Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

автогенератор транзистор колебание

Современная наука и техника широко пользуются незатухающими колебаниями. Более того, само развитие радиосвязи, электроакустики, телевидения и многих других отделов новой техники стало возможным только после открытия и изучения систем, могущих генерировать незатухающие колебания за счёт источников энергии, колебательными свойствами не обладающих. Такого рода системы получили название автоколебательных.

Автоколебательными системами называются системы, в которых периодические процессы возникают и протекают в отсутствии внешнего воздействия. Устройства, генерирующие автоколебания называются автогенераторами.

В автогенераторах энергия источника питания преобразуется в энергию колебаний периодического или квазипериодического характера. Автогенератор должен содержать три основных элемента: источник энергии (источник питания); нелинейный элемент, реализующий S или N образную характеристику, которая имеет падающий участок, т. е. участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением; цепи с активными и реактивными элементами, определяющими форму и частоту генерируемого сигнала.

Описанная выше система при определенном выборе параметров элементов электрической цепи и выборе рабочей точки на падающем участке характеристики нелинейного элемента становится неустойчивой. В ней возникают и нарастают автоколебания, период и форма которых с течениемвремени устанавливаются и становятся периодическими. Частота и форма установившихся колебаний, как правило, не зависят от начальных условий и определяются параметрами самой системы.

При исследовании автогенератора главными вопросами являются:

Условия самовозбуждения автоколебаний.

Определение формы и периода колебаний (для генераторов синусоидальных колебаний это частота и амплитуда основной и высших гармоник).

Процесс (длительность и характер) установления стационарных колебании.

Не менее важными для практики вопросами являются: вопросы температурной стабильности амплитуды и частоты автоколебаний; мощность шумов при генерации колебаний; стабильность работы при изменении напряжения источника питания; стабильность работы во времени (надежность работы, влияние "старения" элементов схемы и т. д.); устойчивость работы при наличии механических воздействий (вибрации, тряска, удары и т.д.) и другие проблемы.

Для генерации синусоидальных колебаний используются разнообразные схемы на лампах, транзисторах, лавинопролетных и туннельных диодах и т.д. Главными элементами, как говорилось, являются три элемента: источник питания, нелинейный элемент и колебательный контур, определяющий частоту генерируемых колебаний. Все эти три элемента можно соединить двумя способами: последовательно или параллельно.

При этом принцип работы автогенератора не зависит от способа соединения элементов и определяется лишь удобством конструктивного выполнения автогенератора. Заметим, что для схемы параллельного соединения источник питания должен обладать большим внутренним сопротивлением (идеальный источник тока). С целью увеличения внутреннего сопротивления источника питания для высоких частот последовательно с источником напряжения включается дроссель. Обычно индуктивность дросселя берется в

5-15раз больше, чем индуктивность колебательного контура. Разделительная емкость выбирается в 10-20 раз больше емкости контура. Для схемы последовательного включения источника питания внутреннее сопротивление источника должно быть очень мало на частоте генерации. По этой причине выход источника напряжения шунтируется большой емкостью.

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ

Все автоколебательные системы являются принципиально нелинейными, и для их адекватного рассмотрения необходимо было развитие теории нелинейных колебаний. Начало развития теории автоколебаний было положено работами зарубежных учёных--Мейснера, Наркгаузона, Мельера (Германия). В связи с бурным развитием радиотехники в Советском Союзе, ведущая роль в этом вопросе перешла к советским учёным академикам Л. И. Мандельштаму, Н. Д. Папалекси, А. А. Андронову, А. Н. Крылову, чл.-корр. АН Н. Н. Боголюбову, акад. М. В. Шулейкину, профессорам М. А. Бонч-Бруевичу, О. П. Кобзареву, Б. П. Асееву и многим другим. Разработанные ими методы распадаются на две группы.

