Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Автогенераторы, СЧ и модуляции

.pdf
Скачиваний:
20
Добавлен:
30.12.2021
Размер:
1.16 Mб
Скачать

1.Автогенераторы и колебательная характеристика

Автогенераторами (АГ)

называются устройства, в которых энергия источников питания преобразуется в энергию высокочастотных колебаний без внешнего возбуждения. Любой АГ состоит из: активного элемента и колебательной

системы (задает частоту колебаний).

Sср – среднее значение крутизны активного элемента; Kос – коэффициент передачи

цепи обратной связи; – комплексное сопротивление колебательной цепи

Баланс амплитуд показывает, что потери в колебательной цепи автогенератора должны быть скомпенсированы энергией, вводимой в КЦ активным элементом. Установившийся режим характеризуется полной компенсацией потерь энергии в колебательной цепи. При внесении потерь изменяется угол

отсечки и амплитуда, но колебания не сорвутся.

Колебания автогенератора будут нарастать при выполнении следующих условий:

1)Начальное состояние автогенератора неустойчиво;

2)Энергия, поступающая в колебательную цепь от активного элемента, превышает потери в колебательной цепи.

Колебательная характеристика (КХ) — это зависимость амплитуды первой гармоники контурного тока от амплитуды управляющего напряжения при разомкнутой цепи обратной связи.

В точках 1,2,3 - выполняется баланс амплитуд.

При 2 точки 1, 3 – точки устойчивого равновесия, а точка 2 – неустойчивого. После чего установятся выходные колебания с постоянной амплитудой, соответствующей напряжению UВХ3 (т.3). Такой режим возбуждения называют жестким.

При 3, генерация возникнет самопроизвольно (К > 1), а система перейдет в устойчивую точку 4 (К = 1). Такой режим возбуждения называют мягким.

2. Обобщенная трехточечная схема автогенератора

Установим связь между сопротивлениями Z и режимом работы АЭ. Рассмотрим случай: Zi=jXi

Это означает, что сопротивления либо емкостные, либо индуктивные. КЦ представляет собой высокодобротный контур.

Для того, чтобы энергия от АЭ поступала в КЦ, коэффициент

обратной связи должен

быть

положительным.

 

=

2

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

> 0; Условие резонанса: 1 + 2 + 3 = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Индуктивная трехточка:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Частота

 

генерации

одноконтурных

 

 

автогенераторов

совпадает

с

частотой

 

 

резонанса

колебательной

цепи: 2 =

 

 

 

1

 

 

, =

2

2 =

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3(1+ 2)

 

ОС

 

1

 

 

3 1(1+ОС)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На БТ: КОС~0,01 2

1

 

На лампах и ПТ: КОС~1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Емкостная трехточка:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + 2

 

 

1 +

 

 

1

 

 

 

 

2

=

 

 

 

=

 

 

 

;

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2 3

 

 

 

3 1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Двухконтурные автогенераторы

ДА – это автогенераторы, в которых два параллельных колебательных контура включены между двумя парами электродов. В общем случае различают три эквивалентные схемы двухконтурных автогенераторов:

Сопротивления Х1, Х2, Х3 обобщенной трехточечной схемы АГ могут быть образованы параллельными колебательными контурами.

Частота автоколебаний не будет совпадать ни с одной из резонансных частот контуров, так как каждый из контуров имеет реактивную составляющую только на частоте, отличающейся от резонансной частоты.

Коэффициент ОС β=Kос: =

2

=

2 2 (1+ 1)

1

1

1

 

(2+ 2)

 

 

 

Двухконтурные схемы АГ часто применяются в ламповых АГ большой мощности, в АГ СВЧ диапазона (колебательные системы таких АГ изготавливаются из отрезков коаксиальных линий) и в схемах с кварцевой стабилизацией частоты.

