Что такое осциллятор для сварки. Как работает сварочный осциллятор. Какие бывают виды осцилляторов. Для чего нужен осциллятор при сварке. Как правильно использовать осциллятор.
Что такое сварочный осциллятор и для чего он нужен
Сварочный осциллятор — это устройство, генерирующее высокочастотные колебания для облегчения зажигания и стабилизации сварочной дуги. Основные функции осциллятора при сварке:
- Облегчение первоначального поджига дуги
- Стабилизация горения дуги в процессе сварки
- Возможность бесконтактного зажигания дуги
- Улучшение качества сварного шва
Осциллятор позволяет значительно упростить процесс сварки, особенно при работе с тугоплавкими металлами и сплавами. Он повышает стабильность дуги и качество сварных соединений.
Принцип работы сварочного осциллятора
Принцип действия сварочного осциллятора основан на генерации высокочастотных колебаний и наложении их на сварочную цепь. Основные этапы работы:
- Генерация высокочастотных колебаний (до нескольких МГц)
- Повышение напряжения с помощью трансформатора (до 2000-6000 В)
- Наложение ВЧ напряжения на сварочную цепь
- Ионизация воздушного промежутка между электродом и деталью
- Облегченное зажигание основной сварочной дуги
Высокочастотные колебания создают в воздушном промежутке между электродом и свариваемой деталью электропроводный канал, что значительно облегчает зажигание основной сварочной дуги.
Виды сварочных осцилляторов
Существует несколько основных видов сварочных осцилляторов:
По принципу действия:
- Искровые осцилляторы
- Ламповые осцилляторы
- Транзисторные осцилляторы
По режиму работы:
- Осцилляторы постоянного действия
- Импульсные осцилляторы
Наиболее распространены искровые осцилляторы из-за простоты конструкции. Импульсные осцилляторы обеспечивают более стабильное горение дуги при сварке на переменном токе.
Преимущества использования осциллятора при сварке
Применение сварочного осциллятора дает ряд важных преимуществ:
- Облегчение зажигания дуги, особенно при сварке тугоплавких металлов
- Возможность бесконтактного поджига дуги
- Повышение стабильности горения дуги
- Снижение разбрызгивания металла при сварке
- Улучшение качества и внешнего вида сварных швов
- Возможность сварки на малых токах
- Увеличение производительности сварочных работ
Осциллятор особенно эффективен при аргонодуговой сварке и сварке цветных металлов.
Как правильно использовать сварочный осциллятор
Для эффективного и безопасного использования сварочного осциллятора следует соблюдать ряд правил:
- Подключать осциллятор строго по инструкции
- Обеспечить надежное заземление
- Не превышать допустимую продолжительность включения
- Регулярно проверять состояние разрядника
- Использовать средства индивидуальной защиты
- Не работать в условиях повышенной влажности
- Отключать осциллятор при длительных перерывах в работе
Правильное использование осциллятора повышает качество сварки и безопасность работы.
Особенности выбора сварочного осциллятора
При выборе сварочного осциллятора следует учитывать несколько ключевых параметров:
- Тип сварки (ручная дуговая, аргонодуговая и т.д.)
- Мощность сварочного аппарата
- Режим работы (постоянный или импульсный)
- Напряжение холостого хода
- Частота выходных колебаний
- Габариты и вес устройства
- Наличие защитных функций
Правильно подобранный осциллятор обеспечит максимальную эффективность сварочных работ.
Меры безопасности при работе со сварочным осциллятором
Работа со сварочным осциллятором требует соблюдения ряда мер безопасности:
- Использование средств индивидуальной защиты (маска, перчатки, спецодежда)
- Обеспечение надежного заземления оборудования
- Регулярная проверка изоляции кабелей
- Работа в сухом помещении с хорошей вентиляцией
- Отключение осциллятора при замене электродов
- Запрет на работу при неисправном оборудовании
- Соблюдение правил пожарной безопасности
Строгое соблюдение техники безопасности позволит избежать травм и несчастных случаев при работе с осциллятором.
Осциллятор
Осциллятор
Oscillator
Осциллятор – система,
тело, частица, совершающие периодические колебания вокруг положения устойчивого
равновесия. В классической физике частота колебаний гармонического осциллятора
, где
m – масса осциллятора, а k – некая постоянная (например, жёсткость пружины),
определяющая масштаб возвращающей (к положению равновесия) силы F
= — kx (x – отклонение от положения равновесия). Энергия классического
осциллятора пропорциональна квадрату амплитуды его колебаний и может изменяться
непрерывно.
Уровни энергии гармонического осциллятора En и волновые функции ψn(x,t) определяются из уравнения Шредингера
En = ћω(n+1/2), n = 0, 1, 2, …
– амплитуда нулевых колебаний,
Hn(x) – полиномы Эрмита
Квантовые осцилляции, реализующиеся в молекулах, атомах,
ядрах, могут происходить лишь при фиксированном наборе отдельных энергий,
т.
е. спектр уровней такого осциллятора дискретен. Уровни квантового осциллятора
эквидистантны и даются выражением Е n = ћω(n + 1/2),
где n = 0, 1, 2, …, а ћ = h/2π (h – постоянная Планка). n иногда
называют числом фононов. Наинизшая энергия квантовых осцилляций (энергия
его нулевых колебаний) Е0 = ћω/2 > 0. Таким образом,
квантовый осциллятор нельзя остановить (для этого его надо уничтожить).
Значение ω, определяющее основной тон квантового осциллятора,
связано с его потенциальной энергией классическим соотношением mω2x2/2
= kx2/2.
Под влиянием внешнего возмущения квантовый осциллятор может переходить
с одного уровня на другой. При этом минимальная энергия поглощаемых и излучаемых
квантов (энергия одного фонона) равна ћω.
Рис. Спектр энергий и квадраты модулей волновых функций квантового гармонического осциллятора.
Осцилляторы.
Виды и устройство. Работа и применение. ОсобенностиОсциллятором называют систему, в которой периодически совершается повторение какого-либо показателя. Осцилляторы в технике играют важную роль, так как любая физическая система представляется в виде осциллятора. Элементарными осцилляторами можно назвать маятник и контур колебаний. Электрические осцилляторы выполняют преобразование постоянного тока в переменный, образуют колебания определенной частоты управляющей схемой.
Виды и устройствоСуществует много различных видов осцилляторов:
- Синусоидальным сигналом.
- Прямоугольным сигналом.
- Пилообразным сигналом.
- Кварцевые осцилляторы.
- Треугольным сигналом.
- Низкой частоты.
- Высокой частоты.
- Переменной частоты.
- Постоянной частоты.
Чтобы превратить постоянное напряжение в прямоугольные импульсы, либо для создания электромагнитных колебаний для других нужд, можно использовать осциллятор Ройера.
Его еще называют генератором. Такое устройство состоит из двух биполярных транзисторов, двух резисторов, двух емкостей, а также трансформатор.
Транзисторы функционируют в режиме ключей, трансформатор дает возможность создать обратную связь, разъединить гальванически первичную и вторичную обмотки.
В начальный период времени, при подаче напряжения незначительные токи коллектора начинают протекать от источника по транзисторам. Транзистор VТ1 откроется раньше, магнитный поток, который пересекает обмотки, будет повышаться, а ЭДС обмоток будет также расти. В основных обмотках 1 и 4 ЭДС будут такими, что транзистор VТ1 откроется, а другой транзистор VТ2 закроется.
Ток коллектора VТ1 и магнитный поток в трансформаторе будут повышаться до момента его насыщения. В этот момент ЭДС обмоток будет равна нулю. При этом коллекторный ток транзистора VТ1 станет уменьшаться.
Полярность ЭДС обмоток изменится на обратную, и транзистор VТ1 станет закрываться, а транзистор VТ2 откроется, так как основные обмотки симметричны.
Коллекторный ток VТ2 будет повышаться до момента, когда прекратится повышение магнитного потока, и когда ЭДС обмоток снова станет нулевой, коллекторный ток VТ2 станет снижаться, магнитный поток – уменьшаться, ЭДС изменит свою полярность. VТ2 закроется, при этом откроется транзистор VТ1, и весь процесс повторится.
Частота осциллятора Ройера взаимосвязана с параметрами блока питания и со свойствами магнитопровода по следующей зависимости:
U п — напряжение; ω — число витков; S — сечение сердечника; B н — индукции.
При насыщении сердечника ЭДС будет неизменной, поэтому при подключении нагрузки к вторичной обмотке, форма импульсов ЭДС станет прямоугольной. Сопротивления в основных цепях транзисторов выравнивают функционирование преобразователя, а емкости помогают оптимизировать форму напряжения на выходе.
Генераторы Ройера могут функционировать на частотах, достигающих нескольких сотен кГц.
Это зависит от магнитных характеристик магнитопровода трансформатора.
Чтобы облегчить поджигание дуги во время сварки и для ее устойчивости используют так называемые сварочные устройства. Это генераторы повышенной частоты, служащие для эксплуатации с обычными источниками напряжения. Сварочный осциллятор выполнен в виде искрового генератора колебаний на основе повышающего трансформатора низкой частоты с разностью потенциалов на вторичной обмотке до 3000 вольт.
