Схемы автогенераторов. Общий принцип стабилизации частоты колебаний

120

20

Реферат

На тему: «СХЕМЫ АВТОГЕНЕРАТОРОВ. ОБЩИЙ ПРИНЦИП СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ»

Содержание

1. Схемы автогенераторов

2. Задача стабилизации частоты автогенератора

Библиографический список

1. Схемы автогенераторов

Автогенератор с автотрансформаторной обратной связью

Схема генератора представлена на рисунке 1

Рис. 1 Автогенератор с автотрансформаторной ОС

В этой схеме индуктивность L_БЭ по переменному току включена между базой и эмиттером, индуктивность L_КЭ - между коллектором и эмиттером, а емкость С_К - между коллектором и базой. Таким образом, правило построения индуктивной трехточки выполнено и, значит, выполняется фазовое условие самовозбуждения. Конденсатор С_Б предотвращает непосредственную связь источника Е_К с базой транзистора по постоянному току. Конденсатор С_БЛ шунтирует источник питания по переменному току, исключая потери энергии на его внутреннем сопротивлении. Конденсатор С_Р разделяет генератор и его нагрузку по постоянному току.

Амплитудное условие самовозбуждения достигается выбором

где К_РЕЗ = S p²R_Э0 - коэффициент усиления на резонансной частоте контура;

S - крутизна проходной характеристики в рабочей точке, определяемой величиной начального смещения на эмиттерном переходе;

- коэффициент включения контура в коллекторную цепь;

R_Э0 = Q - резонансное сопротивление контура.

Коэффициент обратной связи на резонансной частоте

(8.43)

Это же соотношение можно получить, используя выражения (8.40) и (8.41), полученные для обобщенной схемы трехточечного автогенератора

Частота генерируемых колебаний определяется из уравнения баланса фаз _S + _ОС + _Z = 0.

Если _S = 180, _ОС = 180, то _Z = 0 и частота генератора

(8.44)

При рассмотрении схемы не учитывались паразитные параметры - междуэлектродные емкости и инерционность усилительного элемента. Поэтому коэффициент обратной связи оказался независимым от частоты, что справедливо при относительно невысоких частотах (в половину меньших граничной частоты транзистора). С повышением частоты схема замещения автогенератора усложняется, и коэффициент обратной связи должен рассматриваться с учетом перечисленных факторов.

Амплитуда генерируемых колебаний определяется из уравнения баланса амплитуд

Регулировка амплитуды колебаний производится изменением величины коэффициента обратной связи , т. е. точки подключения эмиттера к контуру по переменному току. Кроме того, для осуществления плавной регулировки необходимо, чтобы контурная катушка имела не менее 20 витков и однослойную намотку.

Достоинства схемы заключаются в возможности применения в диапазоне весьма высоких радиочастот (УКВ).

Недостатком автогенератора является невозможность заземлить ротор конденсатора переменной емкости.

Автогенератор с емкостной обратной связью

Схема генератора представлена на рисунке 2

В этой схеме контур составлен из элементов L_K, C_КЭ, С_БЭ, причем между базой и эмиттером включена емкость С_БЭ, между коллектором и эмиттером - емкость С_КЭ, а между коллектором и базой - индуктивность L_К, значит правило построения емкостной трехточки выполнено, чем гарантировано выполнение фазового условия самовозбуждения.

Рис. 2 Автогенератор с емкостной обратной связью

Последовательное питание коллекторной цепи в емкостной трехточке реализовать не удается ввиду того, что нет пути протекания постоянному току через контур. Поэтому применено параллельное питание, включающее элементы фильтра С_БЛ, С_Р1 и L_ДР.

Амплитудное условие самовозбуждения достигается выбором

где К_РЕЗ = S p²R_Э0 - коэффициент усиления на резонансной частоте контура;

S - крутизна проходной характеристики в рабочей точке, определяемой величиной начального смещения на эмиттерном переходе, обеспечиваемым базовым делителем R_Б1, R_Б2;

- коэффициент включения контура в коллекторную цепь;

R_Э0 = Q - резонансное сопротивление контура.