Первую группу образуют методы, применимые к произвольным нелинейным системам как при малой, так и при большой нелинейности; такими общими методами являются, во-первых, впервые применённый А. А. Андроповым получивший широкое применение метод качественного интегрирования уравнений автоколебательных систем путём построения семейства интегральных кривых на фазовой плоскости и, во-вторых, метод кусочной линеаризацищ нелинейной характеристики с последующим сшиванием решений на границах линейных областей, впервые применённый Н. Д. Папалекси.

Вторую группу образуют методы с ограниченной применимостью, приложимые лишь, к случаям большой нелинейности (релаксационные автоколебания) или малой нелинейности (почти гармонические автоколебания).

Рассмотрим различные типы автогенераторов предложенные изобретателями.

Генератор Армстронга и генератор Мейснера называются в честь их изобретателей, электротехников Эдвина Армстронга и Александра Мейснера.

В обоих генераторах применяется трансформаторная обратная связь, но в генераторе Армстронга колебательный контур стоит и на входе и на выходе усилительного каскада, а в генераторе Мейснера колебательный контур стоит на выходе усилительного каскада.

Генераторы Армстронга и Мейснера представляют собой усилительные каскады (на лампе, биполярном или полевом транзисторе) с трансформаторной положительной обратной связью. Колебательный контур, образованный одной из катушек трансформатора и ёмкостью, может стоять или в выходной цепи (генератор Мейснера), или во входной цепи (генератор Армстронга), или в обеих цепях усилительного каскада (генератор Армстронга).

Одним из первых генераторов резонансного типа является генератор с обратной связью, построенный по схеме, предложенной Армстронгом.

Здесь частота генерации определяется резонансной частотой параллельного колебательного контура L2C2. Генерируемые колебания снимаются со вторичной обмотки L3 трансформатора. Обмотка L1, которая также связана с обмоткой L2, служит для установления обратной связи между выходным колебательным контуром и входной цепью базы транзистора. При отпирании транзистора и возникновении коллекторного тока, поступающего в колебательный контур L2C2, в элементах последнего

появляются составляющие переменного тока и напряжения. Благодаря действию трансформаторной обратной связи в обмотке L1 возникает переменное напряжение, которое передается на базу транзистора, что вызывает усиление переменной составляющей тока коллектора, поступающего в выходной колебательный контур. Таким образом, благодаря действию положительной обратной связи и колебательным свойствам резонансного контура в нем за сравнительно короткое время устанавливаются непрерывные синусоидальные колебания. Для возбуждения генератора необходимо, чтобы обмотки L1 и L2 были правильно сфазированы. Если выводы обмотки L1 поменять местами, то обратная связь станет отрицательной и генерации не возникнет. Конденсатор С3 замыкает переменную составляющую генерируемого тока через цепь эмиттера, развязывая тем самым источник питания по высокой частоте. Катушка индуктивности L4 -- высокочастотный дроссель.

Частота генерации определяется формулой где fр -- резонансная частота колебательного контура, Гц; L -- индуктивность контура, Гн; С -- емкость контура, Ф.

Если С2 в схеме-- конденсатор переменной емкости, то частоту генерации можно менять. При этом диапазон изменения частоты определяется диапазоном изменения емкости С2 = С.

Индуктивность L = L2 и емкость С = С2 -- основные частотно-задающие компоненты. Если в схеме имеются паразитные индуктивности и емкости значительной величины, то при вычислении частоты генерации их необходимо учитывать (следует также принимать во внимание влияние вспомогательных реактивных элементов C1, С3, L1, L2, L1). Это особенно существенно на высоких частотах, где паразитные емкости и распределенные индуктивности сильно влияют на частоту генерируемого сигнала.

Если известна емкость контура, то индуктивность, необходимую для генерирования колебаний заданной частоты f, можно найти из формулы Аналогично можно найти нужную величину емкости, если известна величина индуктивности контура.

Генератор Хартли (индуктивная трёхточка) был предложен Ральфом Хартли, который подал заявку на патент 1 Июня 1915 г. и получил патент номер 1.356.763 26 октября 1920 г.

