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

книги из ГПНТБ / Конторович М.И. Нелинейные колебания в радиотехнике. (Автоколебательные системы)

.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
9.98 Mб
Скачать

Д ля

многих исследований удобно

характеристику

fi(ugi)

представлять в виде полиномов той или иной сте­

пени (по возможности невысокой). В качестве примера

рассмотрим случай, когда оказывается возможным ап­

проксимировать

ток лампы полиномом

третьей

степени;

в соответствии с этим

положим

 

 

f. (u]i)

==flo +

a i " g i + a 2 « g , ' +

a*u[v

(4)

В связи с тем, что при малых % i как сама аппрок­ симируемая функция, так и ее производная положитель­ ны, а 0 и а\ должны быть величинами положительными. Коэффициент а3 должен быть отрицательным, если хо­

тим отразить верхний и нижний «загибы» характери­ стики.

Коэффициент аг может оказаться как положитель­ ным, так и отрицательным, в зависимости от вида ап­ проксимируемой характеристики.

Полагая теперь u g i = 0gi cos at, можем написать

( ^ Г ^ ^ О + с о з г ш О ;

и3

gl)s = -J£ (cos Ы + 3 COS mt).

Подставляя эти выражения в (4) и выделяя первую гармонику, получаем

и, следовательно,

 

5"=iiz=а>+4

аК=*« - 4- к Iulv (5>

50

2 . 2 . 1 .

 

Как видно из (5), средняя

крутизна Sa не зависит

от

йг

и монотонно убывает при увеличении

Ugi (рис. 2.5

,0),

и,

следовательно, посредством

полинома

третьей степени

можно аппроксимировать лишь мягкую характеристику. Функция (5) может при больших ugi приобретать и отрицательные значения; однако следует иметь в виду,

что полином третьей степени отражает

действительную

характеристику лишь на ограниченном

участке, как это,

например, иллюстрируется рис. 2.5,6

(участок / — / ) .

Этому участку соответствуют лишь положительные зна­

чения Sa- Иногда

для аппроксимации

характеристики

лампы пользуются

полиномом более

высокой степени,

чем третья. Например, при полиноме пятой степени мо­ жем написать

f.("g,) = ao + « . " g i + « 2 " g , +

a 3"gi + « 4 " g i

+ a 5

M g i -

Учитывая, что (Ugl cosi)5 =

-^-

(10 cos x -(- 5 cos3x-f-

+ C O S 5 T ) , а также то, что четные

степени

C O S T

не дают

никаких слагаемых в выражении первой гармоники, для средней крутизны получаем следующее выражение:

5a = a 1 + 4 ^ g , + 4 - ^ g r

<6>

Этими примерами не исчерпываются

возможные спо­

собы аппроксимации характеристк ламп. Следует упомя­

нуть, что в практических расчетах

часто пользуются в ка­

честве

аппроксимирующей функции

ломаной линией

(рис.

2.6).

Аналитически

эта

» .

 

характеристика

может

быть

 

 

записана

так: i a

равно

 

 

 

 

 

 

О

 

п р и ~ и е 1 < + ы0,

 

 

 

S o ( " g l

~ " о )

П Р И

M

g ; > + "o .

 

 

 

где

So — крутизна

«наклонно­

 

 

го»

участка

характеристики.

 

 

Не

приводя

подробных вычис­

 

 

лений, укажем, что здесь в ка­

 

 

 

честве

параметра

 

вводится так

 

 

называемый

угол

 

отсечки

W,

определяемый соотноше­

нием

 

 

cos W=u0/UgU

0 < Ч г < я .

 

Тогда

 

 

средняя

 

крутизна может быть написана так:

 

 

 

 

с .

 

2Ф — sin2>P

с

/г, ^

ч

§2.2.1.

4*

51

2.3. Основное уравнение автогенераторов резонансного типа

Обратимся теперь к общей схеме автогенератора, изо­ браженной на рис. 2.1, и будем вначале считать ток сет­ ки равным нулю. Далее предположим, что в системе имеет место одночастотный режим, когда на электродах лампы или транзисторе помимо постоянных составляю­ щих напряжения содержат только одну гармонику. Вели­ чина К предполагается вещественной.

