Основное уравнение нестабильности частоты методы стабилизации частоты

Лекция 14. Автогенераторы и стабилизация частоты автоколебаний

Лекция 14. АВТОГЕНЕРАТОРЫ И СТАБИЛИЗАЦИЯ

14.1. Назначение, классификация и принцип действия

14.2. Установившийся режим автоколебаний

14.3. Стабильность частоты автогенератора

14.4. Кварцевые автогенераторы

14.5. Контрольные вопросы

14.1. Назначение, классификация и принцип действия

Назначение автогенератора (АГ) состоит в генерации ВЧ колебаний. В АГ происходит преобразование энергии источника постоянного тока в энергию ВЧ колебаний. АГ входит в радиопередающее и радиоприемное устройства.

В зависимости от диапазона частот АГ делятся на две группы: ВЧ и СВЧ. Граница между ними составляет 300 МГц. Различительным признаком может являться не само значение частоты генерируемых колебаний, а тип используемых электрических цепей. В ВЧ генераторах используются цепи с сосредоточенными, а в СВЧ — с распределенными параметрами.

Способы стабилизации частоты автоколебаний:

· параметрическая с использованием обычных колебательных систем;

· кварцевая с использованием в качестве резонатора кристалла кварца;

· с диэлектрическим резонатором (только в СВЧ диапазоне);

· молекулярная за счет индуцированного возбуждения атомов.

По типу электронного прибора и схеме различают два типа АГ:

· с применением электронного прибора с положительной обратной связи,

· с применением генераторного диода (туннельного, лавинно-пролетного или диода Ганна).

По взаимодействию с другими звеньями аппаратуры различают АГ — действующие в автономном режиме, в режиме синхронизации частоты внешним сигналом и в составе устройства автоматической подстройки частоты.

По использованию в составе радиотехнического устройства возможно следующее разделение АГ:

· опорные, с повышенной стабильностью частоты, синхронизирующие работу всех звеньев и каскадов устройства;

· диапазонные, перестраиваемые по частоте, в том числе и в составе синтезатора частот.

Работу АГ характеризуют следующие параметры: диапазон частот, мощность автоколебаний в нагрузке, нестабильность частоты.

Возможны два типа построения АГ с колебательной системой.

В АГ первого типа используется электронный прибор, представляемый в виде нелинейного генератора тока i(uy), где uy — управляющее напряжение (рис. 14.1, а). За счет цепи обратной связи часть мощности сигнала из колебательной системы поступает на вход электронного прибора. После усиления поступившие колебания возвращаются в колебательную систему, компенсируя потери и поддерживая устойчивый режим автоколебаний. При этом необходимо соблюдение условия синхронизма, состоящее в равенстве фаз колебаний, отобранных из колебательной системы и вновь туда поступивших.

Рис. 14.1. Схема АГ первого типа (с обратной связью).

Основой второго типа АГ являются специальные генераторные диоды, в эквивалентной схеме которых имеется отрицательная активная проводимость (например, по причине падающего участка в ВАХ или запаздывания сигнала в приборе). Такой прибор при подключении к колебательной системе компенсирует в ней потери, благодаря чему поддерживается режим автоколебаний (рис. 14.1, б).

14.2. Установившийся режим автоколебаний

После включения АГ в нем начинается переходный процесс, в течение которого амплитуда автоколебаний возрастает от 0 до некоторого значения Um. По окончании переходного процесса, длящегося tпер, устройство переходит в режим установившихся автоколебаний (рис. 14.2). Время tпер можно найти, составив и решив нелинейное дифференциальное уравнение, описывающее работу АГ.

Рис. 14.2. Установление автоколебаний в АГ.

В тех случаях, когда отсутствует необходимость определения tпер, можно ограничиться исследованием только установившегося режима работы. Для такого анализа удобен метод гармонического баланса.

Ток электронного прибора i(t) в АГ может существенно отличаться от синусоидального вида и представлять собой периодическое колебание, состоящее из косинусоидальных или иной более сложной формы импульсов. Разложив периодическое колебание в ряд Фурье, выделим из него 1-ю гармонику сигнала, для которой запишем: I1=Imα1, где 1т — амплитуда импульса.

Введем параметр — крутизну характеристики электронного прибора по 1-й гармонике сигнала:

где Uy — амплитуда напряжения на входе прибора, и запишем систему уравнений для комплексных амплитуд 1-й гармоники сигнала:

; ; , (14.1)

где Um — амплитуда гармонического напряжения на контуре (ранее было принято, что колебательная система фильтрует все гармоники, кроме 1-й); — эквивалентное сопротивление контура на частоте 1-й гармоники сигнала; — комплексный коэффициент обратной связи.

