Электронный генератор - Electronic oscillator

Популярный операционный усилитель релаксационный осциллятор.

An электронный генератор является Электронная схема который производит периодический, колеблющийся электронный сигнал, часто синусоидальная волна или прямоугольная волна.[1][2][3] Осцилляторы конвертировать постоянный ток (DC) от источника питания к переменный ток (AC) сигнал. Они широко используются во многих электронных устройствах, начиная от самых простых генераторы часов к цифровым приборам (таким как калькуляторы), сложным компьютерам, периферийным устройствам и т. д.[3] Общие примеры сигналов, генерируемых генераторами, включают сигналы, передаваемые радио и телевизионные передатчики, тактовые сигналы которые регулируют компьютеры и кварцевые часы, а также звуки, издаваемые электронными гудками и видеоигры.[1]

Осцилляторы часто характеризуются частота их выходного сигнала:

  • А низкочастотный генератор (LFO) - это электронный генератор, который генерирует частоту ниже примерно 20 Гц. Этот термин обычно используется в области аудио. синтезаторы, чтобы отличить его от генератора звуковой частоты.
  • Звуковой осциллятор производит частоты в аудио диапазон от 16 Гц до 20 кГц.[2]
  • Генератор RF генерирует сигналы в радиочастота (RF) диапазон примерно от 100 кГц до 100 ГГц.[2]

В источниках питания переменного тока генератор, который вырабатывает мощность переменного тока из источника постоянного тока, обычно называют инвертор. Электромеханическое устройство, которое аналогичным образом преобразует постоянный ток в переменный, называется преобразователем.[4]

Существует два основных типа электронного генератора - линейный или гармонический осциллятор и нелинейный или релаксационный осциллятор.[2][5]

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 радиочастот.

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

Гармонический осциллятор

Блок-схема линейного генератора с обратной связью; усилитель А со своим выходом vо возвращается на свой вход vж через фильтр, β (jω).

Гармоническая, или линейный, осциллятор производит синусоидальный выход.[2][5] Есть два типа:

Генератор обратной связи

Наиболее распространенная форма линейного осциллятора - это электронный усилитель например, транзистор или же операционный усилитель подключен в Обратная связь с выходом, возвращаемым на вход через частотно-селективный электронный фильтр предоставлять положительный отзыв. При первом включении питания усилителя электронный шум в цепи обеспечивает ненулевой сигнал для запуска колебаний. Шум распространяется по контуру, усиливается и фильтрованный пока очень быстро не сходится синусоидальная волна на одной частоте.

Цепи генератора обратной связи можно классифицировать по типу частотно-селективного фильтра, который они используют в контуре обратной связи:[2][5]

Две общие схемы LC-генератора: генераторы Хартли и Колпиттса.

Генератор отрицательного сопротивления

(оставили) Типовая блок-схема генератора отрицательного сопротивления. В некоторых типах устройство отрицательного сопротивления подключается параллельно резонансному контуру. (верно) СВЧ-генератор с отрицательным сопротивлением, состоящий из Диод Ганна в объемный резонатор. Отрицательное сопротивление диода возбуждает микроволновые колебания в резонаторе, которые излучают за пределы апертуры в волновод.

В дополнение к описанным выше генераторам обратной связи, которые используют двухпортовый усиливающие активные элементы, такие как транзисторы и операционные усилители, линейные генераторы также могут быть построены с использованием однопортовый (два терминала) устройства с отрицательное сопротивление,[2][5] Такие как магнетрон трубки, туннельные диоды, IMPATT диоды и Диоды Ганна. Генераторы отрицательного сопротивления обычно используются на высоких частотах в микроволновая печь диапазона 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-цепь, кристалл, или же объемный резонатор, подключен через устройство с отрицательное дифференциальное сопротивление, и напряжение смещения постоянного тока применяется для подачи энергии. Резонансный контур сам по себе «почти» осциллятор; он может накапливать энергию в виде электронных колебаний, если возбужден, но из-за электрического сопротивления и других потерь колебания затухающий и распадаются 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 резонансная частота.