В схеме также имеется блокировочный конденсатор, обмотка связи, контур колебаний, разрядник. С помощью контура колебаний, являющимся основной частью осциллятора, действует трансформатор высокой частоты.
Колебания ВЧ проходят по трансформатору, и ВЧ напряжение поступает на дуговой зазор. Блокировочная емкость предохраняет шунтирование источника напряжения дуги. В цепь сварки также входит дроссель для качественной изоляции обмотки.
Сварочный осциллятор до 0,3 кВт выдает импульсы в несколько мс.
Этого хватает для быстрого поджигания электрической дуги. Ток ВЧ и высокого напряжения накладывается на действующую сварочную цепь.
- Постоянные.
- Импульсные.
Устройства постоянного действия функционируют без перерыва при сварке, образуя дугу наложением дополнительного тока ВЧ и напряжения до 6 кВ. Возбуждение электрической дуги осуществляется с помощью наложения высокой частоты на токоведущие части. Дуга может возникать без касания электрода со свариваемыми деталями. Такой ток не причиняет вреда работнику, если соблюдены все требования охраны труда. Электрическая дуга ВЧ тока горит ровным пламенем даже при незначительном токе.
Большей эффективностью обладают сварочные аппараты при последовательной схеме включения, так как при этом нет необходимости в высоковольтной защите. В процессе эксплуатации от разрядника слышны легкие потрескивания по промежутку до двух миллиметров. Этот зазор настраивают перед началом сварки специальным регулировочным винтом, при отключенном питании.
При работе на сварочном аппарате от переменного тока применяют импульсные устройства, которые способны поджечь электрическую дугу при изменении полярности тока. Это такие аппараты, которые предназначены для подачи синхронных импульсов в тот момент, когда меняется полярность. Вследствие этого намного упрощается повторное образование электрической дуги.
Это дает возможность уменьшить напряжение холостой работы трансформатора до 40 вольт. Импульсные устройства используют только для сварки с применением защитных газов неплавящимися электродами. Импульсные сварочные устройства имеют повышенную устойчивость в работе, по сравнению с обычными осцилляторами. Они не образуют радиопомех, однако, из-за нехватки напряжения не могут обеспечить дугу без осциллятора на первоначального розжига и импульсного возбудителя.
В устройство такого осциллятора входят специальные емкости, получающие заряд от особого блока питания. Они поддерживают стабильное горение дуги.
Такое устройство используется для сварки электродами для обработки аргона, цветных металлов, а также и обычными электродами.
Основной процесс действия электрического осциллятора можно показать на примере контура колебаний, который состоит из конденсатора С и индуктивности L. После подключения выводов заряженного конденсатора с катушкой, он начинает разряжаться. Вследствие чего энергия конденсатора медленно модифицируется в электромагнитное поле.
После полного разряда емкости, энергия переходит в катушку. После этого заряд продолжает перемещаться по катушке, и снова заряжает конденсатор в обратной полярности, какая была сначала.
Затем конденсатор снова начинает разряжаться на катушку. И так все периоды колебаний этот процесс будет иметь повторения, до тех пор, пока не затухнут колебания вследствие рассеивания энергии в диэлектрике между пластинами емкости, на сопротивлении обмотки катушки.
В этом примере контур колебаний — наиболее простой осциллятор. В нем происходят изменения показателей: индукции, тока, напряженности, напряжения между пластинами емкости, заряда емкости.
При этом существуют затухающие свободные колебания.
Для того, чтобы сделать колебания незатухающими, требуется восполнение рассеивания электрической энергии. При восполнении энергии необходимо следить за тем, чтобы амплитуда колебаний оставалась постоянной, и не выходила за пределы заданной величины. Чтобы достигнуть выполнения этой задачи в схему включают цепь обратной связи.
В результате осциллятор становится схемой усилителя с обратной связью. В этой схеме часть выходного сигнала поступает на активный элемент управляющей схемы. Итогом ее действия в колебательном контуре возникают синусоидальные колебания, которые имеют неизменную частоту и амплитуду. Другими словами синусоидальные осцилляторы функционируют благодаря притоку энергии, поступающей от активных элементов к пассивным. При этом процесс поддерживается с помощью цепи обратной связи. Форма колебаний изменяется незначительно.
Требования к использованиюДля того, чтобы применять осцилляторы, необходима их регистрация в специальных органах электросвязи.
Также необходимо соблюдать и другие условия эксплуатации:- Устройство можно применять как снаружи помещений, так и в закрытых пространствах.
- Перед началом работы необходимо подключить аппарат к контуру заземления.
- Запрещается применять устройство в условиях сильной запыленности, с наличием паров или химических агрессивных газов.
- Функционирование осциллятора разрешается при величине атмосферного давления до 106 килопаскалей, влажность должна быть не более 98%.
- Эксплуатационный диапазон температур должен находиться в интервале – 10 +40 градусов.
- Запрещается эксплуатация устройства вне помещений при снеге или дожде.
В настоящее время в торговой сети осцилляторы широко представлены в специализированных магазинах. Также его можно изготовить самостоятельно. Чтобы изготовить осциллятор своими руками, необходимы специальные знания в электротехнике по вопросам подключения электрических цепей, правильный выбор составных частей и деталей.
Основным элементом является трансформатор высокого напряжения.
Самодельные осцилляторы можно изготовить по самой элементарной схеме. В состав устройства будет входить трансформатор, регулирующий напряжение, и разрядник, который выдерживает прохождение мощной электрической дуги.
Управление устройства осуществляется кнопкой, которая одновременно подключает разрядник и подачу газа в область производства сварки. Высокочастотные импульсы, которые должны обеспечить надлежащую эффективность сварки, создаются трансформатором, имеющим высокое напряжение и разрядником.
На выходе такой сварочный аппарат имеет два контакта: положительный и отрицательный. По положительному электроду поступает ток от трансформатора, подключается к сварочной горелке, а второй провод подключается на свариваемые детали.
Меры безопасностиДля работы с осциллятором требуется квалификация и навык работы со сварочными аппаратами. При использовании подобных устройств требуется соблюдение безопасных приемов работы.
Во время эксплуатации необходимо непрерывно осуществлять контроль за правильностью подключений к сварочной цепи, контролировать надежность контактов на их качество соединения и исправность. Также при работе необходимо применять защитный кожух, который одевается и снимается с устройства только при отключенном питании. Также необходимо постоянно следить за состоянием разрядника, очищать его поверхность от нагара с помощью шлифшкурки.
Похожие темы:
Атомная физика
Квантовая теория устранила трудности, на которые натолкнулась классическая теория в вопросе теплоемкости твердых тел. Представим тело как систему
|
|
. |
(7.3) |
Если обозначить число осцилляторов с квантовым числом n, причем
то средняя энергия, приходящаяся на одну молекулу в состоянии термодинамического равновесия, определяется выражением
|
|
. |
(7.4) |
Согласно распределению Больцмана, вероятность найти осциллятор в состоянии с квантовым числом равна
|
|
. |
(7.5) |
Подставляя соотношения (7.5) и (7.3) для и в формулу (7.4) и выполняя суммирование, приходим к выражению для средней энергии гармонического осциллятора:
|
|
. |
(7.6) |
Формула (7.6) отличается от полученного ранее выражения наличием дополнительного первого слагаемого.
Это слагаемое
есть энергия «нулевых колебаний» гармонического осциллятора, которая не зависит от температуры и потому не вносит вклада в теплоемкость системы.
Выражение (7.6) было положено Эйнштейном в основу квантовой теории теплоемкости твердых тел.
Эйнштейн отождествил кристаллическую решетку из N молекул с системой независимых гармонических осцилляторов с одинаковой собственной частотой w. Тогда внутренняя энергия одного моля определяется выражением
.
Дифференцируя его по температуре, получаем молярную теплоемкость кристаллической решетки твердых тел
|
|
. |
(7.7) |
Это и есть формула Эйнштейна для теплоемкости кристаллов. При высоких температурах, когда
она переходит в классическую формулу
.
В другом предельном случае низких температур, когда
можно пренебречь единицей в знаменателе и получить
|
|
. |
(7.8) |
При T, стремящемся к 0, полученное выражение стремится к нулю, как это требует тепловая теорема Нернста (см. разд. 5.7).
Поясним физический смысл этого результата. Из-за квантовой дискретности между основным и возбужденным уровнями системы осцилляторов имеется конечный энергетический зазор (энергетическая щель). Меньшее количество энергии осциллятор воспринять просто не в состоянии. При нулевой температуре в системе нет возбуждений — все осцилляторы находятся в основном состоянии. При небольшом повышении температуры тепловой энергии не хватает на преодоление этой щели, и лишь малое количество осцилляторов, пропорциональное
согласно закону Больцмана переходит на первый возбужденный уровень. Именно они ответственны за поглощение тепловой энергии и, соответственно, за малую теплоемкость кристалла при низких температурах.
При высоких температурах тепловой энергии хватает на возбуждение многих вышележащих колебательных уровней, так что дискретность энергии уже не играет особой роли — мы возвращаемся к классическому результату Дюлонга и Пти.
