Генераторы гармонических колебаний

Колебаниями в физике считают движения и процессы, имеющие периодичность во времени.

В среде электромагнитных явлений большое место занимают электромагнитные колебания. В этих колебаниях заряды, токи, напряжения, электрические и магнитные поля изменяются согласно периодическим законам.

Данный тип колебаний применяют:

• в разных технических устройствах;
• для целей телефонной, телеграфной и радиосвязи;
• создания технических переменных токов;
• свет – не что иное, как электромагнитные колебания.

Гармоническими называют колебания, которые описывают при помощи тригонометрических законов синуса и косинуса.

Генератор гармонических колебаний - это устройство, создающее переменное напряжение, которое описывает закон синуса, при этом входные сигналы отсутствуют.

При этом электрическая энергия источника постоянного тока трансформируется в энергию незатухающих гармонических колебаний определенной частоты, амплитуды и мощности.

Генераторы гармонических колебаний применяют на практике:

• в радиоустройствах как задающие генераторы;
• с целью нагревания металлов и диэлектриков, используя индукционный высокочастотный нагрев;
• в составе разных преобразователей, которые используют для обработки материалов ультразвуком;
• в частотных измерительных приборах.

Виды генераторов гармонических колебаний

Генераторы, в зависимости от частоты генерации колебаний делят на:

• низкочастотные (генерирующие частоты до $10^5$Гц);
• высокочастотные (генерирующие частоты от $10^5$ до $10^8$Гц);
• сверхвысокочастотные (СВЧ) генераторы (частоты более $10^8$Гц).

Генераторы могут обладать:

• независимым внешним возбуждением;
• самовозбуждением.

Генератор, имеющий внешнее возбуждение - это усилитель мощности. На его вход подает электрический сигнал источник колебаний. Частота колебаний для таких генераторов определяется частотой возбуждающих колебаний.

Генератор, имеющий самовозбуждение обладает формирователями колебаний, обычно данные генераторы именуют автогенераторами. Для автогенераторов частота колебаний определяется параметрами собственных частотозадающих цепей.

Структурная схема генератора гармонических колебаний

Принципиальная схема генератора (рис.1) имеет следующие структурные элементы:

• источник энергии;
• усилитель;
• цепь положительной обратной связи;
• цепь отрицательной обратной связи;
• формирователь колебаний ($LC$ или $RC$ цепи).

Рисунок 1. Принципиальная схема генератора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Автогенератор

Автогенератор содержит:

• усилитель;
• избирательную цепь,

которые включены последовательно в замкнутую цепь с положительной обратной связью.

Усилитель может состоять из:

• линейного усилителя;
• ограничителя колебаний с общим коэффициентом передачи:

$k_u=m k_{u0}(1)$,

где $ k_{u0}$ - коэффициент передачи линейного усилителя; $m\leq 1$ - коэффициент ограничения амплитуды колебаний (коэффициент передачи ограничителя).

Реализация колебаний в автогенераторе возможна при выполнении двух основных условий:

1. Произведение коэффициентов передачи составных частей автогенератора в его замкнутой цепи должно быть равно единице:

   $k_u k_o=1 (2)$,

   где $ k_o$ - коэффициент передачи избирательной цепи.

2. Сумма сдвигов фаз в цепи автогенератора должна быть равна нулю:

   $\varphi_u+\varphi_o=0(3),$

   где $\varphi_u$ - фазовый сдвиг в усилителе; $\varphi_o$ - фазовый сдвиг в цепи обратной связи (в избирательной цепи).

Коэффициент передачи в цепи автогенератора является переменной величиной, зависящей от амплитуды колебаний. Если амплитуды колебаний малы, то произведение коэффициентов передачи должно быть более единицы:

$k_{u0}k_o$ > $1,$

где $m=1$, при этом амплитуда колебаний, появляющихся в автогенераторе, станет увеличиваться. При установлении колебаний их амплитуда ограничена соответствующей цепью. При установившемся режиме выполняется условие (2). При этом $m$

Для автогенератора имеется два режима возбуждения:

• мягкий, при котором колебания возбуждаются самостоятельно;
• жесткий, когда необходим внешний «толчок».

Баланс амплитуд в автогенераторе обеспечивает совместная работа усилителя и ограничителя. Коэффициент $m$ выступает в роли регулирующего параметра, с его помощью поддерживается баланс амплитуд.

Баланс фаз в автогенераторе обеспечивается в основном, реализацией положительной обратной связью.

Обычно ограничение амплитуды сопровождает искажение формы колебаний. При этом избирательная цепь автогенератора фильтрует колебания, осуществляя выделение первой гармоники.

Избирательная цепь в автогенераторе

Роль избирательных цепей в автогенераторах исполняют:

• $LC$ – контуры,
• $RC$ - цепи,
• кварцевые резонаторы,
• камертонные резонаторы,
• отрезки длинных линий,
• полые резонаторы.

Кварцевые и камертонные резонаторы используют для получения колебаний со стабильными по частоте колебаниями.

Отрезки длинных линий и полые резонаторы применяют для создания УВЧ и СВЧ колебаний.

Самой распространенной избирательной цепью служит $LC$ - контур. Его подключают параллельно или последовательно к внешнему источнику.

При параллельном подключении $LC$ - контура его сопротивление равно:

$Z=\frac{Z_0}{1+jxQ}(4),$ где:

• $Z_0$ - эквивалентное параллельное сопротивление потерь (эквивалентное сопротивление контура на частоте резонанса);
• $Q=\frac{\rho}{r}$- добротность контура;
• $\rho=\sqrt{\frac{L}{C}}$ - характеристическое сопротивление;
• $r$ - сопротивление потерь;
• $x$ - обобщённая расстройка.
• $\omega_0=\frac{1}{\sqrt{LC}}$ - резонансная частота контура.

Последовательный $LC$ - контур характеризуют проводимостью на частоте $\omega_0$:

$J=\frac{J_0}{1+jxQ}(5),$

где $J_0=\frac{1}{r}={Q}{\rho}$.