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

ми»). Такой подход не является единственно возможным с. точки зрения правильности обращения с малыми вели­ чинами. Можно, например, считать величину Л' малой (убывающей пропорционально затуханию контура), а характеристику лампы — неизменной (возможны, ко­ нечно, и другие варианты). Однако в последнем случае, когда Sa и соответственно напряжение на сетке остаются неизменными (имеют нулевой порядок малости), умень­ шению К соответствует увеличение переменной состав­ ляющей анодного напряжения, что при достаточно малых Л' приводит к рассмотрению сильно перенапряженных и неестественных для автогенераторов режимов.

В заключение отметим, что в предыдущих рассужде­ ниях мы исходили из требования, чтобы высшие гармо­ ники напряжений на анодных и сеточных зажимах были по отношению к основной гармонике величинами поряд­ ка d, ибо построенная выше теория базируется на этом предположении. Однако следует иметь в виду, что на практике возможны случаи, когда это допущение не вы­ полняется. Крутизна характеристики тока сетки лампы

(или соответственно тока базы транзистора)

может ока­

заться в установившемся режиме величиной

не малой и

5 g | Z K | также не будет мало (особенно для

транзистор­

ных генераторов). В этом случае сказанное выше, строго говоря, теряет силу (в частности, вывод о том, что ча­ стота автогенератора не зависит от токов сетки), и здесь требуется более высокая точность при выводе формул.

§2.5.

3

Н Е А В Т О Н О М Н Ы Е С И С Т Е М Ы В С О С Т О Я Н И И У С Т А Н О В И В Ш И Х С Я К О Л Е Б А Н И Й

3.1. Общие соотношения в случае одночастотных колебаний

Как и раньше, мы будем рассматривать схему, изо­

браженную

на рис. 2.1, с той лишь

разницей, что теперь

система не будет считаться автономной.

 

Пусть

внутри

прямоугольника

кроме

постоянных

э. д. с. действует и

переменная э. д.

с. e =

Emcos((x)t+q>),

которой соответствует комплексная

амплитуда

Е —. Ете14

Подобно предыдущему для упрощения рассуждений будем считать, что токи сетки пренебрежимо малы, и не будем в дальнейшем принимать их в расчет.

Как известно, автоколебательные системы, подобные рассматриваемой, могут находиться в различных режи­ мах. Вначале рассмотрим наиболее простой из них — ре­ жим одночастотных колебаний, когда напряжения на аноде и на сетке лампы по форме близки к синусоидаль­ ным и имеют период, равный периоду приложенной

э.д. с. е.

При составлении уравнений, описывающих поведение

системы в рассматриваемом режиме, воспользуемся принципом суперпозиции. Тогда напряжения на зажимах ab и ас можно рассматривать как вызванные двумя источниками: э. д. с. е, находящейся внутри прямоуголь­ ника, и генератором тока i&. Обозначая комплексную ам­ плитуду га через /, можем написать (остальные обозна­ чения сохраняются теми же, что и во второй главе) 1

-Ug

= Uae = izabK-lgE.

)

( 1 )

1 Там, где это не

может

вызвать недоразумений, мы будем

вме­

сто Ugi и t / a J , писать

Ue и

£7а .

 

 

§ 3 . 1 .

 

 

 

71

З д е сь коэффициенты

Яа и

Xg

зависят

лишь

от схемы

„прямоугольника" и

представляют

собой соответственно

отношения напряжений £/а

и О

к

Е

при

разомкнутой

анодной цепи. Из уравнений (1) можно получить

иаЬКас

= (Хе-КХа)Ё.

 

(2)

С другой стороны, можно считать, что «прямоугольник» находится под воздействием двух э. д. с : Е, заключенной внутри прямоугольника, и liab, приложенной к зажимам ab (см. рис. 2.18). Тогда можем написать

Uac = KUab

+ EX0,

(3)

где Х0 — отношение напряжения

Uac к Ё при

замкнутых

накоротко зажимах ab. Из (2) и (3) непосредственно вы­ текает, что

 

 

/О*—Л« = Ьо.

(4)

Рассмотрим теперь

случай, когда круговая частота

(о близка к резонансной частоте1 «прямоугольника»,

бла­

годаря чему Я а и Xg

— величины большие (порядка

доб­

ротности контура),

а

Ко невелико2 . Ограничиваясь

рас­

смотрением систем, для которых это имеет место, получа­

ем с точностью до величин

порядка

затухания

 

kg

= KXa.

 

(5)

Теперь соотношения

(1) запишутся

так:

 

Ое

= К(ХлЁ-

iZab);)

( 6 )

£ ) а

= я а £ — JZab.

