymi rodzajami generatorów, mają szereg zalet. Można do nich zaliczyć:
  • małe zniekształcenia przebiegu wyjściowego (mały współczynnik zawartości harmonicznych), tym mniejsze im dobroć obwodu rezonansowego jest większa,
  • dużą stałość częstotliwości, dzięki kompensacji dodatniego współczynnika temperaturowego indukcyjności zastosowanego w obwodzie rezonansowym dławika przez ujemny współczynnik temperaturowy pojemności, odpowiednio dobranego kondensatora,
  • wysoką sprawność energetyczną,
  • możliwość łatwego wprowadzenia modulacji przebiegu wyjściowego,
  • stałość częstotliwości i nie zrywanie drgań w dość szerokim zakresie zmianach napięcia zasilającego.

Ze względu na występowanie dużych wartości indukcyjności dławika i pojemności kondensatora w obwodzie rezonansowym generatory LC nie nadają się do generacji przebiegów o małych częstotliwościach.


Enlarge
Generatory kwarcowe

Odpowiednio uformowany podczas procesu produkcyjnego kryształ kwarcu tworzy tzw. rezonator kwarcowy, który pod względem elektrycznym można traktować jak obwód rezonansowy o schemacie zastępczym jak na slajdzie 10. Wielkości dynamiczne L i C zależą ściśle od wymiarów płytki kwarcowej natomiast rezystancja R jest elementem rozpraszającym nagromadzoną w krysztale energię i reprezentuje występujące w nim straty mechaniczne i elektryczne. Ma bardzo małą wartość i dlatego często w opisie matematycznym zachodzących przemian jest pomijana. Pojemność statyczna C_0 reprezentuje pojemność elektryczną płytki mierzoną pomiędzy elektrodami oraz pojemność wyprowadzeń. Jest ona znacznie większa od pojemności dynamicznej C. Przyjmując R = 0 \Omega, impedancja rezonatora kwarcowego Z jest przedstawionego na slajdzie.


Enlarge
Dla rezonansu szeregowego impedancja obwodu przyjmuje wartość Z = 0 \Omega. Zatem pulsacja rezonansowa jest równa \omega_s.

Enlarge
Aby zmniejszyć wpływ pojemności statycznej na pulsację rezonansu równoległego dołącza się równolegle do rezonatora dodatkową pojemność znacznie większą od C.

Takie działanie powoduje, że pulsacje rezonansu szeregowego i równoległego zbliżają się do siebie, ale pogarsza się dobroć obwodu.


Enlarge
Aby zmienić pulsację rezonansu szeregowego można rezonator połączyć szeregowo z kondensatorem o pojemności znacznie większej od C. Taki sposób przestrajania jest możliwy w niewielkim zakresie zmian częstotliwości w pobliżu częstotliwości rezonansowej rezonatora kwarcowego.

Enlarge
Taki sposób przestrajania jest możliwy w niewielkim zakresie zmian częstotliwości w pobliżu częstotliwości rezonansowej rezonatora kwarcowego.

Enlarge
Przykłady generatorów z rezonansem szeregowym przedstawiono na rysunku.

Wariant I przedstawia układ zmodyfikowanego generatora Meissnera, w którym napięcie sprzężenia zwrotnego jest zadane na wejście wzmacniacza (w tym wypadku wzmacniaczem jest tranzystor) przez selektywny dzielnik napięcia składający się z rezystancji rezonatora, która dla częstotliwości rezonansu szeregowego ma wartość r_s i rezystancji obwodu polaryzacji bazy składającej się z równolegle połączonych rezystorów R1 i R2. Podobnie jest w przypadku wariantu II generatora ze wzmacniaczem operacyjnym. Tym razem selektywny dzielnik napięcia tworzy rezystancja rezonatora r_s i rezystor R.


