Решим конкретную задачу.

Построить временную и спектральную диаграммы на входе и выходе преобразователя частоты, если Fc=5 кГц, fo=30 кГц, fг= 10 кГц с выделением разностной промежуточной частоты.

Рисунок 85 а-в. Временные диаграммы процесса преобразования частоты

Рисунок 86. Спектральные диаграммы процесса преобразования частоты.

Тема 2.4. Автоколебательные системы

1. Общие сведения и классификация автогенераторов.

2. Условие возникновения колебаний и работа автогенератора в стационарном режиме.

3. Схема автогенератора LC типа.

4. Стабилизация частоты, формы и мощности.

1. Генератором в радиотехнике и электросвязи называется устройство, формирующее электрические колебания требуемой формы, частоты, мощности. В соответствии с характером преобразования энергии одного вида в другой различают электрические и электромеханические генераторы.

Электрические генераторы преобразуют энергию постоянного тока в энергию высокочастотных колебаний. Это ламповые, транзисторные и электронные генераторы (применяют в диапазоне сверхвысоких частот).

Электромеханическим называются генераторы, частота колебаний которых определяется частотой собственных колебаний механического элемента, возбуждаемого электронной схемой. Это пьезоэлектрические и магнитострикционные генераторы.

По принципу работы и схемному построению различают генераторы с самовозбуждением (автогенераторы) и с внешним возбуждением (по существу, усилители мощности подводимых к ним колебаний).

Автогенераторы можно разделить на автогенераторы гармонических колебаний и колебаний несинусоидальной формы, часто называемые релаксационными (импульсными) генераторами.

Работа любого автогенератора основана на принципе автоматического поддержания в колебательной системе незатухающих колебаний.

Реализовать источник энергии, необходимый для получения незатухающих колебаний в контуре, можно с помощью устройства, обобщенная схема которого приведена на рисунке 117.

Рисунок . Обобщенная структурная схема автогенератора.

Схема содержит усилительный элемент, выполненный на электронной лампе, транзисторе, микросхеме. Нагрузкой усилительного элемента является колебательная система, например, колебательный контур с сосредоточенными параметрами. Часть напряжения с контура через цепь обратной связи поступает на вход усилительного элемента. Если фаза напряжения обратной связи Uос совпадет с фазой входного напряжения Uвх, то такая обратная связь называется положительной. Она – то и необходима в автогенераторах для обеспечения автоматического возбуждения.

Источник постоянного тока (источник питания) выполняет функции питания усилителя. Энергия от этого источника через управляемый активный элемент периодически добавляется в колебательную систему, компенсируя потери в ней. Управление активным элементом необходимо для того, чтобы энергия добавлялась синфазно с существующими колебаниями.

2. В режиме самовозбуждения автогенератора коэффициент передачи энергии по замкнутой цепи генератора определяется произведением коэффициента усиления на коэффициент обратной связи, которое должно быть чуть больше единицы, т.е. Кус×Кос>1

В стационарном режиме это произведение должно быть равным единице, т.е. Кус×Кос=1. Это уравнение называют уравнением автогенератора. Его можно представить в показательной форме:

Это произведение будет равно единице, если каждый сомножитель будет равен единице. Таким образом, в режиме стационарности можно выделить два условия

1) Кус×Кос=1 Это условие называют балансом амплитуд

2) Это условие называют балансом фаз.

Условие баланса амплитуд выполняется лишь при определенном значении Umвх, т.е. при определенной стационарной амплитуде колебаний Umвых, когда

Кос =

Если Кос > , амплитуда колебаний на выходе автогенератора нарастает до тех пор, пока вновь не выполнится условие Кус×Кос=1. При Кос < , возникновение автоколебаний невозможно, поскольку энергия, поступающая в колебательную систему, недостаточна для компенсации потерь.

Таким образом, условие баланса амплитуд определяет, с одной стороны, стационарную амплитуду выходных колебаний, а с другой – наименьший коэффициент передачи цепи обратной связи, обеспечивающий самовозбуждение генератора. Этот коэффициент называется критическим. Надежное самовозбуждение только при Кос > Коскр

Из условия баланса фаз , вытекает, что , т.е. фазовый сдвиг за счет цепи усиления и обратной связи должен быть равен 0 или четному числу π. Физически оно означает , что напряжение обратной связи должно быть в фазе с колебаниями на входе усилителя.

В большинстве автогенераторов существует лишь одна частота, на которой выполняется условие баланса фаз, т.е. на которой возможно генерирование колебаний. Таким образом, условие баланса фаз определяет частоту автоколебаний.

