Основные теоретические сведения

Исследование автогенераторов гармонических колебаний

Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд предназначен для исследования

· схем автогенераторов с кварцевой стабилизацией частоты и без нее;

· регулировочных и нагрузочных характеристик автогенераторов;

· диаграмм срыва колебаний;

· влияния фазы коэффициента обратной связи на частоту колебаний автогенераторов;

· влияния напряжения источника питания на частоту генерируемых колебаний;

· особенностей прямого метода осуществления частотной модуляции;

· статической и динамической модуляционных характеристик.

· кратковременной и средневременной нестабильности частоты.

Лицевая панель лабораторного стенда включает его упрощенную схему и необходимые вспомогательные элементы. Любая из исследуемых схем автогенераторов может быть "собрана" с помощью электронных ключей, управление которыми осуществляется при помощи кнопки ТИП СХЕМЫ, расположенной в нижней части лицевой панели путем ее однократного нажатия и удержания в течение 0,2 с. Состояние ключей индицируется соответствующими светодиодами. Лабораторный стенд помимо исследуемого устройства включает в себя регулируемый по амплитуде генератор модулирующего сигнала и мультиметр, позволяющий измерять токи, напряжения и частоту в контрольных точках исследуемого генератора и значение девиации частоты выходного сигнала. При измерении переменных токов и напряжений выводится их амплитудные значения. Подключение мультиметра к необходимой контрольной точке осуществляется с помощью кнопок, расположенных под жидкокристаллическим дисплеем, отображающим измеряемую величину и ее значение. Левая и правая кнопки позволяют "перелистывать" страницы дисплея назад и вперед. Средняя кнопка предназначена для запуска встроенного частотомера. Генератор модулирующего сигнала (ГЕНЕРАТОР G1) с помощью кнопки, расположенной в поле частот, обеспечивает дискретное изменение частоты от 10 Гц до 18 кГц (16 значений) и плавную регулировку амплитуды с помощью потенциометра, расположенного в поле генератора. Регулировка базового смещения, напряжения коллекторного питания и управляющего напряжения осуществляется с помощью потенциометров , и Еупр.

В лабораторном стенде предусмотрена возможность подключения двухлучевого осциллографа к необходимым контрольным точкам с помощью соответствующих разъемов, выведенных на заднюю панель стенда. При этом в канал 1 подается сигнал, пропорциональный переменной составляющей коллекторного напряжения, а в канал 2 – напряжению на эмиттере. В левом верхнем углу лицевой панели расположен выключатель (СЕТЬ), обеспечивающий включение стенда.

Основные теоретические сведения

Автогенераторы (АГ), так же как и генераторы с внешним возбуждением, являются преобразователями энергии постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний высокой частоты. В то же время принципиальным отличием АГ от ГВВ является то, что в них сигнал возбуждения не подается на генераторный прибор от внешнего источника, а частота и амплитуда генерируемых колебаний определяется только свойствами самих АГ.

АГ находят широкое применение в возбудителях радиопередатчиков, гетеродинах приемников, в радиолокационной и радионавигационной аппаратуре, в устройствах измерительной техники, установках промышленного использования токов высоких и сверхвысоких частот и т.п. Естественно, что и требования, предъявляемые к АГ в зависимости от их назначения, могут быть самыми разнообразными. Однако основным требованием, всегда предъявляемым к АГ вне зависимости от области его применения, является стабильность частоты генерируемых им колебаний.

Во многих случаях АГ должен допускать возможность целенаправленного изменения частоты генерируемых колебаний, например, при переходе передатчика с одной рабочей частоты на другую, или в случае использования различных видов угловой модуляции или манипуляции.

Основными элементами АГ гармонических колебаний, так же как и ГВВ, являются генераторный прибор (ГП) и колебательная система (КС). В качестве ГП обычно используются трех- и четырехполюсные генераторные приборы (биполярные и полевые транзисторы, электронные лампы, микросхемы, многокаскадные усилители) или двухполюсные ГП (диоды Ганна, лавинно-пролетные и туннельные диоды). Вне зависимости от типа используемого ГП его назначение - компенсировать затухание колебаний в КС за счет введения в нее порций энергии от источника питания постоянного тока, что можно трактовать как подключение к КС отрицательного дифференциального сопротивления, компенсирующего сопротивление потерь. В случае использования двухполюсного ГП источник питания обеспечивает его работу на участке вольтамперной характеристики с отрицательной крутизной. В трехполюсных ГП отрицательная крутизна их динамических характеристик в выходной системе координат создается за счет внешней положительной обратной связи.