Коэффициент обратной связи на резонансной частоте контура

Частота генерируемых колебаний определяется из уравнения баланса фаз, и пока транзистор можно считать безынерционным, примерно равна резонансной частоте контура

где

Для регулировки частоты колебаний ставится конденсатор переменной емкости С_К параллельно катушке контура, тогда

Амплитуда генерируемых колебаний определяется из уравнения баланса амплитуд

Регулировка амплитуды колебаний осуществляется изменением величины , т. е. изменением емкостей С_БЭ, либо С_КЭ. Катушка контура не должна иметь отводов (должна быть многослойной или с малым числом витков).

Достоинства схемы заключаются в возможности плавной регулировки амплитуды колебаний и использовании автогенератора в диапазоне весьма высоких радиочастот (КВ и УКВ).

Недостатками являются необходимость применения параллельного питания коллекторной цепи и невозможности заземления ротора конденсатора переменной емкости С_К.

RC-генераторы

RC-генератором называют генератор гармонических колебаний, в котором вместо колебательной системы, содержащей элементы L и С, применяется резистивно-емкостная цепь (RC-цепь), обладающая частотной избирательностью.

Исключение из схемы катушек индуктивности позволяет существенно уменьшить габариты и массу генератора, особенно на низких частотах, так как с понижением частоты резко увеличиваются размеры катушек индуктивности. Важным достоинством RC-генераторов по сравнению с LC-генераторами является возможность их изготовления по интегральной технологии. Однако RC-генераторы имеют низкую стабильность частоты генерируемых колебаний, обусловленную низкой добротностью RC-цепей, а также плохую форму колебаний в силу плохой фильтрации высших гармоник в спектре выходного колебания.

RC-генераторы могут работать в широком диапазоне частот (от долей герца до десятков мегагерц), однако нашли применение в аппаратуре связи и измерительной технике преимущественно на низких частотах.

Основы теории RC-генераторов были разработаны советскими учеными В. П. Асеевым, К. Ф. Теодорчиком, Э. О. Сааковым, В. Г. Криксуновым и др.

RC-генератор обычно включает в себя широкополосный усилитель, выполненный на лампе, транзисторе или интегральной схеме и RC-цепь обратной связи, обладающую избирательными свойствами и определяющую частоту колебаний. Усилитель компенсирует потери энергии в пассивных элементах и обеспечивает выполнение амплитудного условия самовозбуждения. Цепь обратной связи обеспечивает выполнение фазового условия самовозбуждения только на одной частоте. По виду цепи обратной связи RC-генераторы делятся на две группы:

с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи;

со сдвигом фазы в цепи обратной связи на 180.

Для улучшения формы генерируемых колебаний в RC-генераторах применяют элементы, обладающие нелинейностью, которые ограничивают нарастание амплитуды колебаний. Параметры такого элемента изменяются в зависимости от амплитуды колебаний, а не от их мгновенных значений (терморезистор, сопротивление которого зависит от степени нагрева проходящим через него током). При таком ограничении форма колебаний не меняется, они остаются гармоническими и в стационарном режиме.

Рассмотрим оба типа RC-автогенераторов.

Автогенератор со сдвигом фазы на 180 в цепи обратной связи.

Такой автогенератор еще называют автогенератором с трехзвенной цепью RC.

В схемах RC-генераторов со сдвигом фазы в цепи обратной связи на 180 используются усилители, инвертирующие фазу входного напряжения. В качестве такого усилителя может, например, использоваться операционный усилитель с инвертирующим входом, однокаскадный усилитель или многокаскадный усилитель с нечетным числом инвертирующих каскадов.

Для того, чтобы выполнялось уравнение баланса фаз, цепь обратной связи должна обеспечить фазовый сдвиг _ОС = 180.

Для обоснования структуры цепи обратной связи воспроизведем фазочастотные характеристики простейших RC-звеньев (рис. 3,4).

Рис. 3 Вариант RC-звена и его ФЧХ

Рис. 4 Вариант RC-звена и его ФЧХ

Из графиков видно, что одно простейшее RC-звено вносит сдвиг фаз, не превышающий 90. Поэтому сдвиг по фазе величиной 180 можно осуществить путем каскадного соединения трех элементарных RC-звеньев (рис.5).

Рис. 5 Схемы и ФЧХ трехзвенных RC-цепей

Элементы RC-цепи рассчитываются так, чтобы на частоте генерации получить сдвиг фаз 180. Один из вариантов генератора с трехзвенной цепью RC показан на рисунке 6

Рис. 6 Генератор с трехзвенной цепью RC

Генератор состоит из резистивного усилителя на транзисторе и цепи обратной связи. Однокаскадный усилитель с общим эмиттером осуществляет сдвиг фазы между напряжением на коллекторе и базе _К = 180. Следовательно, для выполнения баланса фаз цепь обратной связи должна обеспечивать на частоте генерируемых колебаний _ОС = 180.

