Способы стабилизации частоты генератора

1.4. Способы стабилизации частоты в автогенераторах

Одним из важнейших требований, предъявляемых к автогенераторам, является высокая стабильность частоты выходных колебаний. Это связано с тем, что во время работы любого автогенератора частота колебаний изменяется в некоторых пределах по случайному закону под воздействием различных дестабилизирующих факторов: изменений температуры, влажности и напряжения питания, наличия внешних электромагнитных полей, механических воздействий и прочее. Влияние дестабилизирующих факторов проявляется в изменениях величин индуктивностей катушек, емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов, входящих в состав колебательных контуров и частотно-избирательных RС-цепей.

Качество работы автогенераторов принято оценивать абсолютной и относительной нестабильностями частоты. Абсолютная нестабильность представляет собой разность Δf между текущим f и номинальным f_р значениями частоты колебаний. Относительная нестабильность частоты определяется коэффициентом нестабильности Δf/f_p или Δf/f_k.

При расчете коэффициентов нестабильности используют следующие формулы:

Здесь параметры ΔL, ΔС и ΔR — величины изменений индуктивностей катушек, емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов от номинальных значений, вызванные воздействием любого из дестабилизирующих факторов.

В схемах автогенераторов гармонических (часто и импульсных) колебаний применяют два основных способа стабилизации частоты: параметрический и кварцевый.

Параметрический способ стабилизации частоты.

Данный способ стабилизации частоты заключается в ослаблении влияния дестабилизирующих факторов и подборе высокочастотных и прецизионных элементов колебательных контуров автогенераторов. Для исключения

влияния температуры на параметры усилительных элементов, автогенераторы в отдельных случаях помещают в термостаты. Уменьшение влияния механических воздействий обеспечивает применение печатного монтажа и проводов индуктивностей, вжигаемых в керамику. Параметрическая стабилизация частоты позволяет снизить нестабильность до 10 -5 (уход частоты на Δf= 10 Гц при генерируемых колебаниях f_p= 1 МГц).

Рис 10. Кварцевый резонатор: а — эквивалентная схема; б— зависимость реактивного сопротивления от частоты

Кварцевая стабилизация частоты. Данный способ стабилизации основан на применении в электрических схемах вместо LС-контуров кварцевого резонатора, что позволяет снизить нестабильность частоты автогенератора до 10 -7 (отклонение частоты на Δf= 0,1 Гц от генерируемой в f_p = 1 МГц).

Кварцевый резонатор (сокращенно кварц) представляет собой помещенную в кварцедержателъ тонкую прямоугольную пластинку минерала кварца, грани которой определенным образом ориентированы по отношению к осям кристалла. Как известно, кварц обладает прямым и обратным пьезоэлектрическим эффектом (проще, пъезоэффектом). Из курса физики известно, что прямой пьезоэффект возникает при механическом сжатии или растяжении кварцевой пластинки и сопровождается появлением на ее противоположных гранях электрических зарядов.

При воздействии на кварцевую пластинку переменного электрического поля в ней возникают упругие механические колебания (обратный пьезоэффект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на гранях пластинки. Кварц можно рассматривать как электромеханическую колебательную систему и сравнивать ее свойства с обычным колебательным LC-контуром (рис. 10). Добротность кварцевого резонатора достигает сотен тысяч, тогда как у колебательного контура она не превышает 300. 400. Механическая прочность и слабая зависимость частотных свойств от температуры обуславливает высокую эталонность частоты кварцевых резонаторов.

Рис. 11. Схемы кварцевых автогенераторов: а — кварц— аналог индуктивности; 6— кварц включен в мост Вина в качестве сопротивления

При расчетах кварцевый резонатор представляют эквивалентной схемой (рис. 10, а), в которой элементы L_кв, C_кв и R_кв характеризуют, соответственно, индуктивность, емкость и омические потери собственно кварца. Емкость С_вк отражает наличие кварцедержателя. Зависимость реактивного сопротивления кварцевого резонатора от частоты x(f) приведена на рис. 10, б. Она имеет два резонанса: последовательный на частоте f_к1 и параллельный на частоте f_k2. Последовательный резонанс обеспечивают элементы L_кв и С_кв, отражающие резонансную частоту кварца

Параллельный резонанс в устройствах с кварцевым резонатором практически не используется.