)

 

Таким образом,

и здесь,

несмотря на

присутствие

внешней э. д. с, по-прежнему

получаем

 

 

Ое = КОл,

 

(7)

1 Мы будем часто употреблять термин «частота» вместо более длинного — «круговая частота», в тех случаях, когда это не может вызвать недоразумений.

2 Это обстоятельство по большей части имеет место, но легко указать случаи, когда Xg и Х А и при резонансе не будут велики. Однако и в этом последнем случае .приводимые ниже рассуждения можно оставить в силе по мотивам, которые приводятся в § 3.3.

а следовательно, вее высказанные в предыдущей глайе1 соображения по поводу средней крутизны и здесь оста­ ются в силе, и мы можем написать

/ g = Sa f/g .

Теперь второе уравнение системы (1) дает

Us(l+SJ(Zab)-^XgE,

и, следовательно,

Эта формула

позволяет исследовать одночастотный (как

иногда

говорят — моногармонический) режим

работы

автоколебательной системы.

 

В дополнение к сказанному полезно отметить, что

формула

(8)

выведена в предположении, что

Xo<C^g и

^о-СЯа, однако, как уже отмечалось, ее возможности ши­ ре этого случая. Действительно, если степень регенера­

ции высока, т. е. знаменатель

(8)

мал,

то

Ug^>Em.

Таким образом, в

выражениях

(1)

члены

ХйЕ и X Е

значите льно меньше

слагаемых

JZab

и 1КЪаЬ.

Следова- '

тельно, справедливо (приближенно) соотношение (7) и,

как следствие, будет иметь силу (8).

Рассмотрим сначала случай, когда колебания не вы­ ходят за пределы прямолинейного участка характеристи­ ки лампы. Тогда Sa = S0 будет постоянной величиной (не зависит OT't/g), а, следовательно, формула (8) дает окон­ чательное решение задачи. Поскольку здесь частота ко­

лебаний

и

параметры схемы

известны, величины К,

V

и Zab могут

быть непосредственно вычислены, а следова­

тельно,

может быть найдена

комплексная амплитуда

Ug

(т. е. и амплитуда, и начальная фаза колебания на сет­

ке), после чего можно

определить токи и

напряжения

в любом участке схемы. В частности, первая

гармоника

анодного тока определится

так:

 

а

g ~

l+KS . Z e b

 

§3.1.

73

Обратимся теперь к случаю, когда Sa зависит от Ug; тогда из (8) следует:

е I _

 

ls

.

(9)

l

+

K Z o b S a ( |

tf„|)

 

Если теперь построить на графике левую и правую

части (9) как функции

от

\Ug\,

то точка

пересечения

этих линий дает искомое значение ,Ug (рис. 3.1). Графики

соответствуют вещественным Za&, /С<0.

Во многих случаях амплитуда возникающих колеба­ ний оказывается небольшой, и можно считать, что лампа находится в таком режиме, что анодный ток подчиняется хорошо известному уравнению i a = / ( u 3 ) , где u3 = ug+Dua

а)

&

Рис. 3.1.

и D — проницаемость лампы. В этом случае нет необхо­ димости вводить предположение о малости Яо и о выпол­ нении условия (7). Определив среднюю крутизну как от­ ношение 5C p = //i78 , из (1) непосредственно найдем

Ua в + DXa) - ScpZab (К + D) 1

л, следовательно,

8

^+Scp(K + D)Zab

К этой формуле можно отнести все то, что было ска­ зано относительно (9).

74

§ 3 . 1 .

3.1.1.Регенеративная схема

Вкачестве примера рассмотрим схему, изображенную на рис. 3.2, отличающуюся от схемы генератора с конту­

ром в цепи сетки (рассмотрен­ ной во второй главе) лишь на­ личием переменной э. д. с. е.

 

 

 

 

 

Ц\X*.

 

 

 

 

 

 

 

/

I

 

 

 

Рис.

3.2.

 

 

 

 

Рис. 3.3.

 

Будем считать, что частота колебаний близка к

резо­

нансной, т. е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

&<£>

СО — С00

 

.

 

 

 

 

 

 

со

^

 

 

 

 

где о)о=

\/VLC.

