Ж есткий режим

Если скачек на входе меньше чем U_вхВ, то колебания затухают. Точка В называется точкой квазиустойчивого состояния т.е. в ней выполняется условие баланса амплитуд, но не выполняется условие баланса фаз. Если скачек больше, чем U_вхВ, то колебания на выходе нарастают до состояния устойчивого равновесия, соответствующего точке А.

Жесткий режим самовозбуждения возможен только в режиме колебаний второго рода, который характеризуется высоким КПД, но требуется большой начальный скачек для возникновения колебаний. Для того чтобы соединить достоинства обоих режимов самовозбуждения применяется цепочка RC, которая так же является цепочкой автосмещения. В начальный момент времени при подаче маленького скачка, тока сетки нет и падения напряжения на цепочке RC так же нет, следовательно, наблюдается мягкий режим самовозбуждения. Когда колебания начинают нарастать появляется сеточный ток и рабочая точка смещается в режим отсечки, т.е. усилительный прибор переходит в режим колебаний второго рода, который характеризуется высоким КПД.

Автогенераторы,

собранные по схеме одноконтурной “трехточки”

"Трехточкой" называется схема в которой колебательный контур подсоединен к трем точкам усилительного прибора (коллектор, эмиттер, база). В "трехточечных" схемах для самовозбуждения должны выполняться 3 условия:

• баланс амплитуд

• баланс фаз

• чтобы колебания происходили на заданной частоте, сумма сопротивлений Z₁+ Z₂+ Z₃ = 0

Ч тобы выполнялось условие баланса фаз, т.е. коэффициент обратной связи был положительным Z₁ и Z₂ должны иметь одинаковый характер. Т.е. если Z₁ является индуктивным, то и Z₂ должно быть индуктивным. Полученная схема называется индуктивной "трехточкой". Чтобы выполнялось условие самовозбуждения на заданной частоте сопротивление Z₃ должно носить емкостной характер.

Если сопротивление Z₁ носит емкостной характер, то и Z₂ должно носить емкостной характер, чтобы коэффициент обратной связи был положительным.

Полученная схема называется емкостной "трехточкой". Чтобы выполнялось условие самовозбуждения на заданной частоте Z₃ должно носить индуктивный характер.

Емкостная "трехточка"

Принципиальная схема Эквивалентная схема

Колебательный контур состоит из катушки L, включенной между анодом и сеткой, и конденсаторов С_1,включенного между катодом и анодом, и С_2, между катодом и сеткой. В схеме применяется последовательное питание анода – и постоянная и переменная составляющие текут по одной цепи через колебательный контур, лампу и источник Е_а. Питание сетки – параллельное – постоянный ток течет по цепи сетка, катод, R_д1, L_др, а переменный ток – по цепи С_2, С_р, (сетка-катод). Цепочка R_д, L_др служит для создания напряжения смещения с тем, чтобы когда постоянный ток сетки равен нулю в начальный момент времени колебания начинались с маленького скачка. При нарастании колебаний появляется постоянная составляющая тока сетки, которая смещает рабочую точку с тем, чтобы усилительный прибор работал в режиме колебаний второго рода. Т.е. применение этой цепочки позволяет совместить достоинства мягкого и жесткого режимов самовозбуждения (маленький начальный скачек и при мягком режиме и большой КПД характерный для жесткого режима). Настройка на заданную частоту колебаний производится изменением индуктивности L, а изменение коэффициента обратной связи – изменением конденсатора С_2. Недостатком схемы является то, что регулировка обратной связи влияет на настройку частоты.

Схема Клаппа.

Эквивалентная схема

Схема представляет собой усовершенствованную емкостную "трехточку". Колебательная система образуется конденсаторами С_4, С_2, С₁ и катушкой L₁. Помимо автосмещения, создаваемого цепочкой С_3, R₃ применяется принудительное смещение R_1, R_1, R₃ т.к. цепочка С_3, R₃ в транзисторных схемах не обеспечивает режим колебаний второго рода. Конденсатор С₄ состоит из двух частей для получения емкостной связи со следующим каскадом. Применение более сложной "трехточечной" схемы обеспечивает более высокую стабильность генерируемой частоты.

Двухконтурные автогенераторы,

собранные по "трехточечной" схеме.

С повышением частоты генерируемых колебаний начинают сказываться входная и выходная емкости усилительного прибора. Если рассматривать схему индуктивной "трехточки", то индуктивности выводов складываются с индуктивностями схемы, а входные, выходные емкости усилительного прибора подключаются параллельно индуктивностям схемы и образуют колебательные контуры.

Полученная схема за счет подсоединения индуктивностей, входной, выходной емкостей лампы является индуктивной "трехточкой". Чтобы выполнялось условие самовозбуждения, в частности, баланс фаз, оба контура должны иметь индуктивную расстройку.