Однако согласие с опытом теории Эйнштейна имеет только качественный характер. В выражении для при низких температурах экспоненциальный множитель убывает быстрее, чем растет множитель . Поэтому при приближении к абсолютному нулю теплоемкость стремится к нулю практически по экспоненциальному закону. Опыт же показывает, что теплоемкость кристаллов изменяется при низких температурах не экспоненциально, а по степенному закону
.
Как оказалось, эти расхождения теории Эйнштейна с опытом связаны не с существом квантовой теории, а с упрощением расчета, в котором предполагалось, что все гармонические осцилляторы колеблются с одной и той же частотой. На самом деле кристаллическую решетку следует рассматривать как связанную систему взаимодействующих частиц.
При вычислении теплоемкости тело действительно можно рассматривать как систему гармонических осцилляторов, но с различными частотами. Задача сводится к отысканию спектра частот.
Осцилляторы – Oscillators
Рис. 1 Осциллограмма электрического сигнала.
В техническом анализе осцилляторы – это математическое выражение скорости движения цены во времени, представленное на графике в виде осциллограммы или синусоиды. У осциллятора в отличие от индикатора есть собственная шкала измерения.
Цена на бирже постоянно изменяется: ее скорость то увеличивается, то снижается или сохраняется на одном уровне. Считается, что снижение скорости цены при повышательной или понижательной тенденциях является ранним предупредительным сигналом о том, что текущее ценовое движение может вскоре измениться. Именно такие моменты являются самыми выгодными для открытия позиции, так как за ними, как правило, следуют периоды, когда скорость быстро изменяется – именно в эти периоды и зарабатывается максимальная прибыль.
Разнообразные методы технического анализа работают на прогнозирование движения цены, эти методы можно разделить на две большие группы: графические методы и аналитические методы. Все индикаторы и осцилляторы относятся к аналитическим методам технического анализа.
По функциональному назначению все осцилляторы можно условно разбить на пять классов:
1. Измеряющие тренд
К ним относятся осцилляторы, служащие для измерения тренда, его направления, силы и продолжительности. К этому же классу относят такие известные осцилляторы, как ADX, MACD и другие. Такие осцилляторы называются трендовыми.
2. Измеряющие волатильность
Этот класс служит для измерения меры изменчивости цены ценной бумаги. Изменчивость или волатильность – это мера изменчивости цены относительно своего среднего или предыдущего значения за определенный период времени. К этому классу осцилляторов относятся: Average True Range (ATR), Chaikin’s Volatility (CHV) и другие.
3.
Измеряющие скорость ценыПредставители этого класса используются для измерения скорости изменения цены за определенный промежуток времени. Этот класс осцилляторов представлен очень широко, к нему принадлежат Momentum, Relative Strength Index (RSI), Commodity Channel Index (CCI), Stochastic Oscillator, Williams` %Range (%R) и другие. Такие осцилляторы называются скоростными.
4. Измеряющие объем сделок
Этот класс осцилляторов измеряет объем сделок, реже число открытых позиций. К таким осцилляторам относятся Volume Oscillator (VO), On Balance Volume и другие. Такие осцилляторы называются объемными.
5. Измеряющие циклы
Служат для выявления циклов и их длины, это Fibonacci Time Zones, MESA Sine Wave Indicator и другие. Такие осцилляторы называются циклическими.
Подходы использования осцилляторов в трейдинге.
Как мы уже знаем, цены могут двигаться понижательно, повышательно и в боковом направлении. Повышательное и понижательное движение относится к трендовому движению, то есть к направленному.
В разделе индикаторы мы уже рассмотрели «трендовые индикаторы», которые позволяют отслеживать и предугадывать возникновение нового тренда на ранней стадии и следовать за ним.Но тренды случаются не так часто, больше половины времени цена движется в бок.
Напомню, что боковое ценовое движение (флэт) часто называют нетрендовым, так как выраженного направления в нем не наблюдается, цена то
растет, то падает, примерно одинаково изменяясь вверх и вниз, и двигается в пределах сравнительно узкого «коридора».
Суть в том, что тактики торговли при трендовом рынке и при боковом рынке отличаются как небо и земля. Там, где при трендовом рынке надо покупать, при боковом рынке надо продавать и, наоборот, где при тренде надо продавать, при боковом рынке нужно покупать. Такие противоположные логики торговли называются трендовая или контртрендовая.
Как раз осцилляторы и разработаны специально, чтобы эффективно торговать в условиях бокового движения на рынке по контртрендовой тактике, когда трендовая тактика малоэффективна.
Существует много методов расчета и построения осцилляторов, однако, способов их «чтения» не так уж и много. Наиболее важные торговые сигналы, подаваемые осцилляторами, приведены ниже:
1. Зоны перекупленности и перепроданности.
Показатели осцилляторов наиболее значимы, когда они достигают своих предельных значений. Рынок считается перекупленным, если осциллятор находится в верхней зоне графика или зоне перекупленности (Рис. 1, желтая зона), в этой зоне следует продавать (SELL). Рынок считается перепроданным, если осциллятор находится в нижней зоне графика или зоне перепроданности (Рис. 1, зеленая зона), в этой зоне рекомендуется покупать (BUY).
ОСЦИЛЛЯТОР — это… Что такое ОСЦИЛЛЯТОР?
ОСЦИЛЛЯТОР — (от лат. oscillo качаюсь) колеблющаяся система. Осциллятор называется гармоническим, если его потенциальная энергия пропорциональна квадрату отклонения от положения равновесия, что имеет место при малых колебаниях. Энергия квантового осциллятора… … Большой Энциклопедический словарь
ОСЦИЛЛЯТОР — ОСЦИЛЛЯТОР, в электронике система, испытывающая колебания.
Цепь осциллятора преобразует постоянный ток в высокочастотный переменный ток. Гармонический осциллятор генерирует синусоидальные колебания. см. также ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК … Научно-технический энциклопедический словарь
ОСЦИЛЛЯТОР — (от лат. oscillo качаюсь), физическая система, совершающая колебания. Термином «О.» пользуются для любой системы, если описывающие её величины периодически меняются со временем. К л а с с и ч е с к и й О. механич. система, совершающая колебания… … Физическая энциклопедия
осциллятор — вибратор, осциллатор, волнообразователь Словарь русских синонимов. осциллятор сущ., кол во синонимов: 3 • вибратор (12) • … Словарь синонимов
осциллятор — а, м. oscillateur, нем. ? <лат. oscillare колебаться. 1. физ. Колеблющаяся система, совершающая колебания относительно некоторого положения равновесия. СИС 1954. Единство первичных колебаний герцевского осциллятора. 1891.
Лебедев 87. 2. Прибор … Исторический словарь галлицизмов русского языка
Осциллятор — (от латинского oscillo качаюсь), физическая система, совершающая колебания. Термином “осциллятор” пользуются для любой системы, если описывающие её величины периодически меняются со временем. Понятие осциллятора играет важную роль в теории… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ОСЦИЛЛЯТОР — в широком смысле слова всякая физ. система, совершающая колебания, если характеризующие её величины периодически изменяются во времени, в более узком смысле колебательная система с одной степенью свободы (напр. маятник, груз на пружине). Понятие… … Большая политехническая энциклопедия
ОСЦИЛЛЯТОР — (Oscillator) в широком смысле любая колебательная система. В современной теоретической физике особое значение имеет т. наз. гармонический О., под которым разумеют электрическую систему, совершающую гармонические колебания и порождающую в… … Морской словарь
Осциллятор — Осциллятор: линейно упругая система с одной степенью свободы, обладающая заданным значением собственной частоты и относительного демпфирования.
.. Источник: Воздействие природных внешних условий на технические изделия. Общая характеристика.… … Официальная терминология
осциллятор — [IEV number 151 13 51] EN oscillator active device for producing a periodic quantity the fundamental frequency of which is deter mined by the characteristics of the device Source: 702 09 22 MOD [IEV number 151 13 51] FR oscillateur, m dispositif… … Справочник технического переводчика
Физики запутали классические осцилляторы разными способами
C. Ockeloen-Korppi et al. / Nature
Сразу две группы физиков сообщили о том, что им удалось добиться квантовой запутанности в системе двух микромеханических осцилляторов, каждый из которых состоит из нескольких миллиардов атомов.
В одной группе ученые использовали кремниевые оптомеханические кристаллы, соединенные лазерными пучками. Другая группа исследователей рассматривала колебания двух мембран, помещенных над металлическими пластинками и связанных электрической цепью, по которой распространялось микроволновое излучение. Обе статьи опубликованы в Nature.
Квантовой запутанностью называют явление, при котором квантовые состояния частиц оказываются скоррелированы, то есть взаимосвязаны. Грубо говоря, представим, что мы последовательно подбросили две монетки, каждая из которых может с равной вероятностью выпасть «орлом» или «решкой» вверх. Кроме того, будем считать, что результаты подбрасывания определяются состоянием монетки, которое заранее неизвестно. Если монетки друг с другом никак не связаны, результаты их подбрасываний независимы — другими словами, не важно, какой стороной выпала первая монетка, предсказать на основании этого факта исход следующего опыта нельзя.
Это не так, если монетки запутаны: достаточно подбросить только одну монетку, чтобы узнать состояние второй.
