Генератор электрических колебаний высокой частоты (стр. 1 из 4)
Введение
Для передачи сигналов электросвязи необходимо иметь генератор электрических колебаний высокой частоты- устройство, преобразующее энергию источника постоянного напряжения в энергию колебаний. Существуют генераторы с внешним возбуждением, в которых незатухающие колебания получают от внешнего источника, и генераторы с самовозбуждением (автогенераторы), для которых внешний источник не нужен. Колебания, получаемые в автогенераторах, называют автоколебаниями. Эти колебания могут быть гармоническими (синусоидальными) или релаксационными (несинусоидальными). Автогенераторы применяют не только в передающей, но и в приемной аппаратуре: в преобразователях частоты, демодуляторах и т.д. Независимо от назначения автогенераторов, они должны удовлетворять следующим общим требованиям: иметь достаточно высокое постоянство (стабильность) частоты колебаний и выходной мощности, а также возможно близкую с синусоидальной форму выходного напряжения. Для выполнения этих требований в схемах автогенераторов применяют ряд специальных мер.
1. Принципы работы автогенератора
1.1 Структурная схема автогенератора
В простейшем случае высокочастотные колебания можно получать с помощью обычного колебательного контура. Предположим, что контур получил от постоянного источника некоторый первоначальный запас энергии. При этом в нем возникают свободные (собственные) затухающие колебания. Чтобы сделать их незатухающими, необходимо все время пополнять запас энергии в контуре, поскольку часть её процессе колебаний необратимо преобразовать в тепло.
Реализовать источник энергии, необходимый для получения незатухающих колебаний в контуре, можно с помощью устройства рис. №1
Рис.№1. Структурная схема LC-автогенератора
Схема содержит усилительный элемент 1 (электронную лампу или транзистор), нагрузкой которого является колебательная система 2, например, колебательный контур с сосредоточенными параметрами. Часть напряжения с контура через цепь обратной связи 3 поступает на вход усилительного элемента. Устройство получает питание от источника напряжения 4.
Напряжение свободных колебаний, поступающих через элемент 3 на вход элемента 1, усиливается им и вновь подается на колебательную систему. Это напряжение должно быть после усиления достаточным для компенсации потерь в контуре. Кроме этого, цепь обратной связи должна вызывать такой сдвиг фазы колебаний, поступающих на вход элемента 1, при котором контур будет своевременно, т.е. в такт со свободными колебаниями в нем, получать энергию. При одновременном выполнении указанных условий данное устройство создает (генерирует) незатухающие колебания, т.е. представляет собой автогенератор.
1.2 Процесс самовозбуждения
В момент включения источника питания во всех цепях генератора проходят кратковременные импульсы токов. Так как одиночный импульс образует сплошной спектр колебаний, частота одного из них обязательно совпадает с собственной частотой колебательной системы генератора. Это колебание возбудит колебательную систему, и по цепи обратной связи на управляющий электрод усилительного элемента поступит напряжение данной частоты. Под действием этого напряжения выходной ток усилительного элемента станет изменяться с той же частотой. Переменная составляющая тока, проходя через колебательную систему, будет усиливать возникшие в ней колебания. Амплитуда колебаний будет нарастать до тех пор, пока энергия, поступающая в колебательную систему, станет равной энергии потерь, после чего схема переходит в стационарный режим, характеризующийся постоянной или стационарной амплитудой колебаний.
Если контуру сообщить некоторый первоначальный запас энергии, в нем возникают затухающие колебания. При подключении к контуру нагрузки, имеющий активное сопротивление, скорость затухания колебаний увеличивается, что свидетельствует об увеличении потерь в нем. Следовательно, можно считать, что если энергия потребляется от контура, в него как бы вноситься положительное активное сопротивление R+, увеличивающее сопротивление потерь контура Rп. Если же энергия поступает в контур, это эквивалентно уменьшению потерь в контуре, т.е. как бы внесению в него отрицательного активного сопротивления R-.
В колебательную систему автогенератора энергия поступает от усилительного элемента (отрицательное сопротивление) и одновременно потребляется цепью обратной связи и нагрузкой (положительное сопротивление). Следовательно, в колебательную систему вноситься некоторое эквивалентное сопротивление Rэк=R+ - R-. Если же знак этого сопротивления положительный (Rэк>0), потери в колебательной системе увеличиваются и колебания быстро затухают; если знак отрицательный (Rэк<0) и кроме этого
< Rп, происходит частичная компенсация потерь и скорость затухания колебаний уменьшается. При Rэк<0 и > Rп энергия, поступающая в колебательную систему, больше энергии потерь, что приводит к непрерывному росту амплитуды колебаний. В стационарном режиме работы автогенератора отрицательное вносимое сопротивление становиться равным (по модулю) сопротивлению потерь колебательной системы. Это означает, что поступающая в неё энергия полностью компенсирует потери, вследствие чего амплитуда автоколебаний становится постоянной.2. Условия самовозбуждения автогенератора
2.1 Баланс амплитуд и фаз
Разомкнем в точках 1-1 рис. №1 цепь обратной связи и запишем выражение для коэффициента усиления усилителя:
Kус=
= Kусexp iψус,где Umвых и Umвх- соответсвенно комплексные амплитуды выходного и входного напряжения;
Kус=
- модуль коэффициента усиления;ψус- его аргумент, учитывающий сдвиг фаз между входным и выходным напряжением усилителя. Предположим, что в качестве колебательной системы использован одиночный колебательный контур, резонансное сопротивление которого Rрез. Тогда
Umвых=Im1Rрез,
где Im1- амплитуда первой гармоники выходного тока усилительного прибора. Связь между значениями Im1 и Umвх устанавливается с помощью соотношения Im1≈Sср Umвх, в котором Sср – средняя крутизна вольт-амперной характеристики усилительного элемента. В любом реальном усилителе эта характеристика нелинейная, поэтому средняя крутизна Sср зависит от амплитуды входного напряжения Umвх. Так, при малых значениях Umвх крутизна характеристики Sср практически равна статической крутизне в рабочей точке, при увеличении Umвх она уменьшается.
Подставляя значение Im1 из последнего уравнения в выражение для Umвых, получаем:
Umвых= Sср Umвх Rрез.
Тогда
Kус= Sср Rрез и Kус= Sср Rрез exp jψус.
Коэффициент передачи цепи обратной связи
Kус=
= Kо.с.exp jψо.с.,где Kо.с. =
– модуль коэффициента передачи; ψо.с. – его аргумент, определяющий сдвиг фаз между входным напряжением цепи обратной связи.Результирующий коэффициент передачи усилителя, охваченного обратной связью, К=КусКос. Если в колебательной системе установятся синусоидальные колебания с постоянной амплитудой (стационарный режим),
К=КусКос=
= 1 (1)Подставляя в уравнение (1) значения Кус и Kо.с., получаем
K= Sср Rрез exp(jψус) Кос exp (jψо.с)= Кос Sср Rрез exp[j(ψус+ ψо.с)]=1. (2)
Уравнение (2) выражает условие стационарности автогенератора. Это уравнение распадается на два:
Кос Sср Rрез = 1, или КосКус=1 (3)
ψус+ ψо.с=0; 2π 4π; … (4)
1.Условие баланса амплитуд.
Соотношения (3) называют условием баланса амплитуд: в стационарном режиме коэффициент передачи по замкнутому кольцу генератора (элементы 1-3 на рис.№ 1) равен единице. В этом условии величины Кос и Rрез не зависят от амплитуды напряжения на входе усилительного элемента, а Sср- зависит (с увеличением Umвх средняя крутизна Sср уменьшается). Следовательно, условие баланса амплитуд выполняется лишь при определенном значении Umвх, т.е. при определенной амплитуде колебаний Umвых. Из (3) получаем
Кос = . (5)
Если Кос>, амплитуда колебаний на выходе автогенератора нарастает до тех пор, пока вновь не выполниться условие (3). При Кос< возникновение колебаний невозможно, поскольку энергия, поступающая в колебательную систему, недостаточна для компенсации потерь. Таким образом, условие баланса амплитуд определяет, с одной стороны, стационарную амплитуду выходных колебаний, а с другой – наименьший коэффициент передачи цепи обратной связи, обеспечивающий самовозбуждение генератора. Этот коэффициент Ко.с.кр называют критическими. Надежное самовозбуждение генератора возможно только при Кос> Ко.с.кр.
2. Условие баланса фаз.
Это условие определяется (4): в стационарном режиме суммарный угол сдвига фаз при обходе замкнутого кольца автогенератора должен быть равен нулю или целому числу 2π.
В цепях автогенератора могут быть следующие сдвиги фаз.