Г енерируемая частота должна быть ниже собственной частоты колебательного контура, тогда оба контура будут иметь индуктивную расстройку.

Эти 2 контура образуют систему связанных контуров. Чтобы оба контура имели индуктивную расстройку, они должны быть настроены на верхнюю частоту связи. В схемах емкостной "трехточки" оба контура могут быть подсоединены к аноду, тогда анод будет заземлен по высокой частоте.

Чтобы выполнялось условие положительной обратной связи контур должен иметь емкостную расстройку, а чтобы колебательная система была настроена на заданную частоту, то контур должен иметь индуктивную расстройку. Контур должен быть настроен на верхнюю частоту связи, а колебательный контур - на нижнюю частоту связи.

если оба контура подсоединены к сетке, то по высокой частоте заземляется сетки и полученная схема представляет собой емкостную "трехточку" с общей сеткой.

Схема индуктивной "трехточки" может быть собрана только по схеме с общим катодом. Схема двухконтурной "трехточки" с общей сеткой и общим катодом может быть собрана только по схеме емкостной "трехточки". С возрастанием частоты входная, выходная и проходная емкости усилительного прибора достигают такой величины, что их используют в схемах как емкости колебательной системы. Одноконтурные "трехточки" используют только в диапазоне ДВ и СВ, в диапазоне МВ колебательная система образуется двухпроводными линиями. Использование двухпроводных линий удобнее всего в двухтактных схемах. Короткозамкнутая двухпроводная линия длиной меньше образует индуктивное сопротивление, больше - емкостное.

Схема двухтактного генератора метровых волн.

Это схема емкостной "трехточки" с общей сеткой. Сетка заземлена по высокой частоте через конденсатор С_1. Цепочка R_1, C₁ позволяет задавать положение рабочей точки таким образом, чтобы совместить достоинства мягкого и жесткого режимов самовозбуждения. При включении напряжения анодного питания в контуре анод-сетка возникают свободные колебания. Постоянный ток сетки в начальный момент равен нулю поэтому скачек напряжения при включении питания оказывается достаточным для возникновения свободных колебаний. При возрастании постоянного тока сетки цепочка R_1, C₁ сдвигает рабочую точку таким образом, что лампа переходит в режим колебаний второго рода, обеспечивающий высокий КПД. Контур анод-сетка образован короткозамкнутым четвертьволновым отрезком двухпроводной линии. Длина линии, а следовательно, настройка на заданную частоту производится с помощью мостика М_1. Контур сетка-катод образован короткозамкнутой двухпроводной линией длиной больше , следовательно его входное сопротивление носит емкостной характер. Величина емкости, а следовательно и коэффициента обратной связи регулируется перемещением мостика М_2. Контур сетка-катод подсоединяется к катоду и через источник напряжения накала по высокой частоте соединяется с сеткой через конденсатор. Контур анод-сетка соединяется с сеткой через источник анодного питания по высокой частоте через конденсатор С_1.

Достоинством этой схемы является то, что регулировка обратной связи мало влияет на генерируемую частоту. Нагрузка подсоединяется к генератору через конденсаторы С_ф’ и С_ф”, связь с нагрузкой регулируется перемещением скользящих контактов. Анодное напряжение подается на аноды с помощью проводов, пропущенных внутри двухпроводной линии. В местах ввода и вывода этих проводов включаются блокировочные конденсаторы С_р’ и С_р”, которые не пропускают постоянную составляющую на наружную поверхность линии. Переменное напряжение накала 6,3 В.

Основы методики расчета ГСВ.

Задачей расчета генератора с внешним возбуждением является определение режима работы генератора, элементов контура и элементов обратной связи, обеспечивающих устойчивые колебания заданной мощности и диапазоном частот. Как всякую нелинейную цепь, АГ можно рассматривать , используя метод коэффициентов Берга, основанный на методе линейной аппроксимации характеристик лампы. Генератор обеспечивает стабильную амплитуду при работе в критическом или перенапряженном режиме, в режиме колебаний второго рода, обеспечивающего высокий КПД. Рассчитанный режим генератора необходимо проверить на выполнение условий самовозбуждения. Для большей устойчивости режима и стабильности колебаний генератора, контур генератор следует брать с более высокой добротностью и по возможности, как можно больше ослабить его связь с внешней нагрузкой. У задающих генераторов КПД контура не должен превышать 10-20%. Сопротивление контура в случае одноконтурного АГ равно сопротивлению параллельного контура в момент резонанса

Коэффициент включения нагрузки всегда меньше единицы, следует выбирать его не более 0,5. Коэффициент ОС должен быть положительным, чтобы выполнялось условие баланса фаз. Коэффициент ОС должен быть меньше единицы. Он определяется как:

, где

U_mc –максимальное напряжение на сетке;

U_mк – максимальное напряжение на контуре.

Стабилизация частоты автогенераторов.

Причинами нестабильности частоты являются:

• изменение температуры и влажности

• непостоянство режима работы усилительного прибора

• механические деформации

• влияние выходных каскадов

При увеличении температуры, увеличивается длина обмоток катушек, площадь обкладок конденсаторов, изменяются диэлектрическая и магнитная проницаемость, увеличивается входное и выходное сопротивления усилительного прибора. Чтобы избежать влияния температуры применяют термостаты, используют маломощные задающие генераторы с малыми рабочими токами. Используют элементы с положительным или отрицательным температурным коэффициентом , их включают таким образом, чтобы их влияние компенсировало друг друга.

Постоянство режима работы усилительного прибора обеспечивается цепочками автосмещения и высокостабильными источниками питания.

Механические воздействия приводят не только к изменению параметров элементов, но к их полному отказу. Применяют систему жесткого монтажа и амортизации, чтобы избежать механических повреждений.

Чтобы выходные каскады не влияли на работу АГ через источник питания, применяют либо отдельный источник питания для АГ, либо применяют умножитель частоты, в котором усиление происходит на другой частоте.

Требования по стабильности частоты, предъявляемые к передатчику, являются очень жесткими, т.к. уход частоты передатчика снижает коэффициент усиления и отношение сигнал/шум приемника. Для компенсации нестабильности излучаемых колебаний, в приемнике применяется ручная или автоматическая подстройка частоты. Ручная подстройка является трудоемкой, а автоматическая – дорогой. Кроме того, при уходе несущей частоты смещается положение полосы пропускания передатчика в шкале частот, а т.к. эфир очень густо заселен, то создаются помехи работе других радиостанций. Ухудшается качество приема и связь может быть нарушена.

Для стабилизации несущей частоты применяются кварцевые резонаторы. Применение кварцевых резонаторов основано на явлении пьезоэффекта, при котором под действием электрического поля в кристалле возникают высокостабильные механические колебания, частота которых не зависит от температуры.

Кварцевая пластина без кварцедержателя представляет собой последовательный колебательный контур, а с кварцедержателем - параллельный колебательный контур.

Существует две схемы включения кварца в автогенератор:

• осцилляторная схема, в которой кварцевый резонатор включается в колебательную систему в качестве индуктивности, т.е. на частоте между последовательным и параллельным резонансом;

• фильтровая схема, в которой кварц включается в цепь ОС, при этом он настроен на частоту последовательного резонанса.

С хема Баттлера.

Это фильтровая схема. Кварц включен в цепь ОС, образованной эмитерным повторителем, С₆, кварцем, С₄. Кварц работает на частоте последовательного резонанса. С увеличением частоты, собственная емкость кварца уменьшается, а влияние кварцедержателя увеличивается, и вместо последовательного получается параллельный колебательный контур. Его активное сопротивление максимально. Потери в цепи ОС возрастают, это может привести к срыву колебаний. Чтобы компенсировать влияние емкости кварцедержателя, параллельно кварцу подключают катушку L₂.

Р ежим работы автогенератора задается делителем R_1,R₂. Цепочка автосмещения С_2, R₃ компенсирует изменение параметров транзистора с изменением частоты. Автогенератор собран по схеме емкостной "трехточки" с заземленной по высокой частоте базой. Сопротивление коллектор-база носит индуктивный характер и образовано катушкой L₁, которая служит для настройки на заданную частоту. Емкость С₆, емкость кварцедержателя и С₄ образуют сопротивление коллектор-эмиттер. Емкость С₂ образует сопротивление базы.

Режим работы эмиттерного повторителя задается делителем R_4,R₅. Для того, чтобы самовозбуждение происходило в мягком режиме, делитель R_1,R₂ создает положительное напряжение, слегка приоткрывающее транзистор. Достаточно небольшого скачка напряжения, например при включении питания, чтобы в контуре начались свободные колебания. Переход в режим колебаний второго рода происходит за счет падения напряжения на резисторе R₃. Эта схема обеспечивает высокую стабильность генерируемой частоты.

О сцилляторная схема.

Кварц включен в колебательную систему емкостной "трехточки" в качестве индуктивности. ОС осуществляется через емкость С₁, включенную между эмиттером и базой. Подстройка частоты осуществляется с помощью катушки L. Положение рабочей точки задается делителем R_1,R₂ и сопротивлением R₃. Колебательная система образуется конденсаторами С_1, С_2, С_3, катушкой L и кварцем. Стабильность осцилляторных схем выше, чем фильтровых.