Схемы кварцевых автогенераторов. Чаще всего кварц в LC-генераторах применяют в качестве индуктивности (рис. 11, а), что упрощает конструкцию, а также уменьшает мощность, рассеиваемую в резонаторе. Условия возникновения гармонических колебаний можно проанализировать, заменив кварцевый резонатор (К_в) его эквивалентной схемой и применив общие уравнения, характеризующие самовозбуждение автогенератора.

На рис. 11, б изображена упрощенная схема RС-генератора с мостом Вина, в котором вместо одного из резисторов включен кварцевый резонатор, работающий в режиме резонанса напряжений. Для того, чтобы резонансная частота кварца совпадала с квазирезонансной частотой моста Вина, сопротивление резистора R подбирают равным резонансному активному сопротивлению кварца R_кв. Цепь отрицательной ОС с терморезистором R₂, включенная между выходом и инвертирующим входом ОУ, компенсирует температурные изменения резонансного сопротивления кварца и тем самым стабилизирует амплитуду выходных колебаний.

Отметим, что подстройку частоты в принципиальной электрической схеме данного автогенератора осуществляют с помощью конденсаторов. Для этого обычно используется полупроводниковая емкость — варикап.

Источник

Лекция 14. Автогенераторы и стабилизация частоты автоколебаний

Лекция 14. АВТОГЕНЕРАТОРЫ И СТАБИЛИЗАЦИЯ

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.

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:

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:

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:

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) Uуст, α(U)>0 при U

Источник

Методы стабилизации частоты автогенераторов

Стабильность частоты автогенераторов является одним из важнейших параметров. Воздействие дестабилизирующих факторов проявляется в изменении емкостей конденсаторов, индуктивностей дросселей и сопротивлении резисторов.

Различают параметрическую и кварцевую стабилизацию.

Параметрическая стабилизация сводится к ослаблению влияния внешних факторов на частоту колебаний путем стабилизации температурных режимов и параметров источников питания.

Кварцевая стабилизация часто­ты, заключается в применении кварцевых резонаторов, что дает очень низкую нестабильность час­тоты, обычно порядка 10 -8 .

Кварцевый резонатор представ­ляет собой тонкую пластину ми­нерала (кварца или турмалина) прямоугольной либо круглой фор­мы, установленную в кварцедержателе. Как известно, кварц об­ладает пьезоэффектом. При сжатии кварцевой пластины на противо­положных ее гранях появляются разноименные электрические за­ряды, при растяжении пластины знаки зарядов на тех же гранях изменяются на обратные (прямой пьезоэффект). При воздействии на кварцевую пластину переменного электрического поля в ней возникают механические упругие колебания (обратный пьезоэф­фект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на ее гранях. Кристалл кварца (пластина) представляет собой электромеханическую систему, обладающую резонансными свойствами. В зависимости от геометрических разме­ров и ориентации среза резонансные свойства (резонансная частота f₀) каждой пластины строго фиксированы и лежат в пределах от нескольких единиц килогерц до 1000 МГц.

Кварцевый резонатор эквивалентен электрическому колебатель­ному контуру. Эквивалентная схема кварцевого резонатора изобра­жена на рис. 8.4, а. Как видно, кварц эквивалентен включенным смешанно элементам L, R, С. В такой цепи может быть резонанс напряжения с частотой . Индуктивность кварца L_кв может быть значительной — от десятков микро­генри до нескольких миллигенри. Емкость кварца С_кв мала (сотые доли пикофарад). Кварцевый резонатор обладает острым резонансом, что свидетельствует о небольшом сопротивлении R, порядка еди­ниц ом. Поэтому добротность кварца достигает 10 5 -10 6 , т. е. она на два-три порядка больше добротности контуров, выполненных на дискретных элементах — индуктивной катушке и конденсаторе.