Модель генератора с отрицательным сопротивлением не ограничивается однопортовыми устройствами, такими как диоды; схемы генератора обратной связи с двухпортовый усилительные устройства, такие как транзисторы и трубы также имеют отрицательное сопротивление.[6][7][8] 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.[6][7][9] Генераторы высокой частоты обычно разрабатываются с использованием методов отрицательного сопротивления.[6][7][8]

Некоторые из многих схем гармонического генератора перечислены ниже:

Активные устройства, используемые в генераторах, и приблизительные максимальные частоты[7]
УстройствоЧастота
Триод вакуумная труба~ 1 ГГц
Биполярный транзистор (BJT)~ 20 ГГц
Биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT)~ 50 ГГц
Полевой транзистор металл-полупроводник. (MESFET)~ 100 ГГц
Диод Ганна, основной режим~ 100 ГГц
Магнетрон трубка~ 100 ГГц
Транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT)~ 200 ГГц
Клистрона трубка~ 200 ГГц
Диод Ганна, гармонический режим~ 200 ГГц
IMPATT диод~ 300 ГГц
Гиротрон трубка~ 600 ГГц

Осциллятор релаксации

Основная статья: Осциллятор релаксации

Нелинейный или релаксационный осциллятор производит несинусоидальный выходной сигнал, такой как квадрат, пилообразный или же треугольная волна.[5] Он состоит из энергоаккумулирующего элемента ( конденсатор или, реже, индуктор ) и нелинейного коммутационного устройства (a защелка, Триггер Шмитта, или элемент с отрицательным сопротивлением), подключенный в Обратная связь. Коммутационное устройство периодически заряжает и разряжает энергию, накопленную в элементе хранения, что вызывает резкие изменения формы выходного сигнала.

Осцилляторы релаксации прямоугольной формы используются для обеспечения тактовый сигнал за последовательная логика схемы, такие 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-лучевые трубки в аналоге осциллографы и телевидение наборы. Они также используются в генераторы, управляемые напряжением (ГУН), инверторы и импульсные источники питания, аналого-цифровые преобразователи с двойным наклоном (АЦП), а в генераторы функций для генерации прямоугольных и треугольных волн для испытательного оборудования. В общем, релаксационные генераторы используются на более низких частотах и ​​имеют более низкую стабильность частоты, чем линейные генераторы.

Кольцевые генераторы построены из кольца активных ступеней 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)

Основная статья: Генератор, управляемый напряжением

Генератор может быть спроектирован так, чтобы частота колебаний могла изменяться в некотором диапазоне входным напряжением или током. Эти генераторы, управляемые напряжением широко используются в петли фазовой автоподстройки частоты, в котором частота генератора может быть привязана к частоте другого генератора. Они повсеместны в современных схемах связи, используются в фильтры, модуляторы, демодуляторы, и составляя основу синтезатор частот схемы, которые используются для настройки радио и телевизоров.

Радиочастотные ГУН обычно создаются путем добавления варактор диод к настроенная схема или резонатор в контуре генератора. Изменение постоянного напряжения на варакторе изменяет его емкость, что меняет резонансная частота настроенной схемы. Релаксационные генераторы, управляемые напряжением, могут быть построены путем зарядки и разрядки конденсатора накопления энергии с помощью регулируемого напряжения. Источник тока. Увеличение входного напряжения увеличивает скорость зарядки конденсатора, уменьшая время между переключениями.

