Электронный генератор - Electronic oscillator

Электронный генератор представляет собой электронную схему , которая производит периодический, колеблющихся электронный сигнал, часто синусоидальную волну или квадратную волну или треугольную волну . Генераторы преобразуют постоянный ток (DC) из источника питания в сигнал переменного тока (AC). Они широко используются во многих электронных устройствах, от простейших генераторов часов до цифровых инструментов (например, калькуляторов), сложных компьютеров и периферийных устройств и т. Д. Общие примеры сигналов, генерируемых генераторами, включают сигналы, передаваемые радио- и телевизионными передатчиками , тактовые сигналы, которые регулируют компьютеры, и кварцевые устройства. часы , а также звуки, издаваемые электронными звуковыми сигналами и видеоиграми .

Осцилляторы часто характеризуются частотой их выходного сигнала:

  • Генератор низкой частоты (LFO) - это электронный генератор, который генерирует частоту ниже примерно 20 Гц. Этот термин обычно используется в области синтезаторов звука , чтобы отличить его от генератора звуковой частоты.
  • Звуковой осциллятор производит частоты в звуковом диапазоне от 16 Гц до 20 кГц.
  • Генератор RF генерирует сигналы в диапазоне радиочастот (RF) примерно от 100 кГц до 100 ГГц.

В источниках питания переменного тока генератор, который вырабатывает мощность переменного тока из источника постоянного тока, обычно называется инвертором . До появления диодных выпрямителей электромеханическое устройство, которое аналогичным образом преобразовывало мощность переменного тока в постоянный, называлось преобразователем, хотя теперь этот термин чаще используется для обозначения понижающих преобразователей постоянного тока .

Есть два основных типа электронных осцилляторов - линейный или гармонический осциллятор и нелинейный или релаксационный осциллятор .

Кварцевые генераторы повсеместно используются в современной электронике и производят частоты от 32 кГц до более 150 МГц, при этом кристаллы 32 кГц являются обычным явлением для измерения времени, а более высокие частоты - обычным явлением для генерации часов и радиочастотных приложений.

Схема электронного генератора с частотой 1 МГц, которая использует резонансные свойства внутреннего кварцевого кристалла для управления частотой. Обеспечивает тактовый сигнал для цифровых устройств, например компьютеров.

Гармонические осцилляторы

Блок-схема линейного генератора с обратной связью; усилитель с его выходными V ö подается обратно в его входе об F через фильтр , р (jω) .

Гармонический или линейный генератор выдает синусоидальный выходной сигнал. Есть два типа:

Генератор обратной связи

Наиболее распространенной формой линейного генератора является электронный усилитель, такой как транзистор или операционный усилитель, подключенный в контур обратной связи, выход которого подается обратно на вход через частотно-избирательный электронный фильтр для обеспечения положительной обратной связи . При первоначальном включении питания усилителя электронный шум в цепи обеспечивает ненулевой сигнал, вызывающий колебания. Шум распространяется по контуру, усиливается и фильтруется до тех пор, пока очень быстро не сходится в синусоидальной волне с единственной частотой.

Цепи генератора обратной связи можно классифицировать по типу частотно-селективного фильтра, который они используют в контуре обратной связи:

Две общие схемы LC-генераторов, генераторы Хартли и Колпиттса.

Генератор отрицательного сопротивления

(слева) Типовая блок-схема генератора отрицательного сопротивления. В некоторых типах устройство отрицательного сопротивления подключается параллельно резонансному контуру. (справа) СВЧ-генератор с отрицательным сопротивлением, состоящий из диода Ганна в объемном резонаторе . Отрицательное сопротивление диода возбуждает микроволновые колебания в резонаторе, которые излучают через апертуру в волновод .

