Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

на контуре, далее вновь поступают на вход транзистора, снова усиливаются и т.д. Амплитуда колебаний возрастает и доходит до определенного предела. По сути генератор является усилителем собственных колебаний контура. По этой причине (если выполняются условия самовозбуждения) любой усилитель может превратиться в генератор. Например, микрофонный усилитель становится генератором звуковых колебаний, если из-за неудачной акустики помещения или плохой экранировки цепей возникают каналы акустической или электрической обратной связи, приводящие к самовозбуждению усилителя. В данном случае обратная связь играет вредную роль.

Теперь рассмотрим условия поддержания уже возникших колебаний, характерных для стационарного режима генератора, – колебаний с постоянной амплитудой и частотой. На рис. 2.9 показаны диаграммы токов и напряжений в различных точках схемы генератора(см. рис. 2.8). Причем в них учитываются только переменные составляющие, ибо только они играют определяющую роль в развитии процесса. Постоянные составляющие во внимание принимать не будем.

За исходное колебание возьмем ток i L , протекающий в индуктивной ветви LC-контура (а). За счет

тока i L в катушке обратной связи Lсв наводится ЭДС Eп, являющаяся одновременно входным напряжением Uз транзистора (б). Элек-

как намотаны и связаны между

вышеприведенной формулой от того, как включены концы одной из катушек.

В нашем случае Eп опережает по фазе ток i L на 90° (сплошная

72 Глава 2. Передающие и приемные устройства систем радиосвязи и вещания

дает падение напряжения на контуре генератора(г). Так как контур является «дирижером» частоты и колебания осуществляются на резонансной частоте контура w0 , фаза напряжения Uк совпадает с фа-

зой тока i. Сопротивление контура Rэк имеет здесь резистивный характер. Ток i L* в индуктивной ветви контура отстает по фазе от - на пряжения Uк на 90° (д).

Ток i L* можно рассматривать как «добавку», приращение к существующему току i L (а) контура. В самом деле, ведь в конечном итоге ток i L* обязан своим появлением ЭДСEп, наведенной в катушку связи Lсв . Если бы ЭДС была равна нулю, всех последующих колебаний просто не было бы. Следовательно, существование и значение тока

непосредственно зависит от наличия и значения ЭДС. Чем больше наведенная в катушке Lсв ЭДС, тем большей окажется амплитуда порожденного ею тока i L* .

Приращение i L* по отношению к току i L может быть положительным, когда фазы i L* и i L совпадают (токи синфазны), или отрицательным, когда эти же токи будут иметь противоположные, сдвинутые на

180° фазы (токи противофазны). В первом случае ток i L* поддерживает ток i L, во втором – подавляет этот же ток.

В нашем случае, как видно из сравнения диаграмм(а) и (д), ток i L* синфазен с током i L, следовательно, увеличивает последний. Обратная связь здесь оказывается положительной.

Если теперь поменять друг с другом концы катушек связи Lсв , ЭДС Eп будет отставать по фазе от тока i L на те же 90° (знак в вышеприведенной формуле изменится на противоположный) и окажется в противофазе со своим первоначальным значением. На диаграмме (б) для данного случая колебания показаны штриховой линией. Далее последующие процессы будут протекать, как описано выше (все они показаны штриховой линией). В итоге видим, что ток i L* оказывается, как и следовало ожидать, в противофазе с током iL. Следовательно, ток i L* не только не будет поддерживатьiL, но будет последний подавлять, увеличивая затухание контура. Обратная связь станет отрицательной, при которой ни самовозбуждение, ни даже поддержание уже возникших колебаний окажется невозможным.

Действие положительной и отрицательной обратной связи можно проследить на простой механической модели маятника (или качелей). Если подталкивать маятник в такт с его собственными колебаниями, маятник будет раскачиваться. Если в «противотакт» – маятник будет тормозиться. Таким образом, для самовозбуждения генератора и поддержания в нем незатухающих колебаний должны выполняться два условия: обратная связь должна быть положительной, а ее значение – достаточно большим для полной компенсации рассеиваемой энергии в контуре.

Рис. 2.10. Схемы автогенераторов

Рассмотренная картина дает нам, конечно, только качественное представление о тех физических процессах, которые протекают в автогенераторе.

Две схемы генераторов с самовозбуждением показаны на рис. 2.10. В схеме рис. 2.10, а применена автотрансформаторная связь: на вход усилителя подается часть напряжения с контура при помощи отвода от катушки в точке m.

В схеме рис. 2.10, б применена емкостная связь. Полная емкость контура образована включенными последовательно конденсаторами С1 и С2, а на вход усилителя подается напряжение с конденсатора С2. Усиленные колебания подаются в контур через конденсаторCp,

а питающее напряжение на усилительный элемент подается через сопротивление Rп. Во всех схемах между управляющим электродом усилительного элемента и общей точкой включено сопротивление Rc . Это сопротивление способствует стабилизации амплитуды генерируемых колебаний. Проходящий по нему ток создает падение напряжения. При возрастании амплитуды тока через сопротивление Rc падение напряжения на нем увеличивается– изменение напряжения смещения на управляющем электроде уменьшает усиление. При

а в случае наиболее коротких волн– также типом усилительного элемента. На дециметровых и сантиметровых волнах используются соответственно короткозамкнутые отрезки коаксиальных линий и волноводов и объемные резонаторы. В качестве усилительного

Рис. 2.11. Автогенератор на туннельном диоде

элемента на сантиметровых волнах применяют клистроны и лампы бегущей волны.

При необходимости в генераторе с высокой стабильностью частоты предпочтение отдается усилительным элементам минимальной мощности; в них выделяется соответственно мало тепла, что облегчает стабилизацию температуры генератора, которая представляет одно из условий постоянства частоты. Широко применяются маломощные транзисторы и туннельные диоды.

Характеристика туннельного диода имеет падающий участок, которому соответствует отрицательное сопротивление в пределах этого участка (АВ на рис. 2.11, а). Из приведенных выше схем видно, что в автогенераторе с обратной связью действие усилителя эквивалентно шунтированию колебательного контура отрицательным сопротивлением; в случае туннельного диода это отрицательное сопротивление получается более просто, путем выбора рабочей точки на -па дающем участке характеристики. Туннельный диод ТД подключается параллельно колебательному LC-контуру (см. рис. 2.11, б) или последовательно с его элементами. Рабочая точка устанавливается при помощи делителя напряжений из сопротивлений R1 и R2. Генераторы с туннельными диодами делаются для любых частот радиотехнических диапазонов, вплоть до миллиметровых волн.

Стабилизация частоты. Частота свободных колебаний в контуре зависит главным образом от его индуктивности и емкости. Эти параметры не только связаны со свойствами катушки и конденсатора, но зависят и от присоединенных к колебательному контуру внешних цепей. Температура и другие параметры окружающей среды могут вызывать изменение результирующих индуктивности и емкости и через них влиять на частоту колебаний контура. В случае генератора это приведет к изменению частоты генерируемых колебаний, которая изменяется также при любых регулировках или изменениях в присоединенных цепях.

Внутренняя емкость усилительного элемента и его входное и выходное активные сопротивления зависят от приложенного напряжения питания. Поэтому непостоянство напряжения питания транзисто-

ра или туннельного диода и других электронных элементов, входящих в состав генератора или подключенных к нему, также вызывает изменение частоты. Механические сотрясения и удары также могут приводить к изменениям частоты из-за изменений емкости и индуктивности.

Для улучшения температурной стабильности при изготовлении колебательного контура выбирают материалы, наименее подверженные влиянию температуры. Дополнительно применяют температурную компенсацию, включая в состав контура компенсационный конденсатор, емкость которого благодаря специальному подбору изоляционного материала уменьшается при повышении температуры и вызывает повышение частоты, что компенсирует ее понижение из-за влияния температуры на другие элементы.

Чтобы устранить влияние внешней температуры и других свойств внешней среды на генератор, его помещают в герметический термо- стат-камеру с точно стабилизированной температурой.

Влияние подключенных к контуру внешних цепей и элементов уменьшается ослаблением связи контура с ними и, в частности, с нагрузкой. Чтобы уменьшить влияние нагрузки, применяют между ней и генератором промежуточный «буферный» усилитель.

Нестабильность питающего напряжения устраняется применением стабилизатора. Воздействие механических сотрясений предотвращается амортизацией, т.е. упругой подвеской генератора.

Эффективный способ получения колебаний стабильной частоты состоит во включении в генератор кварцевого резонатора. Такой резонатор представляет собой пластину, вырезанную из кристалла кварца и помещенную между двумя металлическими обкладками (электродами). Кварцевые пластины обладают пьезоэлектрическим эффектом. При механической деформации пластины на ее поверхности возникают электрические заряды(прямой пьезоэлектрический эффект); при действии электрического поля пластина - де формируется (обратный пьезоэлектрический эффект). Если приложенное напряжение переменное, то пластина совершает механические колебания.

Кварцевая пластина, как и всякое упругое тело, обладает резонансной частотой механических колебаний, зависящей от ее размеров. Будучи включенной в электрическую цепь, пластина представляет собой обычную резонансную систему, т.е. обладает свойствами колебательного контура. Эквивалентная электрическая схема кварцевого

76 Глава 2. Передающие и приемные устройства систем радиосвязи и вещания

резонатора представляет собой последовательно включенные индуктивность, емкость и активное сопротивление, параллельно которым включена емкость между выводами резонатора (рис. 2.12). В соответствии со схемой рис. 2.12 кварцевый резонатор имеет две резонанс-

кольку емкость последовательно соединенных Cк и C0 меньше емкости Cк, то w0 > wк . Следует отметить, что разница между этими частотами составляет несколько сотен герц. Так как C0 зависит и от внешних цепей, то она менее стабильна, чем wк .

Замечательным свойством кварцевого резонатора является слабая зависимость его параметров от изменения температуры и напряжения питания. Так, относительное изменение частоты генератора с кварцевым резонатором при изменении окружающей температуры на 1°С или питающего напряжения на0,1 В не превышает 10–8. Это и определило исключительную популярность кварцевых резонаторов для обеспечения стабильной частоты автогенераторов.

Существует большое число различных схем автогенераторов с кварцевым резонатором, отличающихся активным (усилительным) элементом (лампа, транзистор, туннельный диод, интегральный модуль и т.д.) и способом или местом включения резонатора (резонатор в качестве одного из сопротивлений трехточечной схемырезонатор, в цепи положительной обратной связи и т.д.). Наиболее часто в качест-

ве активного элемента используются транзистор и туннельный диод. Одна из возможных практических схем транзисторного кварцевого

автогенератора приведена на рис. 2.13. Кварцевый резонатор возбуждается на частоте, близкой к частоте последовательного резонанса wк . Для коррекции частоты предусмотрена катушкаL, включенная последовательно с резонатором. Рабочая точка транзистора опреде-

Рис. 2.16. Синтезатор частоты с ФАПЧ второго типа

ние фазового детектора через фильтр нижних частот ФНЧ воздействует на управляемый генератор так, что частота его сигнала, поделенная в n раз, будет равна частоте опорного генератора. Изменяя коэффициент деления ДПКД, можно изменять частоту генератора с шагом, равным частоте f0. В качестве ДПКД обычно используются счетчики импульсов, выполненные на цифровых элементах.

Принцип работы системы ФАПЧ второго типа поясняется рис. 2.16. Колебания управляемого генератора с частотойfУГ и колебания генератора сдвига ГС с частотой fс подаются на входы преобразователя частоты Пр. На выходе последнего полосовым фильтром ПФ выделяется сигнал разностной частоты Df = fс - fУГ или Df = fУГ - fс. Этот сигнал подается на один вход фазового детектора, на второй его вход поступает сигнал опорного генератора f0. На выходе детектора образуется управляющее напряжение, которое изменяет частоту управляемого генератора до получения равенства Df = f0. В качестве генератора сдвига можно использовать синтезатор, выполненный на основе метода прямого синтеза частоты.

Выходным сигналом синтезаторов косвенного синтеза частоты являются колебания управляемого генератора без каких-либо преобразований, обеспечивающие высокую спектральную чистоту выходных колебаний (отсутствие побочных составляющих).

Чтобы получить небольшой шаг перестройки синтезатора, частота f0 должна быть небольшой и равной этому шагу. Поскольку опорные генераторы обычно выполнены на кварцевых резонаторах с достаточно высокой частотой, производят деление частоты до требуемого

значения. В реальных синтезаторах частоты применяют и более сложные системы ФАПЧ, что облегчает процессы перестройки синтезаторов и борьбу с побочными составляющими.