История

Первые практические осцилляторы были основаны на электрические дуги, которые использовались для освещения в 19 веке. Ток через дуговая лампа нестабильно из-за своего отрицательное сопротивление, и часто прерывается на спонтанные колебания, в результате чего дуга издает шипящие, гудящие или воющие звуки.[10] что было замечено Хэмфри Дэви в 1821 г., Бенджамин Силлиман в 1822 г.,[11] Огюст Артур де ла Рив в 1846 г.,[12] и Дэвид Эдвард Хьюз в 1878 г.[13] Эрнст Лехер в 1888 г. показал, что ток в электрической дуге может быть колебательным.[14][15][16] Осциллятор был построен Элиу Томсон в 1892 г.[17][18] разместив LC настроенная схема параллельно с электрической дугой и включен магнитный продув. Самостоятельно, 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 теперь будет называться параметрический генератор.[19][10] Генератор дуги был заново открыт и популяризирован Уильям Дадделл в 1900 г.[20][21] Дадделл, студент Лондонского технического колледжа, исследовал эффект свистящей дуги. Он приложил LC-цепь (настроенная цепь) на электроды дуговой лампы, а отрицательное сопротивление дуги возбуждает колебания в настроенной цепи.[10] Некоторая часть энергии излучалась дугой в виде звуковых волн, создавая музыкальный тон. Дадделл продемонстрировал свой осциллятор перед Лондонским Институт инженеров-электриков путем последовательного подключения различных настроенных цепей через дугу для воспроизведения государственного гимна »Боже, храни королеву ".[10] «Поющая дуга» Дадделла не генерировала частот выше звукового диапазона. В 1902 г. датские физики Вальдемар Поульсен и П. О. Педерсон смогли увеличить частоту, производимую в радиодиапазоне, управляя дугой в атмосфере водорода с магнитным полем, изобретая Арка Поульсена радиопередатчик, первый непрерывный радиопередатчик, который использовался в течение 1920-х годов.[22][23][24]

Генератор 120 МГц 1938 года с параллельным стержнем линия передачи резонатор (Лехер линия ). Линии передачи широко используются для генераторов УВЧ.

Генератор обратной связи на электронных лампах был изобретен примерно в 1912 году, когда было обнаружено, что обратная связь («регенерация») в недавно изобретенном Audion вакуумная труба может вызывать колебания. По крайней мере шесть исследователей независимо сделали это открытие, хотя нельзя сказать, что все они сыграли роль в изобретении осциллятора.[25][26] Летом 1912 г. Эдвин Армстронг наблюдаемые колебания в звуке радиоприемник схемы[27] и продолжил использовать положительные отзывы в своем изобретении регенеративный приемник.[28][29] Австрийский Александр Мейснер независимо открыл положительную обратную связь и изобрел генераторы в марте 1913 года.[27][30] Ирвинг Ленгмюр в General Electric наблюдали обратную связь в 1913 году.[30] Фриц Ловенштейн, возможно, предшествовал остальным с грубым осциллятором в конце 1911 года.[31] В Великобритании Х. Дж. Раунд запатентовал усилительные и колебательные схемы в 1913 году.[27] В августе 1912 г. Ли Де Форест, изобретатель аудиона, также наблюдал колебания в своих усилителях, но он не понимал их значения и пытался устранить их.[32][33] пока он не прочитал патенты Армстронга в 1914 году,[34] который он сразу же оспорил.[35] Армстронг и Де Форест вели затяжную судебную тяжбу за права на схему "регенеративного" генератора.[35][36] который был назван «самым сложным патентным процессом в истории радио».[37] Де Форест в конечном итоге выиграл дело в Верховном суде в 1934 году по техническим причинам, но большинство источников считают иск Армстронга более сильным.[33][35]

Первая и наиболее широко используемая схема релаксационного генератора, нестабильный мультивибратор, был изобретен в 1917 году французскими инженерами Анри Абрахамом и Юджином Блохом.[38][39][40] Они назвали свою схему с двумя вакуумными лампами с перекрестной связью. мультивибратор, поскольку создаваемый им прямоугольный сигнал был богат гармоники,[39][40] по сравнению с синусоидальным сигналом других ламповых генераторов.

К 1920 году ламповые генераторы с обратной связью стали основой радиопередачи. триод Генератор на электронных лампах плохо работал на частотах выше 300 МГц из-за межэлектродной емкости.[нужна цитата ] 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 Осциллятор Баркгаузена – Курца (1920), первая лампа, производящая энергию в УВЧ классифицировать. Наиболее важными и широко используемыми были клистрон (Р. и С. Вариан, 1937) и полость магнетрон (Дж. Рэндалл и Х. Бут, 1940).

