ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР

Задающий генератор — это генератор любой мощности с самовозбуждением. В задающем генераторе возбуждаются электрические колебания высокой стабильности. В задающем генераторе раньше использовались электронные лампы, на данный момент он состоит из полупроводниковых приборов.

Задающий генератор является составной частью возбудителя в радиопередатчике. Он задает частоту колебаний в передатчике. На СВЧ он используется в качестве выходного каскада. Основным критерием оценки генератора является высокая стабильность частоты. Задающий генератор должен выполнять функцию усилителя мощности, т. е. вырабатывать высокую выходную мощность.

Конструируется задающий генератор с таким расчетом, чтобы в нем гармонические колебания возбуждались без внешних воздействий. В этом процессе основным элементом считается резонатор с колебательным характером переходного процесса. По сути своей резонатор является колебательным контуром, в котором, при поступлении в него энергии, возникают затухающие со временем колебания тока. Резонатор должен обладать высокой добротностью, чтобы происходила компенсация потерь. Источник энергии — электрическое поле, энергия которого с помощью активного элемента преобразуется в энергию колебаний. На СВЧ резонаторами могут быть ферритовые сферы, диэлектрические шайбы, в диапазоне высоких частот — кварцевые пластины. Активными элементами выступают полевые либо биполярные транзисторы, туннельные и лавиннопролетные диоды.

Самая распространенная стабилизация частоты задающего генератора — кварцевая. Задающий генератор генерирует колебания на выходе радиопередатчика, усиливающиеся за счет генератора с внешним возбуждением.

В радиопередатчике с высокой стабильностью частоты каскад, как правило, выполняет функции и задающего генератора, и усилителя.

При небольшой стабильности колебаний высокой частоты и малой выходной мощности в задающем генераторе частота выравнивается с помощью кварцевого резонатора. Для частоты генератора выделяется отдельный усилитель мощности.

Первичный задающий генератор использует эталонные стандарты частоты и формирует выходные синхронные сигналы.

Вторичный задающий генератор, благодаря резервированию блоков генераторного оборудования, обладает высокими показателями надежности. Он выбирает логически входной сигнал синхронизации и отличает его от других источников. Генератор обрабатывает и фильтрует сигнал, после этого распределяет его между другими элементами узла.

Задающий генератор, встроенный в сетевой мультиплексор, носит название генератора сетевого элемента. Он принимает входные сигналы синхронизации, которые поставляют ему внешние источники. Генератор выбирает один из источников и производит его минимальную фильтрацию. Генератор сетевого элемента использует свой внутренний задающий генератор при повреждении входных сигналов синхронизации. Задающий генератор, работая в таком запоминающем режиме частоты, фиксирует приблизительную частоту входного синхронного сигнала.

В телекоммуникационных системах при принудительной синхронизации используется задающий генератор, называемый в данном контексте ведущим. С помощью промежуточных генераторов он обеспечивает сигналами синхронизации остальные задающие генераторы, называемые ведомыми. В случае, если все задающие генераторы управляют друг другом, такой способ синхронизации называется взаимным. При смешанной синхронизации задающий генератор передает сигналы ведомым генераторам и обменивается синхронными сигналами с другими ведущими генераторами. При низкой стабильности частот задающих генераторов взаимная синхронизация допускается в том случае, если генераторы уравновешивают частоты всех задающих генераторов. Стабильность частоты повышается, чувствительная синхронизация продолжается.

• Предыдущее: ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ
• Следующее: ЗАДНИЙ МОСТ

Работа — задающий генератор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Работа — задающий генератор

Cтраница 1

Работа задающего генератора стабилизирована кварцевым резонатором с номинальной частотой 200 кГц и имеет элементы подстройки. Электрическая схема прибора реализована на интегральных схемах и полупроводниковых элементах. Она размещена на дну л печатных платах, соединенных жгутами. На лицевой панели прибора расположены все переключатели, элементы отсчет-ною устройства — цифровые индикаторные лампы ИН-16 и свето-излучающнй диод для индикации переполнения счетчика. На задней панели размешены зажимы для подключения контактов и обмотки проверяемого реле во всех режимах, разъемы для подключения сети и ЦПУ.  [1]

Принцип работы задающего генератора основывается на заряде емкости через переменное сопротивление и разряде ее через динистор. В качестве переменного сопротивления используется переход коллектор — эмиттер строенного транзистора. Деление частоты задающего генератора и предварительное формирование импульсов управления осуществляются на логических элементах и блокинг-генерато-рах. Оконечные каскады обоих каналов управления собраны на силовых тиристорах. Нагрузка оконечных каскадов ( управляющие переходы тиристоров инвертора) подключается через трансформаторы. Трансформаторы выполнены на ферритовых сердечниках. Каждому плечу инвертора соответствует один трансформатор. Первичная обмотка трансформатора намотана секциями, между которыми намотаны вторичные обмотки. Импульсы управления имеют передний фронт не более 2 мкс при амплитуде импульсов 3 — 3 5 А. Система управления инвертором, кроме оконечных каскадов, выполнена отдельным блоком. В этом же блоке расположены цепи защиты преобразователя от аварийных режимов.  [2]

Принцип работы задающего генератора строк состоит в следующем.  [3]

Проверка работы задающего генератора кадровой развертки в телевизорах УЛТ-47 / 59 / 61 — П-2 проводится измерением напряжения между катодом и управляющей сеткой лампы блокинг-генератора. При исправном задающем генераторе напряжение на управляющей сетке лампы отрицательное и изменяется ручкой Частота кадров в пределах — ( 30 — 60) В.  [4]

Основным показателем работы задающего генератора

является величина отклонения частоты от номинального значения. Юна складывается из погрешности установки частоты по шкале и величины изменения частоты под воздействием дестабилизирующих факторов. Уменьшение влияния дестабилизирующих факторов обеспечивается конструкцией задающего генератора и связанных с ним других элементов передатчика. Для уменьшения колебаний напряжения сети стабилизируют питающее напряжение. Чтобы стабилизировать анодное напряжение, широко применяют электронный стабилизатор напряжения, который чаще всего размещают в выпрямительном устройстве. Для стабилизации накала лампы во многих случаях используют бареттор.  [6]

Поэтому от качества работы задающего генератора зависит качество работы всего передатчика.  [8]

Для обеспечения стабильности работы задающего генератора и усилителя мощности детали их должны быть высокого качества: конденсаторы постоянной емкости — типа КТК или КДК, подстро-ечные конденсаторы — типа КПК, резисторы — типа МЛТ-05, а катушки должны быть выполнены с особой тщательностью. С целью устранения паразитной связи между группами деталей на плате устанавливаются экраны — пластинки из листового алюминия шириной 35 мм с лапками для крепления.  [9]

Основным качественным показателем работы задающего генератора является величина отклонения частоты от номинала. Она складывается из погрешности установки частоты по шкале и из величины изменения частоты под воздействием дестабилизирующих факторов.  [10]

Для првышения стабильности работы задающего генератора в цепь базы транзистора Т27 включен стабилизирующий контур К.  [11]

Указанный эффект достигается за счет изменения режима работы задающего генератора частоты.  [12]

Указанный эффект достигается за счет изменения режима

работы задающего генератора частоты.  [13]

Кадровый синхроимпульс с выхода селектора XIV управляет работой задающего генератора кадровой развертки XVIII, который выполнен так же, как генератор строчной развертки — по схеме управляемого порогового переключателя. Времязадающая ЛС-цепь подключается к выводу 1, а установка частоты генератора кадровой развертки осуществляется резистором, включенным между выводом 1 микросхемы и положительным полюсом источника питания. Выходной управляющий импульс кадровой частоты через вывод 2 управляет работой выходного каскада кадровой развертки.  [14]

Поскольку при этом лампа запирается не полностью, при

работе задающего генератора в ее анодной цепи возникают импульсы обратного хода. Эти импульсы выпрямляются диодом 3VD3 и через резисторы 3R30, 3R28, 4R6 компенсируют отрицательное смещение, создаваемое внешним источником напряжения — 250 В. При выходе из строя задающего генератора, когда отсутствуют импульсы обратного хода, такой компенсации не происходит и на сетке лампы сохраняется отрицательное смещение.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР — это… Что такое ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР?

ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР

ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР — маломощный автогенератор в радиопередатчиках средней и большой мощности, создающий высокостабильные по частоте колебания, которые затем преобразуются по частоте и (или) усиливаются в последующих каскадах.

Большой Энциклопедический словарь. 2000.

• ЗАДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
• ЗАДВИНСКОЕ ГЕРЦОГСТВО

Смотреть что такое «ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР» в других словарях:

• задающий генератор — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN drive oscillatordriving oscillatormaster oscillatorself oscillator …   Справочник технического переводчика

• задающий генератор — маломощный автогенератор в радиопередатчиках средней и большой мощности, создающий высокостабильные по частоте колебания, которые затем преобразуются по частоте и (или) усиливаются в последующих каскадах. * * * ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР ЗАДАЮЩИЙ… …   Энциклопедический словарь

• задающий генератор — pirminis generatorius statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. master oscillator vok. Muttergenerator, m rus. задающий генератор, m pranc. maître oscillateur, m; oscillateur pilote, m …   Automatikos terminų žodynas

• задающий генератор — valdantysis generatorius statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. master oscillator vok. Mutteroscillator, m; Steuergenerator, m; Steueroszillator, m rus. задающий генератор, m pranc. maître oscillateur, m; oscillateur pilote, m …   Radioelektronikos terminų žodynas

• Задающий генератор —         генератор с самовозбуждением высокочастотных колебаний в радиопередатчиках средней и большой мощности. Отличается высокой стабильностью частоты. Наиболее распространена кварцевая Стабилизация частоты З. г. Для получения мощных колебаний… …   Большая советская энциклопедия

• задающий генератор — генератор колебаний небольшой мощности самовозбуждением электрических колебаний высокой стабильности частоты, используемый в радиопередатчиках. Наиболее распространены задающие генераторы с кварцевой стабилизацией частоты. Энциклопедия «Техника» …   Энциклопедия техники

• ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР — обычно маломощный генератор с самовозбуждением электрич. колебаний высокой стабильности частоты, используемый в передатчиках …   Большой энциклопедический политехнический словарь

• задающий генератор аппаратуры системы передачи с ЧРК — задающий генератор Автогенератор, обеспечивающий получение э.д.с., частота которой обладает требуемой стабильностью и является исходной для образования токов управляющих, несущих и контрольных частот аппаратуры системы передачи с ЧРК. Примечание… …   Справочник технического переводчика

• задающий генератор устройства управления — тактовый генератор синхронизатор устройства управления схема синхронизации устройства управления синхронизация управления тактирование операций управления тактовые импульсы синхронизирующие импульсы — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по… …   Справочник технического переводчика

• задающий генератор (тактовых импульсов) — Ведущий опорный генератор, формирующий тактовые или синхронизирующие импульсы, используемые для управления другими генераторами, которые называются ведомыми. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь… …   Справочник технического переводчика

Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 3.

Кухтецкий С.В., [email protected]

Данная статья завершает цикл статей, посвященных недорогим модульным конструкциям лабораторных инверторов. На основе силового модуля, описанного в первом разделе данной статьи, и дополнительных модулей, описанных ранее, собрано несколько конструкций лабораторных инверторов, различающихся способом регулировки мощности и подстройки рабочей частоты инвертора (в том числе и автоматической). Каждый вариант представляет собой законченное устройство, которое может быть использовано для решения лабораторных задач, связанных с индукционным нагревом, генерацией неравновесной плазмы, ультразвука и т.п..
Как и в предыдущих статьях, приводится вся необходимая информация для самостоятельного изготовления модулей в непрофильной лаборатории: полные схемы, печатные платы, прошивки, исходные тексты программ, рекомендации по изготовлению и настройке.
 

Введение

Особенность многих исследовательских лабораторных задач – их скоротечность и специфичность. После завершения цикла исследований старое оборудование довольно трудно (а часто — просто невозможно) адаптировать к новой задаче. Покупка нового оборудования под каждое исследование не всегда оправдана из финансовых соображений. Поэтому универсальность лабораторного оборудования – одно из важнейших требований, определяющих его качество.

Опыт разработки универсального лабораторного инвертора показывает, что его создание представляет собой весьма сложную инженерную задачу, а само устройство становится слишком дорогим. Поэтому оптимальным решением является разработка модульной конструкции лабораторного инвертора, позволяющая разрешить противоречия между гибкостью, универсальностью, эффективностью и ценой за счет взаимозаменяемости модулей и постепенного наращивания функциональных возможностей прибора.

Не менее важным является еще один критерий качества. Современное лабораторное оборудование должно быть не только «интеллектуальным» само по себе, но и иметь возможность включаться в информационные сети. Это необходимо для автоматизации управления, сбора данных и интеграции устройства в более крупные функциональные блоки. Хорошим решением здесь является системное использование микроконтроллеров в узлах лабораторного оборудования.

Исходя из этих критериев, был разработан набор электронных модулей для быстрой сборки лабораторных инверторов, предназначенных для решения широкого класса экспериментальных задач физико-химического профиля.

Важнейшая особенность этих модулей, которую необходимо учесть при разработке, это резонансный характер нагрузок, с которыми придется иметь дело лабораторному инвертору. Для задач индукционного нагрева – это индуктор с компенсирующим конденсатором. Для ультразвуковых приложений – это ультразвуковые преобразователи, имеющие электромеханическую резонансную природу. Для плазменных приложений – это резонансные трансформаторы типа трансформаторов Тесла или емкости диэлектрических барьеров с компенсирующими индуктивностями.

Поэтому главными параметрами, определяющими работу инвертора, являются два: мощность и частота. Различным способам управления этими параметрами и разработке соответствующих модулей были посвящены две отдельные статьи [3, 4]. Для удобства все статьи на эту тему помещены в единый архив, который можно найти по ссылке [8].

В данной же статье (в первой части) описан последний модуль «конструктора». Это — силовой модуль, представляющий собой полумост с транзисторными ключами и питанием от однофазной сети 220 вольт. Мощность (до нескольких кВт) и частотный диапазон (до нескольких сотен кГц, в зависимости от используемых транзисторов) ориентированы на большую часть экспериментальных задач, возникающих в лаборатории физико-химического профиля.

Во второй части статьи приведены примеры реализации конкретных инверторов. Они выполнены на базе одного и того же силового модуля и различных комбинаций управляющих модулей. Это законченные устройства, которые могут быть непосредственно использованы в эксперименте в соответствии со спецификой решаемой задачи. Описаны следующие варианты.

1. Простейший инвертор с ручной настройкой частоты на резонанс и регулировкой мощности при помощи ЛАТРа.
2. Инвертор с частотной регулировкой мощности.
3. Инвертор с ручной подстройкой частоты и PDM-регулировкой мощности.
4. Инвертор с автоматической подстройкой частоты и регулировкой мощности при помощи ЛАТРа.
5. Инвертор с автоматической подстройкой частоты и PDM-регулировкой мощности.

Необходимо подчеркнуть, что модули, задающие мощность (PDM-модулятор) и частоту инвертора (для «ручной» подстройки это синтезатор частоты) выполнены на микроконтроллерах и допускают внешнее управления по последовательному каналу от персонального компьютера или другой управляющей системы. Это дает возможность реализовывать сложное управление инверторами по произвольному количеству любых параметров установки.

Перейдем к рассмотрению конкретных систем. Начнем с силового модуля.
 

Предупреждение об опасности

Элементы конструкций, рассматриваемых в данной статье, находятся под высоким напряжением и не имеют гальванической развязки от питающей сети. Поэтому при работе с ними нужно соблюдать предельную осторожность. ВСЕ МАНИПУЛЯЦИИ с инверторами можно проводить ТОЛЬКО ПОСЛЕ ВЫКЛЮЧЕНИЯ ПИТАНИЯ И ПОЛНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ИХ ОТ СЕТИ!
 

Силовой модуль

Данный силовой модуль лежит в основе всех конструкций, рассмотренных в данной статье. По сути дела силовой модуль представляет собой не что иное, как мощный двухтактный полумостовой усилитель логических импульсов, поступающих на его вход. Логическому нулю на входе модуля соответствует низкое выходное напряжение инвертора (верхний ключ закрыт, нижний открыт), а логической единице – высокое выходное напряжение инвертора (верхний ключ открыт, нижний закрыт). Естественно, величина этого выходного напряжения зависит от напряжения питания инвертора. Помимо самих ключей, силовой модуль содержит драйверы, обеспечивающие управление ключами, цепочки формирования пауз dead-time, гальваническую развязку от цепей управления и автоматизации и токовую защиту от перегрузки. Рассмотрим схему и конструкцию силового модуля подробнее.
 

Схема

Схема силового модуля представлена на рис.1.
 

Рис.1. Схема силового модуля.

Положительные входные импульсы (ТТЛ 5В) подаются на входы PDMC+ и PDMC- гальванической развязки. Развязка выполнена на быстродействующей оптопаре 6N137 (IC1), которая обеспечивает передачу цифровых сигналов до 10 Мбит/сек. Для нашей задачи такой скорости более чем достаточно. «Обвязка» оптопары выполнена стандартно, согласно datasheet на этот чип.

D1.1 выполняет роль буфера и компенсирует инверсию сигнала, вносимого опторазвязкой. D1.2 формирует инверсный сигнал для нижнего ключа. На элементах D2.1 и D2.2 и RC-цепочках на их входах происходит задержка передних фронтов управляющих импульсов для формирования пауз dead-time. Величина пауз определяется номиналами резисторов R3, R4 и конденсаторов C2, C3. При указанных на схеме номиналах значение dead-time составляет около 500 нс.

В качестве драйвера используется достаточно распространенная микросхема IR2110, включенная по стандартной бутстрепной схеме. Выбор такого решения обусловлен широкой распространенностью и доступностью данной микросхемы. При правильном монтаже и уровне мощности до нескольких кВт она работает вполне надежно. Поэтому никакие дополнительные схемотехнические решения по увеличению надежности работы данного драйвера не применялись. Конденсатор C5 должен иметь малые токи утечки. В данной схеме использованы керамические конденсаторы (C4, C5 и C6). Диод VD1 должен быть быстрым.

«Обвязка» ключей VT1 и VT2 тоже достаточно стандартна. Резисторы R5, R6 ограничивают ток заряда/разряда затвора. Их величина зависит от используемых силовых транзисторов. С данной схемой использовались следующие транзисторы (IGBT): HGTG30N60A4D, IRGP50B60PD1 и IRGP20B60PD. Для первых двух типов номиналы этих резисторов составляли 5.1 Ом, для третьего – 10 Ом. Резисторы R7, R8 выполняют защитные функции. Конденсаторы C7, C8 и C9 играют роль простейших C-снабберов для устранения выбросов на ключах, вызванных паразитными индуктивностями цепей питания инвертора. В данных конструкциях используются IGBT со встроенными внутренними «сверхбыстрыми» диодами. Поэтому никаких дополнительных внешних диодов не требуется.

На элементах D1.3, D1.4 и транзисторе T1 выполнена быстродействующая «поцикловая» токовая защита, срабатывающая при мгновенном превышении порога током, потребляемым силовой частью модуля. Порог срабатывания защиты регулируется резистором R14. Работает защита следующим образом. Между общим проводом и минусом высоковольтного блока питания включен шунт R15, напряжение на котором пропорционально потребляемому инвертором току. Напряжение на шунте относительно общего провода отрицательное. Как только потенциал эмиттера T1 «уйдет» относительно базы в отрицательную область на величину, достаточную для открывания транзистора, на входе 5 элемента D1.3 сформируется логический 0. В результате RS-триггер, образованный элементами D1.3 и D1.4, переключится. Уровень на выходе 6 D1.3 станет высоким. Это приведет к блокировке драйвера ключей (вход SD микросхемы IC2). После устранения причины перегрузки сброс RS-триггера осуществляется при помощи кнопки «Перегрузка – сброс». Для улучшения помехоустойчивости схемы защиты желательно использовать логические элементы с триггерами Шмитта по входам (74HC132 в данном случае).
 

Конструкция

Печатную плату в виде графического файла для «утюжной» технологии можно найти в приложении к данной статье [7] в папке Pow_672. Там же есть и соответствующий lay-файл. На рис.2 показана собранная плата силового модуля с двух сторон.
 

Рис.2. Собранная плата силового модуля.

Часть элементов (C7, C8, C9, подстроечный резистор R14, светодиод «Перегрузка», кнопка сброса, клеммники питания 15В, клеммники входного сигнала и шунт R15) расположены с другой стороны платы. В качестве конструкционной основы силового модуля удобно использовать подходящий радиатор с кулером от процессоров современных персональных компьютеров. На этом же радиаторе крепятся и все остальные элементы силового модуля, показанные ниже на рис.3.
 

Рис.3. Элементы силового модуля, приготовленные к сборке.

Поликоровая пластина 30х40х0.5 мм с просверленными отверстиями (слева от диодного моста) служит для электрической изоляции силовых ключей от металлического радиатора. Она может быть заменена на пластинки слюды подходящих размеров или другие изолирующие прокладки, имеющиеся в наличии. Шунт R15 состоит из 5 резисторов 0.51 Ом 2 Вт, включенных параллельно. Если их смонтировать так, как показано на рисунках, то они окажутся в зоне обдува вентилятора и будут относительно холодные при всех рабочих режимах инвертора.

На отдельной плате смонтированы электролитические конденсаторы (обозначенные на схеме как C16), разрядный резистор R16 и сапрессор 1.5RT440CA. Эта плата крепится к радиатору с другой стороны, чем основная плата. Общий вид собранного модуля с разных ракурсов, из которых можно видеть детали компоновки, представлен на рис.4 ниже.
 

Рис.4. Вид собранного силового модуля с нескольких ракурсов.

ВНИМАНИЕ! Контакты кнопки сброса перегрузки и металлизация платы рядом с ней могут находиться под высоким напряжением. Поэтому сброс перегрузки необходимо выполнять ПРИ ОТКЛЮЧЕННОМ ВЫСОКОМ НАПРЯЖЕНИИ. Т.е. двойной автомат должен отключать оба питающих провода от сети.

Для испытания силового модуля соберем на его основе простейший вариант лабораторного инвертора.
 

