Генераторы. Генератор пилообразных импульсов. Генератор гармонических колебаний с обратной связью. Метод фазовой плоскости

Глава 7.   Генераторы.

Генераторы используются для получения всевозможных периодических сигналов, гармонических и импульсных. Часто употребляется сочетание слов «ждущий генератор» для устройств, которые имеют устойчивое состояние равновесия и выдают ожидаемый сигнал только в ответ на запрос, запуск. Однако в этом случае, лучше говорить о формирователе импульсов, оставив слово генератор для устройств, не имеющих устойчивых состояний, и вынужденных всё время воспроизводить ожидаемый сигнал. Термины генерация, самовозбуждение обычно связывают именно с потерей устойчивости.

Во всех генераторах энергия отбирается, в конечном итоге, от источника постоянного напряжения, от источника питания, и превращается в энергию периодических колебаний. Сама система управляет этим процессом отбора энергии (когда и сколько). Поэтому широко используются физические термины автогенератор, автоколебания, чтобы подчеркнуть эту особенность, подчеркнуть факт возникновения колебаний именно в этом устройстве.

Генераторы сами являются источником периодических сигналов. Тем не менее, для нормальной работы некоторых генераторов требуются вспомогательные, управляющие сигналы. Например, для синхронизации, модуляции и других функций.

Все генераторы можно разделить на два типа.

1. Генераторы без обратной связи. Общим для этого типа генераторов является наличие нелинейного элемента с «падающим» участком ВАХ, где дифференциальное сопротивление отрицательно (тиратрон, туннельный диод и др.).

2. Генераторы с обратной связью. Начнём с первого типа.

7.1. Генератор пилообразных импульсов.

Схема такого генератора очень простая, рис. 7.1. В ней часто используется нелинейный газонаполненный прибор с тлеющим разрядом (индикаторная неоновая лампочка, тиратрон). Типичная ВАХ такого прибора изображена на рис. 7.2. Она имеет «падающий» участок BD. Предположим сначала, что конденсатора нет. Сопротивление  выберем так, чтобы нагрузочная прямая  прошла ниже точки D, через «падающий» участок ВАХ (прямая 1). После замыкания ключа, в цепи установятся напряжение и ток, соответствующие точке F. Это состояние будет устойчиво. Без конденсатора никаких колебаний нет.

Учтём конденсатор. Теперь при подключении источника питания, конденсатор будет заряжаться почти по экспоненциальному закону через сопротивление , пока напряжение на нём, и на нелинейном элементе, не достигнет значения . На этом этапе роль нелинейного элемента ничтожна, поскольку ток через него очень мал (несамостоятельный разряд). При напряжении  (точка B) зажигается тлеющий разряд, и ток через нелинейный элемент резко возрастает. Напряжение на конденсаторе скачком измениться не может, поэтому после перехода реализуется состояние, отмеченное буквой С. Начинается быстрый разряд конденсатора через нелинейный элемент. Этот процесс завершится в точке D, когда тлеющий разряд гаснет и ток резко падает. Осуществляется переход в точку A характеристики. Конденсатор снова начинает заряжаться от источника через сопротивление . Процесс зациклился (точки ABCDA). Устойчивых состояний схема не имеет, получился генератор.

Временная зависимость выходного напряжения изображена на рис. 7.3. Период колебаний легко оценить, считая процессы заряда и разряда конденсатора экспоненциальными. Тогда, на промежутке от  до  идёт заряд конденсатора от источника. , где . При этом: ; . Отсюда . На промежутке от  до  идёт разряд конденсатора через нелинейный элемент с сопротивлением . Примем его постоянным. Тогда , , где . Период последовательности . Обычно .

Если сопротивление  уменьшить так, чтобы нагрузочная прямая прошла выше точки D, через участок тлеющего разряда (прямая 2 на рис 7.2), то никаких колебаний не будет, даже при наличии конденсатора. После зажигания тлеющего разряда система из точки С придёт в точку G. Токи через сопротивление  и нелинейный элемент станут одинаковыми, а напряжение на конденсаторе меняться перестанет. Это состояние будет устойчиво. Получилась типичная, широко используемая, схема стабилизации напряжения. Недостаток такой схемы стабилизации состоит в том, что она дает «выброс» напряжения при включении, т.к. .

7.1.1. Генератор гармонических колебаний без обратной связи.

Здесь мы, в основном, обсудим общие, принципиальные вопросы. Основой генератора служит колебательный контур с хорошей добротностью, рис. 7.4. Параллельно ему включают нелинейный двухполюсник, ВАХ которого имеет «падающий» участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это может быть, например, туннельный диод, тетрод. Пересчитаем  в контур и упростим схему. Общее сопротивление контура есть сумма сопротивлений потерь и вносимого, , где .

Составим дифференциальное уравнение для напряжения на конденсаторе и получим условие возбуждения колебаний. . Его обычно записывают иначе,  . Здесь: , добротность . Соответствующее характеристическое уравнение  имеет два корня , где . Характер решений дифференциального уравнения зависит от знака параметра .