3. Из условия баланса амплитуд следует, что в стационарном режиме есть только одна амплитуда входного колебания, при которой оно выполняется возникает необходимость определения устойчивости стационарного режима колебаний. Колебательное движение устойчиво, если имеется тенденция к сохранению установившейся амплитуды колебаний. Для этого кратковременным внешним воздействием изменяют амплитуду колебания и наблюдают ее поведение после прекращения воздействия. Если амплитуда колебаний возвращается к своему первоначальному значению, то автоколебательная система (автогенератор) динамически устойчива. Если амплитуда колебаний будет продолжать изменяться в том же направлении, то автоколебания неустойчивы.

Применим такой метод испытаний для случаев а) и б), рассмотренных на рисунке 118.

Рисунок а-б. Графическое определение амплитуды стационарного

режима автогенератора.

W + Это энергия, поступающая от активного элемента;

W – Это энергия, рассеивающаяся (теряемая) в контуре и в прочих пассивных элементах схемы генератора.

Рассмотрим точку “а” рисунок 118а

Предположим, что под внешним воздействием амплитуда колебаний возрастает от 0. На участке 0… , W+>W-, т.е. приход энергии к контуру превышает ее расход. Следовательно, при отключении внешнего воздействия, амплитуда колебаний будет увеличиваться до значения . Таким образом, точка является динамически устойчивой и стационарный режим колебаний возможен только при амплитуде .

Автогенератор, характеризующийся данным графиком самостоятельно раскачивается до стационарной амплитуды и его принято называть автогенератором с мягким возбуждением. Затем рассмотрим точку “б” рисунка 118б. Предположим, что под влиянием внешнего воздействия амплитуда колебаний стала меньше . На участке 0… W->W+ ,т.е. расход энергии в колебательном контуре превышает ее приход. Тогда, при отключении внешнего воздействия амплитуда будет уменьшаться до 0. Если же под влиянием внешнего воздействия амплитуда колебаний станет больше , W+> W-, что вызовет дальнейшее увеличение амплитуды и при снятии внешнего воздействия. Амплитуда будет увеличиваться до значения (точка “а”).

Из указанного следует, что хотя в точке “б” имеет место баланс амплитуд, но постоянство амплитуды колебаний он не обеспечивает, значит, точка “б” не соответствует стационарному режиму. Динамическая устойчивость обеспечивается в точке “а”. Следовательно, стационарный режим колебаний возможен только при амплитуде . Таким образом, данный генератор нуждается в первоначальном внешнем толчке, который вызвал бы колебания с амплитудой больше , после чего он автоматически достигает стационарного режима с постоянной амплитудой . Такой автогенератор называют автогенератором с жестким возбуждением.

При мягком режиме амплитуда возрастает плавно, но при жестком режиме она значительно ближе и больше КПД. В связи с этим при практическом выполнении автогенераторов самовозбуждения добиваются в мягком режиме, а далее автогенератор переводят в жесткий режим.

4. Автогенераторы, в которых избирательная цепь выполнена в виде высокодобротного резонансного контура на катушках индуктивности L и конденсаторах С, называются автогенераторами типа LC. Они применяются на высоких частотах от 50кГц до 100МГц. Схемы одноконтурных автогенераторов и большинство других, более сложных схем, могут быть приведены к обобщенной, так называемой трехточечной схеме (рисунок 119).

Рисунок . Обобщенная трехточечная схема автогенератора LC.

Колебательная система состоит из реактивных сопротивлений , которые подключаются к транзистору в трех точках: к, б, э, что определяет название схемы. В такой схеме автогенератора колебания могут возбудиться на собственной частоте данного контура (точнее, на очень близкой к ней частоте), определяемой из условия резонанса, т.е. .

Пусть в некоторый момент времени ток направлен так, как показано а рисунке 119. Этот ток создает колебательные напряжения

и , которые для выполнения условия баланса фаз должны быть противофазными, что возможно только когда реактивные сопротивления Хбэ и Хкэ имеют одинаковый характер (знак). Разумеется, характер третьего сопротивления ХКБ должен быть противоположным характеру первых двух сопротивлений, образующих контур, иначе резонанс в контуре будет невозможен.

Необходимый для самовозбуждения коэффициент передачи цепи обратной связи, обеспечивающий выполнение условия баланса амплитуд, определяется соотношением Кос×Кус = 1, а при самовозбуждении на частоте, близкой к , удовлетворяется также условие

при самовозбуждении должен быть вещественным и положительным, т.е. , а это еще раз подтверждает, что реактивные сопротивления Хбэ и Хкэ обязательно должны быть одного знака.

Составляют два варианта трехточечных схем. Индуктивную (рисунок 120а), в которой напряжение обратной связи снимается с катушки L1, и емкостную (рисунок 120б), в которой это напряжение снимается с конденсатора С1.

