Генераторы гармонических колебаний

Автогенераторы гармонических колебаний

Общие сведения и основные понятия

Важное значение в радиотехнике имеют колебательные системы,

генерирующие электромагнитные колебания. Колебательной системой, или устройством с самовозбуждением, называют динамическую систему, преобразующую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих колебаний, причём основные характеристики колебаний (амплитуда, частота, форма колебаний и т. д.) определяются, главным образом, параметрами самой системы. Процесс получения переменных сигналов требуемой формы и частоты называют генерированием электрических колебаний.

С точки зрения математических моделей колебательные системы разделяют на линейные и нелинейные, автономные и неавтономные. Особый класс представляют автоколебательные системы, или автогенераторы.

В радиопередатчиках радиолокации и систем связи автогенераторы применяют в основном в качестве каскадов, создающих электромагнитные колебания несущей частоты. Основное требование – это высокая стабильность генерируемой частоты. В СВЧ-диапазоне автогенераторы часто используют в качестве выходных каскадов передатчиков. Требования к таким автогенераторам аналогичны требованиям к усилителям мощности – обеспечение мощных колебаний при высоких КПД, выходной мощности и стабильности частоты.

Основное внимание в этом разделе дисциплины РТЦ и С мы уделим маломощным высокостабильным задающим генераторам; вместе с тем изложенные сведения будут полезны и при изучении мощных генераторов выходных каскадов передатчиков.

Генераторы гармонических колебаний

В радиоэлектронике и технике связи разработано и используют большое количество различных схем автогенераторов. Классифицируют автогенераторы по нескольким специфическим признакам.

1. В зависимости от диапазона генерируемых частот автогенераторы делят на три большие группы: низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные. Отличительным признаком может служить даже не само значение частоты генерируемых колебаний, а тип используемых электрических цепей. В низкочастотных и высокочастотных генераторах таковыми являются цепи с сосредоточенными параметрами, в сверхвысокочастотных – с распределенными параметрами, т. е. фидерные и полосковые линии и волноводы.

2. По использованию в составе радиотехнического устройства существует разделение автогенераторов по следующим признакам:

• опорные или эталонные с повышенной стабильностью частоты,

синхронизирующие работу всех звеньев и каскадов устройства;

• диапазонные, перестраиваемые по частоте, в том числе и в составе

синтезаторов частот.

3. По взаимодействию с другими узлами аппаратуры различают

автогенераторы функционирующие в следующих режимах:

• автономном режиме;

• режиме синхронизации частоты внешним сигналом;

• в составе схемы автоматической подстройки частоты.

Для преобразования энергии источника постоянного тока в энергию

колебаний требуется активный элемент. Активными (усилительными) элементами в генераторах могут быть электронные лампы, биполярные и полевые транзисторы, интегральные микросхемы (операционные усилители), а также генераторные диоды – туннельные, лавинно-пролётные, диоды Ганна и др.

4. По типу полупроводникового усилительного прибора и схеме различают два основных типа автогенераторов:

ü на основе усилительного элемента (транзистора, электровакуумного

прибора или интегральной микросхемы) с использованием резонатора и цепи

положительной обратной связи;

ü с применением генераторного СВЧ-диода (диода Ганна, туннельного

или лавинно-пролётного), т. е. двухполюсника с отрицательным дифференциальным сопротивлением в эквивалентной схеме.

Положительная ОС в автогенераторе может быть внешней и внутренней. Принцип действия автогенератора на основе усилительного элемента связан с обеспечением его режима работы приблизительно такого же, как и в усилителе мощности. При этом на вход усилителя подают колебания не от внешнего источника, а из собственной колебательной системы (контура или резонатора) через цепь внешней положительной обратной связи (ПОС). Введение обратной связи, с одной стороны, позволяет в ряде случаев существенно улучшить характеристики цепей, а с другой, при определенных условиях – эти цепи становятся неустойчивыми и в них возникают автоколебания. На этом принципе построены автоколебательные системы, прежде всего автогенераторы гармонических колебаний.

Диодные автогенераторы обеспечивают стационарные колебания за счёт внутренних физических процессов в генераторных диодах (появления на ВАХ участка отрицательного дифференциального сопротивления), обратная связь здесь внутренняя и осуществляется автоматически без применения специальных дополнительных элементов. Автогенератор является каскадом, обязательно входящим в радиопередающее и радиоприёмное устройства. Автогенератор существенно отличается от других каскадов радиопередатчиков тем, что частота и амплитуда колебаний здесь определяются не внешним источником, а параметрами собственной колебательной системы и активного элемента. Работу автогенератора характеризуютследующие основные параметры: диапазон частот или значение фиксированной частоты, мощность автоколебаний в нагрузке, нестабильность частоты – долговременная и кратковременная.