Совместное решение (14.1) дает основное уравнение АГ в комплексной форме по 1-й гармонике сигнала:

Это уравнение распадается на уравнения для произведения модулей и суммы фаз, соответственно называемые уравнениями баланса амплитуд и фаз:

; (14.3)

. (14.4)

Уравнение баланса амплитуд (14.3) указывает на необходимость пополнения энергии в контур за счет цепи обратной связи, которое покрывало бы потери в нем, а уравнение баланса фаз (14.4) — на соблюдение условия фазировки: дополнительные колебания, вводимые в контур, должны совпадать по фазе с уже существующими.

Количество дополнительной энергии можно регулировать за счет модуля коэффициента обратной связи К, а фазирование — за счет его фазы. Поскольку электронный прибор поворачивает фазу сигнала на величину, близкую к π, то согласно (14.4) на такую же величину должен происходить поворот фазы сигнала и за счет цепи обратной связи. Данному требованию отвечает трехточечная схема АГ (рис. 14.3).

Рис. 14.3. Трехточечная схема АГ.

Первая из схем (рис. 14.3, а) называется емкостной, в ней модуль К=С1/С2, вторая (рис. 14.3, 6) — индуктивной, в ней модуль К=L2/L1.

Обе схемы могут рассматриваться как эквивалентные по отношению и к двухконтурной (рис. 14.3, в) и к иным схемам автогенератора.

С помощью уравнений (14.3) можно определить амплитуду автоколебаний в установившемся режиме, для чего представим систему (14.1) в виде двух уравнений:

Их совместное решение позволяет найти амплитуды тока 11 и напряжения: Um=I1Rm в установившемся режиме. Графическое решение уравнений приведено на рис 14.4. Для существования устойчивого режима автоколебаний необходима одна точка А пересечения графиков.

Рис. 10.4. Графическое решение уравнений.

Согласно общей теории устойчивости стационарный режим АГ является устойчивым, если малые отклонения амплитуды относительно установившегося значения возвращают систему в первоначальное состояние. Пусть колебания синусоидальны и определяются выражением: u(t)=Uyстeα(U)tcosωt. Тогда согласно сформулированному условию устойчивости следует иметь α(U)=0 при U=Uуст, α(U) Uуст, α(U)>0 при U

Стабилизация параметров колебаний в генераторах

Стабилизация частоты и формы колебаний

Под стабильностью частоты понимают способность автогенератора сохранять частоту выходных колебаний постоянной в течении определенного времени при воздействии дестабилизирующих факторов.

Стабильность частоты генерируемых колебаний количественно характеризуется абсолютной и относительной нестабильностями.

Абсолютной нестабильностью ( ?f) называется разность между текущим f и номинальным f₀ значениями частоты:

Относительной нестабильностью (fотн) называется отношение абсолютной нестабильности к номинальной частоте:

Требование по стабильности частоты является одним из основных требований предъявляемых к автогенераторам. Это объясняется тем, что стабильность частоты определяет электромагнитную совместимость радиоэлектронных средств систем радиосвязи, устойчивость работы многоканальных систем электросвязи, искажение сигналов при модуляции и детектировании.

В системах, где требуется очень низкая нестабильность частоты, аппаратура работает от одного задающего генератора с последующим умножением, делением и преобразованием частоты.

Как отмечалось выше, стабильность частоты генерируемых колебаний зависит от воздействия дестабилизирующих факторов, которые и влияют на колебательную систему автогенератора. Такими дестабилизирующими факторами являются: температура, давление, влажность, вибрация.

Изменение температуры автогенератора может происходить из-за изменения температуры окружающей среды, и нагревания элементов самого генератора. Это приводит к изменению размеров деталей колебательного контура, диэлектрической проницаемости изоляторов, магнитной проницаемости сердечников катушек. Для уменьшения нестабильности частоты за счет изменения температуры колебательную систему или весь автогенератор помещают в устройство термостат, в котором поддерживается постоянная температура. Выполняют автогенераторы небольшой мощности, чтобы избежать сильного нагрева деталей генератора. Для уменьшения нагрева усилительного элемента его устанавливают на радиаторах, используют стабилизированные источники питания, применяют эмиттерно-коллекторную стабилизацию рабочей точки.