4. Основные дестабилизирующие факторы влияющие на нестабильность частоты

а) Механические воздействия – вибрации, удары – опасны для возбудителей передатчиков подвижных объектов. Сотрясения блока АГ вызывают взаимные сдвиги отдельных деталей и меняют емкости между деталями и проводами. Эти изменения емкостей непосредственно сказываются на частоте колебаний. Нестабильность частоты от механических воздействий практически не поддается расчету. Она исследуется на реальных макетах, укрепленных на вибростенде, период и амплитуда колебаний которого могут меняться в широких пределах, для выявления опасных резонансных частот, вызывающих повышение деформации монтажа.

б) Питающие напряжения выходной цепи Еп и начальное смещение Енач (для транзисторов) не влияют на элементы линейного внешнего контура, но от них существенно зависят все параметры АЭ. Изменения напряжений наиболее

сильно воздействуют на емкости переходов и ток коллектора, который, в свою очередь, определяет крутизну и постоянную времени.

в) изменение формы импульса коллекторного тока. При этом несколько меняется состав гармоник тока, которые, проходя по контуру, для них сильно расстроенному, и цепи обратной связи, искажают форму напряжения возбуждения uвх. Это приводит к появлению небольшого дополнительного (порядка

1...20).

Основная мера борьбы с нестабильностью частоты от изменения напряжений Енач, Еп – это применение стабилизированных источников питания.

г) Температура окружающей среды влияет на вое элементы схемы. При изменении температуры меняются параметры как АЭ, так и ПЧ

5. Кварцевые резонаторы

Для повышения стабильности частоты в цепях автогенератора используют кварцевый резонатор. Кварцевый резонатор ведет себя как колебательный контур.

Lk, Ck, Rk – эквивалентные параметры кварцевой пластины;

С0 – емкость кварцедержателя. Добротность – не более 107

Для кварцевого резонатора характерны две частоты резонанса: последовательного и параллельного.

послед =

1

; паралл =

 

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

+ 0

 

 

 

 

 

 

Частота параллельного резонанса менее стабильна, чем для последовательного резонанса. Это обусловлено тем, что к С0 параллельно подключается емкость транзистора, а также другие эквивалентные элементы схемы

В современных РПУ КАГ находят широкое применение, особенно, когда к стабильности частоты генерируемых колебаний предъявляются жёсткие требования.

КАГ классифицируют по следующим признакам:

1)По частоте возбуждения КвР (схемы с последовательным и параллельным резонатором);

2)По характеру возбуждения (на основной частоте либо на гармониках основной частоты)

3)По диапазону частот (НЧ, СЧ, ВЧ)

4)По месту включения КвР (емкостная и индуктивная трехточка)

5)По активному элементу (ламповые, транзисторные)

6. Фильтровые КАГ

Кварцевый резонатор выступает как последовательный резонансный контур, включенный в цепь положительной обратной связи.

Принцип работы основан на том, что значение модуля сопротивления КвР |Zое| на частоте последовательного резонанса 1 минимально, и резко возрастает при отклонении

частоты от 1. Поэтому КвР, включенный в цепь ПОС трехточечной схемы АГ, на частоте Г близкой к 1, замыкает цепь ПОС и АГ самовозбуждается. На частотах, отличных от1, сопротивление |Zое| КвР велико, коэффициент ОС мал, и условия самовозбуждения АГ не выполняются.

Уравнение баланса фаз для данной схемы: S+ + Z = 0

7. Назначение атомных стандартов частоты

С помощью атомных стандартов частоты возможно осуществлять формирование и измерение интервалов времени.

Особенности атомных стандартов частоты (АСЧ) заключаются в том, что:

1)АСЧ это опорные генераторы (ОГ) с чрезвычайно стабильной опорной частотой, номинал которой возможно выбирать;

2)АСЧ это синтезатор частот со специфическими свойствами и структурой.

Различают два типа АСЧ:

1)Первичные атомные стандарты частоты (АСЧ1);

2)Вторичные атомные стандарты частоты (АСЧ2).