Прежде чем приступить к анализу автогенераторов, сформулируем

основные понятия.

Итак, устройства, предназначенные для создания электрических колебаний, называют генераторами. С точки зрения режима работы их разделяют на автогенераторы и генераторы с внешним возбуждением. Поэтому автогенераторы, в отличие от генераторов с внешним возбуждением (усилителей мощности, в которых амплитуда и частота колебаний навязываются извне), часто называют генераторами с самовозбуждением.

Автогенератор (часто – просто генератор) – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию электрических колебаний требуемой частоты и формы. Автогенератор можно считать источником электромагнитных колебаний, возбуждающихся самопроизвольно без внешнего воздействия. Генератор с внешним возбуждением (в импульсной технике – ждущий генератор) переходит в режим генерации, формирования, или усиления колебаний только при поступлении на его вход сигналов возбуждения (запуска).

В зависимости от формы генерируемых напряжений различают генераторы гармонических и релаксационных (импульсных) колебаний. Можно специально отметить и автогенераторы линейных пилообразных напряжений, которые относят к релаксационным. Особую группу представляют автогенераторы случайных колебаний (сигналов или шумов) – шумовые генераторы.

Генератор гармонических колебаний должен обязательно содержать

узкополосную колебательную систему.

Генератор гармонических колебаний (к ним относятся и СВЧ-генераторы) вырабатывает колебание, спектр которого содержит практически одну гармонику. Основным элементом генератора гармонических колебаний является резонатор, главное свойство которого – колебательный характер переходного процесса в нём. Простейший резонатор – колебательный контур. Если в колебательный контур каким-либо образом ввести энергию, то при достаточно высокой его добротности возникают колебания тока, затухающие со временем. Уменьшение амплитуды колебаний объясняется потерями мощности в контуре.

Для создания автогенератора гармонических колебаний необходимо использовать резонатор с достаточно высокой добротностью и компенсировать потери. Для выполнения последнего условия необходимо периодически вводить в резонатор электромагнитную энергию синхронно с возбуждаемыми колебаниями. В качестве резонаторов в диапазоне высоких частот, кроме -контуров, применяют кварцевые пластины; на СВЧ –отрезки линий с распределёнными параметрами, диэлектрические шайбы, ферритовые сферы и др.

Релаксационным называют генератор, вырабатывающий негармонические электрические колебания (импульсы) в результате быстрого высвобождения энергии, запасённой от источника постоянного тока. Такое преобразование энергии источника постоянного тока в энергию электрических колебаний происходит и в генераторах синусоидальных (гармонических) колебаний.Однако если в генераторе синусоидальных колебаний - типа происходит непрерывный обмен энергией между индуктивностью и конденсатором контура и за один период расходуется небольшая часть энергии, полученной от источника, то в релаксационном генераторе в течение одной части периода энергия запасается в реактивном элементе только одного типа (обычно в конденсаторе), а в другую часть периода выделяется на резисторах схемы в виде теплоты. Усилительный элемент в данном случае работает в ключевом режиме, переключая конденсатор с режима заряда на разряд и обратно.

Выходные колебания релаксационного генератора содержат спектр

гармонических составляющих, часто имеющих соизмеримые амплитуды.

Независимо от назначения, принципа действия и схемотехнического

выполнения автогенератор любых перечисленных колебаний (кроме

параметрических схем и схем на генераторных диодах) состоит из нелинейного усилителя, резонатора, цепи положительной обратной связи (ОС, точнее – ПОС) и источника энергии (источника питания постоянного тока). Обобщенная структурная схема автогенератора приведена на рис. 1.

Рис.1. Обобщенная структурная схема автогенератора

В этой схеме с помощью цепи ПОС часть мощности выходного сигнала из колебательной системы (колебательного контура) поступает на вход усилителя и после усиления в нём вновь возвращается в контур. При этом необходимо выполнение двух основных условий. Во-первых, количество дополнительной энергии, поступающей в контур, должно быть равно количеству энергии, теряемой в нём за счёт его активного сопротивления потерь элементов. Во-вторых, дополнительные колебания, поступающие по цепи ПОС на вход усилителя, должны совпадать по фазе с основными колебаниями.

Независимо от назначения и схемотехнического исполнения любой генератор (кроме параметрического) состоит из нелинейного усилителя, цепи положительной обратной связи и источника питания постоянного тока. Форма и частота выходных колебаний определяется только параметрами самого автогенератора, между тем как в генераторе с внешним возбуждением амплитуда и частота колебаний навязываются извне.

