Многоконтурные автогенераторы.

Частота колебаний генератора приблизительно равна собственной частоте контура. При связи автогенератора с нагрузкой частота колебаний меняется, так как колебательной системой становится более сложная цепь, обладающая в общем случае несколькими резонансными частотами. Автоколебания устанавливаются на той частоте, на которой выполняются условия самовозбуждения, а стационарное состояние устойчиво.

Схема двухконтурного автогенератора приведена на рисунке (3.13). Частоты системы, или так называемые частоты

связи, зависят от парциальных частот отдельных контуров и связи между ними, то есть при перестройке любого из контуров меняется частота связи, а, следовательно, и частота генерируемых колебаний.

Для самовозбуждения такого автогенератора необходимо, чтобы полное реактивное сопротивление цепи было равно нулю. Это можно увидеть, пользуясь рисунком (3.14).

Двухконтурные автогенераторы были предложена вначале для ослабления влияния нагрузки на частоту автоколебаний. Исследования показали, что двухконтурные автогенераторы не обладают повышенной стабильностью. Однако на практике двухконтурные автогенераторы сохранились до сих пор, в том числе и в устройствах повышенной стабильности частоты, но с применением эталонных электромеханических систем.

Н а рисунке 3.15 представлены эквивалентные схемы контуров для нижней и верхней частот. Эти частоты являются резонансными для первого и второго контуров двухконтурного генератора соответственно.

Представим схему двухконтурного автогенератора в виде эквивалентных схем индуктивной трех точки и емкостной трех точки.

Высокодобротный контур (2) определяет частоту генерации, fг. В качестве контура (2) используется кварцевый резонатор, обладающий высокой добротностью и высокой стабильностью.

ЛЕКЦИЯ№ 11

Принципы стабилизации частоты автоколебаний.

1. Общие меры: стабилизация источника питания, использование стабильных элементов.

2. Параметрическая стабилизация частоты контура.

3. Кварцевая стабилизация.

4. Стабилизация с помощью АПЧ.

Л юбой передатчик должен работать на предписанной ему частоте. Отклонения рабочей частоты от номинальной приводят к взаимным помехам, а иногда и к резкому ухудшению (прекращению) связи. Это может быть следствием влияния различных дестабилизирующих факторов.

Н аиболее высокую стабильность имеет кварцевый резонатор. Существование прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта в кварце, допускающего практически полное преобразование электрической энергии в механическую и обратно, упрощает использование КР в качестве элемента колебательной системы автогенератора. Электрическая эквивалентная схема кварцевого резонатора, представленная на рисунке (3.19), содержит в общем случае бесчисленное число последовательных контуров L-C-R, параметры которых определяются механическими и электрическими свойствами резонатора. Характерным свойством кварцевых резонаторов является их старение, приводящее к необратимому изменению резонансной частоты.

И ндуктивность кварца составляет единицы Гн. Ск составляет доли пФ. Rк – доли, единицы Ом. Со – десятки пФ. Оказывается, что при таком соотношении волновое сопротивление этого контура обладает огромным значением, добротность велика и очень большое резонансное сопротивление контура. На резонансной частоте параллельного резонанса контур при малом коэффициенте включения обладает резонансным сопротивлением порядка нескольких сотен кОм, или нескольких единиц (десятков) МОМ. Первое достоинство КР – высокая добротность эквивалентного контура.

В торое, более главное достоинство заключается в том, что стабильность собственных частот этого контура очень высокая (частот последовательного и параллельного резонанса). Пуст f1 – частота последовательного резонанса, f2 – частота параллельного резонанса. Стабильность последовательного резонанса определяется стабильностью электромеханических свойств материалов кварца и имеет очень высокое значение. Определим частоты f1 и f2 , пользуясь рисунком (3.20).

Т ак как СоСк, то частоты f1 и f2 очень близки друг к другу. Результирующая характеристика несколько меньше Ск, но это уменьшение не значительно, так как СоСк, то есть f2=f1+. Это означает, что разницу частот можно считать точкой. Положение частот очень стабильно. F2 менее стабильна чем f1, так как учитывается паразитная ёмкость Со.

Перейдём к частотным свойствам этой схемы. На рисунке (3.21) приведена частотная характеристика зависимости Хэкв кв(f). F1 и f2 – фактически одна точка. Используем “частотную лупу”. F1- частота последовательного резонанса. F2- частота параллельного резонанса. Зависимости реактивного сопротивления при параллельном и последовательном резонансе приведены на рисунке (3.22). Но у нас есть элемент, который обладает сразу двумя этими свойствами.

Совместим все частотные характеристики (см рис 3.23). Из графика видно, что во всей частотной оси имеем емкостное сопротивление, и только в диапазоне [f1-f1] имеем индуктивное сопротивление. Такую индуктивность намотать нельзя. Она меняет своё индуктивное сопротивление от 0 до  на участке частот в несколько сотен герц. Это третье уникальное свойство кварца. И самое главное то, что частотный участок [f1-f1] занимает стабильное положение на оси частот. Это свойство используется для построения кварцевого генератора.

К варцевый генератор строится по двум схемам:

1. Осцилляторная схема. На частоте автоколебаний кварц эквивалентен некоторой индуктивности L1. Частота генерации f1fгf2 (ближе к f1).

2. Фильтровая схема. . На частоте автоколебаний кварц эквивалентен Rк, то есть генерация происходит на частоте последовательного резонанса. Частота генерации fг=f1.

Е стественно, что эти схемы работают по-разному. Наиболее часто используется осцилляторная схема. В осцилляторной схеме необходимо кварц поставить в схему таким образом, чтобы на частоте генерации он был эквивалентен некоторой индуктивности. Можно построить 3 таких схемы. Стараются кварц ставить в такие точки схемы, которые отделены от нагрузки. Рассмотрим схему, когда кварц включён на участка Б-Э. Другие трёхточки не будут обладать ПОС, и не будут генерировать. Построим самую простую схему (см рис 3.24). Генератор не работает, так как индуктивность закорочена Необходимо поставить дроссель или резистор в цепь питания(см рис 3.25). Всё напряжение падает на R2(КЗ по постоянному току). Чтобы от этого избавиться нужно, поставить блокировочный конденсатор Сбл. Генератор не будет возбуждаться, так как база транзистора по постоянному току не подключена. Поставим сопротивление R1, и транзистор откроется. Полученную схему можно упростить, если убрать конденсатор С, так как есть паразитная ёмкость Сбк.

Заменим индуктивность L1 на колебательный контур, чтобы регулировать амплитуду сигнала на выходе автогенератора(см рис 3.27). Здесь fо – с обственная частота контура. Хо – эквивалентное сопротивление контура. Чтобы эта схема сохранилась контур нужно настроить на частоту fо. График реактивного сопротивления к онтура показан на рисунке (3.28). Чтобы на частоте генерации была индуктивность надо fг расположить, так, как показано на рисунке, то есть fоfг(точно) или fо=fкв (приблизит.).

Исследуем поведение кварцевого резонатора. Построим график зависимости Uвых(f) (см рис 3.29).

К онтур настроен на частоту кварца, то есть при ffкв существуют колебания и Uвых0.Чем ближе частота контура к частоте генерируемых колебаний, тем больше колебания. Когда частоты сравниваются, происходит срыв колебаний. Причина этого заключается в том, что действующая трёхточка вырождается на частоте кварца в схему, показанную на рисунке (3.30). Эта схема не обладает положительной обратной связью и генерировать не может.

Рассмотрим ток, протекающий через этот транзистор. Импульсы тока показаны на рисунке (3.31). Чем ближе настроен контур с fо к частоте колебаний, тем больше будет выходное напряжение на контуре. Но через контур протекает и первая, и вторая и третья гармоники. Таким образом, в этой схеме можно совместить функции автогенератора и умножителя частоты.

По аналогии рассмотрим ещё одну схему кварцевого автогенератора(см рис 3.33). Эквивалентная схема приведена на рисунке (3.34). Так как мы имеем емкостную трёхточку, то контур нужно перестроить так, чтобы его эквивалентное сопротивление Хо стало бы отрицательной величиной. Для этого изменим частоту настройки контура следующим образом: fоfг и fоfкв. Соответственно, изменится график зависимости Uвых(f) так, как показано на рисунке (3.35).

У простим этот автогенератор (см рис 3.36). Откажемся от контура. Теперь у нас С1 и Хо – одно и тоже. В случае, когда контур отсутствует, схема относится к схемам высокостабильного генератора.

Перейдём к рассмотрению схем автогенераторов, построенным по фильтровой схеме (см рис 3.37). В данном случае автогенератор возбуждается на частоте контура (fо), но частота автогенератора нестабильна. Вместо ёмкости поставим кварцевый резонатор. Частота автоколебаний уменьшится до частоты кварцевого резонатора. То есть такое включение кварцевого резонатора позволяет обеспечить работу схемы только на частоте последовательного резонанса кварцевой пластины, не смотря не некоторое отличие частоты fо от частоты кварцевого резонатора.

Схема, позволяющая нейтрализовать шунтирующее действие конденсатора Со, показана на рисунке (3.38). Сигнал обратной связи подаём на базу транзистора через кварцевый резонатор. Работе этой схемы на высоких нечётных гармониках мешает то, что сигнал ОС проходит не только за счёт последовательных резонансов, но и за счёт ёмкости Со. Поэтому возможно возбуждение на частоте гармоник контура (в обход гармоник

кварца). Для того, чтобы избавиться от мешающего влияния Со создаётся схема нейтрализации. Заменяем кварц на конденсатор с величиной Со. Если ёмкость Сn правильно подобрать, то генератор может возбудиться только за счёт соответствующего нечётного резонанса КР, независимо от номера гармоники.

Рассмотрим ещё одну схему. Можно использовать двухкаскадный усилитель. Выход соединяем со входом и в цепь обратной связи ставим кварцевый резонатор. Получаем обычный кварцевый автогенератор, выполненный по фильтровой схеме. Довольно часто используются импульсные схемы, например инверторы, включённые последовательно. В один из каскадов включают ООС, инвертор переводится в линейный режим работы.