Например, вторая монетка всегда будет выпадать той же стороной, что и первая. В случае частиц или других квантовых систем состояние описывается более сложными свойствами, однако суть остается той же. Особенно интересно, что квантовые аналоги запутанных монеток можно сначала разнести на большое расстояние и только потом сравнить результаты «подбрасываний» — окажется, что они будут взаимосвязаны даже в этом случае, хотя монеткам приходится обмениваться информацией со сверхсветовой скоростью. Подробнее об этом явлении можно прочитать в статье «Просто о квантовой запутанности».
На протяжении долгого времени квантовую запутанность удавалось экспериментально наблюдать только для отдельных частиц, в основном фотонов. Тем не менее, в 2009 году физикам из США и Израиля впервые удалось запутать механические осцилляторы, состоящие из связанных ионов магния и бериллия, а к настоящему времени ученые уже научились запутывать несколько миллионов атомов. Впрочем, до квантовой запутанности макроскопических систем, содержащих миллиарды миллиардов частиц, дело пока еще не дошло.
На этой неделе сразу две группы физиков приблизились к этой цели, запутав две системы оптомеханических осцилляторов. Первая группа, возглавляемая Саймоном Грёблахером (Simon Gröblacher), использовала в качестве осцилляторов тонкие кремниевые палочки длиной около десяти микрометров, на которые направлялись пучки лазерного излучения. Палочки были обжаты по концам, а на протяжении всей длины в них были проделаны отверстия — благодаря фотоупругости и давлению излучения длина палочек начинала периодически изменяться, причем частота механических колебаний оказывалась связана с частотой падающих и выходящих из палочки фотонов благодаря процессу Стокса (то есть комбинационному рассеянию света, Raman scattering). Осцилляторы были смонтированы на специальном чипе и отстояли друг от друга на расстоянии около двадцати сантиметров.
Схема экспериментальной установки первого опыта
Ralf Riedinger et al.
/ Nature
Для создания и подтверждения запутанности между осцилляторами ученые использовали следующую трехшаговую схему. На первом шаге каждый из механических осцилляторов охлаждался до температуры порядка 60 милликельвинов, чтобы снизить влияние механических колебаний, которые не имеют отношения к рассеянию света, то есть перевести осцилляторы в основное состояние.
На следующем шаге осцилляторы помещались в различные плечи интерферометра, а рождающиеся в них в результате процесса Стокса фотоны регистрировались сверхпроводящими детекторами. При этом сила излучения была подобрана таким образом, чтобы вероятностью одновременного рождения фотонов в обоих осцилляторах можно было пренебречь. Получалось, будто осцилляторы запутались — если в одном из них рождался фотон и возникали механические колебания, можно было утверждать, что в другом осцилляторе колебаний не возникало. В то же время, делители лазерных пучков были установлены не только перед осцилляторами, но и после, то есть рождение фотона регистрировали сразу оба детектора.
Поскольку оптическая частота осцилляторов совпадала, точно сказать, в каком из них родился фотон, было нельзя.
Наконец, на последнем шаге исследователи подтвердили, что осцилляторы действительно запутались. Для этого они запускали в систему сравнительно мощный «считывающий» импульс — такой, чтобы он вызывал процесс анти-Стокса и позволял ухватить механическое состояние каждого из осцилляторов, но не нагревал их и не приводил к декогеренции. В результате между состояниями полной системы возникал дополнительный фазовый сдвиг, изменяя который, можно было проследить за состояниями отдельных осцилляторов. В самом деле, измеренная учеными зависимость свидетельствовала о запутанности трубочек.
Зависимость скоррелированности фотонов, излучаемых разными осцилляторами, от фазы между пучком накачки и «считывающим» пучком, при фиксированной временной задержке
Ralf Riedinger et al..jpg)
/ Nature
Зависимость скоррелированности фотонов, излучаемых разными осцилляторами, от временной задержки при фиксированной фазе
Ralf Riedinger et al. / Nature
Во второй статье группа физиков под руководством Мика Силанпяя (Mika Sillanpää) исследовала квантовую запутанность на несколько другой установке. Вместо оптомеханических осцилляторов они использовали более привычные приборы, состоящие из металлической мембраны диаметром около 15 микрометров, помещенной над металлической пластинкой. Собственная частота механических колебаний таких осцилляторов составляла около десяти мегагерц, а принцип их работы напоминал барабан или обычные звуковые динамики.Чтобы запутать осцилляторы, ученые соединили их проводами, по которым могли распространяться микроволновые волны.
При этом осцилляторы находились на расстоянии около 600 микрометров друг от друга, то есть непосредственно взаимодействовать не могли. Как и в первой статье, ученые охладили установку до низкой температуры — на этот раз она составила примерно 14 милликельвинов.
Схема экспериментальной установки второго опыта
C. Ockeloen-Korppi et al. / Nature
Затем ученые запутали осцилляторы, запуская в электрическую цепь волны особой формы — такое запутывание отдаленно напоминает связывание двух маятников пружинкой. После этого физики направили на систему две пробные волны с известной разницей фаз и измерили зависимость средних квадратов отклонений осцилляторов от положения равновесия. Выяснилось, что при изменении фазы эти величины менялись практически одинаково — собственно, это указывало на запутанность осцилляторов.
Средние квадраты отклонений координаты осцилляторов от положения равновесия в зависимости от сдвига фаз между пробными волнами
C. Ockeloen-Korppi et al. / Nature
Сумма средних квадратов отклонений координаты и импульса осцилляторов от положения равновесия в зависимости от сдвига фаз между пробными волнами
C. Ockeloen-Korppi et al. / Nature
За последние несколько лет физики добились большого прогресса в изучении квантовой запутанности. Так, в июне 2016 года ученые из Университета Базеля и Национального Университета Сингапура запутали систему сжатых спинов, состоящую из 480 атомов рубидия.
Уже в марте прошлого года исследователи из Университета Женевы научились запутывать более 16 миллионов атомов с помощью одного-единственного фотона. Кроме того, ученые постоянно увеличивают максимальное расстояние, на которое можно передать запутанные частицы — например, в сентябре 2015 года это расстояние составляло около ста километров, а в июне 2017-го превысило тысячу километров. В частности, это достижение позволило провести сеанс трансконтинентальной квантовой спутниковой связи между Веной и Пекином.Подробнее прочитать про запутывание частиц и связанное с ним явление нелокальности можно в наших материалах «Квантовая азбука: Телепортация» и «Квантовая азбука: Нелокальность», а также в отрывке из книги Джорджа Массера «Нелокальность: Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего».
Дмитрий Трунин
Что такое осциллятор? Принцип работы, виды, применение
Осциллятор – это схема, которая производит непрерывную, повторяющуюся, переменную форму волны без какой-либо подачи на входе.
Осцилляторы в основном преобразовывают однонаправленный ток из источника постоянного тока в переменную форму волны, которая имеет желательную частоту. Это достижимо благодаря компонентам схемы.
Принцип работы.
Базовый принцип работы осцилляторов может быть объяснён анализом поведения колебательного LC-контура схемы, показанной на рисунке 1, которая задействует индуктор L и предварительно полностью заряженный конденсатор C. Конденсатор начинает разряжаться через индуктор, что является следствием превращения его электрической энергии в электромагнитное поле. Это поле может быть аккумулировано индуктором.
Однажды конденсатор разряжается полностью, и в схеме нет электрического тока. Как бы там ни было, после этого аккумулированное электромагнитное поле генерирует противоэлектродвижущую силу, что происходит из-за движения тока через схему в том же направлении, что и ранее.
Этот поток тока через схему продолжается вплоть до того момента, пока не разрушится электромагнитное поле, что является результатом обратного преобразования электромагнитной энергии в электрическую форму, вынуждая цикл повторяться.
Как бы там ни было, теперь конденсатор заряжается с отрицательной полярностью, благодаря чему и получается осциллирующая форма волны на выходе.
Рисунок 1 Схема колебательного LC-контура
Как бы там ни было, колебания, которые появляются из-за взаимопревращения двух форм энергии, не могут длиться вечно, ведь они подвержены эффекту потери энергии из-за сопротивления схемы. В результате амплитуда этих колебаний постоянно уменьшается, стремясь к нулю. Колебания просто исчезают естественным образом.
Это показывает, что нужно получить колебания, которые продолжаются во времени и имеют постоянную амплитуду, которая нужна для компенсации потери энергии. Тем не менее, важно отметить, что поступающая энергия должна точно контролироваться, и она должна быть равна потерянной энергии для получения колебаний с постоянной амплитудой.
Если энергии будет поступать больше, чем теряться, то амплитуда колебаний будет возрастать (Рисунок 2a), что приведёт к искаженному выходу.
Если энергии, которая поступает, будет меньше, чем той, которая теряется, то амплитуда колебаний будет уменьшаться (Рисунок 2b), приводя к недостаточным колебаниям.
Рисунок 2 (a) Возрастающие Колебания (b) Затухающие Колебания (с) Колебания с Постоянной Амплитудой
Фактически, осцилляторы являются ни чем иным как усилителями схемы, которые производятся с позитивной или восстанавливающей обратной связью, где часть сигнала на выходе является обратной связью со входом (Рисунок 3). Здесь усилитель содержит активный усиливающий элемент, который может быть транзистором или операционным усилителем, и синфазный сигнал обратной связи является ответственным за поддержку колебаний за счёт завершения потерь в схеме.