Рассмотрим условия самовозбуждения генератора гармонических колебаний. Для процесса возбуждения и генерирования колебаний часть их мощности с выхода усилителя (точнее, с колебательной системы) подаётся на его вход по цепи положительной обратной связи (ПОС). Иначе говоря, подобное устройство «возбуждает само себя» и поэтому называется генератором с самовозбуждением.

Механизм возникновения колебаний можно упрощённо трактовать следующим образом. В момент запуска (например, при включении напряжения питания) в колебательной системе автогенератора возникают слабые свободные колебания, обусловленные включением источников питания, коммутацией цепей, флуктуационными явлениями в токопроводящих цепях и т.п. Благодаря наличию специально введённой цепи положительной обратной связи (ПОС), часть энергии колебаний, возникающих на выходе усилителя, поступает на его вход. Ввиду наличия узкополосной (и обязательно высокодобротной) колебательной системы, все описанные процессы происходят на одной частоте и резко затухают на других частотах.

Вначале, после включения питания автогенератора, усиление сигнала происходит в линейном режиме, а затем, по мере роста амплитуды колебаний, существенную роль начинают играть нелинейные свойства усилительного элемента (УЭ).

Если мощность, отдаваемая усилительным элементом, превышает мощность, потребляемую колебательной системой (резонатором) и нагрузкой, т. е. выполняется условие самовозбуждения, то амплитуда любых малых колебаний начинают неограниченно возрастать. Однако по мере роста амплитуды существенную роль начинают играть нелинейные свойства усилительного элемента, в результате рост отдаваемой мощности замедляется и при некоторой амплитуде колебаний отдаваемая мощность оказывается равной потребляемой мощности. Это ведёт к тому, что амплитуда автоколебаний достигает некоторого установившегося значения и в дальнейшем остается практически постоянной. Ввиду наличия узкополосной (обязательно высокодобротной) колебательной системы описанные процессы происходят практически на одной частоте и резко затухают на других частотах. Наступает режим динамического равновесия, или стационарный режим работы автогенератора. Говорят, что при этом автогенератор работает в стационарном режиме.

Для теоретических описания и расчётов автогенератор гармонических

колебаний (как, впрочем, и колебаний любой формы и частоты) можно представить эквивалентной структурной схемой (рис. 2).

Рис. 2. Эквивалентная структурная схема автогенератора

Как видно, эта схема имеет в своём составе нелинейный резонансный усилитель с комплексным коэффициентом усиления и цепи положительной обратной связи с комплексным коэффициентом передачи по напряжению . В представленной схеме показаны комплексные амплитуды следующих напряжений:

· входного ;

· выходного ;

· обратной связи .

Выражение для напряжения обратной связи на любой частоте генерирования запишем в виде:

................ (1)

Тогда выходное напряжение , или с учётом (1):

........................ (2)

Как следует из соотношения (2), автогенератор будет работать в стационарном режиме при условии, что

..................................... (3)

Если же , то амплитуда выходных колебаний будет непрерывно нарастать, что определяет необходимое условие самовозбуждения генератора.

Представим формулу (3) следующим образом:

....... (4)

Здесь:

· и – действительные значения коэффициента усиления собственно усилителя (без цепи ПОС) и коэффициента передачи цепи ПОС;

· и – фазовые сдвиги, вносимые соответственно усилителем и цепью ПОС на генерируемой частоте .

В теории автогенераторов выражение (4) принято представлять в виде двух равенств:

.................... (5)

..................(6)

где – коэффициент усиления усилителя с обратной связью;

Соотношение (5) определяет условие баланса амплитуд в автогенераторе. Из него следует, что в стационарном режиме на генерируемой частоте коэффициент усиления усилителя с обратной связью .

Равенство (6) характеризует условие баланса фаз. Оно показывает, что в стационарном режиме суммарные фазовые сдвиги сигнала на частоте генерирования, создаваемые усилителем и цепью ПОС, должны быть равны (или кратны) .

В схемах автогенераторов гармонических колебаний, работающих в стационарном режиме, соотношения (5) и (6) выполняются на одной фиксированной частоте , которая является резонансной для узкополосной колебательной системы. При работе автогенератора релаксационных колебаний условия (5) и (6) должны выполняться для некоторой полосы частот.(до этого билет 5(2) и 14(2)).

Наиболее часто в автогенераторах гармонических колебаний в качестве узкополосных колебательных систем используются резонансные - контуры и частотно-зависимые (фазирующие) - цепи. Автогенераторы гармонических колебаний с резонансными контурами называют - генераторами, а с фазирующими - цепями – - генераторами. - генераторы способны вырабатывать колебания достаточно высокой частоты (более 100 кГц), а - генераторы используются для создания гармонических колебаний низкочастотного диапазона (от десятков кГц до единиц Гц).

---

Дата добавления: 2015-07-15