Это допущение основано на следующих простых и хорошо известных соображениях. Частота колебаний, ко­ торые генерируются системой резонансного типа, обычно близка к собственной (резонансной) частоте линейной системы, подключенной к электронному прибору, причем возникает «резонанс токов», при котором входное сопро­ тивление на зажимах ab имеет резко выраженный мак­ симум (предполагается, что резонансная система облада­ ет высокой добротностью).

Если при этом

еще допустить, что анодный ток хотя

и несинусоидален,

но имеет не очень искаженную форму

(высшие гармоники имеют одинаковый порядок с основ­ ной или меньше последней), то легко прийти к выводу, что высшие гармоники напряжения на контуре по отно­ шению к основной будут величинами малыми (порядка затухания системы). Если колебательная система много­

частотная (имеет несколько

резонансных частот),

то не­

обходимо, чтобы ни одна из гармоник тока не была

близ­

ка к

какой-либо резонансной частоте системы

(помимо,

конечно, основной).

 

 

 

 

 

 

Обращаясь теперь к рис. 2.1 можем для

комплексных

амплитуд первой гармоники

написать

 

 

 

 

^'аЪ =

)'э?-аЪ',

Uaa~KUab\

£/а

= — О'а Ъ \

О д

= —

О а с .

Здесь

Z o b комплексное сопротивление

между

зажимами

ab; иаЬ

и Оас

— соответственно

напряжение

между

за-ки-

мами

ab и ас, отсчитанные

от

точки а

к точкам

b и с

(согласно с выбранным направлением анодного тока / а ) ; К — коэффициент передачи от зажимов ab к зажимам ас.

Учитывая, что / a = Sa £/g , из этих равенств легко по­ лучаем

52

§2.3.

или

 

 

 

 

SaKZab

= 1.

(1)

Это и есть уравнение установившихся

колебаний; оно

позволяет сделать

несколько выводов:

 

а) вследствие

того что

величины Л'

и Sa (согласно

сказанному раньше) вещественны, из (1) вытекает, что колебания могут происходить лишь на частоте, для ко­

торой Zab = 'Rab вещественно

(резонансной частоте);

б) учитывая, что входное

сопротивление Zab=Rab по­

ложительно, приходим к выводу, что коэффициент пере­ дачи К должен быть отрицателен (на сетке и аноде на­ пряжения в противофазе);

в) так как рассматриваемая резонансная система об­ ладает высокой добротностью, величина Яаъ велика (по­ рядка добротности). Отсюда следует, что в режиме уста­

новившихся колебаний произведение Sa |/Cl мало

(поряд­

ка затухания).

 

Учитывая это обстоятельство в теории генераторов

резонансного типа обычно считают либо К, либо

5 а ма­

лыми величинами.

 

Для уточнения отметим, что здесь и далее термин «ма­ лая» величина понимается в том смысле, который ему придается в математике. Выбрав за основу некоторую положительную величину ц, по отношению к которой ве­ дется сравнение («параметр малости»), считаем, что эта величина может быть сколь угодно малой. Будем гово­ рить, что величина р имеет порядок малости ц, если

можно

найти такое положительное число М (не

завися­

щее от

что при любых

достаточно малых

ц имеет

место неравенство |(P|<vWxi.

Часто это записывается так:

Р= 0 ( ц ) .

Впредыдущих рассуждениях в качестве параметра малости выбиралась величина затухания контура, обрат­

ная его добротности *.

1 Часто

с

параметром

малости связывают неравенство ц<с1

и считают,

что

там, где

это условие не выполняется, методом

малого параметра пользоваться нельзя. При принятом здесь способе введения параметра малости выполнение этого неравенства в кон­ кретной задаче не обязательно и термин «порядок малости» в при­ нятом здесь понимании характеризует не арифметическое значение данной величины при фиксированном ц, а в большей степени ско­ рость ее изменения при р,—>-0 ((г при этом не обязательно безраз­

мерная

величина). Более подробно см. приложение 2.

§2 . 3 .