Рисунок 3 Типичный осциллятор
Когда блок питания включен, осцилляторы начинают работу из-за наличия электронного шума. Эти шумовые сигналы повторяются по циклу, усиливаются и сходятся в одночастотную синусоидальную волну очень быстро.
Выражение коэффициента усиления закрытого цикла осциллятора, показанного на рисунке 3, выглядит как:
Здесь A является коэффициентом усиления напряжения усилителя и ß является коэффициентом усиления схемы обратной связи. Если Aß > 1, то колебания будут усиливаться в амплитуде (Рисунок 2a). Если же Aß < 1, то колебания будут затухать (Рисунок 2b). Если Aß = 1, то колебания будут иметь постоянную амплитуду (Рисунок 2c).
Другими словами, это указывает на то, что если коэффициент усиления цикла обратной связи мал, то колебания затухают, в то время как при большом коэффициенте результат на выходе искажается. И только если данный коэффициент равен единице, у колебаний будет постоянная амплитуда, порождающая самостоятельный цикл колебаний.
Осцилляторы делятся на две категории, а именно на линейные или синусоидальные осцилляторы и разряжающие осцилляторы. В синусоидальных осцилляторах поток энергии всегда идёт от активных элементов схемы к пассивным, и частота колебаний определяется за счёт обратной связи.
Как бы там ни было, в случае с разряжающими осцилляторами, происходит обмен энергии между активными и пассивными компонентами, и частота колебаний определяется за счёт зарядки и разрядки стационарных элементов, вовлечённых в процесс. Синусоидальные осцилляторы производят слабо изменяющиеся синусоидальные волны на выходе. Разряжающие осцилляторы создают несинусоидальные формы волн (пилообразные, треугольные или квадратные).
Осцилляторы могут быть классифицированы на различные типы, в зависимости от того, какой параметр рассматривается, а именно:
1. Классификация, основанная на механизме обратной связи: осцилляторы с положительной обратной связью и осцилляторы с отрицательной обратной связью.
2. Классификация, основанная на форме волны на выходе: осцилляторы с синусоидальной волной, осцилляторы с квадратной или треугольной формой волны, осцилляторы с волной большого размаха (они создают пилообразную форму волны на выходе), и т.
д.
3. Классификация, основанная на частоте сигнала на выходе: осцилляторы с низкой частотой, аудио осцилляторы (они имеют частоту на выходе, входящую в диапазон аудио), осцилляторы с частотой радио, осцилляторы с высокой частотой, осцилляторы с очень высокой частотой, осцилляторы с ультра высокой частотой. и т.д.
4. Классификация, основанная на типе используемого контроля частоты: RC осцилляторы, LC осцилляторы, кристаллические осцилляторы (которые используют кристаллы кварца для стабильной частоты волны на выходе), и т.д.
5. Классификация, основанная на природе частоты колебаний волн на выходе: осцилляторы с постоянной частотой и осцилляторы с переменной или перестраиваемой частотой.
В качестве примеров осцилляторов можно привести осцилляторы Армстронга, осцилляторы Хартли, осцилляторы Колпиттса, осцилляторы Клэппа, попарносдвоенные осцилляторы, динатронные осцилляторы, осцилляторы Мейснера, опто-электронные осцилляторы, пересекающие осцилляторы, осцилляторы с фазовым сдвигом, осцилляторы Робинсона, триод-тетроидные осцилляторы, мостовые осцилляторы, осцилляторы Пирсона-Ансона, кольцевые осцилляторы, осцилляторы с линией задержки, осцилляторы Ройера, электронные сдвоенные осцилляторы и многоволновые осцилляторы.
Осцилляторы портативны и недороги, благодаря чему они широко применяются в кварцевых часах, радиоприемниках, компьютерах, металло-детекторах, оглушающем оружии, инверторах, ультразвуковых и радиочастотных приспособлениях.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.
Похожее Основы осциллятораВведение
Эти модули генераторов в Learnabout Electronics описывают, сколько часто используемых генераторов работает с использованием дискретных компонентов и в форме интегральных схем. Также узнайте, как самостоятельно создавать и тестировать схемы генераторов.
Что такое осциллятор
Генератор обеспечивает источник повторяющегося сигнала переменного тока на своих выходных клеммах без необходимости какого-либо ввода (кроме D.
C. поставка).
Сигнал, генерируемый генератором, обычно имеет постоянную амплитуду.
Форма и амплитуда волны определяются конструкцией схемы генератора и выбором значений компонентов.
Частота выходной волны может быть фиксированной или переменной, в зависимости от конструкции генератора.
Типы осцилляторов
Рис. 1.0.1 Генератор
(источник переменного тока)
Обозначение цепи Осцилляторы
можно классифицировать по типу генерируемого ими сигнала.
- СИНУС-ВОЛНОВЫЕ ОСЦИЛЛЯТОРЫ производят синусоидальный выходной сигнал.
- РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ОСЦИЛЛЯТОРЫ и НАСТОЛЬНЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ генерируют прямоугольные волны и прямоугольные импульсы.
- ПОВОРОТНЫЕ ОСЦИЛЛЯТОРЫ производят пилообразные волны.
Генераторы синусоидальной волны также можно классифицировать по частоте или типу управления частотой, которое они используют.
Генераторы RF (радиочастоты), работающие на частотах выше примерно 30-50 кГц, используют LC (катушки индуктивности и конденсаторы) или кристаллы для управления своей частотой.Они также могут быть классифицированы как генераторы HF, VHF и UHF, в зависимости от их частоты.
LF (низкочастотные) обычно используются для генерации частот ниже 30 кГц и обычно представляют собой RC-генераторы, поскольку они используют резисторы и конденсаторы для управления своей частотой.
Генераторы прямоугольной формы, такие как релаксационные и нестабильные генераторы, могут использоваться на любой частоте от менее 1 Гц до нескольких ГГц и очень часто реализуются в виде интегральных схем.
Синусоидальные генераторы.
Рис. 1.0.2 Сети управления частотой
Эти схемы идеально производят чистый синусоидальный сигнал на выходе с постоянной амплитудой и стабильной частотой. Тип используемой цепи зависит от ряда факторов, включая требуемую частоту. Конструкции, основанные на LC-резонансных цепях или на кристаллических резонаторах, используются для ультразвуковых и радиочастотных приложений, но на звуковых и очень низких частотах физический размер резонирующих компонентов L и C был бы слишком большим, чтобы быть практичным.
По этой причине комбинация R и C используется для управления частотой. Условные обозначения схем, используемых для этих сетей управления частотой, показаны на рис. 1.0.2
.Генераторы LC
Катушки индуктивности и конденсаторы объединены в резонансный контур, который создает очень хорошую форму синусоидальной волны и имеет довольно хорошую стабильность частоты. То есть частота не сильно меняется при изменении напряжения питания постоянного тока или температуры окружающей среды, но относительно просто, используя переменные индуктивности или конденсаторы, создать (настраиваемый) генератор с переменной частотой.Генераторы LC широко используются для генерации и приема радиочастотных сигналов, когда требуется переменная частота.
Генераторы RC (или CR)
На низких частотах, таких как аудио, значения L и C, необходимые для создания резонирующего контура, были бы слишком большими и громоздкими, чтобы их можно было использовать на практике. Поэтому резисторы и конденсаторы используются в комбинациях типа RC-фильтров для генерации синусоидальных волн на этих частотах, однако сложнее получить чистую форму синусоидальной волны, используя R и C.
Эти низкочастотные генераторы синусоидальной волны используются во многих звуковых приложениях, и используются различные конструкции с фиксированной или переменной частотой.
кварцевые генераторы
На радиочастотах и выше, когда требуется фиксированная частота с очень высокой степенью стабильности частоты, компонент, определяющий частоту колебаний, обычно представляет собой кристалл кварца, который при воздействии переменного напряжения колеблется с очень точной частотой. Частота зависит от физических размеров кристалла, поэтому после изготовления кристалла определенных размеров частота колебаний становится чрезвычайно точной.Конструкции кварцевых генераторов могут генерировать либо синусоидальные, либо прямоугольные сигналы, а также используются для генерации очень точных несущих частот в радиопередатчиках, они также составляют основу очень точных элементов синхронизации в часах, часах и компьютерных системах.
Релаксационные генераторы
Эти генераторы работают по другому принципу, чем генераторы синусоидальной волны. Они генерируют прямоугольный или импульсный выходной сигнал и обычно используют два усилителя и схему управления частотой, которая просто создает временную задержку между двумя действиями.Два усилителя работают в режиме переключения, попеременно включаясь или полностью выключаясь, и поскольку время, в течение которого фактически переключаются транзисторы, длится лишь очень небольшую часть каждого цикла волны, остальную часть цикла они » расслабиться «, в то время как временная сеть производит оставшуюся часть волны. Альтернативное название для этого типа осцилляторов — «нестабильный мультивибратор», это название произошло из-за того, что они содержат более одного колебательного элемента. В основном есть два осциллятора, т.е.е. «вибраторы», каждый из которых передает часть своего сигнала обратно на другой, и выходной сигнал постоянно меняется с высокого на низкий и обратно, то есть он не имеет стабильного состояния, следовательно, он нестабилен. Осцилляторы релаксации могут быть построены с использованием нескольких различных конструкций и могут работать на многих разных частотах. Astables обычно можно выбрать для таких задач, как создание высокочастотных цифровых сигналов. Они также используются для выработки относительно низкочастотных сигналов включения-выключения для мигающих огней.