Генератор является электронным LC-генератором в котором положительная обратная связь берётся через отвод от части катушки индуктивности параллельного LC-контура.

В зависимости от схемы усилительного каскада возможны три разновидности генератора Хартли: на каскаде с общим эмиттером (катодом, стоком), на каскаде с общим коллектором (анодом, истоком) и на каскаде с общей базой (сеткой, затвором).

Каскад с общим истоком в схеме генератора Хартли на полевом транзисторе фазу не сдвигает. В цепи затвора колебательный контур включен без перекоса фазы, а в цепи стока используется частичное включение контура, которое при отводе от середины катушки имеет перекос фазы 45°, петлевой сдвиг фазы при этом составляет 45° (запас устойчивости по фазе -135°ч+45°), но при таком включении контур сильно шунтируется, поэтому коэффициент включения контура в стоковой цепи уменьшают (до 1/4 от всей катушки), при этом перекос фазы и петлевой сдвиг фазы увеличиваются (в пределе до 90°) при этом положительный запас устойчивости по фазе уменьшается (в пределе до 0°), генерация срывается, поэтому приходится искать некое компромиссное включение. Включение контура к стоковой цепи через катушку связи позволяет регулировать коэффициент включения контура без изменения перекоса по фазе и петлевого сдвига фазы, но это уже будет генератор Мейснера со сдвигом фазы в трансформаторе около 360° (встречное включение обмоток), при согласном включении обмоток трансформатора сдвиг фазы составляет около 180°, при котором генератор становится дискриминатором (подавителем, режекторным активным фильтром).

Генератор Колпитца (ёмкостная трёхточка), названный в честь его изобретателя Эдвина Колпитца, является одной из множества схем электронных генераторов использующих комбинацию индуктивности (L) с ёмкостью (C) для определения частоты, так же называется LC генератором. Одной из ключевых особенностей генераторов этого вида является их простота (нужна только одна индуктивность без отводов).

Напряжение обратной связи снимается с ёмкостного делителя напряжения.

Рис.1.1 Простой генератор Колпитца с общей базой (с упрощёнными цепями смещения)

Рис.1.2 Эквивалентная схема генератора Колпитца

Идеальная частота генерации для схемы на рис.1.1 определяется уравнением:

Действительные схемы генерируют немного меньшую частоту.

Рис.1.3 Практическая схема генератора Колпитца с общей базой

В зависимости от схемы усилительного каскада возможны три вида генератора Колпитца: на каскаде с общим эмиттером, на каскаде с общим коллектором и на каскаде с общей базой. Характерной особенностью генератора Колпитца является положительная обратная связь через ёмкостный делитель напряжения на двух последовательных конденсаторах, которые одновременно являются ёмкостью LC-контура.

Схема генератора Колпитца на каскаде с общей базой наиболее высокочастотна. Каскад с общей базой фазу не сдвигает. Контур LC1C2 полностью подключен к коллектору. Полное включение контура фазу не сдвигает. Эмиттер подключен к контуру к средней точке ёмкостного делителя напряжения с перекосом фазы, при равных C1 и C2 перекос фазы и петлевой сдвиг фазы составляет 45°. Кроме этого сдвиг на 60° создаёт RC цепь образованная эквивалентной ёмкостью конденсаторов C1 и C2 и резистором R, что усложняет вычисление результирующего сдвига.

Разновидностью генератора Колпитца со вторым ёмкостным делителем напряжения является генератор Вачкара.

В 1949 г. чешский инженер Вачкар опубликовал статью с разработанным им стабильным генератором. Он предложил вариант генератора Колпитца, в котором дополнительный ёмкостной делитель напряжения на сеточном входе уменьшал напряжение обратной связи до необходимой величины, и в то же время уменьшал нежелательную нестабильность трубчатого конденсатора.

Рассмотрим труды ученых которые внесли вклад в исследовании автоколебательных систем.

