Генераторы гармонических колебаний

Работа любого радиоэлектронного устройства ос­нована на разнообразных преобразованиях электрической энергии, а схемы и характеристики самих устройств определяются видом и харак­тером конкретного преобразования энергии, которое осуществляется в данном радиоэлектронном устройстве. Различают два принципиаль­но разных режима работы радиоэлектронных устройств: вынужденный и автоколебательный. В вынужденном режиме колебания в выходных цепях радиоэлектронного устройства возникают только при поступле­нии сигналов из предшествующего устройства, в автоколебательном режиме — без подведения внешнего переменного напряжения. Естест­венно, что в последнем случае закон сохранения энергии не нарушает­ся: в автоколебательном режиме в радиоэлектронном устройстве про­исходит преобразование энергии постоянного тока в энергию перемен­ного тока.

Большинство радиоэлектронных устройств работает в вынужден­ном режиме. Но, если рассматривать прохождение сигнала в любой сложной радиоэлектронной системе, «двигаясь» от конца к ее началу, всегда можно дойти до «начального» устройства, в котором зарождают­ся переменные электрические колебания. Такое устройство называют автогенератором или генератором с самовозбуждением.

На основании изложенного можно дать следующее определение: автогенератор представляет собой устройство, в котором осуществ­ляется преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока без подведения к нему внешнего переменного напряжения.

В зави­симости от формы колебаний различают автогенераторы гармониче­ских и релаксационных колебаний. В данной главе будут рассмотрены лишь автогенераторы гармонических колебаний (о генераторах релак­сационных колебаний см. в гл. 5).

Основным узлом большинства автогенераторов гармонических коле­баний является колебательный контур. Если бы в автогенераторе ис­пользовался идеальный контур, то в нем наблюдались бы незатухаю­щие колебания и автогенератор состоял бы только из одного колеба­тельного контура. Однако в любом реальном контуре имеются потери. Кроме того, автогенератор, являясь источником переменного напря­жения, должен отдавать часть своей энергии во внешнюю цепь. По­этому одного, даже идеального контура для автогенератора недоста­точно. Вторым необходимым узлом автогенератора является источник энергии, который должен пополнять запасы энергии в колебательном контуре.

Рис. 1. Структурная схема LС - автогенератора гармонических колебаний

Однако непосредственное подключение источника постоянно­го тока к контуру не приводит к возникновению незатухающих коле­баний, так как для поддержания колебаний в контуре энергию необ­ходимо подавать отдельными порциями синхронно с колебаниями кон­тура. Для того чтобы в контур поступала пульсирующая энергия, тре­буется еще одно устройство - регулятор, управляющий поступлением энергии от источника постоянного тока в колебательный контур, при­чем поступление должно происходить синхронно с колебаниями кон­тура. Поэтому между колебательным контуром и регулятором нужно включить цепь обратной связи (рис. 1). В качестве регулятора можно использовать большое число уст­ройств, в том числе механических. Однако наиболее совершенными ре­гуляторами являются электронные лампы и транзисторы.

Простейшая схема автогенератора гармонических колебаний при­ведена на рис. 2. Колебательный контур состоит из индуктивной ка­тушки L и конденсатора С. Потери энергии в контуре учитывают с по­мощью сопротивления R. Источником энергии является источник по­стоянного напряжения Е, который отдает часть энергии в колебатель­ный контур в моменты, когда в его внешней цепи, состоящей из колеба­тельного контура и последовательно соединенного с ним активного элемента, проходит ток. Регулятором служит активный элемент, а цепью обратной связи - катушка L, индуктивно связанная с колебательным контуром. При правильно выбранных параметрах в таком автогенераторе через короткий промежуток времени обязательно возникнут колебания, близкие по форме к гармоническим. Это связано с тем, что в любом реальном автогенераторе всегда имеются флуктуации: за счет тепло­вого движения электронов изменяются все токи в схеме автогенерато­ра; не остается строго постоянным и напряжение Е. Вследствие этого на всех элементах схемы реального автогенератора наблюдаются небольшие беспорядочные изменения напряже­ний, имеющие очень широкий

Рис. 2. Обобщенная принципиальная схема LС-автогенератора

частотный спектр. Пусть для определенности в начальный мо­мент возникают флуктуации напряжения U_ВХ. Они вызывают появление переменной состав­ляющей тока активного элемента i₁(t) которая создает переменное напряжение на контуре U_K. Ввиду того что контур имеет максимальное сопротивление на резонансной частоте ω_P, наибольшее переменное напряжение на контуре будет напряжением частоты ω_P. Это напряжение передается через

катушку L^' на вход активного элемента и приводит к по­явлению нового напряжения U'_ВХ. Если параметры автогенератора вы­браны правильно, напряжение U'_ВХ будет совпадать по фазе с напряжением U_ВХ, а его амплитуда U'_{ВХ х} будет больше U_{ВХ х}. Напряжение U'_ВХ вызывает еще большее изменение тока активного элемента i₁, а следо­вательно, дальнейшее увеличение напряжения на контуре и еще боль­шее увеличение напряжения U_ВХ. Описанный процесс называют самовозбуждением автогенератора. Он будет развиваться до тех пор, пока из - за нелинейности вольт - ампер­ной характеристики активного элемента не начнет уменьшаться его коэффициент усиления, что сначала приводит к замедлению роста ам­плитуды колебаний в автогенераторе, а затем к установлению стацио­нарного режима, при котором в автогенераторе будут существовать колебания постоянной амплитуды с частотой ω_р, близкие по форме к гармоническим.

Учитывая, что автогенератор представляет собой источник пере­менного напряжения, при его исследовании интересуются условиями возникновения колебаний, значениями основных параметров стацио­нарных колебаний и в некоторых случаях процессом установления этих колебаний. Поэтому главными вопросами теории автогенераторов являются: 1) выяснение условий самовозбуждения автогенератора; 2) определение частоты и амплитуды стационарных колебаний; 3) ис­следование характера переходных процессов в автогенераторе.