Enlarge
Generatory RC

W generatorach RC w pętli sprzężenia zwrotnego stosuje się łańcuchy przesuwników fazowych o strukturze RC lub CR. W wypadku zastosowania wzmacniaczy operacyjnych często zakłada się, że przesunięcie fazowe wprowadzane przez wzmacniacz jest stałe i równe \pi. W związku z tym, aby był spełniony warunek fazy dla pulsacji \omega = \omega_0 łańcuch elementarnych przesuwników fazowych musi wprowadzać przesunięcie fazowe równe ±\pi.


Enlarge
Schemat układu generatora CR z łańcuchem przesuwników fazowych przedstawiono na slajdzie 17. Ponieważ wzmacniacza operacyjny pracuje w stanie aktywnym to potencjał wejścia odwracającego fazę, przy założeniu, że wzmacniacz jest idealny, można przyjąć za równy zeru. W tym wypadku rezystor ostatniego ogniwa przesuwnika fazowego CR można wykorzystać jako rezystor wejściowy formujący wzmocnienie wzmacniacza. Z tego wynika, że rezystor R_S powinien mieć wartość równą k_u\cdot R, gdzie k_u jest równy 29 V/V dla trzech i 18,4 V/V dla czterech ogniw łańcucha CR.

Enlarge
Generator z mostkiem Wiena

Schemat układu generatora z mostkiem Wiena przedstawiono na rysunku. W gałęzi RC umieszczono dwa rodzaje filtrów: dolnoprzepustowy - równolegle połączeni R_2\cdot C_2 i górnoprzepustowy - szeregowe połączenie R_1\cdot C_1. Zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego - dzielnik rezystancyjny R3, R4, umożliwia spełnienie warunku amplitudy.


Enlarge
Oprócz generatorów z mostkiem Wiena stosuje się również inne generatory RC np. generatory z mostkiem podwójne T.

Jak wynika z charakterystyki przenoszenia tego układu, kiedy współczynnik K < 0,5 układ wprowadza przesunięcie fazy równe \pi, kiedy K > 0,5 brak jest przesunięcia fazowego (φ=0). Dobierając zatem odpowiednia wartość współczynnika K mamy możliwość zastosowania tego mostka w dwóch różnych konfiguracjach współpracy ze wzmacniaczem.


Enlarge
W pierwszym przypadku należy zastosować wzmacniacz wprowadzający przesunięcie fazowe równe π, (np. tranzystorowy stopień wzmacniający w konfiguracji wspólnego emitera), w drugim wzmacniacz nie wprowadzający przesunięcia fazowego, np. układ ze wzmacniaczem operacyjnym, którego wzmocnienie można ustawić dobierając rezystory R1 i R2.

Enlarge
Generatory przebiegów niesinusoidalnych

Generator przebiegów prostokątnych. Schemat prostego generatora przebiegu prostokątnego przedstawiono na slajdzie 21. Wzmacniacz operacyjny pracuje tu w stanie nasycenia, a napięcie wyjściowe przyjmuje wartości ±Umax i jest bliskie napięciu zasilania. Kondensator C przeładowuje się w obwodzie: wyjście wzmacniacza operacyjnego, rezystor R masa układu. Gdy napięcie na kondensatorze osiągnie poziom wyzwalania wzmacniacz operacyjny przełącza się i napięcie wyjściowe zmienia się np. z –Umax na +Umax. Chwile czasowe, w których wzmacniacz zmienia stan na wyjściu występują kiedy potencjały wejść odwracającego i powtarzającego zrównają się.


Enlarge
Generator przebiegu trójkątnego

Najczęściej w generatorach przebiegu trójkątnego do formowania sygnału wyjściowego stosuje się układ całkujący i przerzutnik Schmitta, który w tym przypadku jest źródłem sygnału sterującego integrator. Schemat takiego generatora przedstawiono na rys. a, a przebiegi napięć wyjściowych obu wzmacniaczy operacyjnych na rys. b na slajdzie 22.