Автогенераторы и преобразователи спектра

Автогенераторы гармонических колебаний

Общие сведения. Автогенератором называют устройство, преобразующее энергию источников постоянного напряжения (тока) в энергию колебаний заданной формы. В отличие от устройств, работающих под воздействием внешних сигналов, автогенераторы работают в режиме самовозбуждения. В схемном отношении автогенератор представляет собой усилитель, охваченный цепью положительной обратной связи. В зависимости от формы выходных колебаний различают автогенераторы гармонических и импульсных колебаний. В дальнейшем рассматриваются автогенераторы гармонических колебаний.

Основные требования, предъявляемые к автогенераторам: => диапазон частот генерируемых колебаний;

=> характер изменения частоты (дискретный или плавный);

=> нестабильность частоты и фазы генерируемых колебаний;

=> уровень побочных спектральных составляющих;

=> выходное напряжение или мощность при заданной нагрузке.

Принцип работы автогенератора и условия равновесия.

На рис. I приведена схема, которая в положении I переключателя П представляет собой схему резонансного усилителя с подключенным источником сигналов, а в положении 2—схему автогенератора с индуктивной обратной связью.

Рассмотрим принцип работы автогенератора, полагая, что переключатель П находится в положении 2. При включении источника питания Е в контуре автогенератора возникают колебания, создавая на обмотке обратной связи напряжение U_M, которое прикладывается к базе транзистора VT. Входное напряжение 0_М усиливается транзистором, увеличивая амплитуду колебаний на контуре и напряжения на обмотке.

обратной связи. На базу транзистора теперь поступает напряжение с большей амплитудой и вновь усиливается, увеличивая амплитуду выходных колебаний и т. д. Идет процесс нарастания амплитуды, или самовозбуждения, колебаний с частотой, равной резонансной частоте контура, так как на этой частоте транзистор обеспечивает наибольшее усиление. При большой амплитуде входного напряжения происходит насыщение транзистора, он входит в режим ограничения коллекторного тока, прекращается рост амплитуды колебаний на контуре и автогенератор переходит в стационарный режим работы. Ниже приводится более строгое описание процессов, протекающих в автогенераторе.

Прежде всего, определим условия равновесия. Пусть переключатель 11 находится в положении 1 и на вход усилителя от источника сигналов 0_С поступает напряжение ?/_вх с частотой (jOq. Если с помощью витков обмотки связи с контуром и его настройки подобрать амплитуду и начальную фазу напряжения на обмотке, равные амплитуде и начальной фазе входного напряжения (), и мгновенно перевести переключатель П из положения 1 в положение 2, то хотя бы в первый момент времени условия работы транзистора VT не изменятся. Система будет находиться в состоянии равновесия, которое запишем в комплексной форме:

где S — усредненная по первой гармонике крутизна транзистора; Z_K — сопротивление колебательного контура; К_ос — коэффициент передачи цепи обратной связи. При этом SZ_K =U_K/1/_вх; 10_К; 0_К

напряжение на контуре.

Рис. 1. Схема для пояснения принципа работы автогенератора.

Рис. 2. Два вида равновесия: неустойчивое (а), устойчивое (б)

Переписав (1) в виде двух равенств для вещественной и мнимой частей, получим форму условий динамического равновесия в виде баланса амплитуд и баланса фаз:

где |5|, (P.S-, |ZJ, (р_к, |А^|, (рос — соответственно модули и фазовые углы усредненной крутизны, сопротивления контура и коэффициента обратной связи.

Баланс амплитуд представляет собой уравнение | S | • | Z_K. | • | К_ос | = 1, зависящее от амплитуд токов и напряжений автогенератора, и позволяет определить их значения. Так как фазы зависят от частоты, баланс фаз ср₅. +ср_к +Ф_0С = 0 позволяет определить частоту генерируемых колебаний.

Определим условия устойчивости динамического равновесия (2) или условия устойчивости амплитуд и фаз, т.с. условия, при которых возможно существование колебаний длительное время после перевода переключателя П из положения 1 в положение 2. Для этого выведем систему из равновесия, как показано на примере механического аналога (рис. 2), придав ей небольшое возмущение, и проследим за ее дальнейшим поведением. Если после возмущения система не возвращается в исходное состояние, то она неустойчива (рис. 2, я), если возвращается (рис. 2,6), то устойчива.