Oscylator elektroniczny - Electronic oscillator

Popularny oscylator relaksacyjny wzmacniacza operacyjnego .

Generator drgań jest układ elektroniczny , który wytwarza okresowy, oscylujący sygnał elektroniczny, często sinusoidę albo falę kwadratową lub falę trójkąta . Oscylatory przetwarzają prąd stały (DC) z zasilacza na sygnał prądu przemiennego (AC). Są szeroko stosowane w wielu urządzeniach elektronicznych, od najprostszych generatorów zegarowych po instrumenty cyfrowe (takie jak kalkulatory) i złożone komputery i urządzenia peryferyjne itp. Typowe przykłady sygnałów generowanych przez oscylatory obejmują sygnały nadawane przez nadajniki radiowe i telewizyjne , sygnały zegarowe regulujące komputery i kwarc zegary , dźwięki wydawane przez elektroniczne brzęczyki i gry wideo .

Oscylatory często charakteryzują się częstotliwością ich sygnału wyjściowego:

  • Oscylator małej częstotliwości (LFO) jest oscylator elektroniczny, który generuje częstotliwość w przybliżeniu poniżej 20 Hz. Termin ten jest zwykle używany w dziedzinie syntezatorów audio , aby odróżnić go od oscylatora częstotliwości audio.
  • Oscylator audio wytwarza częstotliwości w zakresie audio , około 16 Hz do 20 kHz.
  • Oscylator RF wytwarza sygnały w zakresie częstotliwości radiowych (RF) od około 100 kHz do 100 GHz.

W zasilaczach prądu przemiennego oscylator wytwarzający prąd przemienny z zasilacza prądu stałego jest zwykle nazywany falownikiem . Przed pojawieniem się prostowników diodowych urządzenie elektromechaniczne, które podobnie konwertowało prąd przemienny na prąd stały, nazywano konwerterem, chociaż termin ten jest obecnie używany częściej w odniesieniu do konwerterów DC-DC buck .

Istnieją dwa główne typy oscylatorów elektronicznych – oscylator liniowy lub harmoniczny oraz oscylator nieliniowy lub relaksacyjny .

Oscylatory kryształowe są wszechobecne we współczesnej elektronice i wytwarzają częstotliwości od 32 kHz do ponad 150 MHz, przy czym kryształy 32 kHz są powszechne w pomiarach czasu, a wyższe częstotliwości są powszechne w generowaniu zegara i zastosowaniach RF.

Obwód elektronicznego oscylatora 1 MHz, który wykorzystuje właściwości rezonansowe wewnętrznego kryształu kwarcu do sterowania częstotliwością. Zapewnia sygnał zegarowy dla urządzeń cyfrowych, takich jak komputery.

Oscylatory harmoniczne

Schemat blokowy liniowego oscylatora sprzężenia zwrotnego; wzmacniacz z wyjścia V o doprowadzanego z powrotem do wejścia v f poprzez filtra , P (jω) .

Oscylator harmoniczny lub liniowy wytwarza sygnał sinusoidalny . Istnieją dwa rodzaje:

Oscylator sprzężenia zwrotnego

Najbardziej powszechną formą oscylatora liniowego jest wzmacniacz elektroniczny, taki jak tranzystor lub wzmacniacz operacyjny połączony w pętlę sprzężenia zwrotnego, którego wyjście jest doprowadzone z powrotem do wejścia przez filtr elektroniczny selektywny częstotliwościowo w celu zapewnienia dodatniego sprzężenia zwrotnego . Gdy zasilanie wzmacniacza jest początkowo włączone, szum elektroniczny w obwodzie dostarcza niezerowy sygnał, aby rozpocząć oscylacje. Szum przemieszcza się po pętli i jest wzmacniany i filtrowany, aż bardzo szybko zbiega się w fali sinusoidalnej o jednej częstotliwości.

Obwody oscylatora sprzężenia zwrotnego można sklasyfikować zgodnie z rodzajem filtra selektywnego częstotliwości, którego używają w pętli sprzężenia zwrotnego:

Dwa popularne obwody oscylatorów LC, oscylatory Hartley i Colpitts

Oscylator ujemnej rezystancji

(po lewej) Typowy schemat blokowy oscylatora ujemnej rezystancji. W niektórych typach urządzenie o ujemnej rezystancji jest połączone równolegle z obwodem rezonansowym. (po prawej) Oscylator mikrofalowy o ujemnej rezystancji składający się z diody Gunna w rezonatorze wnękowym . Ujemna rezystancja diody wzbudza we wnęce oscylacje mikrofalowe, które wypromieniowują aperturę do falowodu .

