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