В дополнение к описанным выше генераторам обратной связи, в которых используются двухпортовые усилительные активные элементы, такие как транзисторы и операционные усилители, линейные генераторы также могут быть построены с использованием однопортовых (двухполюсных) устройств с отрицательным сопротивлением , таких как магнетронные лампы, туннельные диоды. , IMPATT диоды и диоды Ганна . Генераторы с отрицательным сопротивлением обычно используются на высоких частотах в микроволновом диапазоне и выше, поскольку на этих частотах генераторы обратной связи плохо работают из-за чрезмерного фазового сдвига в тракте обратной связи.

В генераторах с отрицательным сопротивлением резонансный контур, такой как LC-контур , кристалл или объемный резонатор , подключается к устройству с отрицательным дифференциальным сопротивлением , и для подачи энергии прикладывается напряжение смещения постоянного тока. Резонансный контур сам по себе «почти» осциллятор; он может накапливать энергию в виде электронных колебаний, если возбужден, но поскольку он имеет электрическое сопротивление и другие потери, колебания затухают и затухают до нуля. Отрицательное сопротивление активного устройства компенсирует (положительное) сопротивление внутренних потерь в резонаторе, по сути создавая резонатор без демпфирования, который генерирует спонтанные непрерывные колебания на его резонансной частоте .

Модель генератора с отрицательным сопротивлением не ограничивается однопортовыми устройствами, такими как диоды; схемы генератора обратной связи с двухпортовыми усилителями, такими как транзисторы и лампы, также имеют отрицательное сопротивление. На высоких частотах в генераторах отрицательного сопротивления также используются три оконечных устройства, такие как транзисторы и полевые транзисторы. На высоких частотах эти устройства не нуждаются в петле обратной связи, но при определенных нагрузках, приложенных к одному порту, они могут стать нестабильными на другом порте и показать отрицательное сопротивление из-за внутренней обратной связи. Порт отрицательного сопротивления подключен к настроенному контуру или резонансной полости, заставляя их колебаться. Генераторы высокой частоты обычно разрабатываются с использованием методов отрицательного сопротивления.

Некоторые из многих схем гармонического генератора перечислены ниже:

Активные устройства, используемые в генераторах, и приблизительные максимальные частоты
Устройство Частота
Триодная вакуумная лампа ~ 1 ГГц
Биполярный транзистор (BJT) ~ 20 ГГц
Биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT) ~ 50 ГГц
Полевой транзистор металл-полупроводник (MESFET) ~ 100 ГГц
Диод Ганна , основная мода ~ 100 ГГц
Магнетронная трубка ~ 100 ГГц
Транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT) ~ 200 ГГц
Клистроновая трубка ~ 200 ГГц
Диод Ганна , гармонический режим ~ 200 ГГц
IMPATT диод ~ 300 ГГц
Гиротронная трубка ~ 600 ГГц

Осциллятор релаксации

Нелинейный или релаксационный генератор генерирует несинусоидальный выходной сигнал, такой как квадратная , пилообразная или треугольная волна . Он состоит из энергоаккумулирующего элемента ( конденсатора или, реже, катушки индуктивности ) и нелинейного переключающего устройства ( защелки , триггера Шмитта или элемента с отрицательным сопротивлением), включенных в цепь обратной связи . Коммутационное устройство периодически заряжает и разряжает энергию, накопленную в элементе хранения, таким образом вызывая резкие изменения формы выходного сигнала.

Релаксационные генераторы прямоугольной формы используются для обеспечения тактового сигнала для последовательных логических схем, таких как таймеры и счетчики , хотя кварцевые генераторы часто предпочтительнее из-за их большей стабильности. Треугольные или пилообразные генераторы используются в схемах временной развертки, которые генерируют сигналы горизонтального отклонения для электронно-лучевых трубок в аналоговых осциллографах и телевизорах . Они также используются в генераторах, управляемых напряжением (ГУН), инверторах и импульсных источниках питания , аналого-цифровых преобразователях с двойным наклоном (АЦП) и в функциональных генераторах для генерации прямоугольных и треугольных волн для испытательного оборудования. Обычно релаксационные генераторы используются на более низких частотах и ​​имеют более низкую стабильность частоты, чем линейные генераторы.