На частотах ниже w_н и выше w_Т (w_Т – частота резонанса токов) эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора носит емкостный характер (рис. 8.4, б), а на частотах выше w_н и ниже w_Т — индуктивный характер. Частот­ные свойства кварцевого резонатора обусловливаю его различное включение в автогенератор. Кварцевый резонатор можно включить в цепь положительной обратной связи как последовательный (коле­бательный) контур (рис. 8.5, а) или в трехточечный автогенератор как индуктивный элемент ветви колебательного контура (рис. 8.5, б).

Вопросы для самопроверки:

1. Опишите принцип построения генераторов синусоидальных колебаний.

2. Какие методы стабилизации частоты автогенераторов вы знаете.

3. Что такое кварцевый резонатор.

Литература: [1, 2, 6, 7].

Нелинейный режим работы операционного усилителя

Компараторы

Широкое применение для построения релейных (пороговых) усилителей нашли операционные усилители (ОУ), которые в этих устройствах работает на нелинейных участках характеристики (участках насыщения). Выходное напряжение ОУ может принимать одно из двух значений: U + _вых.max или U — _вых.max. Это связано с тем, что уровни входных напряжений релейных усилителей намного превышают максимальное входное напряжение, при котором ОУ может работать в режиме усиления.

Напомним, что максимальное входное напряжение (разность между напряжением на прямом входе U_пр и на инвертирующем входе U_инв), при котором ОУ может работать в режиме усиления, составляет сотые доли милливольт, поэтому при анализе схем, построенных на ОУ, работающем в линейном режиме, входное напряжение ОУ считают равным нулю.

Если напряжение на входе ОУ выходит за пределы максимального (которое можно считать равным нулю), то ОУ переходит в режим насыщения и выходное напряжение принимает одно из двух значений: U + _вых.max или U — _вых.max, — величина которых определяется величиной напряжений источников питания +Е_п и –Е_п. Таким образом, напряжение на выходе ОУ будет равно U + _вых.max, если U_пр — U_инв > 0 и U — _вых.max, если U_пр — U_инв 0), на выходе ОУ сохраняется максимальное положительное напряжение U + _вых.max. Когда напряжение на инвертирующем входе U_вх сравняется с опорным и станет чуть больше (U_пр — U_инв — _вых.max. Дальнейшее увеличение входного напряжения не изменит состояния ОУ. Таким образом, состояние ОУ зависит от соотношения входного и опорного напряжений. Изменяя опорное напряжение можно менять порог срабатывания компаратора.

На рис. 9.1, б показаны схема и передаточная характеристика неинвертирующего компаратора. Здесь соотношению U_вх – U_оп — _вых.max. При увеличении входного напряжения сверх U_оп соотношение между U_пр и U_инв ОУ меняется на противоположное U_пр — U_инв > 0 и выходное напряжение становится равным U + _вых.max.

Широкое применение получили также компараторы, в которых ОУ охвачен положительной обратной связью (рис. 9.2, а). Такой компаратор обладает характеристикой с гистерезисом (рис. 9.2, б). Схема известна под названием триггер Шмитта.

Переключение схемы в состояние U — _вых.max происходит при достижении входным напряжениемU_вх напряжения порога срабатывания U_ср, а возвращается в исходное состояние U + _вых.max – при снижении U_вх до напряжения порога отпускания U_отп.

Значения пороговых напряжений найдем, учитывая, что переключение схемы происходит, когда U_пр — U_инв = 0

откуда ширина зоны гистерезиса

.

Важнейшим показателем операционных усилителей, работающих в импульсном режиме, является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ общего применения составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения – доли микросекунды.

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные непосредственно для импульсного режима работы и получившие общее название “компараторы”.

Дата добавления: 2018-02-18 ; просмотров: 1242 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник