А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Для возбуждения колебаний, характеризуемых стационарной амплитудой Уо;, необходимо начальное внешнее воздействие с амплитудой большей, чем У;„ после чего в генераторе установятся колебания с амлитудой У;,. Такой режим называют жестким. Жесткий режим характеризуется гистерезисными явлениями — при плавном изменении параметров Ь„В, и М возбуждение и срыв колебаний происходят при различающихся значениях параметров в зависимости от направления изменения (уменьшения или увеличения) параметров.
7.5. Стабилизация частоты генераторов Из-за непостоянства внешних условий (температура, влажность, напряжение источника питания и т. д.) параметры элемеитов генератора изменяются, что приводит к 7.б. Стабилизация частоты гене ато ов 179 нестабильности частоты генерируемых колебаний. Для количественной оценки нестабильности обычно используют величину внв/ы„ взятую за определенный промежуток времени. Без применения специальных мер относительная нестабильность частоты Ьы/ы, для КС-генераторов 10 ' + 1О ' за сутки, генераторов с колебательным контуром ° 10 ' —: 10 ' за сутки. Если для одних применений Ьш/ы, = 10 ' может быть вполне удовлетворительной (например, звуковая сигнализация, переключение цифровых индикаторов), то для других применений (прецизионные физические и технические измерения) относительная нестабильность 10 ' бывает явно недостаточной.
Рассмотрим основные факторы, влияющие на стабильность частоты генерируемых колебаний. Из анализа работы генераторов следует, что частота колебаний определяется условием баланса фаз. Если под влиянием дестабилизирующих факторов изменяются параметры элементов, определяющих условие баланса фаз, то изменяется и частота генерируемых колебаний. Пусть суммарный сдвиг фаз у есть функция частоты и параметров схемы 1в = У(ы, а„ап... а„), (7.50) где ап оп..., а„— параметры схемы.
Пусть схема генерирует колебания частоты и,. Если в результате изменения параметров происходит изменение суммарного сдвига фаз на величину йр, то для случая малых вариаций йр- — 1 йв+ ,'~ — Иа;. ар! ар ды1 да; (7.51) Поскольку условием существования генерации по-прежнему является условие баланса фаз, то частота генерации изменится так, чтобы ~йр = О. Отсюда следует выражение для относительной нестабильности частоты: ,ьв в, (7.52) ыо ыо — ! =, в = е Производная в'~ „в (7.52) является крутизной частотной зависимости суммарного сдвига фаз в цепи усилителя и цепи обратной связи вблизи частоты генерации.
Следовательно, нестабильность частоты тем меньше, чем сильнее зависимость у(и). Поэтому в генераторах с колебательным контуром для повышения стабильности частоты следует использовать контуры с высокой добротностью. По этой причине нестабильность частоты колебаний в схеме генератора на полевом транзисторе с колебательным контуром в цепи затвора (рис.
7.3) будет меньше, чем с колебательным контуром в цепи стока (рис. 7.2), так как усилитель на полевом транзисторе имеет большое входное и сравнительно малое выходное сопротивление. С целью повышения стабильности частоты колебаний питание генераторов осуществляется от высокостабильных источников питания. В схемах генераторов применяют элементы, параметры которых мало зависят от температуры и влажности.
При повышенных требованиях к стабильности частоты используют термостатирование генератора. Широкое распространение для стабилизации частоты колебаний получили пьезоэлектрические резонаторы, представляющие собой пластины, вырезанные определенным образом из кристалла пьезоэлектрнка и снабженные электродами для включения в электрическую цепь. Пьезоэлектрические свойства материала резонатора позволяют использовать такой резонатор в генераторах электрических колебаний в качестве высо'кодобротной электромеханической колебательной системы. При включении резонатора 180 Глава 7. Гене вторы электрических колебаний в электрическую цепь переменного тока в ней на определенных частотах, соответствующих возбуждению упругих стоячих волн, наблюдаются резко выраженные резонансы.