Кольцевые генераторы построены из кольца активных каскадов задержки. Обычно кольцо имеет нечетное количество инвертирующих каскадов, так что нет единого стабильного состояния для внутренних напряжений кольца. Вместо этого одиночный переход бесконечно распространяется по кольцу.

Некоторые из наиболее распространенных схем релаксационного генератора перечислены ниже:

Генератор, управляемый напряжением (ГУН)

Генератор может быть спроектирован так, чтобы частота колебаний могла изменяться в некотором диапазоне входным напряжением или током. Эти генераторы, управляемые напряжением , широко используются в контурах фазовой автоподстройки частоты, в которых частота генератора может быть синхронизирована с частотой другого генератора. Они повсеместно используются в современных схемах связи, используются в фильтрах , модуляторах , демодуляторах и составляют основу схем синтезаторов частот, которые используются для настройки радиоприемников и телевизоров.

Радиочастотные ГУН обычно изготавливаются путем добавления варакторного диода к настроенному контуру или резонатору в контуре генератора. Изменение постоянного напряжения на варакторе изменяет его емкость , что изменяет резонансную частоту настроенного контура. Управляемое напряжение релаксаторы могут быть построены путем зарядки и разрядки конденсатора накопления энергии с управляемым напряжением источником тока . Увеличение входного напряжения увеличивает скорость зарядки конденсатора, уменьшая время между переключениями.

История

Первые практические генераторы были основаны на электрических дугах , которые использовались для освещения в 19 веке. Ток через дуговую лампу нестабилен из-за ее отрицательного сопротивления и часто прерывается на спонтанные колебания, заставляя дугу издавать шипящие, гудящие или воющие звуки, которые были замечены Хамфри Дэви в 1821 году, Бенджамином Силлиманом в 1822 году, Огюстом Артуром де Ла Рив в 1846 году и Дэвид Эдвард Хьюз в 1878 году. Эрнст Лехер в 1888 году показал, что ток через электрическую дугу может быть колебательным. Генератор был построен Элиху Томсоном в 1892 году путем размещения LC-настраиваемого контура параллельно электрической дуге и включения магнитного продувки. Независимо, в том же году Джордж Фрэнсис Фицджеральд понял, что если демпфирующее сопротивление в резонансном контуре можно сделать нулевым или отрицательным, контур будет производить колебания, и, безуспешно, попытался построить осциллятор отрицательного сопротивления с динамо-машиной, что бы теперь называть параметрическим осциллятором . Генератор дуги был заново открыт и популяризирован Уильямом Дадделлом в 1900 году. Дадделл, студент Лондонского технического колледжа, исследовал эффект свистящей дуги. Он подключил LC-цепь (настроенную цепь) к электродам дуговой лампы, и отрицательное сопротивление дуги вызвало колебания в настроенной цепи. Часть энергии излучалась дугой в виде звуковых волн, создавая музыкальный тон. Дадделл продемонстрировал свой генератор перед Лондонским институтом инженеров-электриков , последовательно подключив различные настроенные цепи через дугу, чтобы сыграть национальный гимн « Боже, храни королеву ». «Поющая дуга» Дадделла не генерировала частоты выше звукового диапазона. В 1902 году датские физики Вальдемар Поульсен и П.О. Педерсон смогли увеличить частоту, создаваемую в радиодиапазоне, управляя дугой в атмосфере водорода с магнитным полем, изобрели дуговой радиопередатчик Поульсена , первый радиопередатчик непрерывной волны, который использовался через 1920-е гг.

Генератор 120 МГц 1938 года, использующий резонатор линии передачи с параллельными стержнями ( линия Лехера ). Линии передачи широко используются для генераторов УВЧ.