Простейший вариант лабораторного инвертора

Блок схема этого инвертора показана на рис.5. При наличии готового силового блока, нагрузки и нескольких компонентов общелабораторного назначения, такой инвертор собирается очень быстро. Инвертор прост, надежен и может использоваться в любых лабораторных экспериментах, связанных с индукционным нагревом с мощностью до 1.5-2 кВт и в которых не требуется никакая автоматика. В частности, тигельная плавка небольших образцов цветных металлов (до сотни грамм), индукционные трубчатые печи с графитовыми или металлическими нагревателями. Мощности такого инвертора вполне хватает и для левитационной плавки небольших (2-3 граммов) образцов алюминиевых сплавов.
 

Рис.5. Блок-схема простейшего инвертора на базе силового модуля.

Итак, кроме уже готового силового модуля, для его сборки нам еще понадобятся следующие элементы.

1. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).
2. Двойной «автомат» на 25 ампер.
3. Амперметр переменного тока до 10 А. Можно использовать недорогие токовые клещи.
4. Блок питания на 15В для питания драйвера.
5. Блок питания на 12 В для питания вентилятора.
6. Нагрузка.
7. Задающий генератор.

ЛАТР

ЛАТР в особых комментариях не нуждается. Желательно использовать мощный ЛАТР на 8-10 ампер, но для первых экспериментов можно взять ЛАТР и поменьше.
 

Автомат

Автомат выполняет функцию выключателя и предохранителя, защищающего сеть от короткого замыкания в устройстве. Автомат обязательно должен быть двойным, чтобы отключать оба провода, идущих к сети. Этот момент очень важен, т.к. силовая часть не имеет гальванической развязки с сетью. Обратите внимание и на предупреждение в конце раздела, посвященного силовому модулю, касающееся использования кнопки «перегрузка-сброс».
 

Низковольтные блоки питания

Особых требований к блокам питания нет. Можно использовать подходящие блоки питания от персональных компьютеров, от «зарядок», от некоторых принтеров, сканеров и т.д. Блок питания для драйвера (15 В) должен быть рассчитан на потребляемый ток от 0.5 А и выше.
 

Нагрузка

В первых экспериментах при отладке силового модуля мы будем использовать активную нагрузку. В качестве таковой вполне подойдет обычная лампа накаливания мощностью 300-500 Вт. Такая нагрузка удобна для самых первых включений инвертора, поскольку по накалу лампы можно сразу же судить о его работе. Но для реальных задач с индукционным нагревом нам необходимо будет сделать колебательный контур, состоящий из индуктора и конденсаторной батареи. Для согласования колебательного контура с инвертором и для обеспечения его гальванической развязки от инвертора (который непосредственно связан с питающей сетью) нам потребуется согласующий трансформатор и разделительный конденсатор.

Конкретная реализация резонансной нагрузки целиком зависит от решаемых задач. Универсальных решений здесь не существует. Во всех экспериментах, описанных в данной статье, мы будем использовать вариант нагрузки, схема которой изображена на рис.6. Для частных задач ее можно упростить. В неочевидных случаях об этом будет сказано отдельно.
 

Рис.6. Схема резонансной нагрузки, использованной в данной статье.

Цепочка R1C1 предназначена для демпфирования низкочастотных колебаний в цепи первичной обмотки согласующего трансформатора при использовании PDM-регулировки мощности. Это связано с тем, что спектр сигнала возбуждения при PDM-регулировке имеет много низкочастотных компонентов, которые могут привести к возбуждению паразитных НЧ колебаний. Про PDM-регулировку мощности и конкретные варианты ее реализации можно почитать в статьях [3, 5, 8]. Для экспериментов без PDM цепочку C1R1 можно не ставить.

В рассматриваемом силовом модуле используется несимметричное включение нагрузки. Т.е. нагрузка включена между центральной точкой полумоста и земляной шиной. Такое включение существенно упрощает логику управления инверторам при использовании PDM-регулировки мощности, но требует применения разделительного конденсатора C2 для устранения постоянной составляющей.

Для дополнительного ослабления ударно возбуждаемых низкочастотных колебаний в контуре, образованном разделительным конденсатором и первичной обмоткой согласующего трансформатора, желательно максимально снизить резонансную частоту этой цепи. Поэтому индуктивность намагничивания согласующего трансформатора сделана достаточно большой. В связи с этим, для обеспечения необходимого напряжения, вторичная обмотка содержит два витка вместо традиционного одного. Конечно, такой трансформатор проще сделать, используя броневые или Ш-образные сердечники. Но сердечников подходящих размеров под рукой не оказалось. Поэтому была сделана неразборная конструкция на ферритовых кольцах. Параметры колец указаны на схеме выше, а конструкция индуктора с согласующим трансформатором показана на рис.7.
 

Рис.7. Конструкция согласующего трансформатора и индуктора.

Для изготовления индуктора и вторичной обмотки согласующего трансформатора использована отожженная медная трубка внешним диаметром 4 мм и толщиной стенки – 1 мм. Параметры индуктора указаны на рис.6. Перед намоткой индуктора и вторичной обмотки согласующего трансформатора трубка плотно набивается мелко помолотой сухой поваренной солью. Это делается для того, чтобы избежать случайного «залома» трубки при гнутье с малым радиусом кривизны. Использовать традиционный песок при таких сложных геометриях не рекомендуется. Его трудно удалить. А соль сравнительно легко растворяется и вымывается проточной водой. Двух витка вторичной обмотки вполне достаточно для работы на уровне мощности до 2 кВт при питании полумостового инвертора от однофазной сети. Если не хватит, то количество витков можно легко увеличить.

Конструкция конденсаторной батареи аналогична конструкции, использованной в работе [2, 8].

Итак, с нагрузкой разобрались. Остался задающий генератор.
 

Задающий генератор

Для первых экспериментов проще всего взять готовый генератор сигналов. Генератор сигналов должен выдавать меандр с амплитудой 4-5 В и регулируемой частотой в нужном диапазоне. Частотный диапазон зависит от решаемых задач и транзисторов, используемых в качестве ключей в силовом модуле. Для определенности будем рассматривать модуль, собранный на транзисторах IRGP20B60PD. В «мягком» режиме переключения при работе на резонансную нагрузку эти транзисторы, согласно datasheet, работоспособны до 150 кГц.

Очень удобно в качестве генератора сигналов использовать генераторы, входящие в состав некоторых виртуальных приборов. Например, генератор сигналов довольно популярного USB-осциллографа PV6501 практически идеально подходит для таких экспериментов.

Ну а если готового генератора сигналов все-таки нет, то его несложно сделать самому. Ниже мы рассмотрим два варианта самодельных задающих генераторов – простейший генератор на триггере Шмитта и более «продвинутый» вариант — ФАПЧ-синтезатор частоты на микроконтроллере ATtiny2313 и микросхеме CD4046.
 

Задающий генератор на триггере Шмитта

В Сети существует огромное количество схем генераторов на логических элементах. Наверное, самый простой из них – генератор на одном инвертирующем триггере Шмитта. Но для работы в качестве задающего генератора инвертора он должен выдавать именно меандр. Т.е. длительность импульса должны быть точно равна длительности паузы. Если это не так, то меандр легко получить из любого генератора импульсов при помощи D-триггера (флип-флоп). Частота при этом упадет в два раза, но зато гарантировано будет меандр. Так мы и поступим. Для первых экспериментов такой генератор можно собрать просто на макетной плате. Схема генератора и его вид показан на рис.8.

Для регулировки частоты (резистор R2) желательно использовать прецизионный многооборотный переменный резистор. Особенно это важно, если будет использоваться частотный способ регулировки мощности инвертора. Но, при наличии определенной сноровки, можно поставить и обычный переменный резистор. В этом случае желательно сузить диапазон регулировки частоты путем подбора соответствующих значений R1, R2 и C1.
 

Рис.8. Схема и макет задающего генератора.

Включаем. Смотрим сигнал с выхода PDMC на экране осциллографа. Правильно собранный генератор обычно работает сразу же. Проверяем генерацию, форму импульсов и пределы регулировки частоты.
 

Модуль синтезатора частоты

Второй вариант задающего генератора – ФАПЧ-синтезатор частоты на микроконтроллере ATtiny2313. Он был подробно описан в статье [4, 8]. Однако, в той статье синтезатор был рассчитан на работу в частотном диапазоне 100-300 кГц. В данной работе мы будем работать с более низкими частотами (60-70 кГц). Поэтому нужно изменить номиналы некоторых элементов и откорректировать программное обеспечение микроконтроллера. Схема и внешний вид платы синтезатора показаны на рис.9. При указанных номиналах синтезатор стабильно работает в диапазоне 33-150 кГц. Минимальный шаг изменения частоты синтезатора – 62.5 Гц. При удержании кнопок «+/-» более 0.5 сек шаг изменения частоты плавно увеличивается до 1 кГц.
 

Рис.9. Схема и собранная плата ФАПЧ-синтезатора частоты.

Все материалы, необходимые для сборки данного синтезатора частоты, можно найти в дополнительных материалах к данной статье [7] в папке Syn_376.
 

Испытание инвертора на активной нагрузке

Теперь у нас все готово для сборки простейшего инвертора с ЛАТРом. Собираем и подключаем. Первые испытания проводим при пониженном напряжении на активной нагрузке. Перед первым включением выводим регулировку уровня токовой защиты на максимальную чувствительность (ползунок резистора R14 в верхнем положении, см. рис.1.).

Включаем инвертор в следующей последовательности.

1. ЛАТР – в нулевом положении. Сетевой автомат выключен.
2. Включаем питание 12 В (вентиляторы), 15 В (драйвер). В любом порядке.
3. Включаем питание генератора сигналов (5 В). Установим частоту генератора в пределах 50-60 кГц.
4. Включаем автомат.
5. Поворачивая ЛАТР, устанавливаем напряжение питания инвертора в районе 50 В.

Если компоненты исправны и все собрано правильно, в этот момент мы увидим слабое свечение лампочки. Если нет, то необходимо найти неисправность. Для первых шагов в поиске неисправностей можно обратиться к Приложению 1. Там описана последовательность шагов для локализации неисправностей инвертора, если они все-таки имеют место. После устранения неисправностей продолжим работу с инвертором при пониженном напряжении на активную нагрузку.

«Погоняем» его в таком режиме полчаса-час. Ничто не должно греться (кроме лампочки), скрипеть, взрываться и т.п. Посмотрим при помощи осциллографа напряжение на нагрузке – это должен быть четкий меандр, возможно, с небольшими выбросами (иглами) за фронтами и срезами импульсов. Такая картинка должна сохраняться во всем рабочем диапазоне частот. Покрутим ручку ЛАТРа. Амплитуда напряжения на нагрузке и яркость свечения лампы должны изменяться соответственно. На рис.10. показан «рабочий момент» такого тестирования.
 

Рис.10. Испытание простейшего инвертора на активной нагрузке.

Если все прошло нормально, можно переходить к следующим испытаниям нашего инвертора – на резонансной нагрузке. В качестве задающего генератора далее будем использовать синтезатор частоты.
 

Испытание инвертора на резонансной нагрузке

Подключим уже изготовленную резонансную нагрузку к инвертору, согласно схеме, приведенной на рис.11.
 

Рис.11. Подключение резонансной нагрузки.

Для контроля тока в нагрузке нам потребуется токовый трансформатор. Трансформатор тока ТТ1, используемый в данной работе, намотан на ферритовом кольце М2500 НМС 16х10х8. Вторичная обмотка трансформатора тока содержит 60 витков провода МГТФ-0.12. Если есть вопросы, то популярно почитать про трансформаторы тока можно, например, в статье [6].

Сигнал напряжения снимаем непосредственно с выходных клемм инвертора, к которым подключена нагрузка.

Если уровень срабатывания защиты еще не настроен, то выставим его на максимальную чувствительность (ползунок резистора R14 вверху по схеме, см. рис.1).

Поместим в индуктор графитовый тигель подходящего размера или просто куски графитовых электродов так, чтобы пространство внутри индуктора было заполнено графитом не менее, чем на половину. Необходимо принять меры, чтобы графит не замыкал витки индуктора. Для этого можно использовать муллитовую вату или другой подходящий высокотемпературный изолирующий материал. Если есть возможность – можно использовать специальные термостойкие оплетки для индуктора.

После проверки монтажа и подачи водяного охлаждения на индуктор включаем инвертор точно в таком же порядке, как и в случае активной нагрузки. С той лишь разницей, что перед подачей высокого напряжения (поворота ручки ЛАТРа) частоту задающего генератора нужно выставить на максимальный уровень. Плавно поднимаем при помощи ЛАТРа напряжение питания инвертора приблизительно до 30-40 В. На экране осциллографа мы увидим прямоугольные импульсы, соответствующие напряжению на выходе инвертора и периодический сигнал тока нагрузки. При достаточно высокой начальной частоте задающего генератора сигнал тока будет почти треугольный. Фаза тока запаздывает относительно фазы напряжения. На рис.12 показан начальный момент тестирования.
 

Рис.12. Начальный этап тестирования инвертора на резонансной нагрузке.

Начинаем плавно понижать частоту задающего генератора. Наблюдаем за сигналами тока и напряжения. Типичные осциллограммы представлены на рис.13.
 

Рис.13. Осциллограммы тока и напряжения в зависимости от частоты задающего генератора.

С понижением частоты задающего генератора амплитуда сигнала тока будет увеличиваться, а форма сигнала — постепенно трансформироваться из треугольной (осциллограмма 1) в синусоидальную (осциллограмма 2). Фазовый сдвиг тока относительно напряжения тоже постепенно уменьшается. Мы приближаемся к резонансу. Наконец, при резонансной частоте амплитуда достигнет максимума, а фаза тока совпадет с фазой напряжения (осциллограмма 3). Если мы будем продолжать уменьшать частоту задающего генератора, то амплитуда тока начнет уменьшаться, а фаза тока начнет опережать фазу напряжения. Мы заходим в так называемый «емкостной режим». На фронтах и срезах импульсов напряжения появятся высокочастотные выбросы (иглы), обусловленные жестким обратным восстановлением возвратных диодов ключей. При таких режимах ключи работают в жестком режиме и сильнее греются. При работе на резонансную нагрузку заходить в эту область не рекомендуется.

Вернем частоту задающего генератора на значение, соответствующее резонансной частоте нагрузки (или чуть большее, когда только-только исчезнут заметные «иглы» на осциллограмме напряжения). Дадим инвертору поработать в этом режиме минут двадцать-тридцать. Температура радиаторов не должна заметно превышать температуру окружающей среды (не более чем на пару градусов). Также не должно быть никаких искрений, подергиваний, срывов и т.п.

Если это испытание пройдено успешно, то при помощи ЛАТРа начинаем плавно увеличивать напряжение питания инвертора. В какой-то момент времени должна сработать защита. Процедура установки уровня защиты описана в Приложении 2. Настраиваем защиту. К концу настройки мы выйдем на максимальный уровень мощности инвертора. Графитовые стержни внутри индуктора должны раскалиться добела. Картинка должна напоминать то, что изображено на рис.14.
 

Рис.14. Инвертор в процессе испытаний.

Оставим инвертор немного (минут 5-10) поработать в режиме с максимальной мощностью. Ничего не должно взрываться, перегреваться, дымить, искрить. Также не должно быть никаких посторонних громких шумов и тресков. Только шум вентиляторов. Если все именно так, то будем считать первые испытания и настройку силового модуля в «боевых» условиях завершенными успешно.

Рассмотренный только что простейший вариант инвертора функционально полностью эквивалентен первому варианту лабораторного инвертора, описанного в статье [1, 8]. Он более надежен за счет использования токовой защиты по цепи питания. Поэтому этот инвертор вполне может быть рекомендован в качестве более «продвинутой» альтернативы инвертору, описанному в [1, 8].
 

Другие варианты инверторов на базе силового модуля

На базе рассмотренного силового модуля и дополнительных модулей, связанных с управлением, описанных в статьях [3, 4, 8], можно легко и быстро собирать различные варианты лабораторного инвертора, оптимизированные под конкретные задачи и имеющиеся ресурсы. Ниже рассмотрены несколько конкретных примеров таких инверторов.
 

Инвертор с частотной регулировкой мощности

Регулировка мощности за счет изменения напряжения питания инвертора (например, при помощи ЛАТРа, как в только что рассмотренном варианте) является простой, удобной и вполне надежной. Однако ЛАТР – штука довольно громоздкая даже на уровне 1-2 кВт. Для многих задач, связанных с индукционным нагревом и плавкой, конструкцию можно существенно «облегчить». Можно просто убрать ЛАТР и использовать так называемую частотную регулировку мощности. Естественно, такой подход работает только с резонансной нагрузкой. Для такой нагрузки мощность инвертора зависит от частоты расстройки задающего генератора по сравнению с резонансной частотой нагрузки. На практике мы уже использовали такой способ в мостовом инверторе, описанном в работе [2, 8]. Там же можно прочитать и о методике работы с инверторами, в которых используется частотный способ регулировки мощности. А в начале статьи [3, 8] можно посмотреть сравнительный анализ различных способов регулировки мощности в инверторах.

Инвертор с частотной регулировкой мощности получается очень просто из предыдущей конструкции. Для этого убираем ЛАТР и подключаем инвертор непосредственно к сети. Как показано на рис.15.
 

Рис.15. Блок-схема инвертора с частотной регулировкой мощности.

Здесь необходимо отметить один небольшой нюанс. При использовании инверторов напряжения, в цепи питания которых стоят большие электролитические конденсаторы, существует небольшая проблема, связанная с их предварительной зарядкой. При включении питания инвертора при разряженных конденсаторах возникает сильный бросок потребляемого тока, намного превышающий номинальное значение. Для ограничения броска тока обычно применяют различную автоматику. Мы тоже использовали простое реле напряжения в работе [2, 8]. Но, как показала практика, в лабораторных конструкциях вполне уместна даже самая простейшая система первоначальной зарядки через ограничивающий резистор, с последующим «ручным» замыканием этого резистора при помощи еще одного автомата (рис.15 сверху). Понятно, что этот вспомогательный автомат должен быть рассчитан на больший ток, чем основной автомат. Вся эта замечательная конструкция показана на рис.16 ниже. Резистор R2 – два параллельно включенных 2-ваттных резистора. Если при включении инвертора забыть включить вспомогательный автомат, ничего страшного не произойдет. Просто (при достаточной мощности инвертора) от резисторов пойдет густой дым. Но после пары-тройки сожженных резисторов R2 вырабатывается довольно устойчивый условный рефлекс и такой «ручной» режим зарядки электролитических конденсаторов начинает «работать» не менее надежно, чем автоматический.
 

Рис.16. «Ручная» система зарядки электролитических конденсаторов.

Работа с частотной регулировкой очень проста. Главное – не забывать перед включением высокого напряжения устанавливать частоту задающего генератора существенно выше резонансной частоты нагрузки. Так, чтобы мощность, потребляемая инвертором, при включении была минимальной. После установки частоты задающего генератора на максимальный уровень включаем высокое напряжение при помощи основного автомата. На амперметре мы увидим бросок тока, обусловленный зарядкой электролитических конденсаторов блока питания. Через несколько секунд потребляемый ток упадет до минимального значения, соответствующего начальной рабочей частоте задающего генератора. После этого включаем вспомогательный автомат, замыкающий зарядный резистор, и приступаем к работе. Начинаем плавно понижать частоту задающего генератора. При этом необходимо контролировать потребляемый ток и (желательно) разность фаз тока и напряжения нагрузки на экране осциллографа. На требуемом уровне мощности останавливаемся. Работать в области ниже резонанса не рекомендуется. Общий вид работающего инвертора с частотной регулировкой мощности показан на рис.17.
 

Рис.17. Общий вид работающего инвертора с частотной регулировкой мощности.

Пример регулировочной кривой для нагрузки, использованной в данном примере, показана на рис.18. Мы видим, что она сильно нелинейная, а ее форма, естественно, зависит от вида АЧХ конкретной нагрузки. Резонансная частота нагрузки в данном эксперименте – 72.8 кГц.
 

Рис.18. Регулировочная кривая для данного варианта нагрузки.

Помимо нелинейности регулировочной кривой и ее зависимости от нагрузки у частотного метода есть еще один недостаток. При частоте возбуждения, несовпадающей с резонансной частотой, фазы напряжения и тока нагрузки не совпадают. Поэтому при таком способе невозможно реализовать «мягкий» режим работы ключей (например, включать/выключать ключи, когда значение тока близко к нулю). Такой режим возможен только вблизи максимального уровня мощности, когда частота задающего генератора близка к резонансной частоте нагрузки.

Перейдем теперь к рассмотрению вариантов инверторов, свободных от этих недостатков.
 

Инвертор с PDM-регулировкой мощности

PDM-регулировка мощности – один из немногих методов, позволяющих обеспечить «мягкий» режим работы ключей во всем диапазоне регулировки мощности инвертора. Аббревиатура «PDM» означает Pulse Density Modulation. Т.е. – модуляция плотности импульсов. Особенность этого режима в том, что мы «накачиваем» энергию в нагрузку (переключаем ключи) не каждый период колебаний тока в нагрузке, а, например, через раз (или через два). В этом случае мы получим среднюю мощность в нагрузке соответственно в два (или в три) раза меньшую.

Здесь можно провести очень наглядную аналогию с качелями, которые мы раскачиваем с земли. Представьте, что вы толкаете качели не каждый раз, когда они к вам приближаются, а только через раз или через два. Или вообще, пропускаете толчки по какому-нибудь очень «хитрому» алгоритму, поддерживая какой-то совершенно особый вариант изменения средней амплитуды колебаний качелей, который больше всего нравится вашей девушке. Это и есть PDM.

Вернемся к инвертору. Поскольку частота задающего генератора близка к резонансной частоте нагрузки, то ключи всегда будут переключаться вблизи нуля тока. Во время PDM-пауз (когда энергия в контур не «накачивается») контур совершает свободные колебания. В зависимости от топологии, ток во время свободных колебаний замыкается либо через возвратные диоды ключей и конденсаторы фильтра блока питания, либо через постоянно открытый в PDM-паузах нижний ключ полумоста и его возвратный диод.

Инвертор с частотной регулировкой мощности, рассмотренный в предыдущем разделе, тоже сравнительно просто превращается в инвертор с PDM-регулированием. Для этого нам нужно настроить задающий генератор на резонанс с нагрузкой и установить между задающим генератором и силовым модулем, так называемый, PDM-модулятор, который по определенному алгоритму будет либо пропускать, либо не пропускать управляющие импульсы на силовой модуль. Блок-схема такого инвертора показана на рис.19.
 

Рис.19. Блок схема инвертора с PDM-регулировкой мощности.

Таким образом, дело только за PDM-модулятором.
 

Модуль PDM-модулятора

Основная функция PDM-модулятора – пропускать только определенное количество импульсов из всех импульсов, поступающих на его вход от задающего генератора. Процент пропущенных импульсов определяется требуемым уровнем мощности инвертора. Существует множество алгоритмов, при помощи которых можно осуществить такое «прореживание» входных импульсов. Один из них, очень простой и удобный для реализации на микроконтроллерах, подробно рассмотрен в статье [3, 8]. В виде законченного модуля его можно найти в приложении к другой статье [4, 8], в самом конце которой кратко рассмотрены возможные варианты его использования. Схема PDM-модулятора с сервисным микроконтроллером и жидкокристаллическим дисплеем представлена на рис.20.
 

Рис.20. Схема модуля PDM-модулятора.

На микроконтроллере IC1 реализованы сервисные функции – опрос кнопок, обслуживание жидкокристаллического дисплея, измерение частоты входного сигнала и передача по USART установленного пользователем уровня PDM в микроконтроллер самого PDM-модулятора, реализованного на втором микроконтроллере IC2. Кнопка «Пуск» в данной задаче не используется. Ее можно не ставить. Либо использовать для других целей (например, диагностических). На рис.21 представлен вид собранного модуля.
 

Рис.21. Общий вид модуля PDM-модулятора.

Все материалы, необходимые для изготовления модуля PDM-модулятора, можно найти в дополнительных материалах к данной статье [7] в папке PDM_Control_375. Единственная регулировка, которая требуется при первом включения — установка контрастности ЖК-дисплея при помощи резистора R2 (рис.20).
 

Практический пример инвертора с PDM-регулировкой мощности

Вставляем готовый модуль PDM-модулятора между силовым модулем и синтезатором частоты. Платы модулей синтезатора и модулятора разведены так, что их можно расположить впритык друг к другу, соединив соответствующие клеммы короткими жесткими проводниками. Вид инвертора с PDM-регулировкой мощности в процессе тестирования показан на рис.22.
 

Рис.22. Инвертор с PDM-регулировкой мощности в процессе работы.

Работа с таким инвертором тоже довольно проста. Если известна резонансная частота нагрузки, то частота задающего генератора устанавливается чуть выше резонансной частоты. После этого включается высокое (не забывая про зарядный резистор). Затем нажатием кнопок «Мощность +» и «Мощность –» устанавливается требуемый уровень мощности инвертора.

Если же резонансная частота не известна, то вначале поступаем точно так же, как и при частотной регулировке. Перед включением высокого напряжения на задающем генераторе устанавливаем частоту заведомо больше резонансной частоты нагрузки. Далее, включаем высокое и выставляем уровень PDM на 10% или 20%. Плавно понижаем частоту задающего генератора так, чтобы получить максимальную амплитуду сигнала тока. Это можно сделать множеством способов, но нас устроит лишь такая частота, при которой количество периодов колебаний тока между двумя импульсами напряжения было 10 или 5 соответственно. Все. Настройка частоты выполнена. Теперь, регулируя уровень PDM, выставляем требуемый уровень мощности и приступаем к работе.

Осциллограммы тока и напряжения при нескольких значения PDM показаны на рис.23. Из этих осциллограмм легко видеть, что переключение ключей (фронты и срезы сигналов напряжения — желтый цвет осциллограмм) происходят в моменты времени, когда ток нагрузки близок к нулю (осциллограммы голубого цвета). При необходимости такой режим достигается путем дополнительной подстройки частоты задающего генератора. Мы видим, что, в отличие от частотной регулировки, «мягкий» режим переключения ключей в данном случае сохраняется во всем диапазоне изменения мощности инвертора.
 

Рис.23. Осциллограммы тока и напряжения при различных значениях PDM.

Ниже на рис.24 приведена регулировочная кривая для инвертора с PDM-регулировкой мощности. Видно, что нелинейность этой регулировочной кривой гораздо меньше, чем для инвертора с частотной регулировкой.
 

Рис.24. Регулировочная кривая для инвертора с PDM-регулировкой мощности.

Рисунки 23 и 24 иллюстрируют два основных преимущества PDM-регулировки мощности – сохранение «мягкого» режима переключения ключей во всем диапазоне регулировки мощности и достаточно линейная регулировочная кривая. «Заплатили» мы за это усложнением логики управления силовым модулем.
 

Автогенератор с регулировкой мощности при помощи ЛАТРа

В предыдущих примерах мы использовали «ручную» настройку частоты задающего генератора в резонанс с нагрузкой. Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) для задач индукционного нагрева обычно не является принципиально важной, т.к. добротности нагрузок обычно невысоки, а изменение резонансной частоты за счет перехода точки Кюри или изменения геометрии плавящегося металла, как правило, тоже не очень велики. Для таких задач гораздо важнее автоматическая регулировка мощности инвертора, которая, кстати, сравнительно просто реализуется при помощи PDM-модулятора.

Тем не менее, АПЧ очень удобна на практике, т.к. избавляет от необходимости выполнять процедуру «ручной» настройки частоты, например, при смене нагрузки. В связи с этим рассмотрим еще пару вариантов инверторов, снабженных такой функцией.

В статье [4, 8] мы анализировали различные способы автоматической подстройки частоты лабораторного инвертора и на модельном инверторе были продемонстрированы три наиболее распространенных варианта. Для инверторов с PDM-регулированием мощности наиболее удобной является реализация АПЧ по принципу автогенератора. В автогенераторе сигнал, пропорциональный выходному, после соответствующего усиления подается на вход инвертора так, чтобы образовывалась положительная обратная связь. При достаточном коэффициенте усиления цепи обратной связи, в инверторе будет наблюдаться автогенерация. Так как суммарный коэффициент усиления всей цепи обратной связи будет максимален именно на резонансной частоте нагрузки, то частота автогенератора коррелируется с ней. Т.е. автоматическая подстройка частоты осуществляется за счет частотной избирательности нагрузки.

В той же работе [4, 8] мы выяснили, что задержки сигнала, обусловленные наличием dead-time в двухтактных схемах инверторов и задержками в драйверах, приводят к тому, что частота автогенерации может заметно отличаться от резонансной частотой нагрузки. При этом ключи начинают работать не в оптимальных режимах. Для устранения этой особенности в цепь положительной обратной связи вводится еще один модуль – компенсатор задержки, осуществляющий отрицательный сдвиг фазы. С небольшими изменениями этот же модуль мы будем использовать и в данной работе.
 

Модуль компенсатора задержки

Схема модуля компенсатора задержки и готовой платы представлены на рис.25. Красным цветом помечены два дополнительных резистора, которые облегчают запуск ФАПЧ компенсатора задержек и улучшают стабильность работы ГУН, по сравнению с модулем, описанным в [4, 8].
 

Рис.25. Модуль компенсатора задержек.

Подробно работа компенсатора рассмотрена в статье [4, 8]. Здесь же только отметим, что за счет использования цепочки R3C3, ГУН микросхемы IC1 генерирует сигнал, опережающий по фазе входной сигнал. Т.е., образно говоря, происходит как бы «отрицательная задержка» входного сигнала так, чтобы полностью компенсировать запаздывание сигнала в силовом модуле.

Для удобства, все материалы, необходимые для изготовления этого модуля, с минимальными изменениями продублированы в архиве материалов к данной статье [7] в папку Neg_391.
 

Дифференциальный трансформатор тока

Здесь необходимо обсудить еще один нюанс. Сигнал положительной обратной связи, который мы будем подавать на вход компенсатора задержек, пропорционален току, текущему через нагрузку. Как правило, в качестве датчика тока используются трансформаторы тока. Обычно с ними нет никаких проблем, но для лабораторных задач инверторы должны иметь широкий диапазон регулировки мощности. Фактически от 0 до максимально возможного. А это уже создает определенные проблемы при малых уровнях мощности. Характерные высокочастотные наводки, совпадающие по времени с моментами переключения ключей, по амплитуде становятся сопоставимы с самим сигналом тока. Пример таких наводок можно посмотреть на рис.26 справа, где они выделены красным. Эти наводки могут приводить к сбоям ФАПЧ компенсатора задержек и в результате – к невозможности работы всей системы.
 

Рис.26. Пример высокочастотных наводок на сигнале тока и схема дифференциального трансформатора тока.

Характерные частоты этих наводок много выше рабочих частот инвертора и составляют десятки мегагерц. Поэтому они сравнительно просто отфильтровать. В данной работе для этой цели используется дифференциальный трансформатор тока, схема которого приведена на рис.26 справа. Вторичные обмотки мотаются бифилярно. Затем конец одной соединяется с началом другой и делается отвод. Высокочастотные наводки с двух вторичных обмоток взаимно компенсируются. Такой трансформатор позволяет существенно снизить уровень помех и повысить надежность работы АПЧ.

Ну вот теперь у нас есть все, чтобы собрать автогенератор.
 

Пример автогенератора с регулировкой мощности при помощи ЛАТРа

Для разнообразия в первом варианте автогенератора мы будем регулировать мощность при помощи ЛАТРа. Такой вариант может быть интересен для тех, кто не хочет связываться с микроконтроллерами и PDM. Блок-схема инвертора показана на рис.27.
 

Рис.27. Блок-схема автогенератора.

Работать с таким инвертором очень просто. В самом начале работы ЛАТР установлен в ноль. Включаем все питание. Начинаем плавно поворачивать ручку ЛАТРа. Вначале ГУН компенсатора задержек (работающий фактически как дежурный генератор) выдает минимально возможную частоту, определяемую резистором R5 и емкостью C5 (рис.25). Но при достижении напряжения питания инвертора уровня 20-30В (это, конечно, зависит от добротности нагрузки) ФАПЧ «срабатывает» и автогенератор начинает работать на частоте, близкой к резонансной частоте нагрузки.

При первом запуске автогенератора необходимо отрегулировать величину «отрицательной задержки» компенсатора. Это делается при помощи резистора R3 (рис.25). Отрегулировать его необходимо так, чтобы фаза сигнала тока совпала с фазой сигнала напряжения. Или чуть-чуть запаздывала, если на фронтах сигнала напряжения будут сильные «иглы».

На этом настройка автогенератора заканчивается. Далее, поворачивая ручку ЛАТРа, выставляем необходимый для работы уровень мощности инвертора. В дальнейшем (в том числе и при смене нагрузок) никаких дополнительных настроек компенсатора задержек уже не потребуется. Теперь для работы остается только одна «ручка» – ручка ЛАТРа. На рис.28 показан автогенератор в процессе работы.
 

Рис.28. Автогенератор в процессе работы.

 

Автогенератор с PDM-регулировкой мощности

Ну и наконец, для завершения демонстрации возможностей нашего «конструктора» инверторов соберем автогенератор с более «продвинутым» способом регулировки мощности, чем ЛАТР. Это будет автогенератор с PDM-регулировкой мощности.

Блок-схема его показана на рис.29. В принципе, все узлы этого инвертора мы уже рассматривали. Убираем ЛАТР (не забывая о зарядном резисторе), а между силовым модулем и компенсатором задержек вставляем уже знакомый нам модуль PDM-модулятора.
 

Рис.29. Автогенератор с PDM-регулировкой мощности.

Работа с таким автогенератором не менее проста, чем с предыдущим вариантом. После включения питания начинаем увеличивать уровень PDM. Начиная с PDM 4-5% (для данной нагрузки) «срабатывает» АПЧ автогенератора. После этого остается только выставить требуемый уровень мощности при помощи тех же самых кнопок. На рис. 30 изображен наш автогенератор c PDM в процессе работы.
 

Рис.30. Автогенератор с PDM-регулировкой мощности.

На графиках рис.31 можно видеть как происходит «запуск» системы ФАПЧ компенсатора задержки при увеличении PDM. Там же изображена и зависимость потребляемой мощности автогенератора от PDM.
 

Рис.31. Зависимость частоты автогенератора и потребляемой мощности от PDM.

 

Примечание к автогенераторам

Рассматривая два последних варианта инвертора, я употреблял термин «автогенератор». Поскольку в цепи обратной связи стоит компенсатор задержек, который использует систему ФАПЧ для своей работы, то такую топологию часто называют «инверторами с ФАПЧ». Вопрос, конечно, в большой степени терминологический. Но по сути, две последние конструкции все-таки скорее относятся к автогенераторам, поскольку механизм автоподстройки частоты у них связан именно с частотной избирательностью цепи обратной связи, характерной для автогенераторов, а не за счет минимизации разности фаз двух сигналов (например, тока и напряжения на контуре), характерного для ФАПЧ.
 

Выводы и обсуждение

Итак, мы закончили демонстрацию возможностей нашего «конструктора» лабораторных инверторов. Опыт его практического использования в процессе решения различных лабораторных задач (причем, не только связанных с индукционным нагревом) показывает, что такой подход оказался очень удобным, гибким, экономящим время и средства. Фактически такой конструктор «закрывает» все лабораторные потребности в инверторах с мощностью до нескольких кВт и частотой до нескольких сотен кГц, применительно к задачам индукционного нагрева, генерирования неравновесной плазмы и мощного ультразвука.

Что же дальше? Работы в направлении развития «конструктора», скорее всего, будут продолжены. В основном — в сторону использования более современной элементной базы, расширения частотного диапазона модулей и их интеграции с информационными сетями. Но – только в «фоновом режиме». Поскольку главная цель – «инкапсуляция» электронной части задачи подготовки физико-химического эксперимента с использованием инверторов в целом достигнута. С этой точки зрения экспериментатору остается только выбрать подходящий вариант инвертора и собрать его из готовых модулей. Основные же задачи (подготовки эксперимента по части инверторов) теперь смещаются в сторону разработки и согласования конкретных нагрузок. По сути дела именно «нагрузки» осуществляют трансформацию энергии высокочастотных электрических колебаний в энергию соответствующего поля (термического, электромагнитного, ультразвукового и т.п.). Возможна ли какая-нибудь унификация этого процесса? Пока не ясно. Как показал совсем небольшой опыт использования лабораторного инвертора для возбуждения ультразвука в жидких средах, это сложные физические задачи. Но очень увлекательные.

В заключение хочется привести «коллективную фотографию» четырех модулей из конструктора лабораторных инверторов, которые неплохо «потрудились» для данной статьи.
 

Рис.32. Модули лабораторного инвертора, использованные в данной работе.

 

Литература

 

1. Кухтецкий С.В. Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева.
   http://www.icct.ru/Practicality/Papers/30-03-2010/Invertor-01.php или Статья в формате pdf
2. Кухтецкий С.В. Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 2.
   http://www.icct.ru/Practicality/Papers/05-07-2010/Invertor-02.php или Статья в формате pdf
3. Кухтецкий С.В. Цифровой модулятор плотности импульсов для регулирования мощности инвертора.
   http://www.icct.ru/Practicality/Papers/01-11-2010/Invertor-03.php или Статья в формате pdf
4. Кухтецкий С.В. Способы подстройки частоты лабораторного инвертора.
   http://www.icct.ru/Practicality/Papers/08-04-2011/Invertor-04.php или Статья в формате pdf
5. Кухтецкий С.В. Лабораторный инвертор с PDM-регулированием мощности.
   http://www.icct.ru/Practicality/Papers/16-05-2011/Invertor-05.php или Статья в формате pdf
6. Трансформатор тока — http://bsvi.ru/transformator-toka
7. Архив материалов к статье
8. Архив всех статей, посвященных лабораторным инверторам, и дополнительных материалов к ним на dropbox

Благодарности

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ОХНМ РАН (проект №5.5.3) и ГК № 02.740.11.0269.
 

Приложение 1. Поиск неисправностей

Поиск неисправностей следует проводить в такой последовательности.

1. На всякий случай необходимо убедится, что на выходе инвертора (резистор R17) действительно нет сигнала. В противном случае — заменить лампочку нагрузки.
2. Проверяем наличие питания на всех шинах.
3. Проверяем сигнал на выходе генератора сигналов/на входе опторазвязки (IC1). Щупы осциллографа должны быть подключены к выводам 2 и 3 (земля) IC1. Должен быть меандр с амплитудой не менее 4 В. При вращении ручки регулировки частоты длительность импульсов и пауз должены соответствующим образом изменяться.
4. Проверяем работу опторазвязки – сигнал на выходе IC1. Земляной щуп осциллографа переключить на соответствующий штырек, припаянный к общей шине платы силового модуля. Теперь нужно работать осторожно. На земляном проводе осциллографа может оказаться высокий потенциал.
5. Проверяем последовательно наличие сигнала на выходах D1.1, D1.2, D2.1 и D2.2.
6. Если используется двухлучевой осциллограф, то посмотреть взаимное расположение импульсов на выходах D2.1 и D2.2. Убедиться в наличии паузы dead-time. Ее величина должна быть около 500 нс.
7. Проверить наличие сигнала на выходе LO драйвера (ножка 1 IC2).
8. Переключить земляной щуп осциллографа к выходу инвертора (Out+, но лучше – к выводу 5 IC2). Посмотреть сигнал на выходе HO (ножка 7 IC2).
9. Если пункты 1-8 пройдены успешно, а сигнала нет, то, скорее всего, проблема в силовых транзисторах VT1, VT2.

Приложение 2. Настройка уровня срабатывания токовой защиты

Да. На полностью собранном модуле с рабочей нагрузкой. Алгоритм настройки порога срабатывания защиты таков.

1. Выставляем максимальную чувствительность защиты (ползунок резистора R14 вверху по схеме).
2. Осциллограф для контроля — на шунт. Землю не путаем (особенно, если используются еще каналы этого осциллографа). На экране должны быть отрицательные импульсы падения напряжения на шунте.
3. Включаем все питание.
4. Постепенно увеличиваем PDM (либо напряжение питания инвертора в случае регулировки мощности при помощи ЛАТРа). Наблюдаем за импульсами. При каком-то PDM (напряжении) защита сработает.
5. Загрубляем слегка чувствительность защиты (крутим R14).
6. Сбрасываем PDM на 0 (напряжение питания инвертора – в 0), затем — сбрасываем триггер защиты.
7. Переходим к шагу 4. До тех пор, пока не дойдем до 100% PDM или пока амплитуда импульсов с шунта на экране осцилла (в пересчете на ток) не подойдет к предельным значениям для данных ключей. На этом — выходим из цикла. 

7.4. Формирование сигналов синхронизации. 7. Синхронизация развертывающих устройств и источников сигнала. Основы радиосвязи и телевидения

Для получения синхронизирующих и управляющих импульсов используется специальное устройство — синхрогенератор, с помощью которого формируются импульсы с требуемыми формой и временными параметрами. Число независимых друг от друга выходов для каждого вида импульса устанавливается в соответствии с числом потребителей на ТВ центре. Эти задачи решаются путем выполнения синхрогенератором следующих функций: в задающем устройстве (хронизаторе) устанавливается жесткая связь между частотами переменных напряжений, из которых впоследствии будут сформированы импульсы. В формирующем устройстве создаются импульсы требуемой формы и временных сдвигов между ними. В устройствах согласования и распределения импульсов каждый из видов импульсов распределяется по нескольким кабельным линиям, соединяющим синхрогенератор с многочисленными потребителями.

Хронизатор синхрогенератора состоит из задающего генератора и формирователя набора (сетки) опорных частот.

Частота задающего генератора определяется стандартом развертки. При построчной развертке частота кадров f = n (n — число кадров в секунду), число строк в кадре z и частота строк f связаны простым соотношением: f = nz, которое определяет структуру задающей части (рис.7.9). С помощью ряда делителей строчная частота f делится на z, в результате чего на выходе получается сигнал с кадровой частотой f. Таким образом, частоты f и f оказываются жестко связанными между собой, что и обеспечивает постоянство числа строк в каждом кадре изображения.

Рисунок 7.9. Структурная схема задающего устройства синхрогенератора при построчной развертке

Рисунок 7.10. Структурная схема задающего устройства синхрогенератора при чересстрочной развертке

При чересстрочной развертке каждый кадр изображения состоит из двух полей. Частота, с которой работает кадровая развертка, оказывается вдвое больше, чем частота кадров, т.е. f = 2f. Эта частота связана с числом строк в одном поле и частотой строк соотношением

f=zf.

Чтобы получить частоту полей f из частоты строк f, необходимо строчную частоту разделить на z/2, т.е. на число строк в одном поле. Но при чересстрочной развертке число строк в кадре берется нечетным, и z/2 получится дробным. Способов же точного деления частоты с дробным коэффициентом деления не существует. Поэтому поступают следующим образом. Задающий генератор работает на удвоенной частоте строк 2f (рис.7.10). Эта частота делится на целое число z, и на выходе устройства получается частота полей f. Для получения частоты строк f частоту задающего генератора 2f делят на 2. С выхода устройства снимаются три напряжения с частотами: двойной строчной 2f, строчной f и полей f.

Значение частоты колебаний задающего генератора, равное двойной строчной частоте, является минимально возможным. В современных синхрогенераторах, как будет показано ниже, для обеспечения работы формирующего устройства необходима широкая номенклатура импульсов с разными частотами, значительно превышающими строчную или двойную строчную частоту. Значения этих частот колеблются от сотен килогерц до нескольких мегагерц. Тем не менее из приведенных выше рассуждений следует, что частота задающего генератора должна быть кратной f при построчной развертке и 2f -при чересстрочной.

Стабильность работы задающих генераторов должна быть достаточно высока, чтобы обеспечить в соответствии со стандартом погрешность частоты строк не более 0,016 Гц, что в пересчете в относительную погрешность составит величину = 10^-6.

Обобщенная структурная схема современного синхрогенератора (рис.7.11) претерпевает определенные изменения в зависимости от режима работы синхрогенератора.

Существует три основных режима работы синхрогенератора: автономный, ведомый и режим централизованной синхронизации.

В автономном режиме в качестве задающего генератора в хронизаторе используется высокостабильный (кварцованный) автогенератор. Переключатель В1 устанавливается в этом случае в положение Авт. Задающий генератор работает с высокой стабильностью, определяемой стандартом. Этот режим применяется, когда телевизионная программа создается аппаратурой, обслуживаемой одним синхрогенератором. В создании телевизионной программы на крупном телевизионном центре используется очень большой объем оборудования, размещенного в различных аппаратных. Оно должно работать

Рисунок 7.11. Обобщенная структурная схема синхрогенератора: ФССИ, ФКСИ, ФССП, ФСГ, ФСС – формирователи сигналов строчных синхронизирующих, кадровых синхронизирующих, синхронизации приемника, гашения, служебных соответственно; ВК – выходные каскады

строго синхронно и синфазно, т.е. от одних и тех же синхронизирующих импульсов. Это требование означало бы необходимость иметь на телевизионном центре сложнейшую разветвленную сеть распределения синхросигналов от одного синхрогенератора. На практике поступают иначе. В каждой из аппаратных телецентра имеется свой синхрогенератор, структура которого определена рис.7.11. Каждый из синхрогенераторов обслуживает оборудование только данной аппаратной. Если при создании телевизионной программы требуется участие нескольких аппаратных, то их синхрогенераторы переводятся в режим централизованной синхронизации (переключатель В1 в положении ССЦ). В этом случае задающие генераторы синхрокомплектов отключены, а на вход формирователей опорных частот поступает по кабелю сигнал от одного, общего для телецентра задающего генератора. Таким образом, вместо сложной разветвленной сети распределения синхросигналов каждая аппаратная работает от одной линии, по которой поступает исходная, общая для всех частота.

Особые условия возникают при организации телевизионной программы несколькими, далеко расположенными друг от друга источниками сигнала. Например, когда программа компонуется из сюжетов, доставляемых с передвижных телевизионных станций или даже со станций разных городов. Телевизионные сигналы внешних источников из-за несинхронности нельзя микшировать (смешивать) с сигналом местной станции, в них нельзя вводить ее титры и видеоэффекты. Это сужает творческие и художественные возможности создателей комбинированной программы. Кроме того, несинхронность сигналов местного и внешнего источников при их смене будет приводить к скачкам фазы синхронизирующих импульсов, что обусловит возможные кратковременные сбои синхронизации в телевизионных приемниках, нарушит работу в линиях связи и ретрансляторах, устройствах видеозаписи и др. Таким образом, необходимо синхронизировать различные источники программы. Для этого синхрогенератор местного источника ставится в автономный режим. Из полученного от внешнего источника по радиоканалу или другой линии связи телевизионного сигнала выделяется с помощью амплитудного селектора сигнал синхронизации приемника ССП, который подается на фазовый детектор системы ФАПЧ, имеющийся в синхрогенераторе. На второй вход этого детектора подаются импульсы ССП от местного синхрогенератора. Происходит сравнение двух сигналов синхронизации: от местного и внешнего источников. Системой ФАПЧ вырабатывается сигнал ошибки, который представляет собой постоянно или медленно меняющееся напряжение. Этот сигнал по отдельному каналу связи, в качестве которого можно использовать обычную телефонную линию, направляется обратно к внешнему источнику программы и подается на вход перестраиваемого генератора опорной частоты хронизатора. Переключатель В1 в хронизаторе внешнего источника должен быть переведен в положение Вед. Сигнал ошибки, воздействуя на генератор, подстраивает его частоту и фазу до тех пор, пока ошибка не станет равной нулю, т.е. до равенства частот и фаз синхроимпульсов местного и внешнего источников. Внешний источник, таким образом, как бы ведется местным, отчего и режим работы внешнего синхрогенератора называется ведомым.

На рис.7.11 в качестве примера изображены элементы двух систем ФАПЧ, позволяющих подчинить местному синхрогенератору два внешних источника программы.

Возможен вариант ведомого режима работы синхрогенератора, в котором источник местной программы должен быть синхронизирован источником внешней программы без использования отдельного канала синхронизации между ними. В этом случае сигнал ССП внешнего источника должен быть подан в соответствии с рис.7.11 на вход ФАПЧ2, а полученный сигнал ошибки, скоммутированный переключателем В2 на собственный генератор опорной частоты, подстроит частоту и фазу местного источника под внешний источник. Этот режим оказывается эквивалентным режиму синхронизации телевизионного приемника. Использован он может быть, когда в программу местного источника необходимо включить только фрагменты программы внешнего источника, а не осуществлять его полную ретрансляцию.

МЭМС-генераторы для промышленного применения

Тактовые генераторы — неотъемлемая часть современных радиоэлектронных приборов. Области промышленного применения генераторов — медицинская электроника и системы жизнеобеспечения, метрология и автоматизация производственных процессов, связь и транспорт, аэрокосмическая промышленность и военная техника — диктуют жесткие требования к тактовым генераторам. В первую очередь это стабильность частоты при воздействии повышенной и пониженной температуры, вибрации и других внешних факторов.

Введение

Традиционно для стабилизации тактовой частоты использовались кварцевые и пьезокерамические резонаторы [1, 2]. Сегодня на смену им пришли МЭМС-генераторы, обеспечивающие высокую стабильность и надежность при малых габаритах и низком энергопотреблении.

МЭМС-генератор — это, по существу, микросхема, объединяющая в одном корпусе резонатор и синтезатор частоты (рис. 1).

рис. 1. Функциональная схема МЭМС-резонатора

MEMS-резонаторы имеют линейные размеры менее 500 мкм и высоту менее 200 мкм, что делает их на 90% меньше, чем кварцевые резонаторы. На рис. 2 в одном масштабе показаны самый маленький керамический резонатор для поверхностного монтажа (слева) и МЭМС-резонатор.

рис. 2. Керамический и МЭМС-резонаторы

Благодаря миниатюрности МЭМС-генератор особенно подходит для мобильных устройств.

Один из лидеров рынка МЭМС-генераторов, компания SiTime, предлагает МЭМС-генераторы для промышленного применения, обладающие непревзойденными характеристиками.

Микрогабариты

SiTime позиционирует свои изделия как замену кварцевым генераторам. Благодаря малым размерам МЭМС-генераторы занимают меньше места на плате, чем кварцевые резонаторы, и могут быть установлены на их площадки. Стандартные размеры МЭМС-генераторов SiTime выбраны из соображений простоты модернизации радиоэлектронной аппаратуры и имеют следующие величины (ДхШ): 2×1,6; 2,5×2; 3,2х2,5; 5×3,2; 7×5 мм.

Компания выпускает МЭМС-генераторы в корпусах типов CSP: 1508; QFN: 2016, 2520, 3225, 5032, 7050; SOT23-5: 2928; SMD: 3225, 5032, 7050.

Стабильность тактовой частоты

В таблице приведены основные характеристики МЭМС-генераторов семейства SiT20хх от SiTime. Особое внимание следует обратить на относительную стабильность частоты, которая включает начальное отклонение при изготовлении, уход из-за старения в течение первого года, температурную нестабильность, уход из-за колебаний напряжения питания и влияния нагрузки. Стабильность частоты измеряется в ppm (part per million — 10^-6 от номинальной частоты).

Таблица. Характеристики семейства SiT20xx

наименование	Частота, МГц	Стабильность частоты, ppm	напряжение питания, В	Диапазон рабочих температур, °C	Тип и размеры корпуса
SIT2018	1-110	±20 ±25 ±50	1,8 или 2,5—3,3	-40…+105 или -40…+ 125	(2,9х 2,8)
SIT2019	115-137
SiT2020	1-110			-55…+125
SiT2021	119-137

Например, уход частоты генератора SiT2020BM-S1 с номинальной частотой 100 МГц не превысит 2 кГц (20 ppm) в диапазоне температур -55.. .+125 °C.

Также компания выпускает МЭМС-генераторы с нестабильностью до ±0,05 ppm на частоты до 220 МГц и ±10 ppm на частоты до 725 МГц.

Таким образом, по стабильности частоты МЭМС-генераторы вполне могут заменить кварцевые и тем более керамические резонаторы.

Гибкая конфигурация

На протяжении десятилетий длительный срок изготовления кварцевых резонаторов с индустриальными параметрами «под заказ» был ахиллесовой пятой кварцевой промышленности. Например, резонатор на частоту 72320 кГц для передатчиков популярного диапазона LPD433 приходилось ожидать многие недели после заказа. Положение изменилось, когда появились МЭМС-генераторы.

В марте 2020 года компания SiTime объявила о доступности МЭМС-генераторов в течение 48 ч по всему миру. За счет чего удалось достичь таких успехов?

Генераторы SiTime имеют программируемую архитектуру, которая позволяет настраивать несколько параметров устройства, включая выходную частоту (с точностью до шести десятичных знаков), стабильность частоты и напряжение питания в пределах рабочего диапазона прибора. Компания серийно выпускает обширный ассортимент универсальных генераторов на разные диапазоны, которые хранятся на складах и в кратчайший срок программируются дистрибьюторами под конкретные требования заказчика.

Стремясь еще более сократить этот срок, компания SiTime разработала способ программирования генераторов в «полевых условиях», то есть у заказчика.

Программирование рабочей частоты осуществляется с помощью персонального компьютера и программатора (рис. 3).

Рис. 3. Программатор и интерфейс программы

Процесс программирования занимает несколько секунд и, помимо частоты и других настроек, позволяет задать функцию управляющего контакта.

Микропотребление

Тактовые генераторы МЭМС отличаются экономичностью. Так, генератор SiT2018B потребляет не более 4,7 мA при напряжении питания 3,3 В (на рабочей частоте 20 МГц).

Схема подключения МЭМС-генератора (рис. 4) содержит управляющий контакт с программируемыми функциями OE/ST, предназначенный для управления энергопотреблением.

Рис. 4. Схема подключения МЭМС-генератора SiT2018B

Функция OE (Output Enable) позволяет выключать выходной каскад генератора, при этом потребляемый ток снижается до 3,5 мА. Поскольку задающий генератор продолжает работать, время включения выходного сигнала не превышает 1 мкс. Функция ST предназначена для перевода в режим ожидания (Standbay), в котором задающий генератор отключается и потребляемый ток не превышает 8,5 мкА. Это очень важно для приборов с батарейным питанием, в частности для медицинской аппаратуры индивидуального мониторинга. Время выхода из режима ожидания и установления выходного сигнала составляет несколько миллисекунд.

Электромагнитная совместимость

Во многих применениях, таких как видеокамеры, дисплеи, многофункциональные принтеры, и других важно минимизировать уровень электромагнитного излучения, источником которого служит тактовый генератор.

Но самой серьезной проблемой электромагнитная совместимость (ЭМС) становится в медицинской электронике. Помехи могут привести к сбоям в работе медицинских устройств, что чревато опасными последствиями. Стандарты ЭМС, такие как IEC 606011-2, обязательны в большинстве стран мира и предписывают нормы на устойчивость радиоэлектронной аппаратуры к электромагнитным помехам от внешних источников, а также ограничение уровней собственных излучений. Экранирование и фильтрация являются общими методами, используемыми для минимизации электромагнитных помех, но экран занимает место на плате устройства и увеличивает его стоимость. Кроме того, зачастую невозможно экранировать все медицинское оборудование.

Оба типа проблем ЭМС (помехоустойчивость и излучение собственных помех) в генераторах MEMS существенно снижены благодаря миниатюрности и могут быть дополнительно уменьшены за счет правильного программирования.

Выходной сигнал генераторов MEMS является основным источником непрерывного электромагнитного излучения. Как известно, частотный спектр сигнала прямоугольной формы состоит из основного тона, а также из набора высших гармоник. Снижение уровня энергии, исходящей от генератора, представляется эффективным методом уменьшения помех. Это может быть достигнуто с помощью генераторов с растянутым спектром или с помощью программируемого снижения выходной мощности до необходимого и достаточного уровня.

В качестве примера на рис. 5 показаны графики снижения амплитуды гармоник тактовой частоты за счет программируемого увеличения времени нарастания trise выходных импульсов.

рис. 5. Зависимость амплитуды гармоник от времени нарастания тактового импульса

Стойкость к вибрации и ударам

При эксплуатации радиоэлектронное оборудование для транспорта подвергается вибрациям и ударам. Кварцевые резонаторы представляют собой консольные структуры, чувствительные к механическим воздействиям. Механические колебания кварцевых кристаллов приводят к модуляции частоты тактового генератора, а удары могут вывести его из строя. Резонаторы МЭМС существенно меньше подвержены механическим воздействиям, поскольку их масса в тысячи раз меньше. На рис. 6 показаны результаты сравнительных испытаний генератора SiTime и кварцованных генераторов двух известных производителей на воздействие синусоидальной вибрации с частотой до 1000 Гц. В ходе испытаний измерялась вибрационная чувствительность, равная отношению ухода частоты к вызвавшему его ускорению, причем уход выражается в миллиардных долях номинальной частоты (parts per billion, ppb), а ускорение в единицах ускорения свободного падения — в g (g = 9,8 м/с²).

рис. 6. Чувствительность к воздействию вибрации

Генератор MEMS производства SiTime превзошел другие устройства в 10-100 раз.

Еще более убедительно генераторы SiTime доказали свое преимущество в испытаниях на ударном стенде. Они выдержали удары с ускорением до 50 000g, в то время как кварцованные генераторы выходили из строя при ускорении 100—1500g.

Фазовые шумы, или джиттер

Очень важным фактором, определяющим потенциальное быстродействие радиоэлектронных устройств, является джиттер — паразитная фазовая модуляция сигнала тактовой частоты. Джиттер оценивают как время отклонения фронтов тактовых импульсов от идеального положения. Различают пиковый джиттер — максимальное отклонение, и среднеквадратический. Чересчур большой джиттер приводит к рассинхронизации узлов радиоэлектронных систем. Генераторы SiTime отличаются весьма малыми значениями джиттера. В качестве примера можно привести семейство генераторов SiT9120, SiT9121 и SiT9122, которые перекрывают диапазон частот 1-625 МГц и способны обеспечить нестабильность частоты менее 10 ppm при температурах -40.. .+85 °C.

Среднеквадратический джиттер у этих генераторов составляет 0,6 пс.

Важная особенность — дифференциальный выход. Это улучшает синхронизацию удаленных узлов системы и уменьшает электромагнитное излучение.

Надежность

Возможно, одно из самых больших преимуществ МЭМС-генераторов состоит в исключительной надежности. Компания SiTime зафиксировала всего два отказа на 1 млн выпущенных генераторов. Это лучший показатель в отрасли, и он меньше в сотни раз, чем у кварцевых резонаторов.

Заключение

МЭМС-генераторы уверенно заменяют кварцевые благодаря сочетанию таких преимуществ, как:

• минимальные габариты;
• стабильность частоты;
• программирование пользователем — ускоренная разработка новых устройств;
• более высокая надежность: наработка на отказ более 1 млрд ч против 25 млн ч;
• электромагнитная совместимость, позволяющая снизить уровень электромагнитных помех без модернизации платы и металлического экрана;
• стойкость к ударам и вибрации.

Литература

1. Иванов Ю., Никонов А., Котюков А. Использование прецизионных генераторов в аппаратуре стандарта 5G // Современная электроника. 2019. № 3.

2. Левашов Ю. Керамические резонаторы // Компоненты и технологии. 2003. № 3.

Опубликовано в журнале «Компоненты и Технологии» №5-2020

https://kit-e.ru/

Схемы любительских частотных преобразователей

Одна из первых схем преобразователя для питания трехфазного двигателя была опубликована в журнале «Радио» №11 1999г. Разработчик схемы М. Мухин в то время был учеником 10 класса и занимался в радиокружке.

Преобразователь предназначался для питания миниатюрного трехфазного двигателя ДИД-5ТА, который использовался в станке для сверления печатных плат. При этом следует отметить, что рабочая частота этого двигателя 400Гц, а напряжение питания 27В. Кроме того, средняя точка двигателя (при соединении обмоток «звездой») выведена наружу, что позволило предельно упростить схему: понадобилось всего три выходных сигнала, а на каждую фазу потребовался всего один выходной ключ. Схема генератора показана на рисунке 1.

Как видно из схемы преобразователь состоит из трех частей: генератора-формирователя импульсов трехфазной последовательности на микросхемах DD1…DD3, трех ключей на составных транзисторах (VT1…VT6) и собственно электродвигателя M1.

На рисунке 2 показаны временные диаграммы импульсов, сформированных генератором-формирователем. Задающий генератор выполнен на микросхеме DD1. С помощью резистора R2 можно установить требуемую частоту вращения двигателя, а также изменять ее в некоторых пределах. Более подробную информацию о схеме можно узнать в указанном выше журнале. Следует отметить, что по современной терминологии подобные генераторы-формирователи называются контроллерами.

Рисунок 1.

Рисунок 2. Временные диаграммы импульсов генератора.

На базе рассмотренного контроллера А. Дубровским из г. Новополоцка Витебской обл. была разработана конструкция частотно-регулируемого привода для двигателя с питанием от сети переменного тока напряжением 220В. Схема устройства была опубликована в журнале «Радио» 2001г. №4.

В этой схеме, практически без изменений, используется только что рассмотренный контроллер по схеме М. Мухина. Выходные сигналы с элементов DD3.2, DD3.3 и DD3.4 используются для управления выходными ключами A1, A2, и A3, к которым подключается электродвигатель. На схеме полностью показан ключ A1, остальные идентичны. Полностью схема устройства показана на рисунке 3.

Рисунок 3.

Подключение двигателя к выходу трехфазного инвертора

Для ознакомления с подключением двигателя к выходным ключам стоит рассмотреть упрощенную схему, приведенную на рисунке 4.

Рисунок 4.

На рисунке показан электродвигатель M, управляемый ключами V1…V6. Полупроводниковые элементы для упрощения схемы показаны в виде механических контактов. Питание электродвигателя осуществляется постоянным напряжением Ud получаемым от выпрямителя (на рисунке не показан). При этом, ключи V1, V3, V5 называются верхними, а ключи V2, V4, V6 нижними.

Совершенно очевидно, что открытие одновременно верхних и нижних ключей, а именно парами V1&V6, V3&V6, V5&V2 совершенно недопустимо: произойдет короткое замыкание. Поэтому, для нормальной работы такой ключевой схемы, обязательно, чтобы к моменту открытия нижнего ключа верхний ключ уже был закрыт. С этой целью контроллеры управления формируют паузу, часто называемую «мертвой зоной».

Величина этой паузы такова, чтобы обеспечить гарантированное закрытие силовых транзисторов. Если эта пауза будет недостаточна, то возможно кратковременное открытие верхнего и нижнего ключа одновременно. Это вызывает нагрев выходных транзисторов, часто приводящий к выходу их из строя. Такую ситуацию называют сквозными токами.

Вернемся к схеме, показанной на рисунке 3. В данном случае верхними ключами являются транзисторы 1VT3, а нижними 1VT6. Нетрудно заметить, что нижние ключи гальванически связаны с управляющим устройством и межу собой. Поэтому управляющий сигнал с выхода 3 элемента DD3.2 через резисторы 1R1 и 1R3 подаются непосредственно на базу составного транзистора 1VT4…1VT5. Этот составной транзистор есть не что иное, как драйвер нижнего ключа. В точности также от элементов DD3, DD4 управляются составные транзисторы драйверов нижнего ключа каналов A2 и A3. Питание всех трех каналов осуществляется от одного и того же выпрямителя на диодном мосте VD2.

Верхние же ключи гальванической связи с общим проводом и управляющим устройством не имеют, поэтому для управления ими кроме драйвера на составном транзисторе 1VT1…1VT2 пришлось в каждый канал установить дополнительный оптрон 1U1. Выходной транзистор оптрона в этой схеме также выполняет функцию дополнительного инвертора: когда на выходе 3 элемента DD3.2 высокий уровень открыт транзистор верхнего ключа 1VT3.

Для питания каждого драйвера верхнего ключа используется отдельный выпрямитель 1VD1, 1C1. Каждый выпрямитель питается от индивидуальной обмотки трансформатора, что можно рассматривать как недостаток схемы.

Конденсатор 1C2 обеспечивает задержку переключения ключей около 100 микросекунд, столько же дает оптрон 1U1, тем самым формируется вышеупомянутая «мертвая зона».

Достаточно ли только регулирования частоты?

С понижением частоты питающего переменного напряжения падает индуктивное сопротивление обмоток двигателя (достаточно вспомнить формулу индуктивного сопротивления), что приводит к увеличению тока через обмотки, и, как следствие, к перегреву обмоток. Также происходит насыщение магнитопровода статора. Чтобы избежать этих негативных последствий, при уменьшении частоты приходится снижать и эффективное значение напряжения на обмотках двигателя.

Одним из способов решения проблемы в любительских частотниках предлагалось это самое эффективное значение регулировать при помощи ЛАТРа, подвижный контакт которого имел механическую связь с переменным резистором регулятора частоты. Такой способ был рекомендован в статье С. Калугина «Доработка регулятора частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей». Журнал «Радио» 2002, №3, стр.31.

В любительских условиях механический узел получался в изготовлении сложным, а главное ненадежным. Более простой и надежный способ использования автотрансформатора был предложен Э. Мурадханяном из Еревана в журнале «Радио» №12 2004. Схема этого устройства показана на рисунках 5 и 6.

Напряжение сети 220В подается на автотрансформатор T1, а с его подвижного контакта на выпрямительный мост VD1 с фильтром C1, L1, C2. На выходе фильтра получается изменяемое постоянное напряжение Uрег, используемое собственно для питания двигателя.

Рисунок 5.

Напряжение Uрег через резистор R1 также подается на задающий генератор DA1, выполненный на микросхеме КР1006ВИ1 (импортный вариант NE555). В результате такого подключения обычный генератор прямоугольных импульсов превращается в ГУН (генератор, управляемый напряжением). Поэтому, при увеличении напряжения Uрег увеличивается и частота генератора DA1, что приводит к увеличению частоты вращения двигателя. При снижении напряжения Uрег пропорционально уменьшается и частота задающего генератора, что позволяет избежать перегрев обмоток и перенасыщение магнитопровода статора.

Рисунок 6.

В той же журнальной статье автор предлагает вариант задающего генератора, который позволяет избавиться от использования автотрансформатора. Схема генератора показана на рисунке 7.

Рисунок 7.

