Автореферат (Диапазонные RC-автогенераторы гармонических колебаний)

12ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыАвтогенераторы почти гармонических колебаний, в цепи обратных связей (ОС) которых входят только сопротивления R и емкости С (далее RC-автогенераторы (RCАГ)), известны с начала 30-х годов прошлого столетия и до настоящего времени весьмашироко используются в радиотехнике.Не имея в своем составе колебательного контура, такие генераторы, тем не менее,позволяют формировать колебания, близкие к гармоническим, без использования индуктивных компонентов. Это достоинство особенно существенно при решении задачпостроения RC-АГ, работающих на достаточно низких частотах, где массогабаритныепоказатели АГ с индуктивными компонентами оказываются совершенно неприемлемыми. Другим важным достоинством RC-АГ является возможность получения значительно бόльшей перестройки по частоте автоколебаний при изменении регулирующихчастоту емкостей в цепях обратной связи по сравнению с LC-автогенераторами.

Нарядус этими достоинствами, RC-АГ имеют ряд недостатков, влияние которых может бытьослаблено правильным выбором схемотехнических и конструкторских решений, атакже технологий их изготовления.Первые работы, посвященные разработкам, исследованиям и практическому использованию RC-АГ с мостом Вина, были опубликованы в США и Польше в 1933-1937 гг.(Ф.Термен, Я.Грошковский, У.Хьюлетт, Г.Скотт). В СССР первые работы по RC-АГбыли выполнены В.И.Сифоровым.

В 50-е годы прошлого столетия ламповые RC-АГподробно исследовались в работах В.Г.Криксунова, а в 70-х годах – транзисторные RCАГ были подробно описаны в монографии В.Г.Бондаренко.В течение более чем 90-летней истории разработок и практических приложений RCАГ проблемы, возникавшие при их создании, как правило, преодолевались с помощьюновых схемотехнических и технологических решений, многие из которых оформлялись в виде патентов. Однако если судить по числу публикаций, как по новым приложениям устройств с RC-АГ, так и по анализу недостаточно изученных их свойств, воз3можности совершенствования таких автогенераторов и расширения областей их практического использования к настоящему времени далеко не исчерпаны.Сейчас RC-АГ (часто в интегральном исполнении) активно применяются в телекоммуникационных и измерительных приборах для обработки сигналов, в медицинскойтехнике (в аппаратах неинвазивной техники для миографии и в хирургических и ультразвуковых аппаратах), в беспроводных, сенсорных и спутниковых системах, в тренажерах, в устройствах для определения октанового числа бензинов.

Генерируемые частоты в зависимости от приложения варьируются от единиц кГц до единиц и сотен МГц.Многие из них требуют широкой перестройки частоты.В работах часто отмечается необходимость исследования стабильности частоты RCАГ и RC автогенераторов, управляемых по частоте напряжением (RC-ГУН) и, соответственно, уровня их фазовых шумов. Однако работ, посвященных методам расчета фазовых и амплитудных шумов, очень мало. Современные отечественные публикацииотсутствуют. В работах [Rexa Navid, Asad A. Abidi, Oliveira L.B.] были проведеныоценки фазовых шумов для конкретных схем негармонических RC-АГ, в работе [RexaNavid] было показано, что по уровню фазовых шумов такие схемы имеют ограниченные возможности использования.

В работе [K.Brito] даны количественные оценки дляконкретной схемы генератора гармонических колебаний на основе только компьютерного моделирования уже известной схемы. Полного анализа режимов и флуктуационных характеристик RC-АГ почти гармонических колебаний на основе как неинвертирующих, так и инвертирующих усилителей и соответствующих RC-цепей обратнойсвязи, анализа, позволяющего прогнозировать уровни фазовых и амплитудных шумов,в литературе нет. Нет публикаций и по сравнительному анализу свойств различных вариантов построения таких автогенераторов.В 80-х годах В.Н.Кулешовым был разработан метод комплексного анализа режимных и флуктуационных характеристик RC-автогенераторов, в котором был использован разработанный С.И.

Евтяновым метод укороченных символических уравнений иоснованный на этом методе подход к расчѐту и исследованию флуктуаций в автогенераторах. Результаты этих работ, выполненных в 1983 – 85 гг, были опубликованы в ра4ботах Кулешова В.Н., Ружичковой М. В этих работах для нескольких видов автогенераторов, построенных на RC-цепях как с сосредоточенными, так и с распределѐннымипараметрами, были получены и сравнены между собой теоретические оценки фазовыхшумов. В данной работе предлагается развить этот метод и проиллюстрировать возможность его использования для расчета режимных и шумовых характеристик длядвух классов RC-АГ.Наиболее часто на практике встречаются однокольцевые RC-АГ почти гармонических колебаний (ПГК).

Основными их преимуществами являются относительно низкаястоимость, простота исполнения и малые габариты. Однако необходимость использования таких АГ в режимах с очень малым запасом по самовозбуждению приводит впростых схемах к высокой чувствительности амплитуды колебаний к разбросам параметров компонентов и изменениям параметров окружающей среды.

Для устраненияэтого недостатка в схемы таких RC-АГ часто вводят системы автоматической регулировки амплитуды (АРА). Существует множество вариантов построения системы АРА.Однако в литературе отсутствует информация о вкладах шумов цепей АРА в общиеуровни спектральных плотностей мощности (СПМ) фазовых (ФМ) и амплитудных(АМ) шумов RC-АГ с системами АРА.В данной работе представлен систематический теоретический анализ всех важнейших режимных и флуктуационных характеристик RC-автогенераторов ПГК нескольких классов, работающих как на фиксированных частотах, так и перестраиваемых по частоте напряжением. Такое исследование, расширенное и дополненноекомпьютерным моделированием и экспериментальным исследованием, поможетпредложить и разработать наиболее подходящие варианты построения RCгенераторов ПГК, удовлетворяющих техническим требованиям к режимным ифлуктуационным характеристикам.Целью работы является разработка инженерных методов проектированияRC-автогенераторов почти гармонических колебаний, их теоретическое обоснование и проверка результатов их использования при помощи моделирования и5экспериментальных исследований режимных и флуктуационных характеристикконкретных схем RC-АГ.Для достижения сформулированной цели в представленной диссертационнойработе решаются следующие основные задачи. Разработка приближѐнных методов расчѐта параметров,режимовифлуктуационныххарактеристикстационарныхдиапазонныхRC-автогенераторов, колебания в которых близки к гармоническим. Исследование и сравнительный анализ различных схем RC-автогенераторовПГК по режимным и флуктуационным характеристикам. Разработка и исследование RC-автогенераторов ПГК с системами автоматической регулировки амплитуды (АРА); исследование режимных и флуктуационных характеристик RC-автогенераторов ПГК с системами АРА. Разработка и исследование RC-автогенераторов ПГК, управляемых почастоте напряжением.

Сравнительный анализ различных схем.Методы исследования:Для решения поставленных задач при получении соотношений для расчетарежимных и флуктуационных характеристик использовался подход, основанныйна развитии метода укороченных уравнений С.И.Евтянова. Для исследованиясистемы АРА использовались методы теории автоматического управления.

Прианализе работы RC-АГ, RC-АГ с АРА и RC-ГУН ПГК использовались методытеории чувствительности, полигармонический метод анализа нелинейных систем в среде схемотехнического моделирования Advanced Design System (ADS) иметоды экспериментального исследования режимных и флуктуационных характеристик RC-АГ.Новые научные результаты:1. Разработан метод расчѐта режимных и флуктуационных характеристик в двухклассах RC-автогенераторов почти гармонических колебаний, основанный наразвитии метода укороченных символических уравнений С.И.Евтянова, приме-6нительно к автоколебательным системам с нерезонансными цепями обратнойсвязи.2.

Получены выражения для расчета и анализа СПМ естественных ФМ и АМшумов RC-автогенераторов ПГК. Исследовано влияние режима АГ на уровеньСПМ этих шумов.3. Исследованы вклады в общий уровень СПМ ФМ шумов RC-автогенераторовисточников аддитивных шумов цепей ОС, активного прибора, функциональныхузлов системы АРА и цепей управления частотой.4. Определены условия применимости предложенного метода. С использованием компьютерного моделирования, при котором режимные и шумовые характеристики находятся полигармоническим методом, и экспериментального исследования доказана применимость предложенного метода для инженерных расчѐтов с приемлемой для практики точностью.5. Проведен сравнительный анализ нескольких вариантов построения RC-автогенераторовпо совокупности режимных и флуктуационных характеристик.Практическая значимость результатов работы:1.

Разработанный метод позволяет разработчикам выбирать рабочие режимыRC-автогенераторов ПГК, исходя из совокупности требований, включающейтребования к уровню фазовых шумов.2. Разработанные проекты в среде ADS, исходные данные которых получены наоснове теоретического анализа, позволяют уточнить расчеты и довести проектирование RC-АГ ПГК до получения данных, необходимых для практической реализации.3.