Основные работы К.Ф. Теодорчика, носящие главным образом теоретический и даже математический характер, неразрывно связаны по своему внутреннему существу с задачами современной техники, экспериментальными исследованиями и основаны на глубоком физическом анализе. Только удачное сочетание во всех работах физического и математического анализа обеспечило К.Ф. Теодорчику успех в деле создания теоретических методов исследования сложных явлений в автоколебательных системах, в том числе и в системах автоматического регулирования. Правильное сочетание теории и практики в научных исследованиях, постоянная и неразрывная связь с запросами создателей новой техники определили получение исключительных результатов многолетнего труда К.Ф. Теодорчика, его сотрудников и учеников в области теории колебаний.

Книга Теодорчика К.Ф. « Автоколебательные системы» посвящена теории автоколебательных и потенциально-автоколебательных систем, т. е. систем динамических (электрических, механических и электромеханических), в которых при известных условиях может нарушаться устойчивость положения равновесия и возникать движение, переводящее систему в режим стационарных периодических колебаний.

В книге изложены простые методы приближённого решения технических задач, возникающих при работе таких систем.

В книге развиты энергетический и амплитудно-фазовый методы, которые допускают прозрачную физическую интерпретацию и углубление понимания механизма автоколебательных процессов. На базе этих методов даны простые и надёжные способы приближённого решения многочисленных технических вопросов, возникающих при практическом применении нелинейных динамических систем--как электрических, так и механических.

В книгу включены: качественный метод интегрирования нелинейных уравнений при помощи построения на фазовой плоскости семейства интегральных кривых, дополненный энергетическим рассмотрением свойств такого фазового портрета, и изложение квазилинейного метода линеаризации характеристики. Сравнение этих методов позволило показать, что в гармоническом приближении все эти методы равноценны и сводятся к переходу к квазилинейным уравнениям, точно описывающим свойства инерционно-нелинейных систем.

Этот результат позволил выяснить границы приложимости гармонического приближения квазилинейных методов. Граница эта определяется тем, что ряд важных и ярко выраженных свойств автоколебательных систем (возможность периодических движений, синхронизация на основной частоте и т. д.) совершенно не зависит от характера нелинейности, в частности, её инерционности или безинерционности и поэтому правильно описывается квазилинейными уравнениями. Свойства эти сами могут быть названы квазилинейными, в противоположность существенно нелинейным свойствам, целиком определяемым отступлениями формы автоколебаний от гармоничности, т. е. наличием обертонов (например, синхронизация на гармониках). Эти последние свойства не могут быть охвачены гармоническим приближением и квазилинейными методами.

Книга рассчитана на научных работников и инженеров, работающих в области электросвязи, автоматического регулирования и физики колебаний, а также на студентов соответствующих специальностей.

С. П. Стрелков, является одним из ярких представителей научной школы академика Л. И. Мандельштама. Был крупным специалистом в области физики колебаний. Автор прекрасных учебников по теории колебаний и механике. Работая в течение многих лет со своими учениками и сотрудниками, и являясь с 1955 г. заведующим кафедрой в МГУ и одновременно начальником отдела (сектора) ЦАГИ, С. П. Стрелков создал научную школу по теории колебаний.

С именем С. П. Стрелкова связано становление и развитие ряда научных направлений, его интересы в науке охватывали самые разнообразные области физики, теории колебаний, динамической прочности, аэроупругости, аэродинамики. Тематика его работ в МГУ была достаточно широка (автоколебательные процессы в биофизических системах, лазерах и др.).

Продолжая традиции развития теории колебаний как самостоятельной науки, заложенные Л. И. Мандельштамом, он создал новый оригинальный курс лекций, более тесно связанный с возникшими в то время техническими задачами. На основе курса своих лекций Сергей Павлович написал «Введение в теорию колебаний», одну из наиболее читаемых книг на эту тему.

Цель курса -- введение в изучение специальных разделов теории колебаний. В курсе не только излагаются основные законы колебательных процессов в физике и технике, но и делается попытка научить слушателей методам теоретического исследования и расчета простейших колебательных систем.

Выбор материала, характер изложения принципиальных вопросов в значительной мере определяется теми научными традициями, которые сложились на кафедре теории колебаний физического факультета под влиянием лекций академика Л. И. Мандельштама, основавшего эту кафедру в 1931 году.

Теория колебаний представляет самостоятельную дисциплину, так как разнообразные применения ее настолько тесно связаны друг с другом, что их необходимо изучать с единой точки зрения: не только математической, а главным образом физической. Изучение колебаний в различных системах с единой физической точки зрения в значительной степени облегчает анализ и исследование тех колебательных процессов, в которых имеет место закономерная связь колебаний различных физических величин, например: электрических и механических. В технике и физике такие устройства встречаются все чаще и чаще. Кроме того, изучение колебательных процессов с единой точки зрения развивает у учащихся способность к анализу явления посредством сравнений и аналогий, которые в свою очередь чрезвычайно полезны при исследовании новых неизученных процессов.

Проведем обзор учебного пособия Андреева В. С. «Теория нелинейных электрических цепей» Данное пособие написано в соответствии с программой курса «Теория нелинейных электрических цепей» и с учетом опыта его преподавания в Московском электротехническом институте связи.

Главное внимание в книге в соответствии с названием курса уделено изучению особенностей нелинейных и параметрических цепей и наиболее распространенных теоретических методов, используемых при их анализе и расчетах. Эти методы применяются для установления основных характеристик разнообразных нелинейных и параметрических устройств, используемых в приемопередающих трактах аппаратуры связи и радиотехнических устройств для генерирования колебаний, усиления сигналов, преобразования, умножения и деления частоты, модуляции, детектирования и т. п. Значительное внимание уделено методам анализа автоколебательных устройств (в том числе неавтономных), включая определение условий самовозбуждения, стационарных режимов и их устойчивости, процессу установления колебаний.

Рассматриваются такие важные для современных "систем связи вопросы, как взаимодействие нескольких сигналов в нелинейных цепях, формирование и детектирование двух- и однополосных сигналов без несущей, затягивание частоты в многоконтурных генераторах, фазовая автоподстройка частоты и др. Расширено изложение теории устойчивости нелинейных цепей, синхронизации генераторов, диодных умножителей частоты, в более общей форме рассматриваются автогенераторы, в том числе на приборах с отрицательным сопротивлением, и т. п.

И.С.Гоноровский создал фундаментальный курс «Радиотехнические цепи и сигналы», характеризующийся комплексным подходом к подготовке радиоинженеров и получивший признание у нас в стране и за рубежом. В течение нескольких десятилетий в СССР и до настоящего времени в Российской Федерации этот курс является основой при подготовке инженерных кадров по радиотехническим специальностям. Учебник «Радиотехнические цепи и сигналы» выдержал пять изданий, дважды был переведен на английский язык, а также на испанский. Каждое новое издание этого учебника, отмеченного Государственной премией СССР, обязательно содержало разделы, отражающие новые актуальные направления в области методов обработки сигналов, анализа и синтеза цепей.

Книга является учебником по курсу «Радиотехнические цепи и сигналы» для вузов радиотехнической специальности. Особое внимание уделено разделам, посвященным статистическим явлениям в радиотехнических цепях. Методически переработаны разделы по спектральному и корреляционному анализу детерминированных и случайных сигналов, а также по теории их преобразования в линейных, параметрических и нелинейных устройствах.

Отдельная глава посвящена изучению явлений в автогенераторах, используемых для получения высокочастотных гармонических колебаний. Затронуты такие вопросы как: возникновение колебания в автогенераторе, стационарный режим автогенератора, мягкий и жесткий режимы самовозбуждения, примеры схем реализаций, решение нелинейного уравнения автогенератора, действие гармонической ЭДС и др.

Хотя книга предназначена для студентов радиотехнических факультетов вузов, она может быть также полезна широкому кругу специалистов, работающих в области радиоэлектроники и в смежных областях науки и техники.