Генератор электрических колебаний высокой частоты

Процесс возникновения и нарастания колебаний иллюстрируется с помощью рис.№ 4б. В первый момент после включения генератора, т.е. в момент появления

Генератор электрических колебаний высокой частоты

Курсовой проект

Компьютеры, программирование

Другие курсовые по предмету

Компьютеры, программирование

Сдать работу со 100% гаранией

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.

·Сдвиг фаз на угол ψ1=π, создаваемый усилительным элементом (например, транзистор при его включении по схеме с общим эмиттером), между его входным Umвх и выходным Umвых напряжениями.

·Сдвиг фаз на угол ψо.с. возникающий в цепи обратной связи между её входным Umвх и выходным Umвых напряжениями.

·Сдвиг фаз на угол ψ2 между напряжениями на входе усилительного элемента Umвх и первой гармоникой его выходного тока Im1. Этот сдвиг возникает на очень высоких частотах и при правильном выборе лампы или транзистора угол ψ2≈00.

·Сдвиг фаз на угол ψ3 между напряжением Umвых и током Im1. Если колебательный контур точно настрое

Похожие работы

1 2 3 4 > >>