53

Таким образом, утверждение « S a | / ( | мало» означает лишь то, что, выбирая последовательность контуров с уве­ личивающимися добротностями Q, мы должны будем по­ лучать соответственно уменьшающиеся значения S a |/(| .

Это

можно записать так: Sa\K\=0(d),

где d — затуха­

ние

контура.

 

 

По поводу уравнения (1) следует

сделать еще одно

замечание. Это уравнение было бы точным соотношени­ ем, если бы под 5 а подразумевалось точное значение от­

ношения Iai/Ugi.

Однако под S& понимаем величину, найденную без учета высших гармоник в напряжениях wg i и «a i- Учиты­ вая, что эти гармоники имеют порядок d по отношению к основной, приходим к выводу, что погрешность при вы­ числении Sa будет иметь порядок d. Отсюда вытекает, что уравнение (1) более точно можно было бы написать так: Sa\K\Z+\ = 0{d).

Таким образом, в уравнении (1) уже отброшены вели­ чины, порядок малости которых равен d, что необходимо учитывать при вычислениях.

В частности, это уравнение нельзя применять там, где необходимая точность вычислений не позволяет прене­ брегать величинами порядка d.

Комплексное уравнение (1) эквивалентно двум ве­ щественным уравнениям и позволяет найти частоту и амплитуду установившихся колебаний.

Ниже рассматриваются примеры, иллюстрирующие применение этого уравнения.

2.4. Рассмотрение некоторых схем. Примеры

Генератор с трансформаторной обратной связью. Рас­ смотрим схему, изображенную на рис. 2.7. Считая, что током сетки можно пренебречь, напишем

" 1 1 — coaLC + jcaCr '

K=foMI(}inL + r).

Учитывая малость г по отношению к ©L, можем К считать вещественным, и воспользовавшись уравнением

(I) § 2.3, получим

/со/И

~

.

I — vtLC.+'jtaCr

а ~~

1

54

 

§2.4

или

J0iMSa = со2 ! С— 1 —/со О .

Приравнивая порознь вещественную и мнимую части уравнения, стоящие справа и слева, напишем ы = 1/ J^LC; Sa = —Сг/ЛГ.

Первое

соотношение

определяет

частоту

колебаний;

из второго

следует (так

как 5 а > 0 ) ,

что М<0.

Таким

об­

разом,

Sa=Crj\M\.

 

 

 

 

Полученное значение Sa позволяет найти амплитуду

установившихся колебаний. Так, например,

если Sa

за­

Рис.

2.7.

Рис. 2.8.

дано графически

как функции от Ugi,

можно найти ам­

плитуду колебаний, как это показано на рис. 2.8, где

искомая

амплитуда

определяется точкой пересечения

кривой

Sa(Ugi)

и прямой

Sa

=

Cr/\M\.

 

Если

зависимость

5 а

от

Ugi

задана в

аналитической

форме, то можно получить установившееся

значение в ви­

де аналитического выражения. Так, например, в случае кубической характеристики, в соответствии с выражени­ ем (5) п.2.2.1 находим

Генератор с емкостной обратной связью. Обратимся теперь к схеме, изображенной на рис. 2.9. Здесь емкость и индуктивность, подключенные непосредственно к сетке, очень велики и играют лишь роль устройств, защищаю­ щих сетку от анодного напряжения. По отношению к то­ кам первой гармоники их влиянием можно пренебречь.

Индуктивность L 0 также очень велика, ее реактивное сопротивление по отношению к переменным составляю­

щим тока можно считать бесконечным.

§2.4.

55

Рис. 2.9.

Теперь можем написать

 

_

 

1 — (o2 LC, - f j<aCxr

1

 

 

1 — co'IC, + 7Л- +

/соСУ

 

к =

1

 

1

 

1

7 / « С ,

'

1

'1 — <o! LC, + / а > С , г '

/<od

и уравнение (1) § 2.3 приобретает вид

1

С,

/соС2 (1 — сог ЛС,) +

+ /й>С,г

ИЛИ

l - ^ C . + ^ + Z.oC.r.

СйСг

Отсюда вытекает, что

"=V-%М*~;

s - = m * c A ' - = ( c I + c 1 ) - x -

По полученному значению S a можно найти амплитуду установившихся колебаний так, как это было сказано в предыдущем примере.

