20355

АВТОГЕНЕРАТОРЫ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ АВТОКОЛЕБАНИЙ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

АВТОГЕНЕРАТОРЫ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ АВТОКОЛЕБАНИЙ 14. Стабильность частоты автогенератора 14. Различительным признаком может являться не само значение частоты генерируемых колебаний а тип используемых электрических цепей. 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.

Русский

2013-07-25

180.5 KB

136 чел.

10

Лекция 14. АВТОГЕНЕРАТОРЫ И СТАБИЛИЗАЦИЯ

ЧАСТОТЫ АВТОКОЛЕБАНИЙ

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.

Классификация АГ.

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:

Sy=Il/Uy=Iml/Uy,

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:

.    (14.2)

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:

; .   (14.5)

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)<0 при U>Uуст, α(U)>0 при U<Uуст, что эквивалентно следующему неравенству:

.    (14.6)

При выполнении (14.6) любое увеличение или уменьшение амплитуды U относительно Uуст возвращает систему в первоначальное состояние, что свидетельствует об устойчивости стационарного режима автоколебаний.

Полная электрическая схема однотактного транзисторного АГ с цепью питания и смещения приведена на рис. 14.5, а, двухтактного - на рис. 14.5, б.

Рис. 10.5. Схемы транзисторного АГ.

10.3. Стабильность частоты АГ

Параметры, характеризующие работу АГ, можно разбить на две группы. К первой относятся величины, определяющие энергетические свойства АГ - колебательную мощность и КПД. Во вторую группу входят параметры, характеризующие частотные свойства АГ:

  •  диапазон частот f1f2, в пределах которого возможна перестройка частоты;
  •  требуемое, номинальное значение частоты генерируемого сигнала fном;
  •  долговременная нестабильность частоты за определенный интервал времени;
  •  кратковременная нестабильность частоты и фазы сигнала;
  •  чистота спектра и уровень шума излучаемого сигнала.

Кратковременная нестабильность частоты и связанная с ней чистота спектра излучаемого сигнала в некоторых случаях играют решающую роль в определении свойств радиосистемы. Остановимся более подробно на данной проблеме.

Сигнал, генерируемый АГ, не является монохроматическим. Из-за различных физических причин происходят изменения амплитуды и фазы сигнала, которые носят как регулярный, так и случайный характер. В результате сигнал автогенератора можно представить в виде:

, (14.7)

где U1(t), 1(t) - функции, определяющие относительно медленные изменения амплитуды и фазы сигнала под влиянием внешних условий, например температуры окружающей среды; U2(t), 2(t) - функции, определяющие периодические изменения амплитуды и фазы сигнала под влиянием пульсаций питающего напряжения или воздействия на аппаратуру механических вибраций; Uш(t), ш(t) - функции, описывающие случайные изменения амплитуды и фазы сигнала, обусловленные физическими процессами, протекающими в электронных приборах, например дробовыми флюктуациями потока носителей заряда.

На основании соотношения, связывающего частоту колебаний с фазой:

,     (14.8)

частота сигнала имеет те же составляющие, что и фаза:

,   (14.9)

где f1(t), f2(t), fш(t) - функции, соответственно описывающие медленные, периодические и случайные изменения частоты сигнала, первая из которых определяет долговременную нестабильность частоты, а две другие кратковременную.

Пример зависимости (14.9) приведен на рис. 14.6.

Рис. 14.6. График нестабильности частоты АГ.

Долговременная нестабильность частоты за период времени 0…t0 определяется как усредненное значение по N измерениям или как максимальное отклонение частоты от номинального значения:

 или   . (14.10)

Норма на долговременную нестабильность частоты составляет для современных радиотехнических систем  

1-я составляющая кратковременной нестабильности при  есть амплитуда колебаний частоты ;

2-я составляющая кратковременной нестабильности есть среднеквадратическое значение флуктуации частоты относительного среднего значения, обозначаемая как .

Действие случайного сигнала приводит к модуляции шумом амплитуды и частоты несущих колебаний и размытию спектральной линии сигнала АГ. Источником этого шума является активное сопротивление потерь колебательной системы и поток носителей заряда электронного прибора. Второй фактор превалирует над первым, так как мощность тепловых шумов активных сопротивлений значительно меньше мощности шума электронного прибора.