Генераторы развертки
Форма волны развертки — это еще одно название пилообразной волны.Это имеет линейно изменяющееся (например, возрастающее) напряжение в течение почти всего одного цикла, за которым следует быстрое возвращение к исходному значению волны. Эта форма волны полезна для изменения (качания) частоты генератора, управляемого напряжением, который представляет собой генератор, частота которого может изменяться в заданном диапазоне за счет подачи на его управляющий вход переменного напряжения «развертки». Генераторы развертки часто состоят из пилообразного генератора, который в основном представляет собой конденсатор, заряжаемый постоянным значением тока.Поддержание постоянного зарядного тока при увеличении зарядного напряжения заставляет конденсатор заряжаться линейно, а не по нормальной экспоненциальной кривой. В заданный момент конденсатор быстро разряжается, чтобы вернуть напряжение сигнала к исходному значению. Эти две части пилообразного волнового цикла называются разверткой и обратным ходом.
Что такое осциллятор? — Определение с сайта WhatIs.com
ОтОсциллятор — это механическое или электронное устройство, которое работает на принципах колебаний: периодические колебания между двумя объектами, основанные на изменениях энергии.Компьютеры, часы, радиоприемники и металлоискатели относятся к числу многих устройств, в которых используются генераторы.
Часовой маятник — это простой тип механического осциллятора. Самые точные часы в мире, атомные часы, отсчитывают время в соответствии с колебаниями атомов. Электронные генераторы используются для генерации сигналов в компьютерах, беспроводных приемниках и передатчиках, а также в звуковом оборудовании, особенно в музыкальных синтезаторах. Существует много типов электронных генераторов, но все они работают по одному и тому же основному принципу: в генераторе всегда используется чувствительный усилитель, выходной сигнал которого возвращается на вход синфазно.Таким образом, сигнал восстанавливается и сохраняется. Это называется положительной обратной связью. Это тот же процесс, который иногда вызывает нежелательный «вой» в системах громкой связи.
Частота, на которой работает генератор, обычно определяется кристаллом кварца. Когда к такому кристаллу прикладывают постоянный ток, он колеблется с частотой, которая зависит от его толщины и от того, как он вырезан из исходной минеральной породы. В некоторых генераторах для определения частоты используются комбинации катушек индуктивности, резисторов и / или конденсаторов.Однако наилучшая стабильность (постоянство частоты) достигается в генераторах, в которых используются кристаллы кварца.
В компьютере специальный генератор, называемый часами, служит для микропроцессора своего рода кардиостимулятором. Тактовая частота (или тактовая частота) обычно указывается в мегагерцах (МГц) и является важным фактором при определении скорости, с которой компьютер может выполнять инструкции.
Последний раз обновлялся в сентябре 2005 г.
Продолжить чтение об осциллятореОсцилляторов — Как работает синтезатор
Аналоговые генераторы
Генераторы с управлением напряжением(обычно называемые ГУН) используются в синтезаторах для преобразования сигнала постоянного тока от источника питания в сигнал переменного тока, где сигнал затем колеблется с определенной частотой, генерируя звук.Частоту ГУН можно регулировать с помощью модуляции входного напряжения или тока. Многие синтезаторы имеют более одного генератора. Чтобы предотвратить проблемы с фазированием выходного сигнала, эти генераторы используются в контурах фазовой автоподстройки частоты, где частота одного генератора синхронизируется с частотой другого. В схеме генератора резисторного конденсатора более высокие входные напряжения увеличивают скорость заряда обкладок конденсатора, уменьшая время, необходимое для одного полного колебания. Петли обратной связи создаются путем направления выходного сигнала обратно на вход усилителя, что обычно приводит к аналоговым искажениям, предпочитаемым энтузиастами синтезатора.Цепи RC-генератора способны генерировать частоты в диапазоне человеческого слуха и поэтому широко используются. Формы сигналов, такие как треугольник, синусоида и прямоугольные волны, генерируются в зависимости от различных типов транзисторов, операционных усилителей, резисторов и конденсаторов, используемых в цепи генератора. VCO по своей природе нестабильны и неточны. Хотя ГУН не может быть точно настроен, они предпочитают звучать «теплее» и «естественнее», чем цифровые генераторы.
Цифровые генераторы
Цифровые генераторы — это электронные колебательные сигналы, генерируемые посредством цифровой обработки сигналов.DSP использует математическое моделирование входного сигнала для генерации идеальной формы сигнала без ошибок. Информация для аналогового сигнала дискретизируется для представления потока единиц и нулей. Проблема с цифровыми генераторами более низкого качества заключается в том, что результирующая дискретизированная форма волны может привести к пошаговой схеме, в отличие от гладкой природы аналогового сигнала. Вот почему звуковые файлы с цифровым преобразованием, такие как .mp3, звучат хуже при более низкой частоте дискретизации. Исходный аналоговый сигнал был дискретизирован со скоростью, которая намного ниже в секунду, что привело к слышимым скачкам в дискретизированной форме волны.Однако синтезаторы более высокого качества имеют гораздо более высокую частоту дискретизации. Это приводит к гладкой и точной форме волны, которая может вести себя как предсказуемо, так и непредсказуемо, как хотелось бы, в зависимости от объема задействованного математического моделирования. Свобода математического моделирования дискретизированной формы волны открывает для производителя гораздо больше возможностей с точки зрения генерации звука. Цифровые генераторы намного надежнее, чем ГУН, потому что генераторы не генерируются физическими компонентами, где физические компоненты часто могут выходить из строя со временем.Многие энтузиасты считают, что цифровые генераторы никогда не смогут по-настоящему имитировать аналоговый сигнал.
Определение осциллятора по Merriam-Webster
os · cil · la · tor | \ Ä-sə-ˌlā-tər \2 : Устройство для производства переменного тока. особенно : генератор радиочастот или звуковых частот.
Основы генераторов
В предыдущей статье обсуждались резонансные схемы.Теперь мы рассмотрим эту фундаментальную рабочую лошадку современного электронного мира — осциллятор. Без этого передача и прием радио и телевидения в том виде, в каком мы их знаем, были бы невозможны. Существует бесчисленное множество других приложений, от микроволновой печи с ее высокочастотным силовым полем до функционального генератора, встроенного в осциллограф Tektronix MDO 3104.
Мы видели, что резонансный контур из-за равного индуктивного и емкостного сопротивлений может выводить электрическую энергию на дискретных частотах.Из-за неизбежного электрического сопротивления в цепи напряжение на выходе будет уменьшаться, приближаясь к нулю. Это известно как затухающая волна, и это обычное явление для электрической и неэлектрической колебательной энергии в природе.
Генератор подразумевает непрерывный устойчивый выход. Для поддержания непрерывной выработки необходимо постоянное поступление новой энергии. Энергия должна поступать от электрической цепи, источника постоянного тока или какого-либо другого генератора. Такая же ситуация существует с часовым механизмом, где пружина или набор грузов подает накопленную энергию в систему.
Многие типы генераторов могут быть сконструированы из простых электрических компонентов, питаемых от девятивольтовой батареи. Частоту можно регулировать с помощью переменного сопротивления, а выходной сигнал отображается мигающим светодиодом или громкоговорителем, издающим звуковой сигнал, в зависимости от частоты. Выходной сигнал также может отображаться на осциллографе, а точная частота отображается с помощью внутреннего частотомера.
Осцилляторыделятся на две категории: линейный (гармонический) генератор, выводящий сигнал синусоидальной формы, и нелинейный (релаксационный) генератор.
Линейный генератор подразделяется на генератор с обратной связью и генератор с отрицательным сопротивлением.
Простой линейный генератор с фазовым сдвигом. Выходной сигнал возвращается на вход операционного усилителя через фазосдвигающую схему, состоящую из резисторов и конденсаторов, которая сдвигает фазу выхода усилителя не менее чем на 180 градусов на частоте колебаний, чтобы обеспечить положительную обратную связь.Линейный генератор может иметь форму простого транзистора или операционного усилителя. Что заставляет это работать, так это петля обратной связи.При включении питания электронный минимальный уровень шума инициирует колебания, которые усиливаются и возвращаются на вход. Частота быстро стабилизируется до точного значения, которое зависит от резонансного контура. Значения компонентов выбираются таким образом, чтобы амплитуда выдерживалась, а форма волны не затухала.
Релаксационный осциллятор нелинейный. Он выводит несинусоидальный сигнал. Некоторые примеры — прямоугольная волна и треугольная волна. Осциллятор релаксации содержит переключающее устройство, которое насыщается большую часть цикла.Осцилляторы релаксации широко используются в низкочастотных приложениях, где выходной сигнал представляет собой мигающий свет, звуковой сигнал и т.п.