Делитель R_1,R₂, как и в предыдущей схеме создает небольшой положительный потенциал на базе, слегка приоткрывающий транзистор. Сопротивление R₃ осуществляет переход к режиму колебаний второго рода за счет появления падения напряжения на нем после появления эмитерного тока. Это схема емкостной "трехточки" с заземленным по высокой частоте коллектором. Емкостные "трехточки" применяются чаще, чем индуктивные, особенно на высоких частотах.

Если частота кварца не достаточна, то применяют кварцы, работающие на гармониках. На некоторых гармониках, например, на 3 и 5 , потери оказываются меньше, чем на первой гармонике. Кроме того, если частота кварца не достаточна, применяются каскады умножения частоты.

Диапазонная кварцевая стабилизация частоты.

О бычно передатчик работает в диапазоне частот, а применение кварца затрудняет перестройку частоты. Если использовать блок сменных кварцев, то время настройки увеличится. В передатчиках высокостабильных колебаний используются возбудители с кварцевой стабилизацией, термостатированием и с применением высокочастотных кварцевых пластин. Такие генераторы позволяют получить стабильность порядка .

Частота опорного генератора (ОГ) не изменяется. Колебания опорного генератора подаются на интерполяционный генератор (ИГ), нагруженный на узкополосный фильтр и синтезатор частот (С). Интерполяционный генератор генерирует сетку частот, которые являются гармониками частоты опорного генератора. С помощью узкополосного фильтра выделяется необходимая частота. Такая схема дает ряд фиксированных частот, плавной перестройки частоты не происходит. Синтезатор дает возможность получить большее число фиксированных частот в результате многократной интерполяции.

Схема демонстрирует интерполяционный метод, позволяющий получить плавное изменение частоты. На преобразователь частот подаются два колебания. От опорного генератора подается высокостабильное колебание фиксированной частоты. От интерполяционного генератора подается колебание, перестраиваемое по частоте. На выходе преобразователя в результате нелинейного преобразования образуется множество частот, в то числе и комбинационные частоты, равные сумме и разности частот ОГ и ИГ. Фильтр (Ф) является нагрузкой преобразователя частоты, он выделяет комбинационную частоту (сумму или разность), предположим он выделяет сумму. При изменении частоты интерполяционного генератора, от минимального до максимального значения, происходит плавное изменение от минимума до максимума частоты на выходе. Т.к. частота опорного генератора значительно выше частоты интерполяционного генератора, то стабильность генерируемой частоты на выходе возбудителя определяется стабильностью опорного генератора. Т.о. на выходе схемы появляется большое количество плавно перестраиваемых высокостабильных частот. Стабильность возбудителя можно повысить, если в качестве интерполяционного генератора применять кварцевый генератор , генерирующий ряд частот кратных основной частоте. При этом комбинационная частота, получающаяся на выходе возбудителя, будет более стабильной но не будет изменяться плавно. Чтобы получить изменение частоты с меньшим расстоянием между соседними частотами, можно применить вторичную интерполяцию. Требуемая гармоника выделяется с помощью узкополосного фильтра.

Это компенсационная схема, позволяющая выделить широкий спектр стабильных частот. В преобразователе частоты ПрЧ₁ происходит сравнение частоты входного сигнала и частоты генератора. Все пришедшие ненужные составляющие спектра понижаются в результате преобразования. Узкополосный фильтр выделяет разность нужной частоты, например f₂, и частоты генератора. Остальные разностные частоты подавляются фильтром и поступают ослабленными в преобразователь частоты ПрЧ₂. Второй преобразователь выделяет комбинационную частоту т.е. на выходе восстанавливается частота f₂, а остальные составляющие ослабляются. Т.к. фильтрация производится на более низкой частоте, то можно реализовать более узкополосный фильтр. Т.к. компенсация нестабильности происходит в результате двухтактного преобразования, то к генератору включенному в схему не предъявляются требования высокой стабильности генерируемой частоты.

Это схема фазовой автоподстройки частоты, она осуществляет фильтрацию требуемой составляющей. Эта составляющая применяется для синхронизации генератора (Г). Перестройку фильтра осуществляют перестройкой частоты генератора. Входное напряжение и напряжение от генератора подаются на фазовый детектор (ФД), напряжение на выходе которого, определяется разностью фаз напряжений на его входе. Если генератор расстроен относительно f₂, то между входным сигналом и колебаниями с выхода генератора, возникает разность фаз. На выходе фазового детектора появляется медленно меняющееся переменное напряжение несинусоидальной формы, которое через ФНЧ и управляющий элемент подается на генератор. Частота генератора изменяется таким образом, чтобы свести к нулю ошибку рассогласования. В результате на выходе возбудителя формируется высокостабильный сигнал.

Спектры сигналов с различным видом модуляции.