Oprócz opisanych powyżej oscylatorów sprzężenia zwrotnego, które wykorzystują dwuportowe elementy wzmacniające aktywne, takie jak tranzystory i wzmacniacze operacyjne, oscylatory liniowe można również zbudować z wykorzystaniem urządzeń jednoportowych (dwuzaciskowych) o ujemnej rezystancji , takich jak lampy magnetronowe , diody tunelowe , diody IMPATT i diody Gunna . Oscylatory o ujemnej rezystancji są zwykle używane przy wysokich częstotliwościach w zakresie mikrofalowym i wyższym, ponieważ przy tych częstotliwościach oscylatory sprzężenia zwrotnego działają słabo z powodu nadmiernego przesunięcia fazowego na ścieżce sprzężenia zwrotnego.

W oscylatorach o ujemnej rezystancji obwód rezonansowy, taki jak obwód LC , kryształ lub rezonator wnękowy , jest połączony przez urządzenie z ujemną rezystancją różnicową , a napięcie polaryzacji prądu stałego jest doprowadzane do zasilania. Sam obwód rezonansowy jest „prawie” oscylatorem; może magazynować energię w postaci oscylacji elektronicznych, jeśli jest wzbudzony, ale ponieważ ma opór elektryczny i inne straty, oscylacje są tłumione i zanikają do zera. Ujemna rezystancja aktywnego urządzenia znosi (dodatnią) wewnętrzną rezystancję strat w rezonatorze, w efekcie tworząc rezonator bez tłumienia, który generuje spontaniczne ciągłe oscylacje przy swojej częstotliwości rezonansowej .

Model oscylatora o ujemnej rezystancji nie ogranicza się do urządzeń jednoportowych, takich jak diody; Obwody oscylatora sprzężenia zwrotnego z dwuportowymi urządzeniami wzmacniającymi, takimi jak tranzystory i lampy, również mają ujemną rezystancję. Przy wysokich częstotliwościach trzy urządzenia końcowe, takie jak tranzystory i tranzystory polowe, są również używane w oscylatorach o ujemnej rezystancji. Przy wysokich częstotliwościach urządzenia te nie potrzebują pętli sprzężenia zwrotnego, ale przy pewnych obciążeniach przyłożonych do jednego portu mogą stać się niestabilne na drugim i wykazywać ujemną rezystancję z powodu wewnętrznego sprzężenia zwrotnego. Port ujemnej rezystancji jest podłączony do strojonego obwodu lub wnęki rezonansowej, powodując ich drgania. Generalnie oscylatory wysokiej częstotliwości są projektowane przy użyciu technik ujemnej rezystancji.

Niektóre z wielu obwodów oscylatora harmonicznych są wymienione poniżej:

Urządzenia aktywne stosowane w oscylatorach i przybliżone częstotliwości maksymalne
Urządzenie Częstotliwość
Lampa próżniowa triody ~1 GHz
Tranzystor bipolarny (BJT) ~20 GHz
Tranzystor bipolarny z heterozłączem (HBT) ~50 GHz
Tranzystor polowy metalowo-półprzewodnikowy (MESFET) ~100 GHz
Dioda Gunna , tryb podstawowy ~100 GHz
Rura magnetronowa ~100 GHz
Tranzystor o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) ~200GHz
Rura klistronowa ~200GHz
Dioda Gunna , tryb harmoniczny ~200GHz
Dioda IMPATT ~300 GHz
Rura żyrotronowa ~600GHz

Oscylator relaksacyjny

Główny artykuł: oscylator relaksacyjny

Oscylator nieliniowy lub relaksacyjny wytwarza niesinusoidalny sygnał wyjściowy, taki jak fala kwadratowa , piłokształtna lub trójkątna . Składa się z elementu magazynującego energię ( kondensator lub rzadziej cewka indukcyjna ) oraz nieliniowego urządzenia przełączającego ( zatrzask , przerzutnik Schmitta lub element o ujemnej rezystancji) połączonych w pętlę sprzężenia zwrotnego . Urządzenie przełączające okresowo ładuje i rozładowuje energię zmagazynowaną w elemencie magazynującym, powodując w ten sposób nagłe zmiany w przebiegu wyjściowym.

Oscylatory relaksacji fali prostokątnej są używane do dostarczania sygnału zegarowego dla sekwencyjnych obwodów logicznych, takich jak zegary i liczniki , chociaż oscylatory kwarcowe są często preferowane ze względu na ich większą stabilność. Oscylatory fali trójkątnej lub piłokształtne są używane w obwodach podstawy czasu, które generują sygnały odchylenia poziomego dla lamp katodowych w oscyloskopach analogowych i telewizorach . Są one również wykorzystywane w oscylatorach sterowanych napięciem (VCO), falownikach i zasilaczach impulsowych , przetwornikach analogowo-cyfrowych o podwójnym nachyleniu (ADC) oraz w generatorach funkcyjnych do generowania fal prostokątnych i trójkątnych do urządzeń testujących. Ogólnie oscylatory relaksacyjne są używane przy niższych częstotliwościach i mają gorszą stabilność częstotliwości niż oscylatory liniowe.

Oscylatory pierścieniowe zbudowane są z pierścienia aktywnych stopni opóźnienia. Na ogół pierścień ma nieparzystą liczbę stopni odwracania, tak że nie ma jednego stabilnego stanu dla napięć pierścienia wewnętrznego. Zamiast tego pojedyncze przejście rozchodzi się w nieskończoność wokół pierścienia.

Niektóre z bardziej powszechnych obwodów oscylatora relaksacyjnego są wymienione poniżej:

Oscylator sterowany napięciem (VCO)

Główny artykuł: oscylator sterowany napięciem

Oscylator można zaprojektować w taki sposób, aby częstotliwość oscylacji mogła być zmieniana w pewnym zakresie przez napięcie lub prąd wejściowy. Te oscylatory sterowane napięciem są szeroko stosowane w pętlach synchronizacji fazowej , w których częstotliwość oscylatora może być zablokowana na częstotliwości innego oscylatora. Są one wszechobecne we współczesnych obwodach komunikacyjnych, stosowane w filtrach , modulatorach , demodulatorach i stanowiące podstawę obwodów syntezatorów częstotliwości, które służą do strojenia odbiorników radiowych i telewizyjnych.

Oscylatory VCO częstotliwości radiowych jest zwykle przez dodanie varactor diody do obwodu strojonego lub rezonatora w obwód oscylatora. Zmiana napięcia stałego na waraktorze zmienia jego pojemność , co powoduje zmianę częstotliwości rezonansowej obwodu strojonego. Oscylatory relaksacyjne sterowane napięciem mogą być skonstruowane poprzez ładowanie i rozładowywanie kondensatora magazynującego energię za pomocą źródła prądu sterowanego napięciem . Zwiększenie napięcia wejściowego zwiększa szybkość ładowania kondensatora, skracając czas między zdarzeniami przełączania.

Historia

Pierwsze praktyczne oscylatory opierały się na łukach elektrycznych , które były używane do oświetlenia w XIX wieku. Prąd płynący przez światło łukowe jest niestabilny ze względu na jego ujemną rezystancję i często przechodzi w spontaniczne oscylacje, powodując, że łuk wydaje syczenie, buczenie lub wycie, które zauważył Humphry Davy w 1821, Benjamin Silliman w 1822, Auguste Arthur de. la Rive w 1846 i David Edward Hughes w 1878. Ernst Lecher w 1888 wykazał, że prąd płynący przez łuk elektryczny może być oscylacyjny. Oscylator został zbudowany przez Elihu Thomsona w 1892 roku przez umieszczenie strojonego obwodu LC równolegle do łuku elektrycznego i zawierał wydmuch magnetyczny. Niezależnie, w tym samym roku, George Francis FitzGerald zdał sobie sprawę, że jeśli rezystancja tłumienia w obwodzie rezonansowym może być równa zero lub ujemna, obwód będzie wytwarzał oscylacje i bezskutecznie próbował zbudować oscylator ujemnej rezystancji z dynamem, co by teraz nazywać się oscylatorem parametrycznym . Oscylator łukowy został ponownie odkryty i spopularyzowany przez Williama Duddella w 1900 roku. Duddell, student w London Technical College, badał efekt syczącego łuku. Przyłączył obwód LC ( obwód strojony) do elektrod lampy łukowej, a ujemną rezystancję oscylacji wzbudzonej łukiem w obwodzie strojonym. Część energii została wypromieniowana jako fale dźwiękowe przez łuk, wytwarzając muzyczny ton. Duddell zademonstrował swój oscylator przed Londyńskim Instytutem Inżynierów Elektryków , kolejno łącząc różne dostrojone obwody po łuku, aby zagrać hymn narodowy „ God Save the Queen ”. „Śpiewający łuk” Duddella nie generował częstotliwości powyżej zakresu audio. W 1902 duńscy fizycy Valdemar Poulsen i PO Pederson byli w stanie zwiększyć częstotliwość wytwarzaną w zakresie radiowym, operując łukiem w atmosferze wodoru za pomocą pola magnetycznego, wynaleźli nadajnik radiowy łukowy Poulsena , pierwszy nadajnik radiowy o fali ciągłej, który został użyty do lat dwudziestych.

Oscylator 120 MHz z 1938 r. wykorzystujący równoległy rezonator linii transmisyjnej ( linia Lechera ). Linie transmisyjne są szeroko stosowane do oscylatorów UHF.

Oscylator sprzężenia zwrotnego lampy próżniowej został wynaleziony około 1912 roku, kiedy odkryto, że sprzężenie zwrotne („regeneracja”) w niedawno wynalezionej lampie próżniowej audionowej może powodować oscylacje. Co najmniej sześciu badaczy niezależnie dokonało tego odkrycia, chociaż nie można powiedzieć, że wszyscy z nich odegrali rolę w wynalezieniu oscylatora. Latem 1912 Edwin Armstrong zaobserwował oscylacje w obwodach audionowego odbiornika radiowego i wykorzystał pozytywne sprzężenie zwrotne w swoim wynalazku odbiornika regeneracyjnego . Austriak Alexander Meissner niezależnie odkrył pozytywne sprzężenie zwrotne i wynalazł oscylatory w marcu 1913 r. Irving Langmuir z General Electric zaobserwował sprzężenie zwrotne w 1913 r. Fritz Lowenstein mógł poprzedzić innych prymitywnym oscylatorem pod koniec 1911 r. W Wielkiej Brytanii HJ Round opatentował obwody wzmacniające i oscylujące 1913. W sierpniu 1912 Lee De Forest , wynalazca audiona, również zaobserwował drgania w swoich wzmacniaczach, ale nie rozumiał ich znaczenia i próbował je wyeliminować, dopóki nie przeczytał patentów Armstronga w 1914, które natychmiast zakwestionował. Armstrong i De Forest toczyli przewlekłą batalię prawną o prawa do „regeneracyjnego” obwodu oscylatora, który został nazwany „najbardziej skomplikowanym sporem patentowym w historii radia”. De Forest ostatecznie wygrał przed Sądem Najwyższym w 1934 roku z powodów technicznych, ale większość źródeł uważa twierdzenie Armstronga za silniejsze.

Pierwszy i najczęściej używany obwód oscylatora relaksacyjnego, astabilny multiwibrator , został wynaleziony w 1917 roku przez francuskich inżynierów Henri Abrahama i Eugene'a Blocha. Swój sprzężony krzyżowo obwód z podwójną lampą próżniową nazwali multiwibratorem , ponieważ wytwarzany przez niego sygnał fali prostokątnej był bogaty w harmoniczne w porównaniu z sygnałem sinusoidalnym innych oscylatorów lampowych.

Oscylator sprzężenia zwrotnego lampy próżniowej stał się podstawą transmisji radiowej do 1920 r. Jednak triodowy oscylator lampy próżniowej działał słabo powyżej 300 MHz z powodu pojemności międzyelektrodowej. Aby osiągnąć wyższe częstotliwości, opracowano nowe lampy próżniowe z „czasem przejścia” (modulacja prędkości), w których elektrony przemieszczały się „pęczkami” przez lampę. Pierwszym z nich był oscylator Barkhausena-Kurza (1920), pierwsza lampa wytwarzająca moc w zakresie UHF . Najważniejszymi i szeroko stosowanymi były klistron (R. i S. Varian, 1937) oraz magnetron wnękowy (J. Randall i H. Boot, 1940).

Matematyczne warunki dla oscylacji sprzężenia zwrotnego, zwane obecnie kryterium Barkhausena , zostały opracowane przez Heinricha Georga Barkhausena w 1921 roku. Pierwszą analizę nieliniowego modelu oscylatora elektronicznego, oscylatora Van der Pola , przeprowadził w 1927 roku Balthasar van der Pol. Wykazał on, że stabilność oscylacji ( cykli granicznych ) w rzeczywistych oscylatorach wynikała z nieliniowości urządzenia wzmacniającego. Jest twórcą terminu „oscylacja relaksacyjna” i jako pierwszy rozróżnił oscylatory liniowe i relaksacyjne. Dalsze postępy w matematycznej analizie oscylacji poczynili Hendrik Wade Bode i Harry Nyquist w latach 30. XX wieku. W 1969 r. K. Kurokawa wyprowadził niezbędne i wystarczające warunki do oscylacji w obwodach o ujemnej rezystancji, które stanowią podstawę konstrukcji nowoczesnych oscylatorów mikrofalowych.

Zobacz też

Bibliografia

  • Morse, AH (1925), Radio: Beam and Broadcast: Jego historia i patenty , Londyn: Ernest Benn. Historia radia w 1925. Oscylator twierdzi 1912; Sprawa sądowa De Forest i Armstrong por. s. 45. Hummer/oscylator telefoniczny AS Hibbarda z 1890 r. (mikrofon węglowy ma wzmocnienie mocy); Larsen „stosował tę samą zasadę w produkcji prądu przemiennego ze źródła prądu stałego”; przypadkowy rozwój oscylatora lampowego; wszystko na s. 86. Von Arco i Meissner jako pierwsi rozpoznali aplikację do nadajnika; Okrągły do ​​pierwszego nadajnika; nikt nie opatentował nadajnika triodowego na str. 87.

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki