122

21. Генерирование гармонических колебаний

21.1. Классификация автогенераторов. Принцип работы

автогенератора с положительной обратной связью

Автогенератором называют электронное устройство, служащее источником коле­баний заданной формы. С точки зрения нелинейных преобразований сигналов, автогенера­тор осуществляет преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Приведем краткую классификацию автогенераторов.

По принципу действия все автогенераторы можно разделить на следующие группы:

• автогенераторы на основе использования положительной обратной связи,

• автогенераторы на основе использования внутреннего отрицательного сопротивления нелинейного элемента,

• автогенераторы на основе использования некоторых специальных физических явлений.

По частоте вырабатываемых колебаний автогенераторы делят на:

• низкочастотные (условно при f < 10 кГц),

• высокочастотные (условно при f > 10 кГц),

• оптического диапазона волн (при длине волны колебания 0,76мкм…0,4мкм).

По форме вырабатываемых колебаний различают автогенераторы

• гармонических колебаний,

• релаксационных колебаний.

Условиясамовозбуждения автогенератора. Рассмотрим вначале основы теории и схемотехнику гармонических автогенераторов высоких частот на основе использования принципа положительной обратной связи. На рисунке 21.1 символ К представляет собой комплексную передаточную функцию некоторого активного четырехполюсника К = U_вых / U_вх . Четырехполюсник обратной связи имеет комплексную передаточную функцию К_ос = =U_ос /U_вых . Таким образом, как видно из рисунка, напряжение обратной связи

U_ос =U_вх КК_ос. (21.1)

При условии U_ос =U_вх (условие положительной обратной связи) замыкание ключаКл соответствует такому физическому состоянию системы, когда при отсутствии внешнего воздействияU_вхв системе существуют незатухающие колебания и она может быть названа автогенератором. Из (21.1) вытекает условие существования колебаний в автогенераторе с положительной обратной связью:

КК_ос= 1. (21.2)

Если обозначить модули и аргументы комплексных передаточных функций КиК_оссоответственноК,φ_киК_ос,φ_ос , то комплексное равенство (21.2) может быть расписано для его модулей и аргументов на два равенства, называемых в дальнейшем условиями стационарного режима работы автогенератора:

КК_ос= 1 , (21.3)

φ_к+φ_ос = 2 π n. (21.4)

Первое из равенств (21.3) носит название условие баланса амплитуд, второе (21.4) –условие баланса фаз.

Условие баланса амплитуд требует, чтобы петлевое усиление в системе усилитель - четырехполюсник обратной связи было равно единице, а условие баланса фаз является условием наличия в системе положительной обратной связи. Следует заметить, что одновременное выполнение условий (21.3 и 21.4) соответствуют стационарному режиму работы автогенератора.

В случае, если условия (21.3 и 21.4) выполняются на некоторой единственной частоте f₀, автогенератор является гармоническим. При выполнении этих условий в полосе частот автогенератор вырабатывает негармонические (релаксационные) колебания.

Большой интерес представляет знакомство с тремя этапами работы автогене­ратора и условиями самовозбуждения в них. На рис. 21.2 представлены три этапа работы автогенератора, начиная с момента его запуска и до установления в нем стацио­нарной ам­плитуды ко­лебаний.

До мо­мента пуска (ав­тогенера­тор вы­клю­чен) ни одно из ус­ловий (или хотя бы одно из них) не выпол­нены и авто­гене­ра­тор не рабо­тает. С момента пуска усло­вия баланса ампли­туд и фаз выпол­нены: К К_ос>1,φ_к +φ_ос = 2πnи в автогенераторе воз­никают и нарастают колебания от u_вых = 0 доu_вых = U_стац. Следует подчеркнуть, что на этапе установления колебаний уравнение ба­ланса амплитуд автогенератора превращается в неравенство

К К_ос > 1 (21.5)

и время нарастания колебаний до стационарного уровня будет тем меньше, чем сильнее это неравенство. В стационарном режиме работы условия самовозбуждения автогенератора принимают вид (21.3, 21.4).