Генератор выполнен на втором триггере микросхемы DD3, на схеме обозначен как DD3.2. Частота задается конденсатором C1, регулировка частоты осуществляется переменным резистором R2. Вместе с регулировкой частоты изменяется и длительность импульса на выходе генератора: при понижении частоты длительность уменьшается, поэтому напряжение на обмотках двигателя падает. Такой принцип управления называется широтно импульсной модуляцией (ШИМ).

В рассматриваемой любительской схеме мощность двигателя невелика, питание двигателя производится прямоугольными импульсами, поэтому ШИМ достаточно примитивна. В реальных промышленных частотных преобразователях большой мощности ШИМ предназначена для формирования на выходе напряжений практически синусоидальной формы, как показано на рисунке 8, и для реализации работы с различными нагрузками: при постоянном моменте, при постоянной мощности и при вентиляторной нагрузке.

Рисунок 8. Форма выходного напряжения одной фазы трехфазного инвертора с ШИМ.

Силовая часть схемы

Современные фирменные частотники имеют на выходе мощные транзисторы структуры MOSFET или IGBT, специально предназначенные для работы в преобразователях частоты. В ряде случаев эти транзисторы объединены в модули, что в целом улучшает показатели всей конструкции. Управление этими транзисторами производится с помощью специализированных микросхем-драйверов. В некоторых моделях драйверы выпускаются встроенными в транзисторные модули.

Наиболее распространены в настоящее время микросхемы и транзисторы фирмы International Rectifier. В описываемой схеме вполне возможно применить драйверы IR2130 или IR2132. В одном корпусе такой микросхемы содержится сразу шесть драйверов: три для нижнего ключа и три для верхнего, что позволяет легко собрать трехфазный мостовой выходной каскад. Кроме основной функции эти драйверы содержат также несколько дополнительных, например защита от перегрузок и коротких замыканий. Более подробную информацию об этих драйверах можно узнать из технических описаний Data Sheet на соответствующие микросхемы.

При всех достоинствах единственный недостаток этих микросхем их высокая цена, поэтому автор конструкции пошел другим, более простым, дешевым, и в то же время работоспособным путем: специализированные микросхемы-драйверы заменены микросхемами интегрального таймера КР1006ВИ1 (NE555).

Выходные ключи на интегральных таймерах

Если вернуться к рисунку 6, то можно заметить, что схема имеет для каждой из трех фаз выходные сигналы, обозначенные как «Н» и «В». Наличие этих сигналов позволяет раздельно управлять верхними и нижними ключами. Такое разделение позволяет формировать паузу между переключением верхних и нижних ключей при помощи блока управления, а не самими ключами, как было показано в схеме на рисунке 3.

Схема выходных ключей с применением микросхем КР1006ВИ1 (NE555) показана на рисунке 9. Естественно, что для трехфазного преобразователя понадобится три экземпляра таких ключей.

Рисунок 9.

В качестве драйверов верхних (VT1) и нижних (VT2) ключей используются микросхемы КР1006ВИ1, включенные по схеме триггеров Шмидта. С их помощью возможно получить импульсный ток затвора не менее 200мА, что позволяет получить достаточно надежное и быстрое управление выходными транзисторами.

Микросхемы нижних ключей DA2 имеют гальваническую связь с источником питания +12В и, соответственно, с блоком управления, поэтому их питание осуществляется от этого источника. Микросхемы верхних ключей можно запитать так же, как было показано на рисунке 3 с использованием дополнительных выпрямителей и отдельных обмоток на трансформаторе. Но в данной схеме применяется иной, так называемый, «бустрепный» метод питания, смысл которого в следующем. Микросхема DA1 получает питание от электролитического конденсатора C1, заряд которого происходит по цепи: +12В, VD1, C1, открытый транзистор VT2 (через электроды сток – исток), «общий».

Другими словами заряд конденсатора C1 происходит в то время, когда открыт транзистор нижнего ключа. В этот момент минусовой вывод конденсатора С1 оказывается практически накоротко соединен с общим проводом (сопротивление открытого участка «сток – исток» у мощных полевых транзисторов составляет тысячные доли Ома!), что и обеспечивает возможность его заряда.

При закрытом транзисторе VT2 также закроется и диод VD1, заряд конденсатора C1 прекратится до следующего открытия транзистора VT2. Но заряд конденсатора C1 достаточен для питания микросхемы DA1 на время, пока закрыт транзистор VT2. Естественно, что в этот момент транзистор верхнего ключа находится в закрытом состоянии. Данная схема силовых ключей оказалась настолько хороша, что без изменений применяется и в других любительских конструкциях.

В данной статье рассмотрены лишь самые простые схемы любительских трехфазных инверторов на микросхемах малой и средней степени интеграции, с которых все начиналось, и где можно даже по схеме рассмотреть все «изнутри». Более современные конструкции выполнены с применением микроконтроллеров, чаще всего серии PIC, схемы которых также неоднократно публиковались в журналах «Радио».

Микроконтроллерные блоки управления по схеме более просты, чем на микросхемах средней степени интеграции, имеют такие нужные функции, как плавный пуск двигателя, защита от перегрузок и коротких замыканий и некоторые другие. В этих блоках все реализовано за счет управляющих программ или как их принято называть «прошивок». Именно от этих программ и зависит насколько хорошо или плохо будет работать блок управления трехфазного инвертора.

Достаточно простые схемы контроллеров трехфазного инвертора опубликованы в журнале «Радио» 2008 №12. Статья называется «Задающий генератор для трехфазного инвертора». Автор статьи А. Долгий является также автором цикла статей о микроконтроллерах и многих других конструкций. В статье приведены две простых схемы на микроконтроллерах PIC12F629 и PIC16F628.

Частота вращения в обеих схемах изменяется ступенчато с помощью однополюсных переключателей, что вполне достаточно во многих практических случаях. Там же дается ссылка где можно скачать готовые «прошивки», и, более того, специальную программу, с помощью которой можно изменять параметры «прошивок» по своему усмотрению. Возможна также работа генераторов режиме «демо». В этом режиме частота генератора уменьшена в 32 раза, что позволяет визуально с помощью светодиодов наблюдать работу генераторов. Также даются рекомендации по подключению силовой части.

Но, если не хочется заниматься программированием микроконтроллера фирма Motorola выпустила специализированный интеллектуальный контроллер MC3PHAC, предназначенный для систем управления 3-фазным двигателем. На его базе возможно создание недорогих систем регулируемого трехфазного привода, содержащего все необходимые функции для управления и защиты. Подобные микроконтроллеры находят все более широкое применение в различной бытовой технике, например, в посудомоечных машинах или холодильниках.

В комплекте с контроллером MC3PHAC возможно использование готовых силовых модулей, например IRAMS10UP60A разработанных фирмой International Rectifier. Модули содержат шесть силовых ключей и схему управления. Более подробно с этими элементами можно в их документации Data Sheet, которую достаточно просто найти в интернете.

Борис Аладышкин, http://electrik.info

Мастер-осциллятор

— обзор

9 Новые резонаторы

Как отмечалось в разделе 8, лазеры с коническим DBR и системы MOPA представляют собой компромисс между мощными, но пространственно некогерентными лазерами BA, представленными в разделе 7, и относительно маломощными одномодовые лазеры, представленные в разделе 6. Формально, конические лазеры лучше всего классифицировать как нестабильные резонаторы (конические нестабильные резонаторные лазеры, TURL). Эта классификация является функционально подходящей, поскольку они работают с расходящимся распространением луча и высокими дифракционными потерями, что приводит к высокой модальной дискриминации, даже несмотря на то, что их конструкция сильно отличается от обычного геометрического определения нестабильных резонаторов на основе изогнутых зеркал (Siegman and Arrathoon, 1967).

Однако из-за требований к одномодовой секции конические устройства имеют гораздо меньший объем моды по сравнению с широкополосным лазером с такой же длиной и шириной выходной апертуры. Меньший объем режима увеличивает тепловое и электрическое последовательное сопротивление, что приводит к снижению эффективности преобразования, увеличению нагрева и, в конечном итоге, к снижению выходной мощности. Напротив, нестабильные конфигурации резонаторов, в которых дискриминация мод достигается комбинацией изогнутых зеркал, не ограничиваются RW и, таким образом, могут иметь объем моды, сравнимый с лазерами BA.

Предложены различные конструктивные подходы к реализации монолитных неустойчивых резонаторных диодных лазеров; например, травлением изогнутых граней (Биеллак и др. , 1997; Зальцман и др. , 1984; Тилтон и др. , 1991) или введением заново отросших структур линз внутрь лазера (Пакстон и др. , 1993; Сринивасан и др. , 1992). Решетки также могут использоваться в качестве зеркал резонатора, и это не только обеспечивает большую гибкость конструкции резонатора, но также приводит к работе с узкой спектральной шириной.Решетки также открывают новые возможности. Примеры включают вертикальный выход и фокусировку света из плоскости резонатора, что может быть достигнуто путем правильной настройки периода и формы решетки (Suhara et al ., 2003).

Диодные лазеры, в которых используются изогнутые распределенные брэгговские отражатели (c-DBR) для формирования нестабильного резонатора, описаны несколькими авторами, и их конструкция схематически показана на рис. 2.31A (Eriksson et al ., 1998; Lang , 1994, Янсон и др. ., 2002). Сообщается, что такие лазеры c-DBR демонстрируют улучшение качества пучка, близкое к пороговому, но никаких результатов для работы с большой мощностью опубликовано не было. Напротив, конструкции лазеров α-DFB используют угловые решетки, как схематично показано на рис. 2.31B. Лазеры α-DFB не являются нестабильными резонаторными конфигурациями в обычном смысле, поскольку они имеют распределенную обратную связь, но, тем не менее, они представляют собой еще один интересный подход к полупроводниковым лазерам с решетчатым ограничением. Достигается излучение высокого качества луча с узкой спектральной шириной, но, к сожалению, оно также ограничено низкой выходной мощностью (Paschke et al ., 2003).

Рисунок 2.31. Схематический вид сверху различных резонаторов диодных лазеров с решетчатым ограничением. Оптический выход в каждом случае находится справа. (A) Изогнутый брэгговский отражатель (c-DBR) с выходной решеткой для вертикального излучения. (B) Угловой лазер с распределенной обратной связью (α-DFB) с наклонным лучом. (C) Одиночный лазер с конечной апертурой и коническим нестабильным резонатором (FATURL), в котором узкие решетки РБО расположены на передней и задней гранях. (D) FATURL с двумя конечными зеркалами, с широкой решеткой DBR на задней грани для увеличения объема моды .

Бедфорд et al. (2003) представил вариант TURL, лазера на нестабильном резонаторе с конической апертурой (FATURL), в котором в качестве зеркала резонатора используется РБО малой ширины в конической области около передней грани, как показано на рис. 2.31C. Однако эти конструкции не показывают более высоких характеристик, чем более традиционные конические лазеры, обсуждаемые в разделе 8.

Spreemann et al. (2011a, b) недавно представил новый вариант конструкции FATURL с двумя конечными зеркалами, в которой опущена одномодовая секция RW, и вместо этого введен второй, более широкий DBR на задней стороне секции с коническим усилением, как схематически показано на Инжир.2.31D. На рисунке 2.32 показаны электрооптические характеристики такого устройства ( L = 4 мм, D ₁ = 20 мкм, D ₂ = 85 мкм, A = 200 мкм) с InGaAs. Тройная квантовая яма / GaAsP, а также передняя и задняя решетки, сформированные с использованием области РБО шестого порядка с травлением поверхности. Работа в узкой спектральной ширине поддерживалась до разумных уровней мощности> 5 Вт.

Рисунок 2.32. FATURL, как показано на рис. 2.31D (при L = 4 мм, D ₁ = 20 мкм, D ₂ = 85 мкм, A = 200 мкм).(A) Вольт-амперные характеристики в непрерывном и импульсном режиме ( τ = 300 нс, f = 1 кГц) при работе при T = 25 ° C. (B) Оптический спектр при P = 5 Вт в импульсном режиме.

Подход Spreemann et al. увеличивает объем режима для данной длины устройства, но поскольку RW отсутствует, должен использоваться другой механизм для подавления мод более высокого порядка. Spreemann et al. (2011a, b) обнаружили, что тщательный расчет геометрии устройства может обеспечить фильтрацию.Оптические моды, поддерживаемые в системе FATURL, имеют продольно расходящиеся профили, и их характеристики могут быть рассчитаны численно для «ненагруженного» случая (т. Е. Без учета влияния температуры, усиления или несущей) на основе дифракционного метода, следуя подходу Фокса. и Ли (1961). Коэффициенты модального распространения в оба конца, | γ _n | (то есть коэффициенты, на которые модальные амплитуды уменьшаются за один обход), представлены для первых пяти поддерживаемых режимов (i) — (v) на рис.2.33 как функция эквивалентного числа Френеля N _eq , которое само по себе является функцией геометрии устройства.

Рисунок 2.33. (A) Смоделированные коэффициенты распространения мод для первых пяти поддерживаемых мод, (i) — (v) и (B) модальная дискриминация для проекта FATURL, показанного на рис. 2.31D, на основе расчетов дифракции. (C) Измеренные коэффициенты распространения луча для устройств FATURL на разных уровнях мощности в импульсном режиме ( f = 1 кГц, τ = 300 нс) с профилями интенсивности (D) в ближнем поле и (E) в дальней зоне, показанными для случай с наивысшим качеством луча (обозначен стрелкой).

Сигман (1986) и Ананьев (1992) отмечают, что эффекты дифракции расходящихся волн на зеркалах с жесткими краями очень важны в лазерах с нестабильным резонатором, и это приводит к колебаниям модальных потерь с N _eq . Такие колебания наблюдаются в расчетах, представленных на рис. 2.33, и различаются для различных поддерживаемых режимов, что позволяет максимизировать модальную дискриминацию путем соответствующего выбора N _eq . В частности, наивысшая модальная дискриминация достигается для значений N _eq , немного превышающих единицу (модальная дискриминация определяется на основе отношения коэффициентов распространения двух мод с наименьшими потерями, | γ ₁ | / | γ ₂ |).

Изменение ширины заднего DBR можно использовать для экспериментального изменения N _eq для данной длины резонатора, при этом D ₂ = 75 мкм, что соответствует N _eq = 1. Рисунок 2.33B показывает результат экспериментальных измерений коэффициента распространения луча M ² , представленных как функцию N _eq для уровней мощности от 1 до 10 Вт в импульсных условиях ( f = 1 кГц, τ = 300 нс).Как и предполагалось, минимальное значение M ² найдено для 1 < N _eq <1,5, но это наблюдается только для выходной мощности <5 Вт, а с увеличением уровней мощности зависимость N _eq исчезает. . Как отмечает Spreemann et al. (2011b), это, скорее всего, связано с самофокусировкой, вызванной насыщением неоднородного усиления, приводящей к филаментозам в ближнем поле и расширенным распределениям в дальней зоне при более высоких оптических интенсивностях. При работе в непрерывном режиме становятся существенными дополнительные тепловые эффекты.

Чтобы сохранить преимущества качества луча нестабильной конфигурации резонатора в полупроводниковых лазерах до более высоких уровней мощности, необходимо уменьшить эффекты фокусировки, вызванные несущей и температурой. С дальнейшим прогрессом в направлении увеличения дифференциальной эффективности и уменьшения филаментации нестабильные конфигурации резонаторов могут быть столь же важны для полупроводниковых лазеров, как и для твердотельных лазеров (Hodgson and Weber, 1990).

Оптоэлектронные генераторы | Энциклопедия

1.Введение

Высокоточные генераторы сигналов необходимы в различных областях, таких как спутниковая связь, оптическая связь, радарные приложения, радиосвязь по оптоволокну и т. Д. ^[1] . В своей основной форме осциллятор состоит из резонатора и компонента обратной связи. Когда условия Баркгаузена выполнены, осциллятор начинает генерировать основной сигнал колебания. Оптоэлектронный генератор (OEO) — один из самых популярных типов генераторов для генерации сигналов микро- и миллиметрового диапазона ^{[2] [3]} .OEO имеет ряд оптических компонентов, таких как лазерный диод ^{[4] [5]} , оптическое волокно ^[6] и фотодиод ^[7] . Электрические компоненты, включая электрический полосовой фильтр и электрический усилитель, используются для завершения цепи обратной связи. Лазер OEO может модулироваться напрямую или может использовать внешнюю модуляцию с помощью электрооптического модулятора, такого как модулятор Маха-Цендера (MZM) ^[8] или модулятор электроабсорбции ^[9] .Типичный OEO с внешней модуляцией показан на.

Рисунок 1. Однопетлевой оптико-электронный генератор (OEO) с электрическими компонентами.

В настоящее время –163 дБн / Гц при отстройке 6 кГц от несущей для рабочей частоты 10 ГГц ^[10] — это самый низкий уровень фазового шума, достигнутый на сегодняшний день. Различные типы конфигураций для OEO уже были представлены в литературе. Двухконтурные и многоконтурные конфигурации ^{[11] [12] [13] [14]} , соединенный OEO ^{[15] [16] [17] [18] ]} , OEO с блокировкой впрыска ^{[19] [20] [21] [22]} , OEO с множителем качества ^[23] , и OEO с петлей обратной связи ^[24] — некоторые известных конфигураций.Более того, оптические решения возможны путем добавления таких компонентов, как оптические фильтры ^{[25] [26] [27]} и оптических усилителей ^{[28] [29]} , либо путем настройки оптической линии связи для достижения оптическое усиление ^[30] . Они уже используются для улучшения стабилизации OEO. Поскольку OEO, состоящее из таких громоздких компонентов, очень велико, уже сообщалось о некоторых методах уменьшения размера устройства генератора. Существует несколько решений, таких как использование резонатора с модой шепчущей галереи (WGMR) ^{[31] [32] [33] [34]} , кольцевого резонатора ^{[35] [36]} или лазер с модуляцией электроабсорбции ^[37] , которые уменьшают размер OEO.В 2017 г. в литературе сообщалось о полностью интегрированном OEO J. Tang et al. ^{[38] [39]} . Кроме того, теоретические и экспериментальные исследования характеристик OEO с блокировкой впрыска были представлены и опубликованы в нескольких журналах ^{[40] [41] [42] [43] [44]} . Недавно компания G.K.M. представила OEO W-диапазона. Hasanuzzaman et al. ^[45] . OEO обеспечил характеристику фазового шума −101 дБн / Гц при отстройке 10 кГц от 94.Несущая 5 ГГц. С другой стороны, в 2020 году было сообщено об оптико-электронном параметрическом генераторе ^[46] .

Есть несколько недавних разработок в использовании OEO в различных приложениях. Одним из примеров этого является генерация фотонного сигнала терагерцового (ТГц) диапазона с использованием OEO ^{[47] [48] [49]} . Другое возможное применение OEO — использование его в качестве гетеродина (LO) в центральном офисе сети радиодоступа 5G (RAN) ^{[50] [51] [52]} .Одноконтурный OEO может быть объединен с селектором оптоволоконного тракта для измерения свободного спектрального диапазона (FSR) и коэффициента подавления боковых мод (SMSR) OEO для различных длин оптической линии задержки ^[53] . Существуют и другие применения OEO, такие как акустический датчик ^[54] , обнаружение маломощного радиочастотного (RF) сигнала ^[55] , петли фазовой автоподстройки частоты ^{[56] [57] [58] ]} , время-симметричный OEO с проверкой четности ^{[59] [60]} , OEO ^[61] на основе кремниевого микрокольца и генерация сигналов с линейной частотной модуляцией ^[62] и т. Д.

Долговременная стабильность и побочные режимы (многомодовая работа) являются основными проблемами, влияющими на стабилизацию OEO. OEO использует оптическое волокно, на которое в основном влияют колебания температуры окружающей среды. Это приводит к колебаниям частоты колебаний во времени, что называется дрейфом частоты (другими словами, долговременной стабильностью). С другой стороны, электрические полосовые фильтры имеют ограничения по полосе пропускания в диапазонах микро- и миллиметровых волн.Электрические полосовые фильтры используются в контуре генератора для уничтожения побочных мод в радиочастотном спектре и определения основной моды колебаний. Из-за ограничения полосы пропускания фильтра боковые моды не отфильтровываются полностью, и поэтому их можно увидеть в радиочастотном спектре. Отношение между основной модой и побочными парами мод называется SMSR.

Кратковременная стабильность (т. Е. Фазовый шум) в основном основана на длине линии задержки OEO. OEO может использовать длинную линию задержки для достижения минимально возможного фазового шума.Однако использование длинной линии задержки увеличивает мощность боковых мод, потому что FSR становится ниже, а боковые моды труднее отфильтровать из-за ограничения полосы пропускания электрического фильтра. Например, при использовании волокна длиной 1 км FSR составляет 200 кГц, а для волокна длиной 15 км FSR составляет 13,4 кГц. Взаимосвязь между SMSR и характеристиками фазового шума OEO при разной оптической длине показана на рис.

Рисунок 2. Сравнение характеристик фазового шума и коэффициента подавления боковых мод (SMSR) OEO с длиной линии задержки 1 км и 15 км ^[1] .Печатается с разрешения исх. ^[1] . Авторские права 2015 IEEE.

Как видно из экспериментальных результатов, существует компромисс между краткосрочной стабильностью и многорежимной работой OEO. OEO на 1 км имеет характеристики улучшения SMSR примерно на 30 дБ, но OEO на 15 км имеет значительное улучшение фазового шума, который составляет около 20 дБ при отстройках от несущей на 1 кГц и 10 кГц.

2. Текущий прогресс общих топологий OEO

В этом разделе статья фокусируется на последних достижениях в разработке OEO и основных проблемах, с которыми они сталкиваются: многомодовая работа, а также краткосрочная и долгосрочная стабильность.В первом подразделе статья посвящена многомодовой работе и краткосрочной стабильности, а после этого раздела — долгосрочной стабильности.