Математические условия колебаний обратной связи, теперь называемые Критерий Баркгаузена, были получены Генрих Георг Баркхаузен в 1921 году. Первый анализ модели нелинейного электронного генератора, Генератор Ван дер Поля, было сделано Бальтазар ван дер Поль в 1927 г.[41] Он показал, что устойчивость колебаний (предельные циклы ) в реальных генераторах был обусловлен нелинейность усилительного устройства. Он ввел термин «релаксационные колебания» и первым различил линейные и релаксационные осцилляторы. Дальнейшие успехи в математическом анализе колебаний были сделаны Хендрик Уэйд Боде и Гарри Найквист[42] в 1930-е гг. В 1969 г. К. Курокава вывел необходимые и достаточные условия колебаний в цепях с отрицательным сопротивлением:[43] которые составляют основу современной конструкции генераторов СВЧ.[9]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Снелгроув, Мартин (2011). «Осциллятор». Энциклопедия науки и технологий Макгроу-Хилла, 10-е изд., Онлайн-сервис Science Access. Макгроу-Хилл. Архивировано из оригинал 19 июля 2013 г.. Получено 1 марта, 2012.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п Чаттопадхьяй, Д. (2006). Электроника (основы и приложения). New Age International. С. 224–225. ISBN  978-81-224-1780-7.
  3. ^ а б Горовиц, Пол; Хилл, Уинфилд (2015). Искусство электроники. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. п. 425. ISBN  978-0-521-80926-9.
  4. ^ «Часто задаваемые вопросы об инверторах». www.powerstream.com. Получено 2020-11-13.
  5. ^ а б c d е ж грамм час Гарг, Ракеш Кумар; Ашиш Диксит; Паван Ядав (2008). Базовая электроника. Брандмауэр Media. п. 280. ISBN  978-8131803028.
  6. ^ а б c Кунг, Фабиан Вай Ли (2009). «Урок 9: Дизайн осцилляторов» (PDF). Разработка схем ВЧ / СВЧ. Сайт профессора Кунга, Мультимедийный университет. Архивировано из оригинал (PDF) 16 июля 2015 г.. Получено 17 октября, 2012., Разд. 3 Осцилляторы отрицательного сопротивления, стр. 9–10, 14
  7. ^ а б c d Räisänen, Antti V .; Арто Лехто (2003). Радиотехника для беспроводной связи и сенсорных приложений. США: Artech House. С. 180–182. ISBN  978-1580535427.
  8. ^ а б Эллингер, Фрэнк (2008). Радиочастотные интегральные схемы и технологии, 2-е изд.. США: Спрингер. С. 391–394. ISBN  978-3540693246.
  9. ^ а б Маас, Стивен А. (2003). Нелинейные СВЧ и ВЧ схемы, 2-е изд.. Артек Хаус. С. 542–544. ISBN  978-1580534840.
  10. ^ а б c d Хун, Сунгук (2001). Беспроводная связь: от черного ящика Маркони до Audion. MIT Press. ISBN  978-0262082983., стр. 161–165
  11. ^ Силлиман, Бенджамин (1859). Первые принципы физики: или естественная философия, предназначенная для использования в школах и колледжах. H.C. Пек и Т. Блисс. п.629. Дэви Силлиман Хиссинг.
  12. ^ https://archive.org/details/wirelesstelephon00ruhmrich
  13. ^ Касперсон, Л. В. (1991). «Гудящий телефон как акустический мазер». Оптическая и квантовая электроника. 23 (8): 995–1010. Дои:10.1007 / BF00611436. S2CID  119956732.
  14. ^ Андерс, Андре (2009). Катодные дуги: от фрактальных пятен к энергетической конденсации. Springer Science and Business Media. С. 31–32. ISBN  978-0387791081.
  15. ^ Cady, W. G .; Арнольд, Х. Д. (1907). «Об электрической дуге между металлическими электродами». Американский журнал науки. 24 (143): 406. Получено 12 апреля, 2017.
  16. ^ "Примечания". Электрический обзор. 62 (1578): 812. 21 февраля 1908 г.. Получено 12 апреля, 2017.
  17. ^ Морс 1925, п. 23
  18. ^ США 500630, Томсон, Элиху, "Метод и средства для производства переменного тока", опубликовано 18 июля 1892 г., выпущено 4 июля 1893 г. 