Факторы, влияющие на стабильность частоты АГ, называются дестабилизирующими (внутренние и внешние). К внутренним относятся: неточность первоначальной установки частоты, изменение питающего напряжения, влияние нагрузки, прогрев элементов под действием выделяемого тепла в схеме, деградация элементов, ведущая к изменению их параметров со временем. К внешним: изменение температуры, влажности, давления окружающей среды; механические воздействия, например вибрация.

Общие рекомендации по улучшению стабильности частоты АГ:

– мощность АГ не должна превышать 10…20 МВт;

– связь с нагрузкой должна быть ослаблена;

– питающие напряжения должны быть стабилизированы не хуже 1 - 2%;

– влияние влажности и давления должно быть устранено герметизацией АГ;

– влияние температуры должно быть уменьшено термостатированием  АГ;

– добротность колебательной системы должна быть максимально высокой.

Остановимся более подробно на двух последних вопросах.

Влияние температуры на нестабильность частоты. Рассмотрим, как меняется резонансная частота параллельного колебательного контура, определяющего частоту автоколебаний:

,    (14.11)

при малом изменении индуктивности L и емкости С. Разложив функцию (14.11) в ряд Тейлора, для изменения частоты получим:

,       (14.12)

где f0 определяется согласно (14.11).

Поделив левую и правую части (14.12) на изменение температуры t, получим:

или ,  (14.13)

где ; .

ТКЧ, ТКЕ, ТКИ - называются соответственно температурными коэффициентами частоты, емкости и индуктивности, определяющие относительное изменение данного параметра при изменении температуры на 1.

При известном перепаде температур t согласно (14.13) для относительной нестабильности частоты получим:

.   (14.14)

Из (14.14) следует, что влияние температуры на нестабильность частоты можно понизить или путем уменьшения t, для чего АГ помещают в камеру специального термостата, в которой поддерживается постоянная температура с точностью до 0,5…1°С, или за счет снижения ТКЧ. Во втором случае применяется способ термокомпенсации, состоящий в подборе элементов с разными значениями температурных коэффициентов. Например, включив в контур два параллельно соединенных конденсатора (рис. 14.7), получим:

, (14.15)

где ТКЕ1, ТКЕ2 - температурные коэффициенты соответственно конденсаторов С1 и С2. Выбрав конденсаторы с разными знаками их ТКЕ и установив определенное соотношение между С1 и С2, можно на порядок понизить ТКЧ.

Рис. 14.7. Снижение ТКЧ параллельным включением конденсаторов с разными знаками ТКЕ.

Влияние добротности колебательной системы на нестабильность частоты. Обратимся к уравнению баланса фаз (14.4), согласно которому в АГ устанавливается суммарный фазовый сдвиг, равный 2. Предположим, что под действием какого-либо дестабилизирующего фактора, фаза коэффициента обратной связи изменилась на к. Тогда благодаря свойству АГ поддерживать автоматически баланс фаз на том же уровне, но с обратным знаком, изменится и фаза колебательной системы, а уравнение (14.4) примет вид:

.   (14.16)

Определим влияние изменения фазы на частоту автоколебаний. В параллельном контуре зависимость фазы от частоты имеет вид (рис. 14.8):

.                        (14.17)

При экв/6 согласно (14.17) относительная нестабильность частоты:

.                    (14.18)

Рис. 14.8.

Из (14.18) и графиков на рис. 14.8 видно, что при одном и том же значении нестабильности фазы экв нестабильность частоты  получается меньше при большей добротности Q колебательной системы.

Для уменьшения нестабильности частоты АГ необходимо снижать ТКЧ и увеличивать добротность Q системы.

Синхронизация АГ. Синхронизация - особый режим АГ, при котором на него воздействует внешний сигнал. При этом частота колебаний АГ равна частоте внешнего сигнала в определенной полосе синхронизации:

,    (14.19)

где k<<1 - коэффициент; f0 - центральная частота; Q - добротность колебательной системы; Рвх - мощность входного сигнала; Рг - мощность АГ.

