§ 4.5. Генерирование низкочастотных гармонических колебаний

В настоящее время для решения ряда задач требуются низкочас­тотные автогенераторы гармонических колебаний, работающие в диа­пазоне частот от долей герца до сотен кялогерц. Генерация таких ко­лебаний с помощью обычных LC-автогенераторов принципиально воз­можна, но связана с серьезными конструктивными трудностями. водит к возрастанию собственных потерь r. Поэтому реальные LC - автогенераторы имрют минимальную частоту генерации порядка десятков килогерц, а в диапазоне более низких частот используются спе­циальные автогенераторы низкочастотных гармонических колебаний. Наиболее распространенными автогенераторами такого вида яв­ляются генераторы на биениях и LС-генераторы.

Рис. 4.14. Структурная схема низкочастотного генератора на биениях

Структурная схема низкочастотного генератора на биениях при­ведена на рис. 4.14.

Выходной низкочастотный сигнал в нем возникает в результате биений двух высокочастотных колебаний, создаваемых маломощными высокочастотными LС-автогенераторами — гетеродинами. Один из них работает на фиксированной частоте f1, а другой может перестраиваться в небольших пределах около частоты f₂~f1. Выходное напряжение ге­теродинов через усилители подается на преобразователь частоты. На выходе преобразователя частоты имеется сложный спектр частот, среди которых находится полезный низкочастотный сигнал Р=f1—f₂. Этот сигнал выделяется с помощью фильтра низких частот и усиливает­ся выходным усилителем.

Так как частота гетеродинов может быть выбрана достаточно высо­кой, т. е. ' и ', относительно небольшое изменение частоты f₂ позволяет изменять частоту F в широких пределах. Благодаря этому в низкочастотных генераторах на биениях можно легко получить ши­рокий диапазон выходных частот без коммутации элементов колеба­тельных контуров гетеродинов, что является первым существенным преимуществом этих генераторов.

Второе важнейшее преимущество генераторов на биенийх состоит в том, что форма их выходного низкочастотного напряжения очень близка к гармонической.

Основной недостаток генераторов на биениях связан с низкой ста­бильностью выходной частоты F. Очевидно, изменение частоты любого гетеродина приводит к такому же изменению выходной частоты, а по­скольку относительная нестабильность выходной частоты полу­чается во много раз больше нестабильности частоты гетеродинов. Если,

например, ; , то в общем случае нестабильность вы-

ходной частоты

(4.26)

Поэтому при разработке схем и конструкций низкочастотных гене­раторов на биениях основное внимание уделяют вопросам выбора опг гимальных частот гетеродинов и методам повышения стабильности из частоты. При этом обычно достаточно увеличить кратковременную стабильность частоты гетеродинов, что достигается специальной под­стройкой гетеродина фиксированной частоты и правильным выбором конструкции элементов контуров обоих гетеродинов.

При выборе частоты гетеродинов необходимо учитывать ряд об­стоятельств. С одной стороны, для повышения стабильности выходной

частоты гетеродина на биениях, как следует из выражения (4.26) *, целесообразно уменьшать частоту гетеродинов. С другой стороны, при уменьшении частоты возрастают требования к фильтру низких частот и ухудшается амплитудно-частотная характеристика всего генератора. Возрастание требований к фильтру низких частот связано с тем, что при уменьшении частоты гетеродинов спектр на выходе преобразова­теля частоты сдвигается в область более низких частот от 0 до Р_тах. Ухудшение амплитудно-частотной характеристики генератора на бие­ниях происходит потому, что при уменьшении частоты гетеродинов, когда величина Р_тах остается постоянной, нужно увеличивать пере­стройку частоты второго гетеродина, а это приводит к заметному из­менению его выходного напряжения, а значит, и к изменению амплиту­ды напряжения низкой частоты Р. Поэтому идут на компромисс и

Основной причиной нестабильности частоты гетеродинов так же, как и всех LC-автогенераторов, являются изменения параметров их коле­бательных контуров,, связанные с температурными воздействиями. Однако в генераторах на биениях не всякое изменение частоты гете­родинов приводит к нестабильности выходной частоты. Даже при больших, но одинаковых уходах частоты обоих гетеродинов стабиль­ность выходной частоты может оказаться очень высокой. Поэтому в ко­лебательных контурах обоих гетеродинов не только применяют делали, имеющие высокую добротность и малые температурные коэффициенты, но и стараются сделать эти контуры совершенно одинаковыми.