АСЧ1 предназначены для перевода естественных и высокоточных единиц частоты и времени в единицы СИ. Точность АСЧ1 базируется на фундаментальных физических константах, процессах в отдельных атомах и их ансамблях.

8.Физические основы построения АСЧ1

Главное свойство АСЧ1 – точность, основано на наличии у любого атома нескольких возможных состояний, характеризуемых уровнями энергии Ek, возможности возбуждать атомы и инициировать переходы атомов с одного уровня на другой с поглощением или излучением кванта энергии. Для получения радиочастоты атом должен иметь хотя бы одну пару очень близких по энергии уровней:

Данному требованию удовлетворяют атомы водорода, и атомы двух щелочных металлов, находящихся в парообразном состоянии: цезия и рубидия.

Водород является активным веществом (активным элементом)

вводородном мазере, излучение которого лежит в дециметровом диапазоне длин волн. Свойства атомов водорода позволяют обеспечить инверсию населенностей энергетических уровней. Это приводит к самовозбуждению и устойчивой генерации электромагнитных колебаний в резонансной камере. Такой генератор возможно использовать

вкачестве ОГ.

В АСЧ1 на цезии и рубидии такой эффект неосуществим. В таких АСЧ внешнее СВЧ поле стимулирует изменение энергетического состояния атомов, что фиксируется различными способами. Фактически такие АСЧ работают как детекторы.

9. Элементы синтеза частот. Умножители частот

Умножителями частоты называют устройства, в которых входное колебание с частотой f преобразуется в одно или несколько выходных колебаний с частотами nf.

Умножители частоты классифицируют по принципу умножения:

1)Активные умножители: (автономные автогенераторы, с собственной частотой, близкой к nf, синхронизируемые входным колебанием. Неавтономные)

1)Пассивные умножители: (варисторные, варакторные)

В пассивных умножителях частоты происходит искажение формы входного колебания с помощью нелинейного элемента, основными параметрами которого являются:

1)Активное сопротивление (варисторные);

2)Емкость (варакторные);

3)Сочетание активного сопротивления и емкости

(накопительные диоды).

С помощью фильтра из спектра выходного колебания выделяют высшие гармоники.

Основные параметры УЧ: Коэффициент умножения, выходная мощность, КПД входной цепи, уровень побочных составляющих, коэффициент передачи по мощности.

10. ГВВ

Генератор с внешним возбуждением (ГВВ) – это усилитель мощности, преобразующий энергию источника постоянного тока в энергию тока высокой частоты, причем частота на выходе генератора определяется частотой поданных на его вход колебаний. В его состав входят активный элемент (АЭ), нагрузка, цепи питания и смещения АЭ; и цепь возбуждения, по которой на вход АЭ подается радиочастотный сигнал от возбудителя. В качестве возбудителя выступает предшествующий каскад передатчика. Простейшая схема ГВВ на транзисторе выглядит так:

этом случае форма коллекторного импульса будет неискаженной и иметь косинусоидальную форму (в этом режиме Rk, как правило, мало), но и амплитуда, прямо пропорциональная Rк, невелика.

2.Если А находится на линии критического режима, то режим – критический (граничный). Амплитуда коллекторного тока слегка уменьшается, вершина уплощается

3.Если А находится на линии критического режима, но низко, то режим – перенапряженный, появляется провал в вершине импульса в тот момент, когда коллекторный переход открыт внешним воздействием

1. Если А находится в активной области статических ВАХ, то такой режим называется недонапряженным. В

9.ПЕРЕДАТЧИКИ С АМПЛИТУДНОЙ И ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

9.1. Общие соотношения при амплитудной модуляции

Передатчики с AM применяют для телефонной связи, радиовещания,

передачи телевизионных изображений. Их мощность зависит от назначения линии радиосвязи и ее протяженности и колеблется от долей ватт до десятков мегаватт. Передатчики с AM применяют во всех диапазонах радиочастот.