  19. ^ Дж. Фицджеральд, О возбуждении электромагнитных колебаний электромагнитными и электростатическими двигателями, прочитанный 22 января 1892 года на собрании Лондонского физического общества в Лармор, Джозеф, изд. (1902 г.). Научные труды покойного Джорджа Фрэнсиса Фицджеральда. Лондон: Longmans, Green and Co., стр. 277–281.
  20. ^ Морс 1925, стр. 80–81
  21. ^ ГБ 190021629, Дадделл, Уильям дю Буа, «Усовершенствования в средствах преобразования электрической энергии, получаемой от источника постоянного тока, в переменные или переменные токи», опубликовано 29 ноября 1900 г., выпущено 23 ноября 1901 г. 
  22. ^ Морс 1925, п. 31 год
  23. ^ ГБ 190315599, Поульсен, Вальдемар, "Усовершенствования, касающиеся производства переменного электрического тока", выпущенный 14 июля 1904 г. 
  24. ^ США 789449, Поульсен, Вальдемар, "Метод создания переменного тока с большим числом колебаний", выпущенный 9 мая 1905 г. 
  25. ^ Хемпстед, Колин; Уильям Э. Уортингтон (2005). Энциклопедия технологий 20-го века. 2. Тейлор и Фрэнсис. п. 648. ISBN  978-1579584641.
  26. ^ Hong 2001, п. 156
  27. ^ а б c Флеминг, Джон Эмброуз (1919). Термоэмиссионный клапан и его разработки в радиотелеграфии и телефонии. Лондон: Беспроводная пресса. С. 148–155.
  28. ^ Хонг, Сунгук (2003). «История схемы регенерации: от изобретения до патентного разбирательства» (PDF). IEEE. Получено 29 августа, 2012. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь), стр. 9–10
  29. ^ Армстронг, Эдвин Х. (сентябрь 1915 г.). «Некоторые последние разработки в ресивере Audion» (PDF). Proc. IRE. 3 (9): 215–247. Дои:10.1109 / jrproc.1915.216677. S2CID  2116636. Получено 29 августа, 2012.
  30. ^ а б Hong 2003, п. 13
  31. ^ Hong 2003, п. 5
  32. ^ Hong 2003, стр. 6–7
  33. ^ а б Хиджия, Джеймс А. (1992). Ли Де Форест и отцовство радио. Издательство Лихайского университета. С. 89–90. ISBN  978-0934223232.
  34. ^ Hong 2003, п. 14
  35. ^ а б c Нахин, Пол Дж. (2001). Наука о радио: с демонстрацией Matlab и Electronics Workbench, 2-е изд.. Springer. п. 280. ISBN  978-0387951508.
  36. ^ Hong 2001, стр. 181–189
  37. ^ Hong 2003, п. 2
  38. ^ Abraham, H .; Э. Блох (1919). «Измерение периода высокочастотных колебаний». Comptes Rendus. 168: 1105.
  39. ^ а б Глейзбрук, Ричард (1922). Словарь прикладной физики, Vol. 2: Электричество. Лондон: Macmillan and Co. Ltd., стр. 633–634.
  40. ^ а б Калверт, Джеймс Б. (2002). «Схема Эклса-Джордана и мультивибраторы». Веб-сайт доктора Дж. Б. Калверта, Univ. Денвера. Получено 15 мая, 2013.
  41. ^ Ван дер Поль, Бальтазар (1927). «О релаксационных колебаниях». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал. 2 (7): 978–992. Дои:10.1080/14786442608564127.
  42. ^ Найквист, Х. (январь 1932 г.). "Теория регенерации" (PDF). Bell System Tech. J. 11 (1): 126–147. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1932.tb02344.x. Получено 5 декабря, 2012. на Веб-сайт Alcatel-Lucent
  43. ^ Курокава, К. (июль 1969 г.). «Некоторые основные характеристики широкополосных схем осциллятора отрицательного сопротивления» (PDF). Bell System Tech. J. 48 (6): 1937–1955. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1969.tb01158.x. Получено 8 декабря, 2012. Уравнение 10 - необходимое условие колебания; экв. 12 - достаточное условие,
  • Морс, А. Х. (1925), Радио: Beam and Broadcast: 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, сделанный А.С. Хиббардом 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

внешняя ссылка