Для увеличения стабильности выходной частоты перед началом ра­боты проводят так называемую установку нулевых биений, в процессе которой подстраивают начальную частоту первого гетеродина (доби­ваются равенства частот обоих гетеродинов). В зависимости от требова­ний к точности установки выходной частоты Р интервал времени между двумя установками нулевых биений может меняться.

Кроме тщательного подхода к конструированию гетеродинов необ­ходимо также правильно конструировать и остальные узлы генератора на биениях.

Усилители, включенные между гетеродинами и преобразователем частоты, играют роль буферных каскадов, основным назначением ко­торых является устранение связи между гетеродинами. Поэтому при конструировании усилителей необходимо обращать особое внимание на паразитные связи между входом и выходом. Преобразователи час­тоты, используемые для получения низкочастотных сигналов, являются обычными. Фильтр низкой частоты должен без искажения пропускать спектр частот от 0 до Р_тах и надежно подавлять все высокочастотные составляющие. Требования, предъявляемые к частотной характери­стике такого фильтра, оказываются очень жесткими. Неравномерность частотной характеристики должна быть не более 0,5 дБ, а высокочастот­ные помехи, в частности частоты /1 и /₂, должны ослабляться фильтром не менее чем на 60 дБ. Указанные характеристики фильтра удается. Выражение (4.26) принимает особенно наглядный вид, если изменяется частота

только одного гетеродина, например первого. Тогда 6₂=0, а йр=$1-4р- •

Рис. 4.15. Структурная схема #С-гене­ратора (а) и фазовые характеристики усилительной цепи и цепи положитель­ной обратной связи (б)

Рис. 4.16. Принципиальная схема ре­генератора с мостом Вина

получить только с помощью сложных, а главное, очень громоздких конструкций. В результате этого низкочастотные генераторы на бие­ниях получаются достаточно сложными устройствами.

Значительно более простыми и удобными являются 7?С-генераторы низкочастотных гармонических колебаний.

Структурная схема КС-генератора изображена на рис. 4.15, а. В этой схеме /С — обычный КС-усилитель с коэффициентом усиления

/С, х_х — цепь положительной обратной связи с коэффициентом пере-

дачи х_ь х₂ — цепь отрицательной обратной связи с коэффициентом

передачи х₂.

Исследовать RС-генераторы можно теми же методами, что и LС-генераторы с внешней обратной связью, а классифицировать их можно как по признакам, характеризующим усилительную цепь (ламповые, транзисторные), так и по признакам, характеризующим цепь положи­тельной обратной связи (мостовые генераторы, с трехзвенной RС-цепыо).

Рассмотрим работу RС-генератора, который имеет одну цепь по-ложительной обратной связи с коэффициентом передачи х. Как из­вестно, RС-усилитель в пределах полосы пропускания имеет постоян-лшй коэффициент усиления и постоянный сзазовый сдвиг между вКод-ным и выходным-напряжениями. В зависимости от вида частотных ха­рактеристик цепи ооратной связи КС-генератор будет генерировать разные по форме колеоания. Ьсли амплитудно- и фазо-частотная ха­рактеристики цепи ооратной связи таковы, что условия баланса фаз и баланса амплитуд выполняются хотя Оы для одной частоты в пределах полосы пропускания усилителя, то они будут одновременно рыпплнять-ся^для всех частот от /„ до /*. При этом на выходе ^С-генератора будут наблюдаться колебания, далекие по форме от гармонических (будет одновременно генерироваться большое число гармош!ческих колеба-

^ши]7 Для получения на выходе генератора гармонических колеОаний нужно хоздать преимущественные условия только для одной частоты /=/₀. Для этого в качестве четырехполюсника обратной связи х_х мож­но использовать схему, имеющую для всех частот фазовые сдвиги, при которых в /?С-генераторе не выполняются условия баланса фаз. Только при /=/₀ фазовый сдвиг в четырехполюснике х^ таков, что об­ратная связь становится положительной и в /?С-генераторе возникают

гармонические колебания с частотой /_г=/₀. Например, р ^-угчттттлтрле . с четным числом каскадов'фазовый, сдвиг между его входным и выход-ным напряжениями в пределах полосы пропускания равен нулю. Тогда условие баланса фаз в /?С-генераторе будет соблюдаться только йа частоте„/^=/₀, для которой ф_х<(/"'п)==й (рис. 4.15. б).