Структурная схема, как правило, многокаскадная, что определяется высокими требованиями к стабильности частоты передатчика.

При испытаниях, настройке передатчика и теоретических исследованиях в качестве модулирующего сигнала s(t) берут гармонический

(8.6). По этому закону должна меняться амплитуда тока в антенне передатчика и 1-я гармоника тока коллектора выходного каскада IК(t)

относительно значений, определяющих режим молчания (рис.8.1а):

где

m

 

 

 

 

 

 

I

А

I

А мол

I

А

cos t I

А мол

1 m cos t .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

К1

I

К1 мол

I

К1

 

cos t I

К1 мол

1 m cos t

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

А мол

, I

К1 мол

 

– токи

 

антенны и коллектора в режиме

 

 

 

 

 

IА

 

IК1

 

 

 

 

 

 

коэффициент

модуляции.

IА мол

IК1 мол

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.1)

(9.2)

молчания;

Токи

I

А

m I

А мол

и I

K1

m

 

 

 

 

напряжения, поскольку

I

К1 мол

пропорциональны амплитуде модулирующего

 

m а U (см. (8.7)).

112

При AM различают режимы молчания, максимальный и минимальный.

Максимальный режим получается в моменты времени, когда, а

минимальный при

cos t 1

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

А max

I

А мол

(1 m);

I

А min

I

А мол

(1 m).

,

(9.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

IК1 max IК1 мол

(1 m);

IК1 min IК1 мол (1 m).

(9.4)

При модуляции мощность, излучаемая антенной, непрерывно изменяется. Мощность, усредненная за период высокой частоты определяется соотношением:

Р

( t)

А

 

где PA мол 0.5 IA2 мол rA

0.5I

2

( t)r

P

A

 

A

A мол

– мощность в

2

 

(9.5)

(1 mcos t)

,

 

режиме молчания; rА– сопротивление

излучения антенны.

Мощность в максимальном и минимальном режимах выражается через мощность в режиме молчания согласно (9.5) при cos t 1:

Р

Р

2

;

Р

 

Р

2

.

 

(1 m)

А min

(1 m)

(9.6)

А max

А мол

 

 

 

А мол

 

 

При т = 1 мощность в максимальном режиме в 4 раза больше, чем в

режиме молчания, а в минимальном равна нулю.

Среднее значение мощности за период модулирующего сигнала

РА мод

1

 

2 PA мол (1 m cos t)2 d ( t) PA мол (1 0.5 m2 ) .

(9.7)

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

0

 

увеличивается по сравнению с мощностью в режиме

молчания

0.5 m

2

P

 

за счет мощности двух боковых частот:

 

 

 

 

 

 

A мол

 

 

 

 

 

 

PБОК 2 0.25 m2 PA мол .

(9.8)

Очевидно, что для токов и мощностей в цепи коллектора выражения,

связывающие режимы максимальный, минимальный и молчания, получаются аналогичными (9.3)—(9.8).

AM можно осуществить в любом из усилительных каскадов передатчика,

если по закону сигнала информации менять фактор модуляции. Под этим термином понимается та причина, которая непосредственно вызывает изменение амплитуды колебаний. Фактором модуляции может быть одно или

113

несколько питающих напряжений, сопротивление управляемых резисторов в цепи антенны, токи питания и др. Каскад, в котором происходит преобразование сигнала информации в радиосигнал (модуляция), называют

модулируемым. Если модулируемый каскад промежуточный, то все следующие за ним каскады передатчика работают в режиме усиления модулированных колебаний.

Энергетические и качественные показатели передатчика зависят от того,

какое из питающих напряжений меняют при модуляции. Различают два основных вида простой модуляции: смещением ЕC во входной цепи АЭ и напряжением питания коллекторной цепи ЕП (коллекторная модуляция).

Нередко используют комбинированную модуляцию, при которой меняются одновременно несколько питающих напряжений.