Анализ установившегося режима работы АГ проведем применительно к автогенераторам с положительной обратной связью. Поскольку амплитудные и фазовые соотношения в АГ лишь в незначительной степени будут определяться выбранной схемой питания по постоянному току, в дальнейшем, там, где в этом нет необходимости, в схемах АГ источников питания указывать не будем.

С учетом сказанного, АГ может быть представлен в виде каскадного соединения двух четырехполюсников, первым из которых является ГП, а вторым -КС. При этом выходные клеммы КС следует соединить с входными клеммами ГП (рис.1).

Будем считать, что в АГ используется "идеальный" ГП, входная и выходная проводимости которого близки к нулю. Для получения ГП с такими свойствами достаточно включить указанные проводимости реального ГП в состав КС. Предположим также, что переменные составляющие напряжения и являются близкими к моногармоническим, а комплексная амплитуда первой гармоники выходного тока связана с комплексной амплитудой входного воздействия зависимостью , где средняя крутизна генераторного прибора.

Если ключ разомкнут, схема рис.1 полностью совпадает со схемой генератора со внешним возбуждением. Подадим на вход такого генератора гармоническое напряжение с комплексной амплитудой . Кроме того, выберем такие параметры колебательной системы, чтобы в установившемся режиме напряжение на выходе КС имело комплексную амплитуду:

(1)

Тогда одновременное отключение источника возбуждения от ГП и замыкание ключа не должно, по крайней мере, в первый момент привести к изменению токов и напряжений в схеме. Иными словами, генератор останется в состоянии равновесия.

Рассмотрим, какими свойствами, кроме отмеченных выше, должны обладать ГП и КС для выполнения условия равновесия (1). Для этого, обозначив и учитывая, что , нетрудно найти

, (2)

где - комплексное входное сопротивление КС, - коэффициент обратной связи.

Подставив (2) в (1), получим следующую форму записи уравнения равновесия:

(3)

Часто более удобной оказывается другая запись уравнения (3):

. (4)

Здесь - управляющее сопротивление, представляющее собой параметр, характеризующий свойства линейной части АГ и имеющий размерность сопротивления.

В общем случае все сомножители, входящие в (3), являются комплексными, то есть,

; ; ,

где , , - соответственно фазовые углы средней крутизны, эквивалентного сопротивления КС и коэффициента обратной связи. Поэтому уравнение (3) является комплексным уравнением вида

Запишем его в виде двух вещественных уравнений:

(5.a)

, (6.a)

Аналогичным образом можно поступить и, используя запись уравнения равновесия в форме (4), то есть,

, (5.б)

; , (6.б)

где .

Уравнения (5.а) и (5.б) носят название уравнений баланса амплитуд, а (6.а) и (6.б) - баланса фаз. Для большинства схем автогенераторов . Исключение составляют АГ, в которых сигнал в цепях ГП и КС запаздывает на один или несколько периодов.

Полученные уравнения равновесия при любой форме их записи показывают только возможность существования в АГ стационарного состояния и в этом смысле их выполнение является необходимым, но не достаточным условием для длительного существования колебаний. Решение последнего вопроса может быть получено только на основе исследования устойчивости состояния равновесия.

Устойчивость состояния равновесия в автогенераторе

Поскольку переменные, входящие в состав уравнений баланса амплитуд и баланса фаз, зависят как от амплитуды колебаний, так и от частоты, определение величин токов и напряжений в схеме АГ и значения частоты генерируемых им колебаний требует совместного решения уравнений (5) и (6). Однако обычно частота генерируемого сигнала близка к собственной резонансной частоте КС, что позволяет сначала при известной частоте определить , и и найти амплитуду колебаний, а затем, зная ее, решить уравнения (6) и уточнить значение частоты.

С учетом сказанного, при анализе устойчивости состояния равновесия также раздельно рассмотрим вопросы устойчивости амплитуды колебаний и их частоты.