Наиболее распространенной схемой КС-генераторов такого типа является генератор с мостом Вина. Его основу составляет 7?С-усили-тель, в цепь положительной обратной связи которого (между выходом и неинвертирующим входом) включена последовательно-параллельная ЯС-цепь (рис. 4.16), называемая мостом Вина. Ее комплексный коэф­фициент передачи в частном случае при К₁^=К₂'=К и Сг=С₂=С

(4.27)

На частоте со₀—2я/₀ мнимая часть знаменателя обращается в нуль, т, е,

Тогда (4.28)

а модуль коэффициента передачи максимален и равен

(4.29)

Для выполнения условия баланса амплитуд необходимо, чтобы коэффициент усиления усилителя

что не вызывает затруднений.

Однако, если применить усилитель только с одной (положительной) цепью обратной связи, колебания на выходе 7?С-генератора снова ока­жутся негармоническими. Это связано с тем, что при возрастании ам­плитуды колебаний начинают использоваться нелинейные участки вольт-амперных характеристик активных элементов и в выходном на­пряжении появляются значительные нелинейные искажения. Отсутст­вие колебательной системы с высокой добротностью не позволяет от­фильтровать эти высшие гармонические составляющие. Для получе­ния в ^С-генераторах колебаний, близких по форме к гармоническим, вводят вторую цепь — отрицательной обратной связи (/?₃> #4), с по­мощью которой изменяется коэффициент усиления усилителя в зави­симости от амплитуды колебаний генератора. Наиболее эффективно отрицательная связь работает в том случае, когда применяются терми-сторы, сопротивление которых'сильно зависит от приложенного к ним напряжения. Изменение сопротивления термистора приводит к изменению глубины отрицательной об­ратной связи, что изменяет коэф­фициент усиления LС.

При соответствующем подборе элементов схемы усилителя и цепей обратной связи R С- генератор с мос­том Вина позволяет генерировать низкочастотные колебания в широ­ком диапазоне частот — от единиц герц до сотен килогерц. Перестрой­ка частоты осуществляется за счет одновременного изменения либо сопротивлений R1_г и R₂, либо емкостей С1и С₂. При этом стабильность частоты и амплитуды выходных коле­баний получается вполне удовлетворительной.

Рис. 4.17. Принципиальная схема /ре­генератора с фазосдвигающей цепью

Кроме RС-генераторов с мостом Вина, широко используют КС-ге­нераторы с фазосдвигающей цепью, которую включают между выходом усилителя и инвертирующим входом. Подбирая параметры RС-цепи таким образом, чтобы на заданной частоте f₀ она имела фазовый сдвиг ±я, можно получить на этой частоте незатухающие колебания, близ­кие по форме к гармоническим.

Принципиальная схема RС-генератора с фазосдвигающей цепью показана на рис. 4.17. Резисторы R и конденсаторы С образуют трех-звенную цепь обратной связи, которая создает положительную обрат­ную связь только на одной частоте f₀. Цепь обратной связи из резисто­ров R1 и R₂ составляет цепь отрицательной обратной связи (такую же, как R₃, R4 в R С- генераторе с мостом Вина), которая изменяет коэффи­циент усиления усилителя и позволяет получить гармонические коле­бания.

Для этой схемы

(4.30)

Колебания в автогенераторе будут происходить на частоте со_й— =2яf₀, для которой фазовый сдвиг в RС-цепи будет равен я, а мнимая - часть выражения (4.30) для ш=(о₀ будет равна нулю. В результате элементарных преобразований получим

; (4.31)

(4.32)

Из последнего равенства следует, что на частоте генерации в RС-цепи происходит ослабление сигнала в 29 раз, т. е. для выполнения условия баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя RС должен быть не меньше 29.

В заключение отметим, что в RС-генераторах максимальная частота генерации ограничена. Из выражений (4.28), (4.31) следует, что для увеличения частоты генерации необходимо уменьшать сопротивление резистора К и емкость конденсатора С цепи положительной обратной связи, а это можно сделать только в ограниченных пределах. Преде­лом уменьшения величины С являются паразитные емкости схемы. При уменьшении сопротивления R уменьшается не только коэффициент передачи цепи обратной связи, но и коэффициент усиления усилителя (малое сопротивление R шунтирует сопротивление нагрузки усили­теля). По этим причинам максимальная частота RС-генераторов не превышает единиц мегагерц.