9.2.Модуляция смещением

Вмодулируемом каскаде (рис.9.1) в соответствии с сигналом информации изменяют смещение на входном электроде АЭ усилителя мощности:

Е

Е

U

 

cos t

С

С мол

 

 

.

(9.9)

Схему УМ при модуляции смещением составляют по обычным правилам,

добавляя только источник модулирующего напряжения UΩ, который включают последовательно с источником постоянного напряжения ЕСмол,

задающего смещение в режиме молчания.

Работу модулируемого каскада удобно рассматривать с помощью статических модуляционных характеристик (СМХ), которые представляют собой зависимости величин, определяющих режим УМ, от напряжения смещения при условии, что остальные питающие напряжения на электродах АЭ и входное сопротивление ЦСн сохраняют постоянными, например, IК1, IКо, Р1, P0, ηэ и других от Ес при UBX, Ев, RH = const.

Составляющие коллекторного тока IК1, IК0 при вариации напряжения смещения пропорциональны коэффициентам разложения. Эти зависимости принципиально нелинейные (рис.9.2), и токи меняются только в

114

недонапряженном режиме (HP). Получить 100%-ную неискаженную модуляцию коллекторного тока смещением не удается. Однако для оценки энергетических соотношений при модуляции в HP можно приближенно заменить зависимости IК1(Ес) и IК0(Ес) прямыми, соединяющими точку запирания (IК1=IК0=0, ЕС min=E'– UВХ) и точки критического режима (КР), а в перенапряженном режиме (ПР)

считать токи постоянными (рис.9.2).

Рис.9.1. Схема усилителя мощности при модуляции смешением

ЕС МОЛ ЕС МАХ

в)

Рис.9.2. Статические модуляционные характеристики усилителя мощности при модуляции смещением to-ков (а), КПД (б) и мощностей (в)

115

С помощью идеализированных СМХ токов (рис.9.2а) построены СМХ мощностей и электронного КПД (рис.9.2б,в). Мощность, потребляемая от источника питания в.цепи коллектора

P0 IK 0 (EC ) EП .

(9.10)

при ЕП=const меняется подобно току IКо(Eс). Зависимость полезной мощности, развиваемой в коллекторной цепи, от Ес

P 0,5 I

2

(E

) R

К1

1

C

Н

.

(9.11)

имеет вид параболы. Мощность

Р

рас

P (E ) P (E )

, рассеиваемая АЭ,

 

0 C 1 C

меняется тоже по параболе, но с вершиной при таком Ес, для которого ηЭ = 0,5.

Электронный КПД коллекторной цепи ηЭ=0,5, причем g1(θ) и ξ, зависят от ЕС. Однако для идеализированных СМХ на рис.9.2а коэффициент формы

СМХ

 

 

коэффициента

использования

коллекторного

 

напряжения

С

)

U

 

E

I

К1

 

R

E подобна СМХ тока IК1(Eс), поэтому при

l

( ) const

(Е

 

Н

 

 

Н

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П

 

 

 

П

 

 

 

 

 

СМХ ηЭ(Eс) пропорциональна ξ(E0) и IК1(Eс).

 

 

 

 

 

Для

 

полного

использования АЭ

по мощности

рекомендуется

максимальный режим выбирать критическим, а режим молчания – на середине

линейного участка СМХ IК1с). Поскольку реальные СМХ нелинейные

(рис.9.2а), коэффициент модуляции при малых нелинейных искажениях получается не более т=0,6.. 0,7. Для уменьшения искажений угол отсечки коллекторного тока в максимальном режиме выбирают имаx=110... 120°.

Из рис. 9.2 видно, что IКо,

Р0, ξ и ηЭ в режимах максимальном и

молчания описываются теми же соотношениями, что и ток IК1:

 

IК0 max IК0 мол (1 m);

Р0 max

Р0 мол (1 m);

(9.12)

max мол (1 m);

Э max

Э мол (1 m).

 

Практически наибольшая мощность рассеивается АЭ в режиме молчания, и необходимо проверять, чтобы выполнялось условие Ррас мол

РКмах.

116

Для работы модулируемого каскада с минимальными

искажениями

 

в

номинальная полезная мощность АЭ должна быть не меньше мощности Р1акс

максимальном режиме:

 

P1ном ≥ Р1мах = Рмол∙( 1 + m)2.

(9.13)

Расчет каскада начинают с максимального режима, выбрав его по

напряженности критическим при угле отсечки имах=110 ...120.

Мощность РΩ, потребляемая от модулятора, определяется напряжением

UΩ и 1-й гармоникой звуковой составляющей входного тока IΩ:

 

РΩ=0,5·IΩ UΩ.

(9.14)

Значение IΩ

находят

с помощью СМХ постоянной составляющей

входного тока

Iвхо(E0).

Она нелинейна, но с некоторым запасом

приближенно ее можно определить выражением:

I

 

I

вх0 мах

I

вх0 мол

(9.13)

 

 

 

Мощность Рξ модулятора невелика и составляет несколько процентов от

P1мол.

В этом достоинство модуляции смещением, поэтому обычно ее осуществляют в одном из промежуточных каскадов передатчика на малом уровне мощности.

Передатчики с модуляцией смещением имеют низкий КПД, что препятствует их применению в радиовещании и системах профессиональной связи. Такой способ модуляции используется, например, в телевидении, где видеосигнал имеет широкую полосу (до 6 МГц). Поскольку широкополосный модулятор легче выполнить маломощным, приходится мириться с низким КПД передатчика.

9.3. Усиление модулированных колебаний В многокаскадном передатчике все каскады после модулируемого

работают в режиме усиления модулированных колебаний. При этом на вход АЭ подается модулированное напряжение возбуждения:

117

u

U

вх мол

(1 m

cos t) cos t

вх

 

вх

 

,

(9.13)

где mвx – коэффициент модуляции напряжения возбуждения. В общем случае он может отличаться от коэффициента модуляции коллекторного тока.

Режим усиления модулированных колебаний – это один из способов модуляции выходного тока АЭ, при котором фактором модуляции является амплитуда напряжения возбуждения UВХ. Работу АЭ в этом режиме рассмотрим с помощью СМХ, т. е. зависимостей величин, определяющих

режим УМ, от напряжения возбуждения при постоянных питающих напряжениях и сопротивлении нагрузки.

Форма СМХ тока IК1(UBX) в HP определяется выбором смещения. Если

Ес= Е', угол отсечки коллекторного тока θ = 900 и не зависит от Uвх, то

IК1=0,5S·Uвх~Uвх и СМХ представляет прямую, проходящую через начало координат. В этом случае возможно усиление модулированных колебаний о наименьшими искажениями (рис.9.3а). Если Ес<Е’, θ<90° и меняется от Uвх. Для малых напряжений UBX < Uвх min = Е' — Ес ток IК1 = 0. С ростом UBX в HP увеличиваются и, высота импульса Iкм и ток IК. Зависимость IК1(UBX)

нелинейная, но с достаточно протяженным линейным участком. Этот режим можно применять для углубления модуляции, так как вариации тока IК1 от нуля до максимума получаются при изменении UВХ от UВХmin до UBXмаx. Коэффициент модуляции т коллекторного тока больше коэффициента модуляции mBX напряжения возбуждения (рис.9.3б). В каскаде, следующем непосредственно за модулируемым, можно рекомендовать режим с Ес < Е',

чтобы осуществить углубление модуляции, а во всех последующих каскадах выбирать Ес= Е'.

Энергетические соотношения в режиме усиления модулированных колебаний получаются такими же, как при модуляции смещением, поскольку АЭ работает в HP. Для лучшего использования АЭ и повышения его КПД рекомендуется максимальный режим выбирать критическим, а режим

118