2.1. Прогресс OEO в направлении снижения SMSR и фазового шума

Как упоминалось ранее, одной из общих проблем, связанных с проектированием OEO, является многомодовая работа. Поскольку электрический полосовой фильтр имеет ограничения по полосе пропускания, были предложены некоторые оптические решения. Одно из самых популярных решений — формирование более одной оптической линии задержки.Эти двойные или многоконтурные OEO широко используются более 20 лет, чтобы исключить многорежимную работу ^[63] . Типичная конфигурация двухконтурного OEO показана на. В этой конфигурации одна петля используется как длинная полость, а другая ведет себя как короткая полость. Это достигается за счет использования коротких и длинных волокон в разных петлях. Одним из последних достижений в двухпетлевом OEO является использование многожильных волокон и метода самополяризационной стабилизации ^[64] .Обычно два или более одномодовых волокна (SMF) используются для образования двойной или многопетлевой конфигурации. В этом новом подходе комбинация сердцевин в многожильном волокне используется для образования короткого и длинного резонатора ^[64] . Благодаря этому новому подходу удалось достичь SMSR 61 дБ для микроволнового OEO, колеблющегося на частоте 7,8 ГГц. Другой недавний подход — это симметрия четности OEO с двухконтурной конфигурацией ^[65] . Симметрия четности достигается за счет использования двух оптических носителей с разной оптической силой.Симметрия четности обеспечивает дополнительный выигрыш для основной моды. Комбинация симметрии четности и двойного контура позволила добиться SMSR 60,71 дБ для центральной частоты 10 ГГц.

Рисунок 3. Типичная двухконтурная конфигурация OEO.

OEO с блокировкой впрыска — это еще одна конфигурация для улучшения характеристик SMSR OEO. Впервые он был предложен в 2005 г. ^{[63] [66]} . Типичная конфигурация OEO с блокировкой впрыска показана на.В типичной конфигурации OEO он состоит из двух блоков генератора. Один из них классифицируется как главный OEO, а другой как подчиненный OEO ^[63] . Этот подход используется для подавления побочных паразитных мод и в то же время для поддержания добротности (добротности) OEO ^[63] . Подчиненный OEO используется для подавления паразитных побочных мод, поскольку он использует короткое волокно, в то время как ведущий OEO использует длинное волокно для поддержания высокой добротности. В ссылке ^[67] был представлен настраиваемый двухконтурный OEO с синхронизацией впрыска.OEO можно было перестраивать от 11,1 ГГц до 12,1 ГГц, а побочные паразитные моды подавлялись ниже –115 дБн / Гц ^[67] . Другой подход заключался в создании микроволнового делителя частоты на основе OEO ^[68] с синхронизацией инжекции. В этой реализации в автономный OEO с частотой 10 ГГц вводился микроволновый сигнал с частотой 20 ГГц. Был достигнут однополосный (SSB) фазовый шум -130 дБн / Гц при отстройке 10 кГц. В ссылке ^[69] описывается OEO с синхронизацией впрыска, основанный на вынужденном рассеянии Бриллюэна (SBS).Этот подход обеспечивал возможность перестройки частоты до 40 ГГц с SMSR 60 дБ и шумом SSB −116 дБн / Гц при отстройке 10 Гц.

Рис. 4. Типичный OEO с блокировкой впрыска.

Связанный OEO, представленный в 1997 г. ^{[63] [70]} , является еще одним типом широко используемой конфигурации OEO для улучшения SMSR. В этой конфигурации OEO состоит из оптического контура и оптоэлектронного контура, соединенных через электрооптический модулятор ^[63] .Связанный OEO используется для улучшения характеристик фазового шума и SMSR. Типичная конфигурация сопряженного OEO показана на. Примером недавней разработки сопряженного OEO был синтез сигнала 90 ГГц с использованием связанного OEO ^[71] на 30 ГГц. Сигнал 90 ГГц был получен смещением MZM на третью гармонику. В этой конфигурации ^[71] был достигнут фазовый шум SSB -104 дБн / Гц при отстройке 1 кГц от несущей 90 ГГц. С другой стороны, был предложен новый OEO, связанный с волокном, легированным эрбием (EDF) ^[72] .Новая конфигурация позволяет прожигать большие пространственные отверстия (SHB) с использованием EDF без накачки для улучшения SMSR и фазового шума. SMSR более 72,5 дБ был достигнут, при этом фазовый шум SSB составлял −123,6 дБн / Гц при отстройке 10 кГц от сигнала несущей 10 ГГц.

Рис. 5. Типичная конфигурация сопряженного OEO.

В дополнение к типичным решениям, перечисленным выше, существуют другие новые решения для улучшения фазового шума и / или характеристик SMSR OEO.Для ОЭО миллиметрового диапазона был предложен высококачественный оптоэлектронный фильтр, например, с добротностью 30 000 на центральной частоте 29,99 ГГц ^[73] . Это привело к SMSR 83 дБ и фазовому шуму SSB −113 дБн / Гц при отстройке 10 кГц. Каскадный СВЧ-фильтр был представлен в ^[49] . В этой конфигурации конфигурация каскадного фильтра была реализована с помощью фильтра с одной полосой пропускания, имеющего оптоэлектронный фильтр. При таком подходе SMSR составляет 125 дБ и фазовый шум SSB -103 дБн / Гц для отстройки 10 кГц на 17.Несущая частота 33 ГГц была достигнута. Ширина линии лазера может влиять на характеристики фазового шума OEO. Узкополосный лазер с микрорезонаторами с физической длиной стороны 16 мкм используется для генерации микроволнового сигнала в контуре OEO ^[74] . Фазовый шум SSB -116 дБн / Гц был достигнут для отстройки 10 кГц от микроволнового сигнала несущей. Микроволновый сигнал можно настраивать в диапазоне от 1,85 ГГц до 10,24 ГГц благодаря настраиваемому оптическому полосовому фильтру.

2.2. Прогресс OEO в направлении повышения долгосрочной стабильности

Долговременная стабильность — еще одна важная характеристика OEO. Электрический полосовой фильтр и оптическое волокно являются основными компонентами OEO, которые зависят от температуры ^[75] . Для дрейфа частоты нестабилизированного по температуре OEO, работающего на центральной частоте 10 ГГц, было измерено 8 ppm / K ^[75] . Одним из полезных подходов является температурная стабилизация оптического волокна и электрический полосовой фильтр контура OEO ^[75] .С этим раствором было достигнуто 0,1 ppm / K. В 2016 году Лука Богатай и др. предложил другой подход, то есть OEO с контуром управления с обратной связью ^{[24] [76]} . Конфигурация контура управления с обратной связью показана на рис.

Рисунок 6. OEO с контуром обратной связи.

В контуре управления с обратной связью частотный дискриминатор контролирует температуру лазера, измеряя показатель преломления оптического волокна. Пропорционально-интегральный (PI) регулятор используется для управления температурой лазера.При использовании контура управления с обратной связью дрейф частоты 0,05 ppm / K был достигнут для одноконтурного OEO, работающего на частоте 3 ГГц. В 2017 году была представлена ​​система стабилизации оптической задержки (ODSS) ^[77] для активной стабилизации задержки волокна на длине волны, отличной от длины волны, используемой в контуре генератора. Превосходный результат дрейфа частоты 0,02 ppm / K был достигнут для OEO 3 ГГц. Однако частоту генератора можно увеличить, но это не влияет на результат стабильности, поскольку стабилизация выполняется на независимой длине волны.

Цепи фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) — это альтернативные решения, которые широко используются на практике для улучшения долговременной стабильности сигнала OEO. В этом случае сигнал OEO синхронизируется сигналом ^[78] ФАПЧ. Типичная конфигурация OEO с ФАПЧ показана на.

Рисунок 7. Типичная конфигурация OEO с конфигурацией PLL.

Для OEO с конфигурацией PLL требуется стабильный опорный сигнал для улучшения долговременной стабильности.Вен-Хунг Цзэн предложил другой подход к повышению долговременной стабильности, который включает механизм контроля задержки волокна ^[79] . Этот механизм контролирует задержку волокна с помощью введенного зондирующего сигнала. Температурный дрейф 10 ⁻⁷ с был достигнут через 4000 секунд с помощью механизма мониторинга.

2.3. Общий обзор

В этом разделе статьи мы хотели бы сравнить производительность различных конфигураций OEO в многомодовой работе: кратковременная стабильность (т.е.е., фазовый шум) и долговременной стабильности. В первой таблице описаны различные конфигурации OEO путем сравнения SMSR и фазового шума.

Для были выбраны OEO с одинаковой или подобной частотой (за исключением OEO с высококачественным оптоэлектронным фильтром), чтобы обеспечить более точное и научное сравнение фазового шума в различных решениях. Однако теоретически OEO имеет стабильную характеристику фазового шума, которая не зависит от рабочей частоты ^[1] , поэтому для сравнения можно использовать более высокие частоты.При сравнении SMSR длина линии оптической задержки и полоса пропускания электрического и / или оптического фильтра более важны для сравнения. С учетом фазового шума OEO с синхронизацией впрыска обеспечивает лучшую производительность среди других решений. С другой стороны, решение с каскадным микроволновым фотонным фильтром дает лучший результат с точки зрения SMSR.

Таблица 1. Сравнение SMSR и фазового шума текущих результатов для различных усовершенствованных конфигураций OEO.

In сравниваются различные решения для оценки характеристик OEO с точки зрения долговременной стабильности и фазового шума.

Таблица 2. Сравнение различных методов для достижения долгосрочной стабильности в OEO.

Система оптических линий задержки показала хорошие характеристики с точки зрения долгосрочной и краткосрочной стабильности. Характеристики фазового шума можно улучшить, используя более длинное оптическое волокно. OEO с ФАПЧ не имеет хороших характеристик фазового шума, потому что используется короткая линия задержки.Однако классическое решение, такое как стабилизация температуры, имеет хорошие характеристики фазового шума и кратковременную стабильность.

Общие сведения об осцилляторах, управляемых напряжением | DigiKey

Многие электронные приложения требуют, чтобы частота сигнала изменялась в зависимости от амплитуды другого сигнала. Хорошим примером является частотно-модулированный сигнал, в котором частота несущей изменяется в зависимости от амплитуды источника модуляции. Также рассмотрите схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ): в ней используется система управления для изменения частоты и / или фазы генератора в соответствии с частотой / фазой входного опорного сигнала.

Задача проектировщиков — определить, как выполнять эту функцию максимально эффективно и с минимальными затратами, обеспечивая при этом точность, надежность и стабильность во времени и температуре.

Это функция генераторов, управляемых напряжением (ГУН). Эти устройства предназначены для создания выходного сигнала, частота которого зависит от амплитуды напряжения входного сигнала в разумном диапазоне частот. Они используются в системах ФАПЧ, частотных и фазовых модуляторах, радарах и многих других электронных системах.

В этой статье объясняется, почему ГУН так часто выбирают разработчики для этой функции, а затем кратко описывается, как работают ГУН, и проектируется ГУН от схем дискретных компонентов до монолитных ИС ГУН. Затем рассматривается, как можно указать VCO для соответствия конкретным приложениям с использованием реальных примеров от различных поставщиков, включая Maxim Integrated, Analog Devices, Infineon Technologies, NXP Semiconductors, Skyworks Solutions и Crystek Corporation.

Какова роль VCO?

Как уже упоминалось, многие электронные приложения требуют, чтобы частота или фаза сигнала изменялась или контролировалась в зависимости от амплитуды другого сигнала.Типичные приложения включают в себя системы связи, частотные ЛЧМ-сигналы в радарах, отслеживание фазы в ФАПЧ и приложения со скачкообразной перестройкой частоты, такие как удаленный вход без ключа (рис. 1).

Рисунок 1: Примеры приложений, в которых требуются изменения частоты или фазы, контролируемые приложенным сигнальным напряжением, включают частотную модуляцию в системах связи (вверху), частотные колебания в радаре (второй вниз), отслеживание фазы в контурах фазовой автоподстройки частоты (третий вниз) и приложения со скачкообразной перестройкой частоты, такие как системы удаленного доступа без ключа (внизу).(Источник изображения: Digi-Key Electronics)

ГУН

специально разработаны для создания выходного сигнала, частота которого изменяется в соответствии с амплитудой входного сигнала в разумном диапазоне частот.

Как работают VCO

ГУН

бывают дискретными, модульными и монолитными, но обсуждение дискретных ГУН даст общее представление о том, как они работают и почему имеют значение определенные спецификации. Обзор модульных и монолитных решений будет представлен ниже.

Используя дискретный подход к VCO, дизайнеры обладают большой гибкостью в отношении удовлетворения индивидуальных спецификаций. Этот подход особенно распространен в проектах «сделай сам», особенно в любительском радио. Такие конструкции, предназначенные для работы в проектах высокочастотной радиосвязи, основаны на классической топологии генераторов, включая генераторы индуктивно-конденсаторные (LC) Хартли и Колпиттса (рисунок 2).

Рис. 2: Классические генераторы, в том числе LC-генераторы Хартли и Колпитца, могут быть использованы в качестве основы для конструкции ГУН.(Источник изображения: Digi-Key Electronics)

Все генераторы основаны на использовании положительной обратной связи для достижения устойчивых колебаний. Осцилляторы Хартли и Колпиттса — это базовые конструкции, которые по-разному генерируют положительную обратную связь. Положительная обратная связь требует, чтобы сигнал на выходе генератора возвращался на вход с полным фазовым сдвигом 360 °. Усилитель обеспечивает однофазную инверсию 180 °, а другая половина 360 ° поступает от LC резонансного контура резервуара.Контур резервуара определяет номинальную частоту колебаний. Он состоит из L1, L2 и Ct в цепи генератора Хартли и L1, Ct1 и Ct2 в генераторе Колпитса.

Генератор Хартли использует индуктивную связь для получения разворота фазы с помощью сдвоенного или ответвленного дросселя (L1 и L2), показанного на схеме. В генераторе Колпитца используется емкостной делитель напряжения, состоящий из Ct1 и Ct2 в соответствующей цепи. На основе этих базовых дизайнов существует множество дизайнов, каждый из которых имеет собственное имя.В производных схемах делается попытка изолировать контур резервуара от усилителя, чтобы предотвратить сдвиги частоты из-за нагрузки. Есть много таких производных, из которых дизайнеры могут выбрать свой любимый.

Управление частотой добавлено к этим конструкциям за счет использования варакторных диодов для изменения резонансной частоты контура резервуара. Варакторный диод, иногда называемый варикапным диодом, представляет собой переходной диод, предназначенный для обеспечения переменной емкости. P-N переход имеет обратное смещение, и емкость диода можно изменять, изменяя приложенное смещение постоянного тока.Емкость варактора изменяется обратно пропорционально приложенному смещению постоянного тока: чем выше обратное смещение, тем шире область обеднения диода и, следовательно, тем ниже емкость. Это изменение можно увидеть на графике зависимости емкости от обратного напряжения для варакторного диода Skyworks Solutions SMV1232_079LF со сверхрезким переходом (рис. 3). Этот диод имеет емкость 4,15 пикофарад (пФ) при нулевом напряжении и 0,96 пФ при 8 вольт.

Рис. 3. График «напряжение-емкость» варакторного диода Skyworks Solution SMV1232 ясно показывает, как емкость изменяется обратно пропорционально приложенному смещению постоянного тока.(Источник изображения: Skyworks Solutions)

Диапазон емкости варакторного диода определяет диапазон настройки ГУН. Управление напряжением генератора реализуется путем добавления варактора параллельно с контуром резервуара, как показано на рисунке 4. На рисунке показан эталонный дизайн оценочной платы ГУН генератора Колпитца с центральной частотой 1 гигагерц (ГГц) и настройкой. диапазон около 100 мегагерц (МГц). Он включает в себя буфер эмиттерного повторителя для изоляции ГУН от колебаний нагрузки.Цепь резонансного бака в этой конструкции включает катушку индуктивности L3 и конденсаторы C4, C7 и C8. Варакторный диод VC1 включен параллельно резервуару. Конденсатор C4 контролирует диапазон изменения частоты для данного выбора варактора, в то время как C7 и C8 обеспечивают необходимую обратную связь для поддержания колебаний.

Рис. 4. Эталонная схема оценочной платы ГУН генератора Колпитца с центральной частотой 1 ГГц и диапазоном настройки около 100 МГц. Варакторный диод VC1 (внизу слева) параллельно резервуару, состоящему из катушки индуктивности L3 и конденсаторов C4, C7 и C8.(Источник изображения: NXP Semiconductors)

Выбор варакторов и биполярных переходных транзисторов зависит от частоты генератора. Для номинальных частот 1 ГГц можно использовать ВЧ-транзисторы, такие как BFU520WX от NXP Semiconductor или BFP420FH6327XTSA1 от Infineon Technologies. BFU520WX имеет переходную частоту 10 ГГц и усиление 18,8 децибел (дБ), а BFP420FH6327XTSA1 имеет переходную частоту 25 ГГц с усилением 19,5 дБ. Оба имеют достаточное произведение коэффициента усиления и полосы пропускания для этой схемы на частоте 1 ГГц.

В целом дискретные ГУН предлагают максимальную гибкость конструкции, но они больше и занимают больше места на печатной плате, чем модульные или монолитные устройства.

Определение VCO

Основные характеристики ГУН обычно начинаются с номинального диапазона частот, что означает минимальную и максимальную достижимую частоту. В качестве альтернативы они могут быть указаны как номинальная или центральная частота и диапазон настройки.

Диапазон входного напряжения настройки соответствует размаху входного напряжения, которое настраивает ГУН в пределах диапазона настройки (Рисунок 5).

Рисунок 5: График кривой настройки выходной частоты как функции входного напряжения настройки дает общее представление о линейности ГУН по сравнению с линейной аппроксимацией. Наклон выходной частоты в зависимости от напряжения настройки — это чувствительность настройки. (Источник изображения: Digi-Key Electronics)

Коэффициент усиления или чувствительность настройки, измеряемый в единицах МГц / вольт (В), представляет собой наклон графика зависимости частоты от напряжения. Это мера линейности настройки. В приложениях, где ГУН находится в контуре управления, например, с ФАПЧ, чувствительность настройки представляет собой усиление элемента ГУН и может влиять на динамику и стабильность контура управления.

Выходная мощность ГУН определяет мощность, подаваемую на нагрузку с заданным импедансом, обычно 50 Ом (Ом) для ВЧ ГУН. Выходная мощность указана в дБ относительно 1 милливатта (мВт) (дБм). Также может быть интересна равномерность выходной мощности в частотном диапазоне ГУН.

Подтягивание нагрузки — это изменение выходной частоты ГУН из-за изменений импеданса нагрузки, измеряемого в МГц от пика к пику (пик-пик). Изоляция нагрузки обычно улучшается за счет использования буферного усилителя, такого как эмиттерный повторитель, показанный на рисунке 4.

Нажатие источника питания — это изменение выходной частоты ГУН из-за колебаний напряжения источника питания. Измеряется в МГц / В.

Характеристики фазового шума — это показатель чистоты сигнала ГУН. Идеальный генератор имеет частотный спектр, который представляет собой узкую спектральную линию на частоте генератора. Фазовый шум представляет собой нежелательную модуляцию генератора и расширяет спектральный отклик. Фазовый шум является результатом тепловых и других источников шума в цепи генератора и выражается в децибелах ниже несущей на герц (дБн / Гц).Фазовый шум в частотной области приводит к временному дрожанию во временной области, проявляющемуся как ошибка временного интервала (TIE).

Модульные ГУН

Модульные ГУН

представляют собой следующий высший уровень интеграции схем. Эти ГУН упакованы в небольшой модульный корпус и используются как компонент. Модульные ГУН обычно предлагают более высокую плотность упаковки, чем дискретная реализация ГУН. Они доступны с различными выходными частотами, диапазонами настройки и уровнями выходной мощности.Примером может служить VCO CRBV55BE-0325-0775 корпорации Crystek (рис. 6). Это устройство имеет размеры 1,25 x 0,59 дюйма (31,75 x 14,99 миллиметра (мм)) при высоте 1,25 дюйма и имеет диапазон настройки от 325 до 775 МГц для диапазона входного напряжения от 0 до 12 вольт. Он имеет уровень выходной мощности +7 дБм (типовой) с фазовым шумом -98 дБн / Гц при отстройке 10 килогерц (кГц) от несущей и -118 дБн / Гц при 100 кГц.

Рисунок 6: Габаритные чертежи Crystek CRBV55BE VCO, показывающие его компактный форм-фактор с размерами 1.25 x 1,25 x 0,59 дюйма (Источник изображения: Crystek Corporation)

Что касается динамики управления, Crystek VCO имеет типичную чувствительность настройки 45 МГц / В. Напряжение источника питания указано как типичное значение 0,5 МГц / В и максимальное значение 1,5 МГц / В. Максимально допустимая нагрузка составляет 5,0 МГц (пик-пик).

Монолитные ГУН

VCO могут быть реализованы как монолитные ИС. Монолитная ИС обеспечивает максимальную объемную плотность. Как и модульные VCO, монолитные VCO предназначены для определенных рабочих диапазонов.В качестве примера рассмотрим Maxim Integrated MAX2623EUA + T. Это автономный ГУН со встроенным генератором и выходным буфером в одном 8-выводном корпусе mMax (рисунок 7).

Рис. 7. Блок-схема и конфигурация выводов ГУН Maxim Integrated MAX2623. Это обычный ГУН на основе LC, использующий двойные варакторные диоды для управления напряжением. Он включает в себя встроенный выходной буфер в 8-контактном корпусе. (Источник изображения: Maxim Integrated)

Конструкция включает в себя индуктор на кристалле и варакторные диоды.Он работает от источника питания от +2,7 до +5,5 вольт и потребляет всего 8 миллиампер (мА). MAX2623 — один из трех ГУН в семействе продуктов, каждый из которых отличается предполагаемыми рабочими частотами. MAX2623 настроен на диапазон от 885 до 950 МГц, который охватывает промышленный, научный и медицинский (ISM) диапазон от 902 до 928 МГц, где его можно использовать в качестве гетеродина. ГУН имеет уровень выходной мощности -3 дБм на нагрузке 50 Ом с фазовым шумом -101 дБн / Гц, типичным при отстройке 100 кГц.Диапазон управляющего напряжения составляет от 0,4 до 2,4 В, а нагрузка обычно составляет 0,75 МГц, пик-пик. Напряжение источника питания составляет 280 кГц / вольт (типовое значение). Его размер в упаковке составляет 0,12 x 0,12 x 0,043 дюйма (3,03 x 3,05 x 1,1 мм).