Генератор с обратной связью в виде вакуумной трубки был изобретен примерно в 1912 году, когда было обнаружено, что обратная связь («регенерация») в недавно изобретенной вакуумной лампе аудиона может вызывать колебания. По крайней мере шесть исследователей независимо сделали это открытие, хотя можно сказать, что не все из них сыграли роль в изобретении осциллятора. Лето 1912 года Эдвин Армстронг наблюдал колебание в аудионе радиоприемник цепях и продолжал использовать положительную обратную связь в его изобретении регенеративного приемника . Австриец Александр Мейснер независимо обнаружил положительную обратную связь и изобрел генераторы в марте 1913 года. Ирвинг Ленгмюр из General Electric наблюдал обратную связь в 1913 году. Фриц Ловенштейн, возможно, предшествовал остальным с грубым генератором в конце 1911 года. В Великобритании HJ Round запатентовал усилительные и колебательные схемы в 1913. В августе 1912 года Ли Де Форест , изобретатель аудиона, также наблюдал колебания в своих усилителях, но он не понимал их значения и пытался устранить их, пока в 1914 году не прочитал патенты Армстронга, которые он тут же оспорил. Армстронг и Де Форест вели затяжную судебную тяжбу за права на схему «регенеративного генератора», которую назвали «самой сложной патентной тяжбой в истории радио». Де Форест в конечном итоге выиграл дело в Верховном суде в 1934 году по техническим причинам, но большинство источников считают иск Армстронга более сильным.

Первая и наиболее широко используемая схема релаксационного генератора, нестабильный мультивибратор , была изобретена в 1917 году французскими инженерами Анри Абрахамом и Юджином Блохом. Они назвали свою схему с двумя вакуумными лампами с перекрестной связью мультивибратором , потому что прямоугольный сигнал, который он создавал, был богат гармониками по сравнению с синусоидальным сигналом других ламповых генераторов.

К 1920 году ламповые генераторы с обратной связью стали основой радиопередачи. Однако триодные ламповые генераторы плохо работали на частотах выше 300 МГц из-за межэлектродной емкости. Чтобы достичь более высоких частот, были разработаны новые вакуумные лампы с "временем прохождения" (модуляция скорости), в которых электроны перемещались "сгустками" через трубку. Первым из них был генератор Баркгаузена – Курца (1920 г.), первая лампа, вырабатывающая энергию в диапазоне УВЧ . Наиболее важными и широко используемыми были клистрон (Р. и С. Вариан, 1937) и резонаторный магнетрон (Дж. Рэндалл и Х. Бут, 1940).

Математические условия колебаний обратной связи, которые теперь называются критерием Баркгаузена , были выведены Генрихом Георгом Баркхаузеном в 1921 году. Первый анализ модели нелинейного электронного осциллятора, осциллятора Ван-дер-Поля , был проведен Бальтазаром ван дер Полем в 1927 году. Он показал, что Устойчивость колебаний ( предельных циклов ) реальных осцилляторов была обусловлена нелинейностью усилительного устройства. Он ввел термин «релаксационные колебания» и первым различил линейные и релаксационные осцилляторы. Дальнейшие успехи в математическом анализе колебаний были сделаны Хендриком Уэйдом Бодом и Гарри Найквистом в 1930-х годах. В 1969 г. К. Курокава вывел необходимые и достаточные условия для генерации колебаний в цепях с отрицательным сопротивлением, которые легли в основу конструкции современных СВЧ-генераторов.

Смотрите также

использованная литература

  • Морс, AH (1925), Радио: Луч и Трансляция: Его история и патенты , Лондон: Эрнест Бенн. История радио в 1925 году. Осциллятор утверждает 1912 год; Судебное дело Де Фореста и Армстронга, см. Стр. 45. Телефонный молоток-генератор, автор А.С. Хиббарда в 1890 году (угольный микрофон имеет усиление по мощности); Ларсен «использовал тот же принцип при производстве переменного тока из источника постоянного тока»; случайное развитие лампового генератора; все на стр. 86. Фон Арко и Мейснер первыми распознали приложение к передатчику; Раунд для первого передатчика; никто не запатентовал триодный передатчик на стр. 87.

дальнейшее чтение

внешние ссылки