книги из ГПНТБ / Лапицкий Е.Г. Расчет диапазонных радиопередатчиков

На более низких гармониках проводимость

контура

д о л ж н а но

сить

индуктивный

характер . Если возбуждение кварца происхо­

дит на п-й гармонике, то

б л и ж а й ш а я

низшая

гармоника будет

иметь

порядок

п—2

(кварц

возбуждается

на

нечетных

гармони­

к а х ) ,

поэтому дл я

частоты

СО, = п — 2 со

п

д о л ж н о выполняться

неравенство

с о ' С . < — ! — .

co'Z.2

На

основании

этого

неравенства

п

условия

(3-47)

и

выбира­

ются величины

С 2

и L 2 .

Расчет цепей

питания кварцевого генератора зависит от ре­

ж и м а

его работы .

Если

генератор работает

с

большими

амплиту­

д а м и колебаний

(порядка

единиц

вольт),

то

расчет

проводится

совершенно аналогично расчету генератора с простым

колебатель­

ным

контуром

(§

3-1). Если

ж е для

уменьшения

старения

кварца

генератор работает с м а л ы м и амплитудами колебаний

(единицы-

десятки

милливольт

на

к в а р ц е ) , то транзистор

автогенератора ра­

ботает

в линейном режиме

и в схеме д о л ж н о

быть предусмотрено

дополнительное

устройство

дл я ограничения

амплитуды

колеба­

выпрямителя, с выхода

которого подается

н а п р я ж е н и е

смещения

на базу

(рис. 3-20). Следует заметить, что высокочастотное

на­

пряжение

на последующие элементы схемы, в которой

использу­

ется кварцевый генератор, берется с выхода

усилителя.

В этом случае

при

расчете

схемы кварцевого

генератора

при­

нимается

гр = 180°,

т. е.

а г = 1, и

рабочая точка на

характеристике

входных

характеристик

транзистора (например,

точка

А на

рис. 3-4,

а) и на

прямолинейном

участке (в недонапряженном ре­

жиме)

выходных

характеристик

(точка А на рис. 3-4, б).

Д л я

этой рабочей точки известны н а п р я ж е н и я Ек и

£ б

и токи / к

и /б-

После

выбора

рабочей

точки

производится

расчет элементов

определяется

величина

сопротивления Р 2

в

цепи

питания

коллек­

тора

(если в

цепи

коллектора

используется

дроссель

с

индуктив­

ностью

L 2 , то

в

последующих

расчетах цепей питания

полагается

Я а = 0 ) .

Д л я

расчета

цепи смещения

з а д а ю т с я

напряжением

на

кварце

Umq

или рассеиваемой в нем мощностью

(порядка единиц-десят­

ков

м и к р о в а т т ) .

В

последнем

случае по

известному

сопротивле­

нию к в а р ц а на рабочей частоте может быть рассчитано

н а п р я ж е ­

ние

на

кварце .

Н а п р я ж е н и е

на

выходе

выпрямителя

смещения

EB

= kBkrKUmq,

(3-48)

где

kB — коэффициент

передачи

выпрямителя,

зависящий от

схемы

выпрямителя

(kB=l,

если

используется схема

с одним дио-

дом, и

kB = 2,

если

применяется

схема

удвоения

н а п р я ж е н и я

с д в у м я

д и о д а м и ) ,

К — коэффициент усиления усилителя, kT=

= UmBx/Umq и

U m m — н а п р я ж е н и е на входе

усилителя

(коэффици­

ент kr зависит от схемы кварцевого

генератора) .

Постоянные н а п р я ж е н и я и токи в цепи питания

транзистора

связаны

соотношением:

(1+к)£-+1Е-=(1+%)Е-++'•[*•+*«+^г)

•

(3-49)

В процессе эксплуатации генератора за счет

изменения

напря ­

жений источников питания и коэффициента усиления

усилителя

будет

изменяться

и

н а п р я ж е н и е

на

кварце .

Согласно

условию

б а л а н с а

амплитуд

автогенератора, при этих изменениях

величина

а д о л ж н а

оставаться

постоянной

(в предположении, что элементы

схемы автогенератора не изменяются), поэтому

д о л ж н ы

быть пос­

тоянны

п величины

£б, /,;

и h\ при этом из (3-49) следует

( . +

^ ) д г „ + ^ д Е „ = о ,

а из (3-48)

AEB

= kBkTUmqAK

+

kBkrKAUmq.

Исключая из этих выражений АЕВ,

найдем

Л/С

(3-50)

U,nq

\

%э 1

kBkrUmq

К

т. е. для

повышения стабильности н а п р я ж е н и я

на кварце

необхо­

лителя и меньшую величину

сопротивления Ri. Д л я

исключения

шунтирующего действия сопротивления Ri на контур

автогенера­

тора д о л ж н о быть выполнено

условие

После

выбора

величины Ri,

з а д а в а я с ь

величиной

lAMml.—

U mq

= 0,1-^0,2

и з н а я

нестабильность

АЕК/ЕК и

АК/К, из (3-50) нахо­

чего

можно рассчитать

остальные элементы цепи питания.

С

достаточно малой

амплитудой колебаний на кварце рабо ­

цевых

генераторов на туннельных диодах является

отсутствие

цепи

обратной связи, что приводит к необходимости

принятия

тельных резонансных

частотах кварца

и элементов

цепей питания.

Д л я решения этой

задачи кварц подключается

к туннельному

диоду через мостовой или П - образный

четырехполюсник.

Д л я

кварцевого генератора

с

мостовым

четырехполюсником

(рис.

3-21) сопротивление нагрузки

дл я туннельного

диода

равно

• _ (ZL + *) (гС +

:

+ * l2zLZC

+ (ZL + Z c ) R \

(o-ol)

г э —

:

:

:

:

>

Z « 3 ( 2 R + Z L + Z c ) + 2 R ( Z L +

Zc)

где

zL

= jaL,

zc=lf(jaC).

Д л я

частот,

достаточно

удаленных

от

резонансных

частот

противления, | z ? 3 | > | z L

| ,

| г с | , R,

поэтому дл я таких частот

сопротивление нагрузки

приблизительно

равно

z 3 ^

& +

+

2R+zL

+

z c

zLzc

= LIC = R\

(3-52)

то z3mR,

т.е. в этом случае

нагрузка

диода

не имеет

резонанс­

ных

частот.

Кроме того, для попадания на падающий

участок

характерис ­

тики

диода

сопротивление в

цепи питания диода (в

данном слу­

чае

R) д о л ж н о удовлетворять условию

R<Rp,,

поэтому

на часто­

чива — паразитное возбуждение будет

отсутствовать.

П р и

выполнении условия (3-52)

формула

(3-51) несколько уп­

рощается:

z3 = R

Zqs +

R

гдэ

г ;

2 R

+ Z

L

+ ZC

Если

выбрать L и С из условия

резонанса

на частоте кварца:

coX =

l/(cosC) =

# .

(3-53)

то

D ,

Л 2

2<7Э

R3 = R + ^ -

(3-54)

Д л я

выполнения условия

б а л а н с а амплитуд сопротивление на­

грузки

д о л ж н о превышать

отрицательное

сопротивление диода

в рабочей точке /?д ; обычно

берут

К Э =

( 1 , 2 - И , 6 ) К Д .

(3-55)

R = -

Н о

сопротивление R д о л ж н о удовлетворять

условию

R<RK,

поэтому

последнее равенство выполняется

только

при

( 1 , 5 - 5 )

Я д .

этому

условию,

то

к в а р ц

может

быть

включен

в

схему через

трансформатор

(рис.

3-22).

При

использовании

т р а н с ф о р м а т о р а

с коэффициентом

трансформации

/ г > 1

(кварц

присоединяется

к обмотке с большим числом витков) во

все предыдущие

соотно­

шения вместо величины rq

д о л ж н а

вхо­

дить

величина

r g / n 2 .

Расчет амплитуды колебаний в к в а р ­

цевом генераторе на туннельном диоде Cjr\

=j=c,

4=сг

Пя„

производится по выбранной величине Rs,

'

1

^

к а к и в случае

обычного

автогенератора

(§ 3-1).

Расчетные соотношения для генера­

тора с П - образным

четырехполюсником

Рис. 3-23

(рис. 3-23) приведем

дл я

частного

слу­

чая, когда емкости

Ci

и

С2

одинаковы (с учетом

емкости

диода и

колебаний совпадает с частотой последовательного

резонанса

кварца . Резистор R0 включается дл я устранения паразитных коле­

баний в схеме

(либо без участия кварца, либо на

нежелательных

резонансных

частотах кварцевого р е з о н а т о р а ) .

Этот

резистор

сопротивление

д о л ж н о быть достаточно

велико по сравнению с со­

противлением

кварца

где

Ко = аг,,

(3-56)

а = 3-г-5.

(3-57)

• = S +

/ [(1 — Ьйх)

(&х -[-

— ЬМ

—g-x

(1 — Ьхх)\

{2>-ЪВ>)

(1 — 6 2 . v) a + ga *a

'

где

bi=aCx;

6, =

и С п ;

х—

со/.;

g — — - | - —

=

— .

(3-59)

/?0

г<?

R

При равенстве

емкостей

Ьх

= bo =

Ь;

(3-60)

• _g

+ i(l-bx)[2b-x(b*

+

g"~)}

(

3 6 1 )

( 1 - Ь л - ) Н - ^ 2

П а р а л л е л ь н ы й

резонанс

нагрузки

(при

котором только

и

воз­

можны колебания в генераторе с туннельным диодом)

имеет

место

при

условии

х = 1 / 6 ,

(3-62)

при

этом

нагрузка

диода

R3

= -^

= x*g=^±L^.

.

(3-63)

Д л я

частот, достаточно

сильно отличающихся

от

резонансных

диода будет Ra=x2/R0

и

условие

резонанса

остается прежним,

(3-62). Д л я

того чтобы

в

этом случае в

схеме

не в о з б у ж д а л и с ь

колебания, необходимо

иметь

( 3 - 6 4 >

Выясним

теперь

условия

отсутствия

самовозбуждения

схемы

на

частотах,

близких

к

нерабочим

резонансным

частотам

кварца .

Н а

этих частотах условие

(3-62) будет нарушено,

поэтому

частоты

возможных

колебаний

будут

отличаться

от

резонансных

частот

чая

можно

полагать

R~Ro.

Если

обозначить нерабочую

резонанс­

ную

частоту

кварца

через

а п

= 1ш,

то д л я рассматриваемых частот

bi^zanC1

= na>Ci = nb,

x^njb

и согласно

(3-58)

условие

резонанса

будет

иметь

вид

1 _ л

A W _ (

„ 2 _ i ) f c 2 ]

+ ^ ! z i i ) = = o

b 1

bR\

или

n ( я 2 -

1) b\-(2/ia-1)

bb2-I- n

b* +

) = 0.

4o

никнуть не

смогут.

Поэтому условие отсутствия паразитного воз­

буждения имеет вид

( 2 я 2 - 1 ) 2 < 4 л 2 ( n 2 - 1 ) ( 1 +

или

R o < 2 n \ n * - l \

{ 3

6 5 )

b

Если здесь заменить величину b согласно (3-62) и (3-63), го

неравенство

можно

переписать

в

виде

4

^

-

Q

^ +

l )

а3

т. е в этой схеме сопротивление кварцевого резонатора

должно

быть достаточно

мало.

Особенно

жестким

это

требование

будет

при

возбуждении

кварца

на гармониках

(когда

/ г < 1 ) . Если

необходимая

величина

сопротивления кварца не может быть реализована,

то к в а р ц

может

включаться

через

трансформатор

(повышающий

в

направлении

к к в а р ц у ) , как и в случае мостовой схемы.

Н а

основании

рассмотренных

соотношений

может

быть

реко­

мендован следующий порядок расчета схемы кварцевого

генератора

с П - образным четырехполюсником.

После

выбора

туннельного

диода

величины

R0

(3-55)

и

п а р а м е т р а

а

по

(3-57)

из

условия

(3-66)

выбирается

сопротивление

rq

и рассчитывается

кварцевый

тор, то во всех расчетах

под величиной

rq

понимается

трансформи ­

рованное

сопротивление

резонатора.

Далее из

(3-63)

и

(3-62)

определяются величины х и Ь, а затем Си С2 и L . Наконец про­

веряется выполнение условий (3-64), (3-65) и Ra<Rp.

и

при необ­

ходимости уточняется значение "TROРасчет амплитуды

колебаний

производится, как и дл я

обычного автогенератора

(§ 3-1).

Глава

четвертая

Д И А П А З О Н Н Ы Е КВАРЦЕВЫЕ ВОЗБУДИТЕЛИ

4-1. Принцип интерполяции

В настоящее время в линиях радиосвязи используются

сигналы,

требующие весьма высокой стабильности несущей

частоты

(до Ю - 7

и в ы ш е ) .

Т а к а я стабильность частоты

может

быть

обеспечена

6 Заказ № 1672

145

лыми

интервалами (до 100 гц

и

менее).

В

основе

построения

всех

современных

возбудителей

лежит

принцип, получивший

название

принципа

интерполяции. Простей­

ш а я

схема, из которой

можно

понять основные особенности

прин­

ципа интерполяции, содержит дв а датчика

(иногда

называемых

ге­

нераторами)

опорных

частот

(рис. (4-1).

К а ж д ы й

из датчиков

мо­

ж е т выдават ь колебания одной из ряда

фиксированных

частот,

следующих с одинаковыми

интервалами:

/ ; = /, + й Д / , ,

k = 0, 1, 2, . . . .

/ 1 , - 1 ;

Г2 = /аН-/и А/2 .

т = 0,

1, 2,

. . ., п2—\,

где «i — количество

частот

первого

датчика

и / г 2 — в т о р о г о .

Колебания

от датчиков

подаются

на

смеситель, с выхода

ко­

f = f'2±f[.

Если соответствующим образом выбрать

частоты

/ч и /г,

а

т а к ж е

интервалы Д/i

и Д/2 , то колебания

на

выходе

такого

устройства

могут

быть

равномерно

распределены

в

некотором

диапазоне

частот,

образуя таким образом равномерную сетку час­

тот. В частности, если выбрать [26]

A/ 2

= n i A / : i

и / i = - y

(«i«2 — " i + l ) - A / i ,

то

разностные

частоты

образуют

равномерную

сетку

частот

с интервалом Aft

в диапазоне частот

от /мин = / г — 0,5(пнП2 + « 1 — 1)

До

f „ a K C

= f2 —0,5

( / i A - n j + 1 ) ,

а

суммарные — от

| f\m„=h

+

+ 0,5(rti/i2 —«i + l )

До /маис = fa +0,5(3«!/г 2 — п\ — 1).

В

целом

такое

устройство

будет

д а в а т ь

N = 2iiiii2

частот в

диапазоне

fmm—/макс

с интервалом Д/i.

Нестабильность частоты колебаний на выходе

приближенно

равна

поскольку обычно

/ 2 > / р

Нестабильность

низкочастотного

датчика тем

меньше влияет

на

нестабильность

частоты рабочего

колебания,

чем меньше ] \ .

При

этом возможно в некоторых случаях в качестве первого дат-

П р и м е р возможной схемы возбудителя с декадным способом по­

лучения рабочей частоты

представлен

на рис. 4-3. В этой

схеме

в

первых

четырех смесителях

используется с у м м а р н а я частота,

а

в пятом

разностная (в

общем

случае

в любом из первых

смеси­

ков, кгц,

можно записать в виде:

/ i

v =

f 4 + n - 1 0 0 ;

aWH-P-IOOO;

/ V I = / 6 - r - 1 0 0 0 0 ;

(4-1)

k,

I ,

m,

n,

p = 0,

1,

2,

9;

r =

0,

1, 2.

\CHI\

\Ф1

\См2\

\Ф2

\*\СмЗ

№ \См51 \Ф5

to*

№

и *

\ДВ

т

Рис.

4-3

Р а б о ч а я

частота

на выходе возбудителя

будет

/ =

/i +

/ii +

/in

+

f.v

+ / v

- / v i

=

•--= (/i +

/2 +

/з + / 4 +

U - h )

+

(г • 10* +

р • 103 +

+

n-102

+

m-10

+

/ - l + A - 0 , l ) ,

кгц,

нялось

условие

то

/ i + / 2 + / 3 + /4 + f 5 - / e = 0,

(4-2)

т - 1 0 + /- l+k-0,l

= [rpnml,

k],

кгц.

/ =

г

. Ю 4 - | - р . 10s + n-102 +

Здесь к в а д р а т н ы м и скобками условно обозначена запись

рабо ­

чей

частоты в десятичной системе

счисления

с цифрами k,

I,

in, п,

р и

г

в соответствующих

р а з р я д а х . Отсюда

видно,

что

к а ж д о й

частоте датчика может быть приписана своя цифра, которая

будет

равна

цифре в соответствующем

разряде числа, представляющего

П р и

использовании нескольких датчиков опорных частот ста­

бильность

рабочей частоты

определяется

стабильностью

частот

к а ж д о г о

из

датчиков.

В возбудителях сравнительно невысокой стабильности частоты

(порядка

Ю - 5 )

в к а ж д о м

датчике могут

использоваться

сменные

кварцы,

что упрощает устройство возбудителя, так как умень­

шается

общее

количество

различных преобразователей

частоты

(делителей,

умножителей

и

смесителей) .

Абсолютная нестабиль-

ность

частоты

в

этом случае складывается

из

нестабильностей

Ча­

га

I Д/*|»г Де п — количество

стот датчиков

| А / | = 2

датчиков, и

отно-

ft=i

сительная нестабильность

- L ^ - L =

J h . [M^L

будет

больше от-

f

ZA

f

fk

y

k=i

носителы-юй нестабильности

наиболее

высокочастотного

датчика .

В

высокостабильных

возбудителях

используется

только

один

кварцевый генератор (называемый основным опорным

генерато­

ром), и колебания всех датчиков получаются от

этого генератора

посредством ряда преобразований частоты. В

таком

случае

ча­

стоты

колебаний

датчиков

определяются

равенством

fK=Akfo,

где

fo — частота

основного

опорного кварцевого

генератора,

Ah —

рациональная

дробь . Поэтому

рабочая

частота

на

выходе

возбу-

п

п

днтеля оказывается

равной

f =

~ysAJ0

= f0

2

Ak,

а

ее

относитель-

*

ft=i ft=i

I

А/1

I А/о I

ная

-—'-L - = J

— р а в н а

нестабильность

нестабильности

частоты

f

/о

1

кварцевого генератора.

Д и а п а з о н н ы е

возбудители

с

кварцевой стабилизацией

различа ­

формирования колебаний рабочей частоты из

колебаний датчиков.

В таких возбудителях осуществляется много

преобразований час­

только умножения частоты.

Такие датчики имеют в своем составе

умножитель

частоты

и

систему

коммутируемых

фильтров

(рис. 4-4). Н а

вход умножителя

подаются колебания частоты f0,

которая

равна

интервалу

сетки частот

рассматриваемого

датчика .

К а ж д ы й

фильтр имеет среднюю

частоту полосы пропускания, рав ­

ную соответствующей гармонике, и д о л ж е н обеспечивать

надежное

подавление всех остальных

гармоник.