66

§2.4.

Генератор с контуром в цепи сетки. Рассмотрим те­ перь схему, изображенную на рис. 2.10. Можем написать

Zab = j(i>Lo + 2 В

где

7

вн

co2Af2

 

 

Напряжение на зажимах ab, создаваемое током /„,, протекающим в анодной цепи, ОаЬ = /Я1гаЪ, а напряже­ ние, создаваемое тем же током на зажимах ас,

 

 

/со/И

 

1

т

 

jaM

 

 

 

1

 

/соС

 

1 — to2 £C + /соСг

 

 

 

соС

 

 

 

 

 

После

преобразований найдем

 

 

 

 

/С:

 

 

 

 

ja>M

 

 

 

UаЪ

ju>3CM2

+

ju>L„ (1 — со2 £С +

/соО) '

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Второй

член выражения,

стоящего в

знаменателе,

вблизи

от

резонанса и при

малых г

мал по сравнению

 

 

 

ь ,

 

 

 

 

,

Рис. 2.10.

с первым. Это дает основание считать в первом прибли­ жении К величиной вещественной и, воспользовавшись формулой (I) § 2.2, получить

а 1 — co2Z.C +

jaCr

$2.4.

57

или

 

 

 

SajwM

= a2LC—1

—/соО.

 

Отсюда следует, что co=l/V"LC; Sa = —Cr/М.

Считая

М<0, получаем оа

Сг/\М\.

 

 

Откуда можно, как указывалось выше, определить

амплитуду установившихся колебаний.

 

Генератор с двумя контурами

(система с двумя

степе­

нями свободы).

Рассмотрим теперь схему, изображенную

&

i

_1

Рис. 2.11.

на рис. 2.11. Подобно предыдущему составим сначала выражение для величин Za& и К.

Учитывая вносимое сопротивление (из второго конту­ ра в первый) и обозначая его через ^ в ш можем написать

д. _ _

je>M

ВН

где

Z B I I =

Rsa

- j -

jxBH;

 

 

_

*M*

 

 

_ - о > Ш 0 2 _

^ в н

r22 +.

x 22

2'

Л в а

r 2

*2

58

§2 . 4 .

Будем рассматривать случай, когда колебания проис­ ходят на частоте, не близкой ни к одной из собственных частот отдельных контуров (парциальных частот), и, следовательно, величины х\ и х2 можно не считать малы­

ми. Тогда, как легко видеть, при малых г4 и r2 RBli также будет мало и, следовательно, величину К можно в пер­

вом приближении считать вещественной.

Теперь основное уравнение генератора напишется так:

-

 

 

 

 

 

ijoM

 

 

_ .

 

^ 1 - « « ^ С + л о С ,

(г, + Я в н ) -

х в н » С ,

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SajmM

=

Ш%С,

 

-

1 +

шС,Хва

-

 

(г, +

/?ви).

Отсюда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ш ^ С ,

-

 

1 +

 

с о С Л

н

= 0;

S a = - C l (

Г 1 +

^ н )

(1)

или, полагая

М = — | М |

( М < 0 ) ,

получаем

 

 

 

 

 

 

 

О

 

Cl (rl -J-

Run)

 

 

/0\

 

 

 

 

Л« —

 

Щ]

 

 

 

w

Первое уравнение (1) определяет возможную частоту

автоколебаний;

его

можно

преобразовать

так:

 

 

ш

LiLl

 

1

(во, —2

g— X, =

U;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г 2 +

•"•г

 

 

 

 

KL.C, -

1) {г\

+

^ ) -

СОС^УЖ2 =

0.

 

Так как

х2

не

является

малой

величиной,

а

Гг мало,

последней величиной можно пренебречь и, сократив все

выражение на х2, написать

(co2LiCi—\)х2—coCioAW2—0.

Введя

обозначения

w2 z=l/LJC1;

т22 = 1 / L 2 C 2 ; К\ =

=M2(j/L1L2, этому уравнению мо «но придать вид

или

 

с

2 / 2

2 / 2

где

5 =

ш2 / C D J ; •(] =

соуш, _

§2.4

 

 

59

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