Еще одним примером монолитного VCO является HMC512LP5ETR компании Analog Devices. Этот ГУН охватывает частотный диапазон от 9,6 до 10,8 ГГц с использованием напряжения настройки от 2 до 13 вольт. Он предназначен для спутниковой связи, многоточечной радиосвязи и военных приложений (рис. 8).

Рисунок 8: Блок-схема VCO Analog Devices HMC512LPETR, показывающая встроенный варакторный диод и сердечник генератора со встроенным резонатором. (Источник изображения: Analog Devices)

В этой монолитной СВЧ-интегральной схеме (MMIC) VCO используются биполярные транзисторы с гетеропереходом GaAs и InGaP для достижения широкой полосы пропускания и уровня выходной мощности +9 дБмВт при нагрузке 50 Ом с использованием источника питания постоянного тока 5 Вольт. Фазовый шум составляет -110 дБн / Гц при отстройке 100 кГц. Вытягивание нагрузки обычно составляет 5 МГц от пика до пика.Напряжение источника питания обычно составляет 30 МГц / вольт при 5 вольт. Устройство упаковано в корпус QFN 5 x 5 мм для поверхностного монтажа. Обратите внимание на рисунок, что этот ГУН также включает вспомогательные выходы на половину и четверть частоты. Эти выходы с дробной частотой можно использовать для управления синтезатором ФАПЧ для фазовой синхронизации основного выхода ГУН, если это необходимо, или для синхронизации других сигналов временной цепи.

Оба этих монолитных устройства имеют небольшой размер, что является основным преимуществом этого типа ГУН.

Заключение

ГУН

в дискретной, модульной или монолитной форме удовлетворяют потребность в управлении частотой на основе напряжения, которое требуется в ряде приложений. Они используются в генераторах функций, ФАПЧ, синтезаторах частоты, генераторах тактовых импульсов и аналоговых музыкальных синтезаторах. Хотя это относительно простые устройства, их правильное использование требует твердого понимания того, как они работают, и их основных характеристик. Как только они станут понятны, появится множество моделей и поставщиков, из которых можно будет выбирать.

Заявление об ограничении ответственности: мнения, убеждения и точки зрения, выраженные различными авторами и / или участниками форума на этом веб-сайте, не обязательно отражают мнения, убеждения и точки зрения Digi-Key Electronics или официальную политику Digi-Key Electronics.

Страница не найдена | SiTime

Описание:

Устройство очистки джиттера MEMS с 10 выходами, низкий уровень джиттера

Описание:

Низкий джиттер, сетевой синхронизатор MEMS с 8 выходами

Описание:

Низкий джиттер, сетевой синхронизатор MEMS с 11 выходами

Описание:

Генератор тактовых сигналов МЭМС с низким уровнем джиттера, 10 выходов

Описание:

Генератор тактовых сигналов MEMS с низким уровнем джиттера, 11 выходов

Описание:

Стандартная частота ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный XO

Описание:

От 1 до 220 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный XO

Описание:

От 220 до 625 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный XO

Описание:

Дифференциал со сверхнизким джиттером стандартной частоты XO

Описание:

От 1 до 220 МГц, дифференциал со сверхнизким джиттером XO

Описание:

От 220 до 725 МГц, сверхнизкий дифференциал джиттера XO

Описание:

Дифференциальный XO со сверхнизким джиттером для стандартных сетевых частот

Описание:

Дифференциальный XO с низким джиттером для стандартных сетевых частот

Описание:

3.От 57 до 77,76 МГц, маломощный генератор

Описание:

от 1 до 110 МГц, генератор SOT23

Описание:

от 115 до 137 МГц, генератор SOT23

Описание:

от 1 до 110 МГц, маломощный генератор

Описание:

от 115 до 137 МГц, маломощный генератор

Описание:

Осциллятор от 1 до 80 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm

Описание:

Осциллятор от 80 до 220 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm

Описание:

Высокотемпературный генератор стандартной частоты

Описание:

от 1 до 110 МГц, высокотемпературный (от -40 до + 125 ° C) Генератор SOT23

Описание:

от 115 до 137 МГц, высокотемпературный (от -40 до + 125 ° C) Генератор SOT23

Описание:

от 1 до 110 МГц, широкий диапазон температур (от -55 до + 125 ° C) Генератор SOT23

Описание:

от 119 до 137 МГц, широкий диапазон температур (от -55 до + 125 ° C) Генератор SOT23

Описание:

От 1 до 110 МГц, осциллятор SOT23 AEC-Q100 с широким диапазоном температур

Описание:

от 115 до 137 МГц, осциллятор SOT23 AEC-Q100 с широким диапазоном температур

Описание:

От 1 до 110 МГц, высокотемпературный осциллятор (от -40 до + 125 ° C)

Описание:

от 115 до 137 МГц, высокотемпературный осциллятор (от -40 до + 125 ° C)

Описание:

от 1 до 110 МГц, широкий температурный осциллятор (от -55 до + 125 ° C)

Описание:

от 119 до 137 МГц, широкий температурный осциллятор (от -55 до + 125 ° C)

Описание:

От 1 до 110 МГц, широкотемпературный осциллятор AEC-Q100 (от -55 до + 125 ° C)

Описание:

от 115 до 137 МГц, широкотемпературный осциллятор AEC-Q100 (от -55 до + 125 ° C)

Описание:

От 1 до 220 МГц, AEC-Q100 Дифференциальный XO со сверхнизким джиттером

Описание:

От 220 до 725 МГц, AEC-Q100 Дифференциальный XO со сверхнизким джиттером

Описание:

от 1 до 150 МГц, генератор с расширенным спектром AEC-Q100

Описание:

От 1 до 220 МГц, дифференциальный генератор с расширенным спектром

Описание:

От 1 до 110 МГц, маломощный генератор с расширенным спектром

Описание:

от 1 до 141 МГц, осциллятор с расширенным спектром

Описание:

Дифференциал со сверхнизким джиттером от 1 до 220 МГц VCXO

Описание:

Дифференциал со сверхнизким джиттером, от 220 до 725 МГц, VCXO

Описание:

Стандартная частота VCXO

Описание:

от 1 до 80 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm VCXO

Описание:

от 80 до 220 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm VCXO

Описание:

Программируемый осциллятор I2C / SPI от 1 до 340 МГц

Описание:

Программируемый осциллятор I2C / SPI от 340 до 725 МГц

Описание:

от 1 до 220 МГц, от ± 10 до ± 50 ppm XO

с цифровым управлением

Описание:

От 1 до 220 МГц, дифференциальный XO с цифровым управлением

Описание:

От 220 до 625 МГц, дифференциальный XO с цифровым управлением

Описание:

от 1 до 60 МГц, Stratum 3E OCXO

Описание:

от 1 до 60 МГц, Stratum 3E DCOCXO

Описание:

± 0.5 страниц в минуту Super-TCXO для GNSS / GPS

Описание:

от 1 до 60 МГц, от ± 0,5 до ± 2,5 ppm Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, ± 0.От 5 до ± 2,5 частей на миллион Super-TCXO

Описание:

от 1 до 60 МГц, Stratum 3 Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, Stratum 3 Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, ± 50 частей на миллиард Super-TCXO

Описание:

от 1 до 60 МГц, ± 50 частей на миллиард Super-TCXO

Описание:

от 1 до 60 МГц, ± 0.От 5 до ± 2,5 частей на миллион AEC-Q100 Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, от ± 0,5 до ± 2,5 ppm AEC-Q100 Super-TCXO

Описание:

от 1 до 60 МГц, ± 0.От 1 до ± 2,5 частей на миллион AEC-Q100 Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, от ± 0,1 до ± 2,5 ppm AEC-Q100 Super-TCXO

Описание:

Стандартная частота ± 5 ppm (VC) TCXO

Описание:

от 1 до 80 МГц, ± 5 ppm (VC) TCXO

Описание:

От 1 до 220 МГц, ± 5 ppm Дифференциальный (VC) TCXO

Описание:

От 220 до 625 МГц, ± 5 ppm Дифференциальный (VC) TCXO

Описание:

от ± 2 до ± 10 ppm TCXO малой мощности, от 10 до 60 МГц

Описание:

от 1 до 60 МГц, ± 0.От 5 до ± 2,5 частей на миллион Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, от ± 0,5 до ± 2,5 ppm Super-TCXO

Описание:

от 1 до 60 МГц, ± 0.Точность от 1 до ± 0,25 ppm Super-TCXO

Описание:

От 1 до 60 МГц, точность ± 50 частей на миллиард Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, точность ± 50 частей на миллиард Super-TCXO

Описание:

от 60 до 220 МГц, ± 0.Точность от 1 до ± 0,25 ppm Super-TCXO

Описание:

от 115 до 137 МГц, расширенный диапазон температур (от -55 до 125 ° C) Генератор SOT-23

Описание:

от 1 до 110 МГц, расширенный диапазон температур (от -55 ° C до 125 ° C) Генератор SOT-23

Описание:

от 115 до 137 МГц, расширенный температурный (от -55 до 125 ° C) осциллятор

Описание:

от 1 до 110 МГц, расширенный температурный (от -55 ° C до 125 ° C) осциллятор

Описание:

от 1 до 150 МГц, расширенный спектр, расширенная температура (от -55 ° C до 125 ° C)

Описание:

От 1 до 220 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный осциллятор

Описание:

От 220 до 725 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 10 до ± 50 ppm Дифференциальный осциллятор

Описание:

от 1 до 340 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 20 до ± 50 ppm, программируемый генератор I2C

Описание:

от 340 до 725 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 20 до ± 50 ppm, программируемый генератор I2C

Описание:

от 220 до 725 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 15 до ± 50 ppm VCXO

Описание:

от 1 до 220 МГц, сверхнизкий джиттер, от ± 15 до ± 50 ppm VCXO

Описание:

Сверхкомпактный, маломощный, с низким уровнем джиттера, ± 5 ppm, 32.768 кГц TCXO

Описание:

Сверхкомпактный, маломощный генератор с низким уровнем джиттера, от 1 Гц до 2,5 МГц

Описание:

Сверхмалый µPower, 32.768 кГц Quartz XTAL Замена

Описание:

µPower, 32,768 кГц Quartz XTAL Замена

Описание:

Сверхмалый с низким уровнем джиттера, 32.768 кГц ± 50 ppm Генератор

Описание:

Сверхнизкое энергопотребление, сверхмалый генератор 32,768 кГц или 16,384 кГц

Описание:

Сверхмалый с низким уровнем джиттера, 32.Генератор 768 кГц ± 100 ppm

Описание:

Сверхмалый µPower, от ± 5 до ± 20 ppm, 32,768 кГц TCXO

Описание:

Сверхкомпактный, маломощный, с низким уровнем джиттера, от ± 3 до ± 5 ppm, 32.768 кГц TCXO

Описание:

Сверхмалое энергопотребление, ± 5 ppm, 32,768 кГц TCXO с внутрисистемной автокалибровкой

Описание:

Сверхмалый микропитание, от 1 Гц до 32.Генератор 768 кГц

Описание:

Сверхмалое энергопотребление, от 1 Гц до 462,5 кГц, осциллятор ± 50 ppm

Описание:

Сверхмалое энергопотребление, низкий уровень джиттера, от 1 Гц до 2.5 МГц TCXO

Описание:

Сверхкомпактный, маломощный генератор с низким уровнем джиттера, от 1 Гц до 2,5 МГц

Описание:

От 1 до 26 МГц, сверхмалый микроконтроллер

Описание:

Резонаторы ApexMEMS МГц, 0.18 мм2

Описание:

SiT1252 Встроенный MEMS-резонатор, кГц

Расширение сети электрически синхронизированных генераторов крутящего момента

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 2 0 obj > поток application / pdfdoi: 10.1038 / s41598-018-31769-9

Springer US

Научные отчеты, DOI: 10.1038 / s41598-018-31769-9

Расширение сети электрически синхронизированных генераторов крутящего момента

10.1038 / s41598-018-31769-9 http://dx.doi.org/10.1038/s41598-018-31769-9journal Научные отчеты © 2018, Автор (ы) 2045-232210.1038 / s41598-018-31769-9Springer2018-09- 03T17: 18: 52 + 02: 002018-09-01T14: 03: 59 + 05: 302018-09-03T17: 18: 52 + 02: 00TrueiText® 5.3.5 © 2000-2012 1T3XT BVBA (AGPL-версия) VoRuuid: 9e708e91-783b-44de-a340-6aacba711a00uuid: 94c3ca8c-4623-4e08-939f-8a08e7ae7fffdefault1

преобразовано в AUC6D4BD4 / C3BD2 / FDFDD2 / CWC4BD4BD4CB-C4BD2 / C3BD4BD2 / CWD4BD4C7DD2 / CWC4BD4C7D3D2DB3 / CDB3D3 2bpdfToolbox2018-09-01T14: 04: 51 + 05: 30

2B

http://ns.adobe.com/pdf/1.3/pdfAdobe PDF Schema

internal Объект имени, указывающий, был ли документ изменен для включения информации о треппинге TrappedText

http: // ns.adobe.com/pdfx/1.3/pdfxpdfx

внутренний идентификатор стандарта PDF / X GTS_PDFXVersionText

внутренний Уровень соответствия стандарту PDF / X GTS_PDFXConformanceText

internal Компания, создающая PDFCompanyText

internal Дата последнего изменения документа SourceModifiedText

Крест внутреннего зеркала: DOIdoiText

http: // ns.adobe.com/xap/1.0/mm/xmpMMXMP Схема управления носителями

Внутренний идентификатор на основе UUID для конкретного воплощения документа InstanceIDURI

внутренний Общий идентификатор для всех версий и представлений документа. Оригинал Документ IDURI

http://www.aiim.org/pdfa/ns/id/pdfaidPDF/A ID Schema

internalPart of PDF / A standardpartInteger

внутренняя Поправка к стандарту PDF / A amdText

внутренний Уровень соответствия стандарту PDF / A Текст

http: // prismstandard.org / namespaces / basic / 2.0 / prismPrism

external Тип агрегирования определяет единицу агрегирования для коллекции контента. Комментарий PRISM рекомендует использовать словарь с контролируемым типом агрегирования PRISM для предоставления значений для этого элемента. Примечание: PRISM не рекомендует использовать значение #other, разрешенное в настоящее время в этом контролируемом словаре. Вместо использования #other обратитесь к группе PRISM по адресу [email protected], чтобы запросить добавление вашего термина в словарь с контролируемым типом агрегирования.aggregationTypeText

внешний Авторские права Copyright Текст

external — цифровой идентификатор объекта для статьи. DOI также может использоваться как идентификатор dc :. Если используется в качестве идентификатора dc: identifier, форма URI должна быть захвачена, а пустой идентификатор также должен быть захвачен с помощью prism: doi. Если в качестве требуемого идентификатора dc: identifier используется альтернативный уникальный идентификатор, то DOI следует указывать как чистый идентификатор только в пределах prism: doi.Если URL-адрес, связанный с DOI, должен быть указан, тогда prism: url может использоваться вместе с prism: doi для предоставления конечной точки службы (то есть URL-адреса). doiText

externalISSN для электронной версии проблемы, в которой встречается ресурс. Разрешает издателям включать второй ISSN, идентифицирующий электронную версию проблемы, в которой встречается ресурс (следовательно, e (lectronic) Issn. Если используется, prism: eIssn ДОЛЖЕН содержать ISSN электронной версии.См. Призму: исн. issnText

external Название журнала или другого издания, в котором был / будет опубликован ресурс. Обычно это используется для предоставления названия журнала, в котором появилась статья, в качестве метаданных для статьи, а также такой информации, как название статьи, издатель, том, номер и дата обложки. Примечание. Название публикации можно использовать для различения печатного журнала и онлайн-версии, если названия разные, например, «журнал» и «журнал».com. » PublicationNameText

externalЭтот элемент предоставляет URL-адрес статьи или единицы контента. Платформа атрибутов необязательно разрешена для ситуаций, в которых необходимо указать несколько URL-адресов. PRISM рекомендует использовать вместе с этим элементом подмножество значений платформы PCV, а именно «мобильный» и «Интернет». ПРИМЕЧАНИЕ. PRISM не рекомендует использовать значение #other, разрешенное в управляемом словаре платформы PRISM. Вместо использования #other обратитесь к группе PRISM по адресу prism-wg @ yahoogroups.com, чтобы запросить добавление вашего термина в словарь, контролируемый платформой. urlText

http://www.niso.org/schemas/jav/1.0/javNISO

external Значения для версии статьи журнала являются одним из следующих: AO = Авторский оригинал SMUR = Представленная рукопись на рассмотрении AM = принятая рукопись P = Доказательство VoR = версия записи CVoR = Исправленная версия записи EVoR = Расширенная версия Recordjournal_article_versionClosed Выбор текста

конечный поток эндобдж 3 0 obj > эндобдж 8 0 объект [9 0 R 10 0 R 11 0 R 12 0 R 13 0 R 14 0 R 15 0 R 16 0 R 17 0 R 18 0 R 19 0 R 20 0 R 21 0 R 22 0 R] эндобдж 9 0 объект

Секция осцилляторов

Эта секция содержит параметры, влияющие на 3 осциллятора.Они расположены в верхней половине приборной панели.

Выбор форм волны

Каждый генератор имеет ряд форм волны, которые можно выбрать, щелкнув имя формы волны в поле, расположенном в каждой секции генератора.

Пила

Эта форма волны содержит все гармоники и обеспечивает яркий и насыщенный звук.

Параболический

Это можно описать как закругленную форму волны пилообразной формы, обеспечивающую более мягкий тембр.

Квадрат

Сигналы прямоугольной формы содержат только нечетные гармоники, что дает отчетливый пустой звук.

Треугольник

Треугольная форма волны генерирует только несколько гармоник, разнесенных по нечетным номерам гармоник, что создает слегка глухой звук.

Синус

Синусоидальная волна — это простейшая форма волны без гармоник (обертонов). Синусоидальная волна дает нейтральный мягкий тембр.

Форманта 1–12

Формантные сигналы подчеркивают определенные полосы частот. Как и человеческий голос, музыкальные инструменты имеют фиксированный набор формант, которые придают ему уникальный узнаваемый тональный цвет или тембр, независимо от высоты звука.

Вокал 1–7

Это также формантные формы волны, но специально ориентированные на вокал. Гласные звуки (A / E / I / O / U) относятся к волновым формам этой категории.

Частично 1–7

Частицы, также называемые гармониками или обертонами, представляют собой серию тонов, которые сопровождают основной тон (основной тон).Эти формы волны образуют интервалы с двумя или более частотами, которые слышны одновременно с одинаковой силой.

Reso Pulse 1–12

Эта категория формы волны начинается со сложной формы волны (Reso Pulse 1), в которой подчеркивается основная частота (основная частота). Для каждой последовательной формы волны в этой категории выделяется следующая гармоника в гармоническом ряду.

Уклон 1–12

Эта категория формы сигнала начинается со сложной формы сигнала (наклон 1), гармоническая сложность которой постепенно уменьшается по мере увеличения выбранного числа.Наклон 12 дает синусоидальную волну (без гармоник).

Отр. Наклон 1–9

Эта категория также начинается со сложной формы волны (NegSlope 1), но с постепенным уменьшением содержания низких частот, чем выше выбранное число.

Параметры осциллятора 1

Генератор 1 действует как задающий генератор. Он определяет базовую высоту звука для всех трех осцилляторов.

Osc 1 (0–100)

Управляет выходным уровнем генератора.

Грубая (± 48 полутонов)

Определяет базовую высоту звука, используемую всеми генераторами.

Fine (± 50 центов)

Точная настройка высоты звука генератора с шагом в цент (сотая часть полутона). Это также влияет на все осцилляторы.

Волновой мод (± 50)

Этот параметр активен только в том случае, если кнопка Wave Mod активирована рядом с полем выбора формы волны. Волновая модуляция работает путем добавления сдвинутой по фазе копии выходного сигнала генератора к самому себе, что создает вариации формы волны.Например, если используется пилообразный сигнал, активация WM создает импульсный сигнал. Путем модуляции параметра WM, например, LFO, создается классический PWM (широтно-импульсная модуляция). Однако модуляция волны может применяться к любой форме волны.

Кнопка фазы (Вкл. / Выкл.)

Если фазовая синхронизация активирована, все генераторы перезапускают свои циклы формы волны с каждой проигрываемой нотой. При деактивированной фазе осцилляторы непрерывно генерируют цикл формы волны, который дает небольшие вариации при воспроизведении, поскольку каждая нота начинается со случайной фазы в цикле, добавляя теплоту звуку.Для звуков баса или ударных часто требуется, чтобы атака каждой ноты звучала одинаково, поэтому для этих целей активируйте фазовую синхронизацию. Фазовая синхронизация также влияет на генератор шума.

Кнопка слежения (Вкл. / Выкл.)

Если отслеживание активировано, высота тона генератора отслеживает ноты, сыгранные на клавиатуре. Если отслеживание отключено, высота звука генератора остается постоянной, независимо от проигрываемой ноты.

Кнопка Wave Mod (Вкл. / Выкл.)

Включение / выключение волновой модуляции.

Всплывающее меню формы сигнала

Устанавливает базовую форму волны для генератора.

Параметры OSC 2

Osc 2 (0–100)

Управляет выходным уровнем генератора.

Грубый (± 48 полутонов)

Определяет грубую высоту тона для Osc 2. Если FM включен, это определяет отношение частот генератора к Osc 1.

Fine (± 50 центов)

Точная настройка высоты звука генератора с шагом в цент (сотая часть полутона).Если FM активирован, это определяет отношение частот осциллятора относительно Osc 1.

Волновой мод (± 50)

Этот параметр активен, только если активирована кнопка Wave Mod рядом с переключателем формы сигнала. Волновая модуляция работает путем добавления сдвинутой по фазе копии выходного сигнала генератора к самому себе, что создает вариации формы волны. Например, если используется пилообразный сигнал, активация WM создает импульсный сигнал. Путем модуляции параметра WM с помощью LFO получается классическая ШИМ (широтно-импульсная модуляция).Модуляция волны может применяться к любой форме волны.

Соотношение (1–16)

Этот параметр активен, только если активирован Freq Mod. Он регулирует величину частотной модуляции, применяемой к генератору 2. Обычно его называют индексом FM.

Кнопка синхронизации (Вкл. / Выкл.)