Режим синхронизации совмещает генерацию и усиления сигнала.

10.4. Кварцевые АГ

Для получения высокой точности и стабильности частоты колебаний в АГ в качестве резонатора используется кварц. Такие АГ называются кварцевыми. Кварц относится к числу кристаллов, обладающих свойствами прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта. Помещенный в электрическое поле высокой частоты кварц испытывает периодические механические деформации (явление обратного пьезоэффекта), что, в свою очередь, вызывает появление электрических зарядов на его гранях (явление прямого пьезоэффекта). Свойством пьезоэффекта обладают кристаллы более 100 веществ. Среди них наиболее стабильны параметры у кварца. Вблизи резонансных частот кварц можно заменить контуром с сосредоточенными параметрами (рис. 14.9).

Рис. 14.9. Эквивалентная схема замещения кварца.

Различные виды механических колебаний в кварцевой пластине могут происходить на основной частоте или одной из нечетных гармоник. Кристалл кварца имеет три оси симметрии - оптическую, электрическую и механическую. В зависимости от того, под каким углом к этим осям вырезана пластина, различают несколько видов среза кварца.

Геометрические размеры, вид колебаний и тип среза пластины определяют электрические параметры кварцевого резонатора: частоту последовательного резонанса 1, добротность Q, отношение емкостей Ck/C0, температурный коэффициент частоты ТКЧкв и допустимую мощность рассеивания. Максимальная частота кварцевых резонаторов достигает 150 МГц и более. Широкое применение находят кварцы, возбуждаемые на 3–7-й механической гармонике с частотой до 60…70 МГц.

Определим основные параметры и зависимость эквивалентного сопротивления кварца от частоты вблизи его резонансных частот  (частота последовательного резонанса) и  (частота параллельного резонанса).

Для проводимости кварца согласно схеме на рис. 14.9 имеем:

,  (14.20)

где  - добротность кварцевого резонатора.

Благодаря большому значению Lk и малому Ck характеристическое сопротивление кв и добротность кварцевого резонатора Qкв достигают значений ( Ом, ), на несколько порядков превышающих эти параметры у обычных контуров. У специальных кварцевых резонаторов величина Qкв составляет даже (3…6)106. Большая добротность определяет высокую крутизну фазовой характеристики кварца вблизи его резонансных частот:

              (14.21)

где =1 - абсолютная расстройка.

Для эквивалентного сопротивления кварца из (14.20) получим:

. (14.22)

Результаты расчета характеристик кварца (с параметрами С=0,25 пФ; L=0,2 мГн; r:=10 Ом; С0=8 пФ) приведены на рис. 14.10.

Рис. 14.10. Зависимости от частоты активной и реактивной составляющих эквивалентного сопротивления кварца и фазового угла.

На частоте последовательного резонанса 1 сопротивление кварца мало Zкв=rk; на частоте параллельного 2 возрастает до величины . Между частотами 1 и 2 сопротивление кварца носит индуктивный характер, за пределами этих частот - емкостной. При переходе через резонансные частоты фаза благодаря высокой добротности скачком меняется на 180° (14.21).

Значение ТКЧ серийно выпускаемых кварцевых резонаторов находится в пределах (0,5…2)106, а у специальных кварцев - 10-7 в определенном интервале температур. Значение ТКЧ зависит от угла среза и является нелинейной функцией температуры. Благодаря высокой добротности и малому значению ТКЧ кварцевого резонатора нестабильность частоты АГ мала (10-6 при размещении кварцевого резонатора в термостате), а в особых случаях - 10-8…10-9.

Автоколебания в кварцевом резонаторе возможны на частотах, соответствующих высокому значению крутизны фазовой характеристики, т.е. вблизи 1 или 2. Наиболее предпочтительна схема с использованием возбуждения на частоте 1 и с включением кварцевого резонатора в цепь обратной связи (рис. 14.11, а).

Рис. 14.11.Схемы АГ с включением кварцевого резонатора в цепь обратной связи.