Релаксационный осциллятор, излучающий прямоугольные волны, на основе компаратора. Когда выход компаратора отклоняется от нуля, положительная обратная связь приводит к насыщению выхода либо на положительной, либо на отрицательной шине. Последовательная RC-цепь соединяет выход и инвертирующий вход, так что инвертирующий вход приближается к выходу V с постоянной времени RC. Когда инвертирующий вход V превышает неинвертирующий вход V, выход компаратора быстро падает.Разница между входами становится все более и более отрицательной, инвертирующий вход приближается к выходу V компаратора, и цикл повторяется. Кварцевые генераторыподходят там, где требуется точная выходная частота. Кристалл кварца, обладающий пьезоэлектрическими свойствами, заменяет настроенную схему. Он вибрирует с заданной частотой, и колебания поддерживаются на постоянном уровне с помощью подключенного источника питания и усилителя. Кварцевые генераторы используются для управления частотами при радиопередаче и для обеспечения тактовых сигналов в компьютерах и кварцевых часах.
Осцилляторы | Журнал Nuts & Volts
Каждый сигнал начинается с осциллятора — тема этой статьи. В любительском радио генератор является ключевым элементом в генерации сигналов, их смешивании и извлечении из них информации. Давайте посмотрим, как сделать звуковой осциллятор, и узнаем об общих типах радиочастотных осцилляторов.
Есть старая поговорка: «Усилители — это генераторы, которые не являются , а генераторы — это усилители, которые делают .«Усилитель лежит в основе каждого генератора, как показано на блок-схеме базового генератора в , рис. 1A, . Каждый отдельный осциллятор — даже цифровые версии, мультивибраторы, такие как 555 IC, и те, что находятся в маленьких металлических баночках — имеют одинаковую базовую структуру: усилитель, некоторую обратную связь и частотно-определяющий фильтр.
РИСУНОК 1. Блок-схема (A) описывает генератор как три схемы: одна обеспечивает усиление, а две другие возвращают часть выходного сигнала на вход через фильтр. B показывает маятник, который является механической версией системы в A.
На рисунке 1B показан маятник, который является примером неэлектронного генератора. 1 При толчке маятник будет качаться вперед и назад с постоянной частотой до тех пор, пока трение и сопротивление воздуха не остановят его в исходном положении в центре. Частотно-определяющим элементом маятникового осциллятора является его длина L. (Интересно, что масса маятника не имеет значения!)
Усилитель — это то, что дает толчок — например, вы.Очевидно, что усилитель имеет большое усиление, потому что вы очень сильны! Предоставляя обратную связь в виде правильного силового толчка в нужное время, вы можете держать маятник в движении вечно — или, по крайней мере, до обеда.
Возвращаясь к Рис. 1A , давайте представим электронную схему в каждом блоке. Идея состоит в том, чтобы некоторая часть, ß , выходного сигнала усилителя возвращалась и усиливала его входной сигнал. Затем этот вход усиливается некоторой обратной связью, так что выход в конечном итоге становится самоподдерживающимся; это называется колебанием .Кроме того, чтобы получать колебания только на проектной частоте, а не просто производить случайный шум, система должна включать в себя фильтр для обеспечения селективности ; это означает, что его ответ зависит от частоты. Фильтр может быть LC-схемой, кристаллом или схемой синхронизации — чем-то, что чувствительно к времени или частоте.
Все это создает два требования к нашему генератору общего назначения: во-первых, усилитель должен иметь достаточный коэффициент усиления на частоте колебаний, чтобы преодолевать потери в цепи обратной связи.Во-вторых, отфильтрованный сигнал, возвращаемый на вход, должен поступать с правильной фазой, чтобы усилить, а не отменить входной сигнал.
Эти два условия составляют критерий устойчивости Баркгаузена 2 :
Коэффициент усиления контура = | Aß | = 1
и
Сдвиг фазы контура = ∠ß = 0 °, 360 °,
720 ° … 360 ° x 0, 1, 2 и т. Д.
(Символы | | означают «величину», а символ ∠ означает «фазовый сдвиг.«Если вы работаете с радианами вместо градусов, требование фазового сдвига контура указано как ß = 2π n , где n является целым числом.)
Итак, как же запускается осциллятор? Шум! Случайный шум на частоте, для которой фазовый сдвиг является правильным, каждый раз нарастает немного больше вокруг контура. Шум с неправильной фазой в конце концов затихает, потому что не усиливается. В результате на выходе появляется синусоида с желаемой частотой.
Чтобы генератор не нарастал до бесконечного выходного напряжения (или пытался это сделать), схема обычно немного нелинейна, так что усиление контура стабилизируется точно на единицу, когда выходное напряжение достигает желаемого напряжения.
Генератор с фазовым сдвигом
Gain легко получить в широком диапазоне частот. А как насчет фазового сдвига? Требуемый фазовый сдвиг на 360 ° можно распределить по цепи. Например, если усилитель представляет собой инвертирующий усилитель, он дает сдвиг фазы на 180 °.Остальные 180 ° остаются в цепи обратной связи и / или фильтре.
На рисунке 2 показан генератор с фазовым сдвигом . Конечно, есть и другие схемы с лучшими характеристиками, но эта наиболее близка к базовой схеме, которую мы только что обсудили.
Начнем с цепи обратной связи и фильтра, образованной тремя парами резисторов 10 кОм и конденсаторов 0,1 мкФ. Каждая пара образует RC-фильтр нижних частот (резистор-конденсатор), который сдвигает фазу входного сигнала от 0 ° до 90 ° при увеличении частоты.На некоторой частоте фазовый сдвиг составит 60 °.
Частота, при которой каждая RC-секция вносит вклад в фазовый сдвиг 60 °:
f = (тангенциальный 60 °) / 2πRC = 1,73 /
6,28 RC = 0,28 / RC
Для нашей комбинации 10 кОм и 0,1 мкФ эта частота составляет 275 Гц. Когда три идентичные секции соединены каскадом, каждая вносит свой собственный 60 ° фазового сдвига, составляя оставшиеся 180 °, чтобы сформировать генератор с частотой 275 Гц.
На частоте, при которой происходит фазовый сдвиг 60 °, фильтр также уменьшает амплитуду входного сигнала наполовину.Если три секции соединены спина к спине, то общее снижение уровня сигнала составит 1/2 x 1/2 x 1/2 = 1/8 = 0,125, что является нашим значением ß. Сделать | A ß | не менее 1, A тогда должно быть не менее 8, и это регулируется соотношением R f к R i . R f сделан переменным, чтобы можно было регулировать усиление для учета вариаций компонентов и других эффектов, как мы увидим ниже.
Создание осциллятора со сдвигом фаз
Для этой схемы вам понадобится источник питания, который может обеспечивать как положительное, так и отрицательное напряжение постоянного тока от 6 В до 12 В.Поскольку потребляемый ток низкий, вы можете использовать батареи для обеспечения питания. Осциллограф (автономный или на основе звуковой карты) необходим, чтобы видеть формы сигналов, генерируемых генератором, и вносить изменения.
- Начнем с построения схемы Рисунок 2 . Конденсаторы 10 мкФ отфильтровывают шум, чтобы предотвратить обратную связь через контакты источника питания операционного усилителя. Установите потенциометр 1 МОм на максимальное сопротивление между его соединениями. Легче всего будет отрегулировать подстроечный горшок с 10 оборотами, но однооборотный панельный горшок подойдет, если вы используете ручку, чтобы сделать регулировку более плавной.
- Подключите питание; вы должны увидеть что-то похожее на прямоугольную волну на выходе операционного усилителя. Это показывает, что выход операционного усилителя колеблется между напряжениями источника питания, поскольку коэффициент усиления схемы 1M / 10K = 100 слишком высок для тока в R f , чтобы уравновесить ток, идущий через R i от цепи обратной связи. . В результате на выходе возникают скачки между напряжениями источника питания.
- Уменьшите сопротивление потенциометра, чтобы получить неискаженную синусоидальную волну, которая достигает пика в вольт или около того ниже напряжений источника питания, как показано на рис. 3 .(Это может быть деликатная настройка с помощью однооборотного потенциометра.) Если у вас двухканальный осциллограф, наблюдайте за входными и выходными напряжениями каждой RC-секции и убедитесь, что каждая из них дает примерно 60 °.
- Измерьте период T выходного сигнала (один полный цикл) и вычислите частоту генератора ( f = 1/ T ). Измерьте сопротивление потенциометра (R f ) после его снятия с цепи. Вычислите величину усиления усилителя (| A | = сопротивление / 10 кОм).
РИСУНОК 2. Схема фазовращающего генератора. Каждая пара резисторов мощностью 10 кВт и конденсаторов 0,1 мкФ в цепи обратной связи добавляет 60 ° фазового сдвига на частоте колебаний.
РИСУНОК 3. Осциллограммы показывают выходной сигнал операционного усилителя и меньший сдвинутый по фазе сигнал на выходе первой секции RC-фильтра.