Проведем анализ цепи обратной связи, для чего составим систему уравнений по методу контурных токов.

Решая полученную систему относительно коэффициента обратной связи , получим выражение

Из выражения следует, что фазовый сдвиг 180 получается в том случае, когда будет вещественной и отрицательной величиной, т. е.

,

следовательно, генерация возможна на частоте

На этой частоте модуль коэффициента обратной связи

Это означает, что для возбуждения автоколебаний коэффициент усилителя должен быть больше 29.

Выходное напряжение генератора обычно снимают с коллектора транзистора. Для получения колебаний гармонической формы в цепь эмиттера включен терморезистор R_Т с положительным температурным коэффициентом сопротивления. При увеличении амплитуды колебаний сопротивление R_Т возрастает и увеличивается глубина отрицательной обратной связи в усилителе по переменному току, соответственно, падает коэффициент усиления. Когда наступает стационарный режим колебаний (К = 1), усилитель остается линейным и искажения формы коллекторного тока не происходит.

Автогенератор с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи.

Характерной особенностью схем RC-генераторов с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи является использование в них усилителей, не инвертирующих фазу входного сигнала. В качестве такого усилителя может, например, использоваться операционный усилитель с неинвертирующим входом или многокаскадный усилитель с четным числом инвертирующих каскадов. Рассмотрим некоторые возможные варианты цепей обратной связи, обеспечивающих нулевой фазовый сдвиг (рис. 7).

Рис. 7 Варианты цепей ОС, обеспечивающие нулевой фазовый сдвиг

Они состоят из двух звеньев, одно из которых представляет RС-звено с положительным фазовым сдвигом, а второе - с отрицательным сдвигом фазы. В результате сложения ФЧХ на определенной частоте (частоте генерации) можно получить фазовый сдвиг, равный нулю.

На практике наиболее часто в качестве избирательной цепи с нулевым фазовым сдвигом применяют фазобалансный мост, или по-другому мост Вина (рис. 7 в), применение которого показано в схеме RC-генератора с нулевым фазовым сдвигом, выполненного на операционном усилителе (рис. 8).

Рис. 8 RC-генератор с нулевым фазовым сдвигом в цепи ОС

В этой схеме напряжение с выхода усилителя подается на его неинвертирующий вход через цепь обратной связи, образованную элементами моста Вина R₁C₁ и R ₂C₂. Резистивная цепочка RR_Т образует еще одну обратную связь - отрицательную, которая предназначена для ограничения нарастания амплитуды колебаний и сохранения их гармонической формы. Напряжение отрицательной обратной связи поступает на инвертирующий вход операционного усилителя. Терморезистор R_Т должен иметь отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Коэффициент передачи цепи обратной связи

должен быть вещественной и положительной величиной, а это возможно при выполнении равенства

Отсюда определяется частота генерируемых колебаний. Если R₁ = R₂ =R, C₁ = C₂ = C, то

Амплитудное условие самовозбуждения на частоте ₀ требует выполнения неравенства

При равенстве R₁ = R₂ = R и C₁ = C₂ = C коэффициент усиления К > 3.

Частоту колебаний можно изменять путем изменения сопротивлений R или емкостей конденсаторов С, входящих в состав моста Вина, а амплитуда колебаний регулируется сопротивлением R.

Основное преимущество RC-генераторов перед LC-генераторами заключается в том, что первые легче реализовать для низких частот. Например, если в схеме генератора с нулевым фазовым сдвигом в цепи обратной связи (рис. 8) R₁ = R₂ = 1 МОм, C₁ = C₂ = 1 мкФ, то генерируемая частота

.

Чтобы получить такую же частоту в LC-генераторе, потребовалась бы индуктивность L = 10¹⁶ Гн при С = 1 мкФ, что трудно осуществить.

В RC-генераторах можно, изменяя одновременно величины емкостей С₁ и С₂, получить более широкий диапазон перестройки частоты, чем это имеет место в LC-генераторах. Для LC-генераторов

в то время как для RC-генераторов, при С₁ = С₂

К недостаткам RC-генераторов следует отнести тот факт, что на относительно высоких частотах они труднее реализуются, чем LC-генераторы. Действительно, величину емкости нельзя снизить меньше емкости монтажа, а уменьшение сопротивлений резисторов приводит к падению коэффициента усиления, что затрудняет выполнение амплитудного условия самовозбуждения.