 

 

 

 

 

 

 

Величины

Zab

и К для рассматриваемой

схемы

были

уже найдены

во

второй

главе и соответственно равны

 

Z a 6

= /o)L0 -(-•

 

 

 

 

 

 

 

 

с о Ш 2 С +

coZ.0 (1 — utLC

+

ja>Cr)

 

 

 

 

 

1 — co 2 LC +

ja>Cr

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

 

• ц?МгС

+L0(\—

co 2 LC +

jtoCr)'

 

 

Коэффициенты 3g и Яа вычисляются

так:

 

 

 

 

 

l

l

 

 

l

 

 

 

/

 

 

/соС ~ ~

1 — со г 1С + / с о О

'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Яя — •

 

 

/coAf

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 — ш 2

1 С +

/соСг •

 

 

 

 

 

 

 

3 . 1 . 1 .

75

Как легко видеть,

здесь при резонансе со = соо выполняет­

ся условие (5) § 3.1.

Обращаясь к

формуле (8) § 3.1, получаем

О =

 

В

 

1 + 5

 

!

 

 

е

2

LC + ja>Cr

а 1

—w*LC+j(uCr

 

 

1 — (o

 

 

 

jwM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 )

 

 

/<оС (^r +

Sa

 

+

(1 — со2Z.C)

 

Кстати сказать, что из этой формулы видно, что вве­

дение

обратной связи

(при

 

М < 0 )

эквивалентно

умень­

шению

сопротивления

контура

на

величину,

равную

Sa=\M\/C.

Таким образом,

мы

встречаемся с

хорошо

известным явлением регенерации (восстановление поте­ рянной в контуре энергии), которое можно трактовать

как

внесение

(благодаря введению обратной

связи)

в контур отрицательного

сопротивления.

Если

рассмо­

треть

случай

небольших

амплитуд, когда

Sa постоянно,

и построить

резонансные

кривые системы

(рис. 3.3): а—

при отсутствии

обратной

связи

и б — при

наличии тако­

вой, то вторая

кривая окажется

«острее». Если амплиту­

да колебаний в рассматриваемой системе велика, то для определения Ug необходимо обратиться к упомянутым

выше

графическим

построением.

 

 

 

 

 

Воспользовавшись (1),

напишем

 

 

 

1 ^ 1

2

 

(02 С2 ( Г,

-- -

М % Ш 1 ) ' + ( 1 - ^

- ]

=

1. (2)

Е2

 

 

Считая

расстройку

А(о = со—соо

малой величиной,

поло­

жим

1—co2LC = 2Aco/a>o. Тогда из

соотношения

(2)

полу­

чаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

Д (

°

г

\ _ -

1

Ет \г

2

 

 

 

.

(3)

 

 

 

 

 

 

^{Cr-SR\M\Y

 

 

 

V «.

 

)

4

 

 

 

 

 

 

 

Задаваясь величиной Vg,

можно найти

соответствую­

щее ей значение 5 а

и посредством

(3) определить

Aco/W

Таким

 

образом

можно построить

график

зависимости

Асо/соо

от

Ug

 

или

обратную

функцию f-/g = /(Aioa/o)o). Ме­

няя,

кроме

 

того,

величину

Ет,

получим серию кривых,

цающих зависимость амплитуды установившихся колеба­

ний от относительной расстройки и от амплитуды

воз-

76

3.1.1.

буждающей э. д. с. Ет. Для того чтобы представить себе вид кривых J7g=/(A(o/u)o), рассмотрим следующие случаи,

предполагая всегда, что характеристика лампы мягкая.

1. Условие

самовозбуждения

не выполняется,

т. е.

Sa(0)\M\<Cr.

Пусть Ug растет, начиная с очень

малых

значений. Первый член, стоящий

в квадратной

скобке

(3), будет при этом монотонно убывать, а второй член,

стоящий в круглой скобке, будет

расти, так как Sa

мо­

нотонно

убывает. Таким

образом,

при

Ug—Я)

правая

часть

(3)

обращается в +оо и по

мере

возрастания

Ug

непрерывно и монотонно

убывает

(оставаясь

всегда

по­

ложительной)

и при

некотором Ug

обращается

в нуль.

Из этого

следует,

что

обратная

 

функция, т. е. Ug =

= f (Дсо/соо), является

однозначной,

имеющей

наибольшее

значение

при Асо = 0 и стремящейся

к нулю

при

неогра­

ниченном

увеличении | Асо |.

 

 

 

 

 

 

2.

Условие

самовозбуждения

 

выполняется,

т.

е.

5а (0) \М| >Сг.

При

очень малых

Ug

первый

член в

(3)

велик

и

все выражение,

стоящее

в

квадратной

скобке,

положительно. При увеличении Ug первый член, как и прежде, убывает, но член, стоящий в круглой скобке, сначала также убывает (в противоположность тому, что

имело место

в первом случае). При достаточно

малых

Ug

величина

\Em/Ug\z

убывает быстрее второго

члена,

и,

следовательно, сначала Асо/<»о

уменьшается;

однако

далее, в зависимости

от величины

Ет и других величин,

входящих в (3), монотонное убывание Асо/соо может либо продолжаться, либо на некотором участке ход кривой изменится на обратный (вследствие того, что модуль выражения, стоящего в круглой скобке, достаточно бы­ стро убывает).