Если синхронизация активирована, Osc 2 подчиняется Osc 1. Это означает, что каждый раз, когда Osc 1 завершает свой цикл, Osc 2 вынужден начинать свой цикл с начала. Это дает характерный звук, подходящий для игры на соло.Osc 1 определяет высоту тона, а изменение высоты звука Osc 2 вызывает изменения тембра. Для классических звуков синхронизации попробуйте модулировать высоту звука Osc 2 с помощью огибающей или LFO. Высота звука Osc 2 также должна быть выше, чем высота звука Osc 1.

.

Кнопка слежения (Вкл. / Выкл.)

Если отслеживание активировано, высота тона генератора отслеживает ноты, сыгранные на клавиатуре. Если отслеживание отключено, высота звука генератора остается постоянной, независимо от проигрываемой ноты.

Кнопка Freq Mod (Вкл. / Выкл.)

Включение / выключение частотной модуляции.

Кнопка Wave Mod (Вкл. / Выкл.)

Включение / выключение волновой модуляции.

Всплывающее меню формы сигнала

Устанавливает базовую форму волны для генератора.

Параметры OSC 3

Osc 3 (0–100)

Управляет выходным уровнем генератора.

Грубый (± 48 полутонов)

Определяет грубую высоту тона для Osc 3.Если FM активирован, это определяет соотношение частот генератора относительно Osc 1/2.

Fine (± 50 центов)

Точная настройка высоты звука генератора с шагом в цент. Если FM активирован, это определяет соотношение частот генератора относительно Osc 1/2.

Соотношение (1–16)

Этот параметр активен, только если активирована кнопка Freq Mod. Он регулирует величину частотной модуляции, применяемой к генератору 3. Обычно он обозначается как FM index .

Кнопка синхронизации (Вкл. / Выкл.)

Если синхронизация активирована, Osc 3 подчиняется Osc 1. Это означает, что каждый раз, когда Osc 1 завершает свой цикл, Osc 3 принудительно запускает свой цикл с начала. Это дает характерный звук, подходящий для игры на соло. Osc 1 определяет высоту звука, а изменение высоты звука Osc 3 вызывает изменения тембра. Для классических звуков синхронизации попробуйте модулировать высоту тона Osc 3 с помощью огибающей или LFO. Высота звука Osc 3 также должна быть выше, чем высота звука Osc 1.

Кнопка слежения (Вкл. / Выкл.)

Если отслеживание активировано, высота тона генератора отслеживает ноты, сыгранные на клавиатуре. Если отслеживание отключено, высота звука генератора остается постоянной, независимо от проигрываемой ноты.

Кнопка Freq Mod (Вкл. / Выкл.)

Включение / выключение частотной модуляции.

Кнопка Wave Mod (Вкл. / Выкл.)

Включение / выключение волновой модуляции.

Всплывающее меню формы сигнала

Устанавливает базовую форму волны для генератора.

О частотной модуляции

Частотная модуляция или FM означает, что частота одного генератора, называемого несущей, модулируется частотой другого генератора, называемого модулятором.

• В Prologue Osc 1 — модулятор, а Osc 2 и 3 — несущие.

  Однако Osc 2 может быть как несущей, так и модулятором, как если бы частотная модуляция применялась к Osc 2, он модулировался Osc 3. Если Osc 2 также использует частотную модуляцию, Osc 3 модулируется как Osc 1, так и Osc 2.

• Чистый звук частотной модуляции выводится через генераторы модулятора.

  Это означает, что вы должны выключить выход Osc 1 при использовании частотной модуляции.

• Кнопка Freq Mod активирует / деактивирует частотную модуляцию.

• Параметр Ratio определяет величину частотной модуляции.

Portamento

Этот параметр позволяет плавно изменять высоту тона между играемыми вами нотами.Настройка параметра определяет время, необходимое для перехода высоты звука от одной ноты к другой. Поверните ручку по часовой стрелке, чтобы увеличить время скольжения.

Переключатель режима позволяет применять скольжение, только если вы играете легато. Режим Legato работает только с монофоническими партиями.

Кольцевая модуляция

Кольцевые модуляторы умножают два аудиосигнала. Выходной сигнал с кольцевой модуляцией содержит добавленные частоты, генерируемые суммой и разностью частот двух сигналов.В Prologue Osc 1 умножается на Osc 2 для получения суммарных и разностных частот. Модуляция звонка часто используется для создания звуков, подобных колокольчику.

• Чтобы услышать модуляцию звонка, уменьшите выходной уровень для Osc 1 и 2 и полностью увеличьте уровень R.Mod.

• Если Osc 1 и 2 настроены на одну и ту же частоту и к высоте тона Osc 2 не применяется модуляция, ничего не происходит.

  Однако, если вы измените высоту звука Osc 2, можно услышать резкие изменения тембра.Если осцилляторы настроены на гармонический интервал, такой как квинта или октава, выходной сигнал с кольцевой модуляцией звучит гармонично, другие интервалы создают негармоничные сложные тембры.

• Отключение синхронизации генератора при использовании кольцевой модуляции.

Генератор шума

Генератор шума можно использовать, например, для имитации звуков барабанов и дыхания духовых инструментов.

• Чтобы слышать только звук генератора шума, уменьшите выходной уровень для генераторов и увеличьте параметр шума.

• Уровень генератора шума по умолчанию направлен на огибающую 1.

RF Генераторы | Журнал Nuts & Volts

---

Ранее мы узнали, что заставляет осциллятор делать то, что он делает, и попробовали простой низкочастотный пример. Теперь пора перейти на более высокую частоту к генераторам, которые создают сигналы, управляющие беспроводным миром радиолюбителей.

Давайте на минутку вернемся. Во-первых, генераторы нуждаются в усилении ( A ), частотно-избирательном фильтре и цепи положительной обратной связи (ß), которые в совокупности удовлетворяют критерию Баркгаузена, A ß = 1. ¹ Даже если вы не собирались создавать осциллятор, если эти три условия присутствуют, осциллятор у вас будет!

В RF были разработаны два основных типа генераторов для создания обратной связи через реактивные сопротивления, которые образуют делитель напряжения с индуктивностью (осциллятор Хартли) или емкостью (осциллятор Колпитца). Вот где мы оставили вещи.

Практические ВЧ-генераторы

Два схематических фрагмента в Часть 1 продемонстрировали основную идею, но не были практическими схемами, так как в них были пропущены такие важные элементы, как источники питания, смещение и выходные соединения.Итак, как же на самом деле сделать осциллятор? Фигуры 1 и 2 показывают пару реально функционирующих схем генератора.

РИСУНОК 1. Генератор Хартли будет работать около 7,9 МГц. Полевые транзисторы J310 в корпусах TO-92 со сквозным отверстием можно приобрести у Mouser Electronics ( www.mouser.com ), а в корпусах SMT — у многих поставщиков. Индуктор Lt-a состоит из 17 витков сплошного провода №24 или №26 на тороиде из порошкового железа типа 6 диаметром 0,5 дюйма.Индуктор Lt-b состоит из 10 витков на тороиде из порошкового железа типа 6 диаметром 0,3 дюйма. Для лучшей стабильности Ct должен быть из полистирольной пленки или посеребренного слюдяного конденсатора. Типы порошкового железа относятся к продукции Amidon Corporation ( www.amidoncorp.com ). + V может составлять от 6 В до 15 В с отличными результатами.

---

РИСУНОК 2. Генератор Колпитца будет работать около 7,5 МГц. Индуктор Lt такой же, как Lt-a в , рис. 1 , и оба Ct-a и Ct-b должны быть из полистирольной пленки или конденсаторов из посеребренной слюды.

---

Вы можете создать их и слушать их выходной сигнал на мировом диапазоне или любительском приемнике между 7,5 и 8 МГц. (Вам нужно будет слушать в режиме SSB или CW, поскольку устойчивый выходной сигнал не имеет модуляции, которую может обнаружить AM-радио.)

Каждый из осцилляторов имеет параллельный LC-контур «резервуар», который является фильтром на его резонансной частоте. Фильтр, в свою очередь, определяет частоту генератора. Эти компоненты имеют обозначения C _t и L _t .

Почему контур LC называется контуром резервуара? Потому что он накапливает энергию как электрический маховик.Энергия колеблется назад и вперед от катушки индуктивности к конденсатору на резонансной частоте контура. Положительная обратная связь дает немного энергии, а затвор JFET — немного. Резонансная частота контура резервуара: y

Для схемы Хартли (, рис. 1 ), L _t = L _ta + L _tb = 1,48 мкГн, поскольку две катушки индуктивности включены последовательно, таким образом, ƒ _O = 7,96 МГц.В схеме Колпиттса ( рис. 2 ) C _t = ( C _ta x C _tb ) / ( C _ta + C _tb ) = 410 пФ, потому что два конденсатора включены последовательно. Таким образом, ƒ _O = 7,5 МГц. Обе схемы взяты из превосходного справочника по проектированию электроники, Experimental Methods in RF Design от Hayward (W7ZOI), Campbell (KK7B) и Larkin (W7PUA).

Каково назначение других компонентов схемы? C _byp — это байпасный конденсатор для удержания стока JFET на сигнальной земле.Это усилитель с обычным стоком, похожий на эмиттер-повторитель в мире биполярных транзисторов. R _src ограничивает ток через JFET до нескольких мА — в зависимости от значения + V — который может составлять от шести до 15 вольт с хорошими результатами.

Выходной сигнал схемы снимается через реактивное сопротивление 2 кОм через выход C _и . Если требуется больше сигнала, можно использовать буферный усилитель с высоким входным сопротивлением (эмиттер- или истоковый повторитель) для усиления сигнала.

R _g стабилизирует постоянное напряжение на затворе во время колебаний, так что JFET усиливает стабильно.

C _cpl — это конденсатор связи , который пропускает небольшое количество высокочастотной утечки на затвор полевого транзистора Q1. Он имеет высокое реактивное сопротивление на частоте 8 МГц ( X _C = 1 / 2π ƒC = 7,4 кОм), поэтому контур резервуара «слегка нагружен» — это означает, что количество энергии, которое выходит из резервуара через C _cpl мала по сравнению с энергией, накопленной в контуре бака. Это помогает поддерживать стабильную частоту генератора и снижает шум в выходном сигнале.

C _fbk в цепи Хартли — это путь для обратной связи от источника JFET к цепи резервуара. Поскольку он подает энергию от до вместо того, чтобы извлекать энергию из цепи резервуара , его реактивное сопротивление может быть ниже (около 425 Ом). Более низкое значение также добавляет меньший сдвиг фазы в этот важный путь прохождения сигнала.

Сигналы истока и затвора для JFET, обеспечивающего усиление, синфазны, поэтому подача сигнала обратно через C _fbk создает положительную обратную связь, необходимую для генератора.C _fbk требуется в цепи Хартли для обеспечения тракта радиочастотного сигнала, не позволяя постоянному току проходить через L _t-b на землю. Это не требуется в цепи Колпитса, потому что C _t-a и C _t-b блокируют любой протекание постоянного тока.

D _г — это забавно выглядящий компонент, цель которого не очевидна. Помните, что генератор «запускается», усиливая шум все больше и больше, пока не появится самоподдерживающийся сигнал. Как осциллятор узнает, когда нужно прекратить увеличивать уровень сигнала? Что ж, это не так!

Если ограничивающий механизм отсутствует, сигнал будет нарастать до тех пор, пока его нельзя будет больше усилить, создавая искаженный прямоугольный выходной сигнал.Не подходит для использования по радио!

Решением грубой силы является D _g , который начинает проводить, когда положительный полупериод синусоидального сигнала становится больше, чем примерно 0,5 В. Это загружает вход и снижает усиление, действуя как тормоз системы. (Отрицательные пики являются самоограничивающимися, поскольку они отсекают JFET.)

Вы можете сделать генераторы на рис. 1 и 2 регулируемыми — то, что радиолюбители называют VFO , что является аббревиатурой от Variable Frequency Oscillator — путем добавления переменных конденсаторов в контур резервуара.

Небольшой переменный конденсатор 20-30 пФ в цепи резервуара (от C _cpl к земле в любой цепи) будет сдвигать частоту генератора до 10%. Изменить значение катушки индуктивности не так просто, и умные разработчики схем обнаружили, что переменный конденсатор, включенный последовательно с катушкой индуктивности, может нейтрализовать часть индуктивного сопротивления, изменяя также частоту генератора. Это называется — как ни странно — series tuning .

Влияние компонента Q

И конденсаторы, и катушки индуктивности, определяющие ƒ _O , рассеивают часть проходящей через них РЧ-энергии в виде тепла.Потери в конденсаторе в основном вызваны диэлектрическим материалом (например, полистиролом или слюдой), в то время как индуктор теряет энергию из-за сопротивления в проводе и в его магнитопроводе. Помните, что скин-эффект ограничивает ток индуктора очень тонким слоем на поверхности провода, поэтому сопротивление на RF будет намного выше, чем сопротивление, которое вы измеряете мультиметром постоянного тока.

Эффект этих потерь снижает компоненты — и, следовательно, контур резервуара — Q , или фактор качества .Q может показаться загадочным, но это мера потери энергии с Q = энергия, накопленная в течение одного цикла / энергия, потерянная в течение одного цикла . Для компонента Q — это отношение реактивного сопротивления к сопротивлению.

Например, если индуктор имеет 500 Ом реактивного сопротивления и 5 Ом сопротивления потерь, это будет Q = X _L / R = 500/5 = 100 — типичное значение для катушек индуктивности. Конденсаторы имеют гораздо более высокие значения Q; несколько сотен и больше. Более высокие значения Q означают, что «маховик» продолжает вращаться без значительного замедления или изменения частоты.(Добротность цепи LC-резервуара ограничена добротностью компонента с наибольшими потерями — обычно индуктора.)

Помните, что контур резервуара действует как первичный фильтр для нашего контура обратной связи. Чем меньше потери в фильтре, тем больше шума он пропускает к полевому транзистору, который успешно усиливает все, что появляется на затворе. Таким образом, в генераторе баковый контур Q определяет спектральную чистоту генератора — то есть, насколько первичная желаемая синусоида сопровождается шумами и искажениями различного рода.Если вам нужен чистый сигнал, используйте Ls и C самого высокого качества.

Кристалл кварца

Даже самые лучшие генераторы LC не так стабильны, и большинство из них имеют много шума в своих выходных сигналах. Конечно, это удобные схемы, но они не подходят для точных работ, таких как генерация тактовых сигналов для цифровых схем и задающих генераторов для радиолюбителей. В этих приложениях используется другой тип контура резервуара: кварцевый кристалл .Кварц — это пьезоэлектрический материал , в котором механическое напряжение создает напряжение на материале и наоборот.

Не вдаваясь в подробное обсуждение того, как работает пьезоэлектричество, представьте себе тонкий кварцевый диск с металлическими электродами, приложенными к каждой стороне, как показано на рисунке , рис. 3А, .

РИСУНОК 3. Основная конструкция кварцевого кристалла для генераторов показана на A, вместе с изображением сдвиговых колебаний толщины кристалла.Эквивалентная электрическая схема для кристалла показана в B и описана в тексте.

---

Когда между электродами подается напряжение, кварцевый диск деформируется перпендикулярно своей толщине — так называемый сдвиг по толщине — как показано на рисунке. (Чтобы произошла деформация этого типа, кристалл кварца должен быть разрезан вдоль одной конкретной оси, чтобы внутренние молекулы выстраивались должным образом. Такая ориентация диска называется разрезом AT .)

При подаче переменного напряжения в кварцевом диске могут возникать стоячие волны.В свою очередь, когда стоячие волны движутся через кварц, возникают волны напряжения с обменом энергии между механической и электрической формами. Это должно звучать аналогично тому, как цепь LC-резервуара непрерывно передает электрическую энергию между катушкой индуктивности и конденсатором.

Если частота импульсов правильная, заставляя диск вибрировать на своей собственной резонансной частоте, создавая, в свою очередь, импульсы напряжения, правильно настроенная схема генератора может усилить и усилить вибрации и импульсы напряжения.Подобно тому, как LC-генератор постепенно создает устойчивые колебания из отфильтрованного шума, кварцевый генератор создает колебания, возбуждая колебания кварцевого диска, который действует как фильтр.

Эквивалентная электрическая схема для кристалла кварца на его основной частоте — самой низкой, при которой он имеет естественный резонанс, — показана на Рис. 3B . (Колебания, кратные основной частоте, называются обертонами .) C1 и L1 представляют движение кристалла при его вибрации. R1 представляет эквивалентное последовательное сопротивление или ESR кристалла (обычно несколько десятков Ом), а C0 представляет неподвижную емкость между электродами, паразитную емкость в держателе кристалла и т. Д.

Особенностью кварцевого диска является то, что он имеет чрезвычайно высокую добротность — порядка 100 000! (Для сравнения, добротность хорошей LC-цепи составляет всего 100-200.) Это означает, что генератор, использующий кварцевый кристалл для управления его частотой, будет иметь превосходную стабильность частоты и очень низкий уровень шума.Это делает кварцевые генераторы лучшим выбором для таких требовательных приложений, как генерация сигналов опорной частоты.

Осциллятор Пирса

Наиболее распространенным типом кварцевого генератора является схема Пирса, показанная на рис. 4 . Это разновидность генератора Колпитца, использующая кристалл в резонансном режиме серии для создания положительной обратной связи от коллектора транзистора к базе. Когда внутренние L и C кристалла имеют равные реактивные сопротивления, они компенсируются, оставляя только последовательное сопротивление.Для колебания цепи существует множество сигналов обратной связи.

РИСУНОК 4. Схема кварцевого генератора Пирса, которая может использоваться в диапазоне от 2 до 20 МГц. Если требуется настройка частоты кристалла, вставьте подстроечный колпачок от 50 до 100 пФ между кристаллом и коллектором транзистора.

---

Внимательный читатель мог заметить, что обратная связь идет от коллектора транзистора, который на 180 ° не совпадает по фазе с базой. Это противоположно схемам на рисунках 1 и 2 , где обратная связь была от источника полевого транзистора, который был синфазен с затвором.

Дополнительный фазовый сдвиг обеспечивается кристаллом, который — при последовательном резонансе — имеет фазовый сдвиг от 45 ° до 60 °, что требует дополнительного фазового сдвига, создаваемого R1 и C1, чтобы сделать общий фазовый сдвиг 360 °. R1 также обеспечивает смещение для базы транзистора.

Эта схема (также из Experimental Methods for RF Design ) не критична и будет работать с большинством кристаллов от 2 до 20 МГц. Скорее всего, подойдет любой высокоскоростной NPN-транзистор. Этот гаджет станет отличным тестером кристаллов с барахолки, если на выходе добавить буферный усилитель с простым детектором сигнала, использующим светодиод в качестве визуального индикатора.

Существуют лучшие конструкции для обеспечения стабильности сигнала, снижения шума и т. Д., Но этот простой генератор поможет вам начать работу. Если вы хотите «подрезать» частоту кристалла до точного значения, вам подойдет регулируемый конденсатор от 50 до 100 пФ, подключенный последовательно к кристаллу.

Поскольку радиолюбители большую часть времени не привязаны к каналам с фиксированной частотой, потребовался приемлемый обходной путь, чтобы обеспечить хорошую стабильность частоты с некоторой гибкостью. Таким образом, был разработан VXO или Variable Xtal (кварцевый) генератор , который использовался во многих маломощных и самодельных радиоприемниках для упрощения схем, при этом обеспечивая сигнал хорошего качества.Эта тема станет отличным дополнительным чтением!

Генератор логического затвора

Цифровые разработчики часто используют вариант схемы Пирса с коэффициентом усиления, обеспечиваемым инвертором, как показано на рис. 5 . R _fbk смещает инвертор в его линейную область, чтобы он мог действовать как полноценный усилитель. C1 и C2 создают необходимый фазовый сдвиг вместе с R _s , так что имеется полный фазовый сдвиг на 360 ° по всей цепи.

РИСУНОК 5.Логические инверторы могут использоваться с кристаллом, как показано здесь, обеспечивая прямую цифровую прямоугольную форму выходного сигнала. Этот тип схемы популярен среди микропроцессоров, которые часто предоставляют инвертор специально для создания тактового генератора.

---

Поскольку существует много типов логических семейств и эти схемы используются в широком диапазоне частот, я рекомендую вам прочитать отличное руководство по генераторам логических вентилей от компании Crystek — известного производителя кристаллов. ² Еще один классический справочник по генераторам логических вентилей — это 1974 Fairchild App Note 118 по CMOS Oscillators. ³

Больше осцилляторов, детка!

Эта пара колонок едва ли коснулась поверхности типов и конструкций осцилляторов. Есть много вариантов, как вы увидите, когда начнете их искать.

Тем не менее, теперь вы немного знаете об основах работы осцилляторов. Готов поспорить, вы уже чувствуете, как ваши знания накапливаются в устойчивых колебаниях! NV

---

На связи с микрофоном

Если вы построили какой-либо из осцилляторов на рис. 1 или 2 , настройте их на приемник и дайте им стабилизироваться термически, чтобы сигнал не сильно дрейфовал.Затем очень-очень осторожно постучите по монтажной плате или рабочему столу рядом с цепью, прислушиваясь к сигналу. Скорее всего, частота генератора будет скачиваться с каждым нажатием.

Эта чувствительность к механической вибрации называется микрофонной. Любой тип вибрации вызовет изменение частоты генератора. Фактически, если вы перенесете трубку в другую комнату и попросите вашего помощника сказать что-то вроде: «Ватсон, иди сюда, ты мне нужен!» очень громко и прямо на осциллятор, вы, вероятно, сможете услышать, как частота осциллятора модулируется голосом.

Вы также заметите длительные медленные изменения частоты — быстрее, если вы поднесете источник тепла к контурам резервуара генератора. Это называется тепловым дрейфом. Сложно сделать стабильный LC-генератор.

Если это обсуждение генераторов вызывает у вас свисток, вы можете найти много практических схем построения и эксплуатации среди занятых и активных энтузиастов QRP (малой мощности). Маломощные «буровые установки» (радиостанции) недороги в сборке и модификации, и между «QRPers» много делятся и поощряют, когда они проектируют и строят свое оборудование.Вы можете узнать больше о QRP, действующем на веб-странице технического портала ARRL по адресу www.