Перечисленные достоинства и недостатки RC-генераторов обусловили их применение в низкочастотном диапазоне с большим коэффициентом перекрытия по частоте.

2. Задача стабилизации частоты автогенераторов

Стабильность частоты автогенератора является одной из важнейших его характеристик, которая в значительной степени определяет надежность работы системы связи. В частности, высокая степень постоянства частоты обеспечивает возможность вхождения в связь без предварительного поиска корреспондента и ведение связи без подстройки.

Изменение частоты под воздействием различных дестабилизирующих факторов называется нестабильностью частоты.

Различают абсолютную нестабильность частоты, равную абсолютному значению отклонения частоты от её номинального значения

и относительную нестабильность, выражаемую отношением

,

где f - текущее (реальное) значение частоты;

f_НОМ - номинальное ( заданное) значение частоты.

Современная техника стабилизации частоты дает возможность достаточно просто обеспечить относительную нестабильность до 10^-4-10^-5. Широко распространены автогенераторы, имеющие f / f_НОМ = 10^-7-10^-8, а предельные возможности в настоящее время достигают 10^-16.

Вычислим ₀₀, имея в виду, что ₀ = 1/ задается параметрами избирательной системы автогенератора (колебательным контуром). Полный дифференциал от ₀ как функции двух переменных (С и L) равен

Заменяя дифференциалы приращениями, получим окончательно:

Знак "минус" в формуле означает, что увеличение (положительное приращение) индуктивности или емкости вызывает уменьшение частоты ₀.

Для обеспечения требуемой стабильности частоты необходимо применять комплекс специальных мер, направленных на ослабление влияния дестабилизирующих факторов на частоту колебаний автогенераторов:

параметрическая стабилизация - выбор схемы автогенератора и расчет элементов, позволяющих стабилизировать режимы работы транзистора (лампы);

термостабилизация - выбор элементов автогенератора с малыми температурными изменениями параметров; помещение колебательной системы или автогенератора в целом в термостат и т. д.;

термокомпенсация - выбор элементов L и С, имеющих температурные коэффициенты противоположных знаков и взаимно компенсирующимися отклонениями L и С; при термокомпенсации вводится температурный коэффициент частоты

определяемый через температурные коэффициенты индуктивности _L и емкости _С. Если элементы контура L и С выбраны так, что у них _L и _С равны по величине и противоположны по знаку, то _f = 0, т. е. исключается влияние температуры на частоту генерируемых колебаний;

кварцевая стабилизация частоты, основанная на использовании высокодобротных кварцевых резонаторов, что позволяет обеспечить долговременную стабильность частоты порядка 10^-6. При этом генераторы, содержащие в своем составе кварцевый резонатор выделяются в отдельную группу кварцевых генераторов;

стабилизация напряжения источников питания;

автоматическая стабилизация рабочего режима активных приборов, преследующая цель уменьшить влияние разброса параметров активных приборов на стабильность частоты;

применение специальных схем автогенераторов, позволяющих уменьшить влияние нестабильности нагрузки на частоту генерируемых колебаний, например, двухконтурные генераторы с электронной связью между контурами. Принцип их работы прост. Задающий частоту генератор собран на внутренней (входной) части электронного прибора, затем эти колебания усиливаются и выделяются внешним (выходным) колебательным контуром, настроенным на частоту внутреннего. Этим обеспечивается электронная связь между контурами и исключается влияние внешнего контура на частоту генерируемых колебаний внутренним контуром.

Один из вариантов такого автогенератора приведен на рисунке 8.57.

Рис. 9 Двухконтурный автогенератор с электронной связью

Современные требования, предъявляемые к стабильности частоты автогенераторов, постоянно растут. В связи с этим необходимо применять комплекс вышеперечисленных мер по стабилизации частоты, чтобы обеспечить заданные требования.

Библиографический список

1. Богданов Н. Г., Лисичкин В. Г. Основы радиотехники и электроники. Часть 8, 2000г..

2. Никольский И. Н., Хопов В. Б., Варокосин Н. П., Григорьев В. А., Колесников А. А. Нелинейные радиотехнические устройства связи, 1972.