Вы, вероятно, заметили, что частота сильно отличалась от первоначального расчета 275 Гц — частота моего генератора была 476 Гц.Падение напряжения на каждой секции RC-фильтра, вероятно, было больше половины. Мои разделы уменьшили вывод до 0,27 от ввода. Также будет обнаружено, что коэффициент усиления усилителя больше восьми, чтобы компенсировать это дополнительное снижение. Сопротивление моего потенциометра составляло 603 кОм, при усилении 60,3, что примерно равно 1 / (0,27 x 0,27 x 0,27).
Эти расхождения возникают в основном из-за того, что мы упустили из виду в процессе проектирования. Каждая RC-секция не дает точно 60 ° фазового сдвига, потому что она загружается следующей секцией в сети.Это вызывает дополнительное падение напряжения и фазовый сдвиг. Операционный усилитель также вносит свой собственный небольшой фазовый сдвиг, а это означает, что полный фазовый сдвиг, необходимый для цепи обратной связи, не будет точно составлять 180 ° на частоте колебаний. Эти два эффекта приводят к более высокой частоте для реальной цепи, при которой | A ß | = 1.
Чтобы увидеть эффекты ограничения усиления операционного усилителя на более высоких частотах, измените емкость конденсаторов обратной связи с 0,1 мкФ на 0,001 мкФ, увеличив частоту сдвига фазы 60 ° для каждой RC-секции примерно до 27.5 кГц. На этой частоте операционный усилитель 741 не может заставить свой выходной сигнал изменяться достаточно быстро, чтобы создать синусоидальную волну. (Максимальная скорость, с которой операционный усилитель может изменять свое выходное напряжение, называется скоростью нарастания , которая измеряется в В / мкс.) В результате форма выходного сигнала изменится на нечто, больше похожее на треугольную волну. — независимо от того, как вы настраиваете усиление усилителя.
Ошибки фазового сдвига и падения напряжения, вызванные эффектами нагрузки каждой RC-секции, можно устранить, добавив буферный усилитель между каждой секцией.Замените одиночный операционный усилитель на четырехъядерный, например LM324. Одна секция операционного усилителя заменит существующий LM741. Добавьте повторитель напряжения между каждой RC-секцией с выходом операционного усилителя, подключенным непосредственно к его инвертирующему входу, и подключите входной сигнал к неинвертирующему входу. (Эта схема показана на Рисунке 7 в примечании к применению Texas Instruments, Конструкция синусоидальных генераторов ОУ . 3 )
Поскольку повторитель напряжения представляет очень высокий входной импеданс по отношению к предыдущей схеме, каждая RC-секция может действовать больше как идеальный фильтр, который мы представляли в процессе проектирования.
Результирующая частота колебаний и усиление, необходимое для достижения колебаний, должны измениться в пределах 20% от первоначально рассчитанных значений. (Допустимое отклонение для большинства конденсаторов 0,1 мкФ и 0,001 мкФ обычно составляет от 10% до 20%, что также допускает большие отклонения.)
ВЧ генераторы
Цепи, используемые в генераторах RF, отличаются от схем, используемых для более низких частот. RC-цепи с фазовым сдвигом обычно не используются на частотах выше нескольких МГц. Значения R или C становятся практически малыми, что делает генератор чувствительным к паразитным сопротивлениям и емкостям, которые ставят под угрозу стабильность и согласованность.В диапазоне МГц гораздо проще использовать катушки индуктивности и конденсаторы для формирования схем фазового сдвига, которые называются резонаторами .
В большинстве ВЧ-генераторов используются дискретные устройства, такие как биполярный транзистор или полевой транзистор, поскольку большинство интегрированных операционных усилителей не предназначены для обеспечения необходимого усиления на высоких частотах. С практической точки зрения, операционный усилитель с широким диапазоном частот с высоким коэффициентом усиления намного дороже дискретных транзисторов, таких как 2N3904 (биполярный NPN) или J310 (N-канальный JFET).
Эти детали стоят копейки и имеют коэффициент усиления на частотах до нескольких сотен МГц. В результате при RF выше 1 МГц в наиболее эффективных схемах используется транзисторный усилитель с обратной связью и требуемый фазовый сдвиг, обеспечиваемый резонатором, таким как параллельный LC-контур.
Знакомство с Хартли и Колпитсом
Еще в 1920-х годах два человека по имени Хартли и Колпиттс придумали разные схемы в Рис. 4 , которые стали популярными в радиотехнике.
РИСУНОК 4. Генераторы Колпитса и Хартли работают по одним и тем же принципам, но используют разные соединения с LC-фильтром и цепью обратной связи, которая называется резонатором. (Схема смещения опущена для ясности.)
В каждом из них обратная связь обеспечивается путем прохождения части схемы эмиттера через делитель напряжения, созданный двумя реактивными сопротивлениями (L или C). Если реактивный делитель представляет собой пару конденсаторов, это генератор Колпитца.
Если реактивный делитель представляет собой пару катушек индуктивности или — чаще всего — одну катушку индуктивности с отводом на части витков, схема представляет собой генератор Хартли.Эти же схемы широко используются сегодня почти 100 лет спустя!
Цепи генераторов Хартли и Колпиттса очень похожи по поведению, но их различия влияют на предпочтительный выбор разработчика. Например, Hartley имеет более широкий диапазон настройки и меньше компонентов, чем Colpitts.
Colpitts, однако, менее дорогой, поскольку в нем отсутствует индуктор с ответвлениями, и у него есть несколько популярных вариантов с хорошей стабильностью. Мы рассмотрим генераторы RF более подробно в следующей статье.
Прототипирование в РФ
Большинство производителей электроники и экспериментаторов хорошо знакомы с беспаечными макетами. Они очень удобны и просты в использовании для различных схем, но не очень подходят для аналоговых схем на частотах выше пары МГц.
Полоски контактов непредсказуемо увеличивают емкость цепи; провода и выводы компонентов начинают становиться достаточно длинными, чтобы иметь значительную индуктивность; и контролировать свое заземление может быть очень сложно.
Радиолюбителипредставляют собой отличную замену работе с радиочастотными цепями, называемую «уродливой» или «манхэттенской» конструкцией. В этом стиле прототипирования пустой кусок покрытой медью печатной платы (PCB) используется в качестве заземляющего слоя. Компоненты, требующие заземления, можно припаять непосредственно к заземляющей пластине.
Для создания уродливого стиля незаземленных переходов в качестве опорных стоек используются дорогостоящие резисторы (обычно 1 МОм или более). Кроме того, в манхэттенском стиле в качестве изолированных точек подключения используются небольшие прокладки из материала печатной платы.
Контактные площадки либо припаяны к заземляющей пластине (требуются двусторонние контактные площадки печатной платы), либо приклеены к заземляющей пластине горячим клеем.
На рисунке 5 показан типичный пример «уродливой конструкции». Это генератор Хартли для любительского 40-метрового диапазона около 7 МГц. Фактически, я использовал телеграфный ключ, чтобы включать и выключать этот осциллятор, проводя пару «QSO» или контактируя с ближайшими радиолюбителями, используя несколько милливатт мощности (также известную как мощность QRP) от этого мощного арахисового свистка!
РИСУНОК 5. Типичный прототип RF, использующий «некрасивую» конструкцию, в которой заземляющие соединения выполняются непосредственно с заземляющей пластиной медной платы. Это генератор Хартли для любительского 40-метрового диапазона около 7 МГц.
Если вы собираетесь строить RF самостоятельно, плата для прототипирования RF станет полезным дополнением к рабочему столу. Вам понадобится большой кусок односторонней или двусторонней печатной платы (не менее 8 x 8 дюймов) и толстый кусок дерева размером с печатную плату или немного больше него.
Просверлите монтажные отверстия в углу печатной платы и прикрепите ее к деревянной основе с помощью шурупов.Это дает вам большую поверхность для работы, а основание делает его достаточно тяжелым, чтобы его не тащили измерительные провода и кабели. Я прикрепил резиновые ножки к нижней части моей деревянной основы.
По окончании (и перед каждым использованием) протрите доску подушечкой Scotch-Brite ™, чтобы удалить отпечатки пальцев и окисление. Тампон, смоченный медицинским спиртом, также очистит доску от масел или жиров. Цель состоит в том, чтобы иметь поверхность, легко поддающуюся пайке.
Как только вы приобретете небольшой опыт работы с этим типом конструкции для ВЧ-схем, вы обнаружите, что это быстрый и эффективный способ создания прототипов даже сложных ВЧ-схем, прежде чем переносить их на настоящую печатную плату или встраивать в корпус оборудования. NV
Руководства по построению цепей
Научиться создавать и тестировать схемы на ВЧ — полезный навык, но он требует небольшой практики. Чак Адамс K7QO написал отличное и подробное руководство, Manhattan Building Techniques , которое можно загрузить с веб-сайта QRP ME, продукция которого пользуется популярностью у операторов маломощных радиолюбителей ( www.qrpme.com/docs/K7QO%20Manhattan.pdf ). Кроме того, вы можете найти всевозможные советы и инструкции по сборке, щелкнув ссылку Radio Technology Topics по адресу arrl.org / tech-portal и в моем собственном Circuitbuilding for Dummies Do-It-Yourself .
Список литературы
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Pendulum
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Barkhausen_stability_criterion
3. https: // www. ti.com/sitesearch/docs/universalsearch.tsp?searchTerm=Oscillators#q=Oscillators&t=everything&linkId=1