Рисунок . Трехточечные схемы автогенераторов:

а) Индуктивная б) Емкостная

5. Под стабильностью частоты понимают способность автогенератора сохранять частоту выходных колебаний постоянной в течение определенного времени при воздействии дестабилизирующих факторов. Стабильность частоты генерируемых колебаний количественно характеризуется абсолютной и относительной нестабильностями. Абсолютной нестабильностью называется разность между фактической частотой колебаний на выходе автогенератора и ее номинальным значением, т.е. Относительная нестабильность - это отношение абсолютной нестабильности к нормированному (номинальному) значению выходной частоты. Требование по стабильности частоты – одно из основных требований к автогенераторам. Стабильность частоты определяет электромагнитную совместимость систем радиосвязи, устойчивость работы многоканальных систем электросвязи, искажения сигналов при модуляции и детектировании и другие показатели качества передачи сообщений.

Численные значения допустимой нестабильности (абсолютной и относительной) зависят от вида передаваемых сообщений, способа модуляции, диапазона применяемых частот, построения системы связи и т.п. Например, при обычном телефонном разговоре разборчивость будет удовлетворительной при изменении частоты сигнала до . При передаче дискретных сообщений и сигналов звукового вещания максимальное допустимое изменение спектра сигнала не должно превышать 1…2Гц. Отсюда следует и высокие требования к относительной нестабильности. На декаметровых волнах получаем порядка . На космических линиях радиосвязи уже требуется относительная нестабильность Перечисленные значения относительной нестабильности частоты приведены для аналоговых систем передачи (АСП). Для цифровых систем передачи требования к относительной нестабильности частоты менее жесткие, т.к. генераторное оборудование передающей и приемной станций работает синхронно и синфазно. Относительная нестабильность частоты составляет .

6. Автогенераторы, в которых вместо колебательного контура применяются избирательные RC цепи, называются автогенераторами типа RC. Основными элементами генератора являются усилитель, нагруженный резисторами и получающий питание от источника постоянного напряжения (рисунок 121).

Рисунок . RC – автогенератор. Схема электрическая структурная.

Для самовозбуждения усилителя, т.е. для получения незатухающих колебаний, необходимо подавать на его вход часть выходного напряжения, превышающего входное (или равное ему) и совпадающее с ним по фазе, для чего усилитель необходимо охватить положительной обратной связью. Четырехполюсник обратной связи должны иметь достаточный коэффициент передачи. Из множества разновидностей на практике находят применение цепочечные и мостовые автогенераторы типа RC.

Цепочечный автогенератор применяется тогда, когда усилитель поворачивает фазу на и для получения баланса фаз необходимо повернуть фазу выходного напряжения усилителя еще на . Для этого в цепь положительной обратной связи включается несколько сдвигающиеся RC звеньев, одно звено изменяет фазу на угол , поэтому минимальное число звеньев n = 3. В практических схемах однокаскадных генераторов используют три или четыре звена, которые в зависимости от включения называют R – параллель (рисунок 122а) и С – параллель (рисунок 122б)

Рисунок . Фазодвигающие цепочки:

а) R – параллель; б) С – параллель.

Коэффициент усиления в таких RC – генераторах больше или равняется 29 (Кус 29).

Автогенератор с мостом Вина применяется в тех случаях, если усилитель изменяет фазу входного сигнала на (например, усилитель, имеющий четное число каскадов). Это фазовое соотношение означает, что при введении положительной обратной связи генератор вырабатывает незатухающие колебания без включения фазодвигающей цепи.

Для выделения колебаний требуемой частоты, содержащихся в выходном напряжении такого генератора, в цепи обратной связи включают четырехполюсник, имеющий частотно-избирательные свойства (рисунок 122в) и представляющий одну из ветвей моста Вина.

Рисунок в. Частотно-избирательный четырехполюсник. Схема электрическая принципиальная.

Подсоединив к делителю положительной обратной связи Z1Z2 резисторный делитель отрицательной обратной связи, получают мостовую схему подачи обратной связи, которую и называют мостом Вина. Коэффициент усиления Кус = 3. Автогенератор с мостом Вина – наиболее распространенный, особенно при требованиях перестройки по частоте.

Автогенераторы RC находят широкое применение на частотах менее 15…20кГц, где использование автогенераторов LC затруднительно, поскольку необходимо увеличивать габаритные размеры и массу для получения катушки индуктивности большого значения. Невозможна также плавная перестройка частоты. Генераторы RC на низких частотах дают хорошие результаты, т.к. способны вырабатывать колебания весьма стабильные и в широком диапазоне частот – от долей герца до сотен килогерц. Они имеют малые размеры и вес.