Поскольку на частоте 1 кварцевый резонатор имеет малое сопротивление rk, то цепь обратной связи оказывается замкнутой и возможны автоколебания с частотой 1. Для всех остальных частот сопротивление кварца велико (рис. 14.10), цепь обратной связи оказывается разомкнутой, и автоколебания возникнуть не могут. Другая схема кварцевого АГ интегрального типа приведена на рис. 14.11, б. В ней сдвиг сигнала на 180° для соблюдения условия баланса фаз достигается за счет запаздывания сигнала в кварцевом резонаторе.

14.5. Контрольные вопросы

1. В чем состоит назначение АГ?

2. По каким признакам производится классификация АГ?

3. Напишите уравнения баланса амплитуд и фаз в АГ.

4. Как графически определяется установившийся режим работы АГ?

5. Нарисуйте две трехточечные схемы транзисторных АГ.

6. Как определяется абсолютная и относительная нестабильность частоты?

7. Как определяется долговременная и кратковременная нестабильность частоты?

8. Перечислите внешние дестабилизирующие факторы.

9. Перечислите внутренние дестабилизирующие факторы.

10. Как на нестабильность частоты влияет температура среды? Как определяется ТКЧ?

11. Что такое термокомпенсация и термостабилизация? Как с их помощью улучшается стабильность частоты АГ?

12. Как нестабильность частоты зависит от добротности контура?

13. Что означает синхронизация частоты АГ?

14. Как выглядит эквивалентная схема кварцевого резонатора?

15. Какие свойства кварца обеспечивают высокую стабильность частоты?

16. Нарисуйте схему АГ с кварцем в цепь обратной связи. Поясните работу схемы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59266. Розцвіла верба – прийшла справжня весна 30 KB
  Ми чекаємо коли весна прижене холод устелить землю травичкою уквітчає квітами а пташки наповнять ліс веселими співами. Весела гарна кучерява маленька дівчинка Весна Біжить сміється сіє трави І пісня ллється голосна.
59267. Сценарій проведення спортивного свята 35 KB
  Дорога класна родино гості Сьогодні як і щорічно ми зібралися на наше улюблене фізкультурнохудожнє свято щоб позмагатись у силі спритності і просто відпочити. Вчитель фізкультури: Учасники змагань слухайте мою команду.
59268. A HAPPY NEW YEAR 49.5 KB
  Another popular way of celebrating the New Year is to go to a New Year’s dance. Most hotels and dance halls hold a special dance on New Year’s Eve. The hall is decorated, there are several different bands and the atmosphere is very gay.
59269. У гості до колобка 25.5 KB
  Вчити фіксувати характерні особливості персонажів: Колобок круглий він котиться Ведмедик клишоногий перевальцем ходить Лисичка руденька хитра; долати перешкоди: купи хмизу горбочки та пеньки у лісі.
59270. Ой єсть в лісі калина 33.5 KB
  З чим тебе порівняти Чи з весняним ранком чи з бездонним небом чи з веселим шумом червоної калини Гарна калина в усі пори року. Червона калина символ України. Галузочка до галузки зацвіла калина.
59271. Методрозробка практичного заняття з латинської мови 75 KB
  Навчальна мета: навчити студентів правильно читати латинські слова з вмінням вірного пояснення вимови голосних дифтонгів; правильно читати медичні терміни у склад яких входить буква –у і.
59272. Люблю рідну матусю 50 KB
  Непорочна як лілея біла Із ДитяткомНемовлятком Пречистая Діва. Друга мати це найкраща на світі країна Земля наша наша славна НенькаУкраїна. Третя мати що ж про неї гарного сказати Це ласкава люба мила рідна моя мати.
59273. Структура (Розробка) проведення уроку у добукварний період. Буква Р 27 KB
  Звуковий та звукобуквенний аналіз слів. Вдосконалювати навички звуко-буквенного аналізу слів творити різні форми слова складати речення з власними назвами моделювати ці речення.
59274. Сценарій урочистої шкільної лінійки 48.5 KB
  Що велике це свято, велике, бо ж глянь скільки народу зібралося. А радісне яке... Що й в двох словах не передаси. Як згадаю ті недоспані ночі, важкенні контрольні, незрозумілі приклади і задачі, каверзні формули і диктанти...