Изменение давления и влажности воздуха приводит к изменению диэлектрической проницаемости воздуха, емкости конденсатора с воздушным диэлектриком и емкости монтажа. Кроме того, изменение влажности увеличивает активную проводимость поверхностей изолирующих материалов. Для устранения влияния влажности и давления воздуха на частоту генерируемых колебаний применяют герметизацию колебательной системы, используют специальные реактивы осушители.

Вибрация элементов автогенератора возникает вследствие механических сотрясений и ударов. Это приводит к изменению расстояния между пластинами конденсатора, а это в свою очередь приведет к изменению частоты колебаний. Для устранения влияния вибрации на частоту колебаний применяют жесткое крепление элементов колебательной системы, автогенераторы устанавливают на амортизаторы.

Форма колебаний, как и частота, зависит от колебательной системы, от ее избирательности. Колебательная система должна выделять только одну гармоническую составляющую, находящуюся на частоте генерации и подавлять остальные составляющие. Избирательность определяется добротностью колебательного контура. Таким образом, для получения стабильных колебаний гармонической формы необходимо увеличивать добротность колебательной системы.

Кварцевая стабилизация частоты

Для увеличения добротности, а следовательно для большей стабильности частоты и формы колебаний колебательные системы строят с использованием кварцевых резонаторов (пьезоэлектрических элементов). Кварцевый резонатор представляет собой пластину минерала кварца закрепленную между двумя пластинами кварцедержателями. Условное графическое изображение кварцевого резонатора или пьезоэлектрического элемента приведено на рисунке 23, а. Кварцевый резонатор обладает прямым и обратным пъезоэффектами. Прямой пъезоэффект заключается в появлении на гранях кварцевой пластины электрических зарядов при ее механической деформации. Обратный пьезоэффект заключается в механической деформации кварцевой пластины под воздействием электрического поля.

Если к кварцевому резонатору подвести переменную ЭДС, то в результате обратного пьезоэффекта возникнет механическая деформация кварцевой пластины (механические колебания). В результате этих колебаний возникнет прямой пьезоэффект. С изменением частоты внешнего переменного напряжения и приближением ее к собственной резонансной частоте кварцевой пластины резко усиливается обратный пьезоэффект, а увеличение амплитуды механических колебаний приводит к возрастанию прямого пьезоэффекта и, соответственно к возрастанию тока. Таким образом, кварцевая пластина аналогична последовательному колебательному контуру. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора представлена на рисунке 23, б. В этой схеме элементы Lк, Cк, Rк являются эквивалентными индуктивностью, емкостью и сопротивлением кварцевой пластины, а элемент С₀ является эквивалентной емкостью образованной пластинами кварцедержателями (кварцевый резонатор можно представить как конденсатор, обкладками которого являются пластины кварцедержателя, а диэлектриком ? кварцевая пластина). Из эквивалентной схемы следует, что кварцевый резонатор имеет две резонансные частоты: частоту последовательного резонанса

и частоту параллельного резонанса (рисунок 23 в)

В полосе частот между w_Р1 и w_Р2 реактивное сопротивление имеет индуктивный характер. За пределами этой полосы реактивное сопротивление является емкостным.

Рисунок 23 Кварцевый резонатор: а) условное графическое обозначение; б) эквивалентная электрическая схема; в) частотная характеристика реактивного сопротивления

Включение кварцевого резонатора в колебательную систему автогенератора позволяет значительно повысить добротность колебательного контура, так добротность колебательного контура составляет Q=10 2 , а кварцевого резонатора Q=10 5 .

Кварцевые автогенераторы

Все используемые на практике схемы автогенераторов можно разделить на две группы: осцилляторные и мостовые. В осцилляторных схемах используются схемы трехточечных LC автогенераторов, в колебательную систему которых включается кварцевый резонатор. При этом используется полоса частот кварцевого резонатора имеющая индуктивное реактивное сопротивление, поэтому резонатор включается в качестве индуктивности. В мостовых схемах кварцевый резонатор включается в одно из плеч моста в цепи обратной связи автогенератора. На частоте генерации мост неуравновешен и напряжение, снимаемое с диагонали моста, обеспечивает выполнение баланса амплитуд и фаз.

Осцилляторные схемы кварцевых автогенераторов приведены на рисунке 24. На рисунке 24, а приведена принципиальная электрическая схема эквивалентная индуктивной трехточечной схеме LC автогенератора, а на рисунке 24, б ? емкостной трехточечной схеме.