Лекция 22

Дестабилизирующие факторы и их влияние на частоту автоколебаний автогенератора (АГ). Влияние изменений параметров элементов колебательной системы АГ на частоту автоколебаний. Фиксирующая способность АГ. Условия обеспечения высокой стабильности частоты автоколебаний АГ. Устойчивость амплитуды автоколебаний АГ. Эквивалентная схема кварцевого резонатора. Принципы построения схем АГ с кварцем. Осцилляторные схемы кварцевых АГ, их характеристики. Фильтровые схемы кварцевых АГ, их характеристики. Мостовые схемы кварцевых АГ. Двухкаскадная фильтровая схема Батлера кварцевого АГ.

Вопросам стабильности частоты электрических колебаний, вырабатываемых АГ в радиотехнических устройствах и системах, уделяется большое внимание. В частности, чем стабильнее частота излучаемых радиопередатчиком колебаний, тем надёжнее и качественнее связь. Кроме того, увеличение стабильности частоты радиопередатчика эквивалентно увеличению его мощности, так как у приёмника можно взять уже полосу пропускания входной цепи и этим сделать его более чувствительным.

Относительная нестабильность частоты колебаний АГ , где - абсолютная нестабильность частоты (величина отклонения частоты от нужного значения f ), колебательная система которого выполнена на радиокомпонентах: конденсаторах и катушках индуктивности, обычно используемым в ГВВ, без принятия специальных мер на снижение нестабильности частоты автоколебаний составляет, примерно, , чего в подавляющем большинстве случаев недостаточно. Требуемое значение относительной нестабильности частоты обычно на 2…3 порядка выше. Например, для однополосной радиосвязи и телеграфной работы по методу частотной манипуляции допускается относительная нестабильность частоты не более . Резко возрастают требования к стабильности частоты рабочих колебаний в системах космической связи и управления летательными аппаратами, перемещающимися с большими скоростями.

На стабильность частоты автоколебаний АГ влияют многие факторы, которые мы ниже рассмотрим. А также рассмотрим наиболее эффективные меры по борьбе с этими факторами.

Дестабилизирующие факторы и их влияние на частоту автоколебаний АГ

Факторы, влияющие на стабильность частоты АГ, носят название дестабилизирующих факторов. Дестабилизирующие факторы подразделяются на внутренние и внешние. Внутренние дестабилизирующие факторы определяются самим АГ, в том числе генераторным прибором и радиокомпонентами схемы. Внешние дестабилизирующие факторы определяются внешним окружением АГ: изменением температуры окружающей среды и её влажности, давления, влиянием последующих каскадов и механическими воздействиями. Изменение питающих напряжений и реакцию нагрузки в зависимости от места установки АГ и условий его эксплуатации относят либо к внешним дестабилизирующим факторам, либо к внутренним.

Воздействия дестабилизирующих факторов бывают кратковременными (мгновенными) или длительными. Соответственно различают кратковременную и долговременную нестабильность частоты АГ. Кратковременная нестабильность частоты обусловливается быстрыми воздействиями, проявляющимися за время наблюдения, не превышающем одну секунду. Долговременная нестабильность частоты определяется для таких интервалов времени как час, сутки, месяц и год.

Основным внутренним дестабилизирующим фактором является выбег частоты. После включения АГ вследствие постепенного разогрева блока частота генерируемых колебаний плавно понижается. Длительность этого процесса зависит от многих факторов, в том числе от мощности АГ, степени связи АЭ с колебательной системой, и может занимать интервал от нескольких минут до нескольких часов. Чем меньше мощность АГ и чем слабее связь АЭ с контуром АГ, тем меньше выбег частоты. Если проявление выбега частоты нежелательно, то производят предварительное включение АГ за 10 – 20 минут до включения остальных блоков. В радиовещательных передатчиках включение возбудителя производят за несколько часов до выхода передатчика в эфир.

Важным внутренним дестабилизирующим фактором являются шумы. Наибольший уровень шумов создаётся генераторным прибором – АЭ. Меньший уровень шумов создаётся резисторами, конденсаторами, катушками индуктивности. Шумы, особенно шумы АЭ, причастны к возникновению кратковременной нестабильности частоты. Механизм воздействия шумов на частоту автоколебаний разнообразен: через изменения крутизны токов электродов генераторного прибора, через изменения баланса амплитуд. Очевидно, чем менее шумящий генераторный прибор, тем лучше для получения более стабильных автоколебаний АГ.

Другим внутренним дестабилизирующим фактором является старение радиокомпонентов. Явление это сложное и многообразное, определяемое как внешними воздействиями неблагоприятных факторов, так и внутренними естественными физико-химическими процессами, необратимо изменяющими параметры радиокомпонентов. Это единственный фактор, который влияет только на долговременную нестабильность частоты АГ. При построении высокостабильных АГ после изготовления их подвергают экстремальным тепловым, электрическим и механическим воздействиям с целью ускорения преодоления конструкцией первоначального этапа старения.

Внутренним дестабилизирующим фактором является неточность установки частоты АГ. Если АГ работает на одной или нескольких фиксированных частотах, то точность их установки может быть получена достаточно высокой. Если АГ диапазонный, то при ручной его перестройке точность установки частоты определяется в основном градуировочной шкалой, а при автоматической перестройке – выбранной системой автоматического регулирования.

Внутренним дестабилизирующим фактором является также смена АЭ. АЭ одного и того же типа имеют разброс параметров, в том числе и по величине межэлектродных ёмкостей, причём не только их так называемых активных составляющих, находящихся в зоне перемещения носителей тока – зарядов, но и их пассивных составляющих, обусловленных, в основном, конструкцией баллона лампы или корпуса транзистора, креплением выводов электродов и т.п. Соответственно, при смене АЭ, например, по причине выхода его из строя, частота автоколебаний будет несколько отличаться от прежней. Поэтому в контур АГ вводится подстроечный конденсатор, с помощью которого производится подстройка частоты.

Основным внешним дестабилизирующим фактором является изменение температуры окружающей среды. От её абсолютного значения зависит и уровень собственных шумов АГ. Кроме того, изменение температуры обусловливает изменение геометрических размеров катушек индуктивности, конденсаторов, внутренних электродов АЭ, соединительных проводов. Соответственно изменяются реактивные параметры радиокомпонентов и их активные сопротивления (проводимости), межэлектродные ёмкости. Изменения температуры окружающей среды воздействуют как на кратковременную (за счёт шумов), так и на долговременную составляющие нестабильности частоты автоколебаний АГ.

Для количественной оценки влияния изменения температуры окружающей среды на долговременную нестабильность частоты АГ вводится температурный коэффициент частоты (ТКЧ), характеризующий относительное изменение частоты на каждый градус изменения температуры.

Если принять, что частота автоколебаний АГ ω определяется собственной частотой контура ω_К, что допустимо для одноконтурного АГ (см. лекцию 19), то для относительного изменения частоты АГ, используя частные производные, можно записать:

(22.1)

где – соответственно изменения индуктивности L_К и ёмкости С_К контура.

Относительные изменения индуктивности и ёмкости контура с изменением температуры среды принято характеризовать, соответственно, температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ) и температурным коэффициентом ёмкости (ТКЕ):

где – изменение температуры среды.

Соответственно, на основании (22.1) с учётом соотношений для ТКИ и ТКЕ можно записать:

. (22.2)

Знак «минус» в (22.1) и (22.2) обусловлен понижением частоты с увеличением индуктивности L_К и ёмкости С_К контура.

АГ всегда стремятся строить на реактивных элементах с низкими значениями ТКИ и ТКЕ. Катушки индуктивности, при конструировании которых не принимается специальных мер, направленных на улучшение их эталонных свойств, обладают сравнительно высоким ТКИ (+10^-3…5·10^-4). Если катушку индуктивности изготовить методом вжигания серебряной спирали в каркас с последующим наращиванием слоя металлизации электролитическими способами, то можно получить катушки с ТКИ на один-полтора порядка более низким (+5·10^-5). Значение ТКИ в этом случае в основном определяется температурным коэффициентом линейного расширения каркаса катушки. Наилучшими материалами для изготовления каркасов катушек индуктивности признаны радиофарфор, плавленый кварц, стеатит, пирофиллит. Экранирование катушки увеличивает её ТКИ. Нежелательно также использование каких-либо сердечников.

Использование в АГ конденсаторов с твёрдым диэлектриком нежелательно, поскольку последний обладает относительно большим температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТК_ε (слюда, керамика и т.п.). Наиболее пригодными следует считать конденсаторы с воздушным диэлектриком, ТКЕ которых приблизительно равен +5·10^-6, что в десять раз меньше ТКЕ керамических конденсаторов и значений ТКИ лучших катушек. Особое место среди конденсаторов с твёрдым диэлектриком занимают тикондовые конденсаторы, обладающие отрицательным ТКЕ. Включение их в состав контура АГ позволяет скомпенсировать положительные значения ТКИ и ТКЕ других реактивных элементов. Однако полная компенсация температурных коэффициентов возможна только при определённой температуре и на одной частоте. Оптимальным считается такой подбор ТКИ и ТКЕ, при котором ТКЧ на краях интересующего диапазона частот равны по величине, но противоположны по знаку.

Радиотехническая аппаратура часто предназначается для работы в широком интервале изменения внешней температуры: от –60 до +60⁰ С. Для устранения влияния изменения температуры окружающей среды на частоту АГ последний помещают в камеру термостата, в которой поддерживается практически постоянная температура с точностью до ±(0,5 – 1)⁰ С. Среднее значение температуры в камере термостата (обычно +60…70⁰ С) должно превышать самую высокую возможную температуру окружающей среды. Внутри камеры термостата помимо АГ находятся термодатчик и нагреватель, связанные с внешней частью схемы автоматического регулирования. В отдельных случаях используются термостаты, в камерах которых поддерживается температура ниже температуры окружающей среды. Использование термостатирования АГ, очевидно, усложняет, удорожает и делает более громоздкой радиоаппаратуру.

Другими внешними дестабилизирующими факторами являются изменение атмосферного давления и изменение влажности окружающей среды. Уменьшение атмосферного давления ухудшает условия охлаждения деталей контура АГ, что приводит к их дополнительному нагреву, а следовательно, к увеличению нестабильности частоты. Кроме того, при изменении давления меняется диэлектрическая постоянная воздуха, что влияет на величину ёмкости переменного конденсатора с воздушным диэлектриком и, следовательно, на частоту автоколебаний, если такой конденсатор имеется в схеме АГ. Изменение влажности окружающей среды также влияет на величину диэлектрической проницаемости воздуха и сопротивления изоляции деталей контура.

Влияние влажности окружающей среды и атмосферного давления на стабильность частоты АГ обычно определяется экспериментально. Наиболее действенным средством уменьшения влияния этих дестабилизирующих факторов на стабильность частоты является герметизация контура или всего АГ. Для этой цели могут использоваться заливка монтажной платы различными влагонепроницаемыми самотвердеющими составами и специальные замкнутые объёмы, включая и термостат.

Внешними дестабилизирующими факторами являются также механические удары и вибрации. Они, прежде всего, непосредственно влияют на кратковременную нестабильность частоты. Воздействие механических ударов и вибраций приводит к изменению взаимного расположения деталей АГ, соответственно к нестабильности частоты автоколебаний. Причиной возникновения вибраций в стационарных устройствах могут служить передвижения обслуживающего персонала, работа двигателей системы охлаждения. В аппаратуре подвижных средств источниками вибрации являются работа двигателей, тряска и т.п. Механические удары бывают упругие и неупругие. Упругие удары обусловливают кратковременную нестабильность частоты, неупругие – долговременную. Устранить последнюю можно в результате ремонта.

Наиболее общими приёмами по ослаблению влияния механических воздействий на частоту автоколебаний являются размещение АГ в жёстких литых каркасах, в которых прочно и жёстко закрепляют все детали, чтобы не было из взаимного смещения. Каркасы укрепляют на амортизирующих подкладках или подвесках. При конструировании АГ применяют печатную технологию монтажа. Иногда удаётся воздействовать и на сам источник вибраций (двигатель, крыльчатку вентилятора) или проводник вибраций (воздухопровод, кронштейны) путём подбора правильных режимов работы, использования мягких прокладок, гофрированных муфт и др.

На частоту автоколебаний влияет изменение питающих напряжений, приводящее к некоторому изменению рабочих ёмкостей АЭ, входящих в состав колебательной системы АГ, к изменению фазы средней крутизны и амплитудных соотношений в АГ. Обычно питающие напряжения для АГ стабилизируются с точностью 2 – 3%, что практически полностью исключает влияние изменения напряжения на стабильность частоты.

Изменение величины нагрузки АГ, особенно её реактивной составляющей, обусловливает реакцию нагрузки на частоту автоколебаний АГ. Чтобы ослабить реакцию нагрузки на АГ, применяют слабую связь нагрузки с контуром АГ, что, соответственно, приводит к снижению КПД контура АГ. Как правило, нагрузкой АГ является следующий каскад, в частности, его вход. Чтобы ослабить влияние последующего каскада на АГ, между АГ и следующим каскадом включают специальный промежуточный каскад, называемый буферным каскадом. Основное требование к буферному каскаду – большое входное сопротивление. На АГ оказывает влияние не только следующий за ним каскад, но и последующие, которые могут воздействовать на электрические параметры АГ через электромагнитную связь и общий источник питания. При небольшом количестве каскадов радиочастотного тракта в АГ может быть ощутимо влияние даже антенны.