При дальнейшем увеличении Ug величина Сг—|Ла|5а станет положительной и монотонно растущей, и мы вновь

получим монотонное убывание Асо/соо при росте Ug.

Из

сказанного

видно, что при Sa(0) \ М\>Сг

возможна

не­

однозначная

зависимость Ug = f (Асо/а>0)

(вследствие

не­

монотонности обратной функции), причем эта неодно­

значность может проявляться

при относительно

малых

Ет и должна исчезать, если Ет

станет достаточно

боль­

шим.

 

 

Этим соображениям можно придать более наглядную графическую интерпретацию, если построить зависимость £/g = /(A«/coo) при различных Ет. Соответствующие кри­ вые имеют вид, изображенный на рис. 3.4.

3.1.1.

77

Из этого рисунка видно, что при Етт\ соответст­ вующая кривая представляет собой однозначную функ­ цию (7ff(A(rt/(Oo). Это же обстоятельство имеет место и при других Em>Emi (эти кривые носят тот же характер, что и резонансные кривые обычного контура). Однако при уменьшении Ет вид кривых меняется и появляются такие значения Асо/соо, которым соответствует не одно, а три

значения Ug (например,

на кривой

Етт2

точки а,

Ь,

с). На рисунке имеется

кривая Ет3

(которую

можно

на­

звать сепаратрисой), обладающая двойной точкой. Если Еттз, то вид кривых снова меняется, и они превра-

 

Рис. 3.4.

щаются в две

изолированные ветви, расположенные

в различных

частях плоскости, отделенные друг от

друга сепаратрисой. Здесь также одному значению Аш могут соответствовать три значения Ug.

По поводу полученных результатов необходимо сде­ лать некоторые замечания.

Независимо от того, удовлетворяются условия само­ возбуждения или не удовлетворяются, уравнение (2) всегда имеет по крайней мере одно решение, а может быть, даже два или три. Из этого еще нельзя делать вывод о том, что в рассматриваемом случае всегда возмо­ жен одночастотный режим. Для того чтобы он был воз­ можен, необходимо еще соблюдение условий устойчиво­ сти соответствующих решений. Впоследствии, при изуче-

78

3.1.1.

нйи устойчивости решении, мы вновь вернемся к реге­ неративной схеме. Однако, заглядывая несколько вперед, отметим, что если условие самовозбуждения не выполня­ ется, то одночастотный режим оказывается устойчивым. При больших связях, когда выполняются условия само­ возбуждения (т. е. схема способна к самовозбуждению при отсутствии внешнего воздействия, при £ т = 0 ) , одночастотный режим может оказаться либо устойчивым, ли­ бо неустойчивым. Если данному значению Асо/щ соответ­ ствует не одно, а несколько значений Ug, то, очевидно, могут реализоваться только те решения, для которых условия устойчивости выполняются.

Если условия устойчивости не выполняются ни для одного из решений, то, очевидно, одночастотный режим колебаний невозможен и возникает двухчастотный или, быть может, более сложный, многочастотный режим (в общем случае — почти периодический).

При двухчастотном режиме и малой разности частот наблюдаются 'биения. В связи с этим уместно упомянуть о хорошо известном явлении захватывания, которое ча­ сто наблюдается в регенеративной схеме.

При достаточно малой расстройке одночастотные ре­ жимы оказываются устойчивыми и в том случае, когда выполняются условия самовозбуждения. Поэтому, если менять расстройку, начиная от нуля, то вначале можно наблюдать одночастотный режим и биения отсутствуют. Однако, начиная с некоторой расстройки, одночастотный режим становится неустойчи­ вым и в некоторой узкой по­ лосе частот возникает много­ частотный режим, который при дальнейшем увеличении расстройки переходит в двух­ частотный; здесь уже возни­ кают биения, частота которых пропорциональна Аса.

Эти

явления

хорошо

иллю­

 

стрируются

графиком

(рис.

Р и с 35

3.5),

где

по

оси

абсцисс

 

отложено

Лю/соо, а по оси

 

ординат частота биений Q. Тот интервал значений Аш, в котором биения отсутствуют, называется полосой за­ хватывания (на рисунке | Дсо| ^Axoi). В небольшой обла­ сти, где биения уже наблюдаются, но частота их быстро

3.1.1.

79

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