Вблизи частоты резонанса пьезоэлектрический резонатор может быть заменен эквивалентной схемой, представляющей собой последовательный ЛС-контур, шунтированный емкостью электродов С„как показано на рис. 7.17. Наличие емкости С, приводит к существованию двух резонансных частот, соответствующих резонансам в последовательном и параллельном колебательных контурах. Наибольшее применение в радиотехнике получили пьезоэлектрические разонаторы на основе кристаллов кварца.
Малые внутренние потери, высокая стабильность электромеханических свойств во времени и слабая зависимость их от температуры (пластинки с определенной ориентацией плоскостей относительно кристаллографических осей вообще обладают нулевым температурным коэффициентом частоты) делают кварцевые резонаторы незаменимыми элементами схем генерато- со ров высокостабильных электрических колебаний. Резонансные часто- и,„, ты серийно выпускаемых кварцевых резонаторов охватывают диапазон от десятка килогерц до десятков мегагерц.
Добротность кварцевых ре- С, зонаторов составляет 10' —: 10'. Эквивалентные их параметры таковы, что частоты последовательного и параллельного резонаторов обычно отличаются друг от друга не более, чем на 1%. Например, кварцевый резонатор с частотой порядка 1О Гц имеет Ь, порядка единиц генри, 6 Рис. 7.17. Экви- валентная схема С., порядка сотых долей пикофарады, Со порядка единиц пикофа- 3 рады. Соотношение С, з С, как раз и определяет близость частот ского резонато последовательного и параллельного резонансов.
ра Наличие близких частот последовательного и параллельного резонансов и высокая добротность дают резкое изменение й „' реактивного сопротивления резонатора У, от частоты. Характер зависимости У,(7) показан на рис. 7.18. Здесь и в 1 7„, = — /Х, С, — частота последовательного резонанса, з з 2я 1 С, С, й а — — Л, — частота параллельного резонанса. 2я ' С, + С, Рис.
7.18. Зависимость Применение в схемах генераторов кварцевых резонаторов реактивного сопротивлепозволяет обеспечить нестабильность частоты 1О ~ яз 10 за ния пьезоэлектрического сутки в диапазоне температур от 0 до 50'С. Использование резонатора от частоты специальных срезов кристалла кварца, стабилизация источника питания и термостатирование позволяют создать генераторы с относительной нестабильностью частоты порядка 10 "+ 10 " в течение времени до нескольких часов.
На рис. 7.19 представлена схема генератора с кварцевым резонатором. В схеме рис. 7.19 обратная связь становится положительной при индуктивном характере эквивалентного сопротивления кварцевого резонатора КВ. В этом случае схема рис. 7.19 представляет собой емкостную трехточечную схему (рис. 7.5). Генераторы с кварцевым резонатором можно перестраивать лишь в ограниченных (доли процента) пределах. Это обычно делают с помощью конденсаторов небольшой емкости, подключенных последовательно или параллельно кварцевому резонатору. Для создания аысокостабильных генераторов, перестраиваемых в достаточно широ- ком диапазоне частот, используют преобразование частоты ($5.1'2).
С этой целью на 'преобразователь подают'напряжение от стабильного кварцевого генератора частоты 7, и от перестраиваемого ЬС- или ЯС-генератора, имеющего частоту Е < 7м Частоты ~, и л, а также диапазон изменения частоты Г подбирают таким образом, чтобы одна 7.6. Генераторы елаксационных колебаний 181 из комбинационных частот У, + Р или У, — Р изменялась в требуемых пределах, Эту частоту выделяют соответствующим фильтром на выходе преобразователя частоты. Оценим нестабильность частоты колебаний на выходе такого устройства.
Пусть возможное флуктуационное изменение частоты кварцевого генератора имеет величину ЬУю а перестраиваемого генератора — ЬР. Тогда относительное изменение частоты У на выходе преобразователя будет равно ЬУ ЬУ,+ЬР (7.53) У Уо+Р Так как изменение частоты кварцевого генератора ЬУ, много меньше изменения частоты перестраиваемого генератора ЬР, К, ЬУ ЬР РЬР (7.54) У У УР' Следовательно, нестабильность частоты выходного колеба- Рис. 7.19. Схема генератора ниа будет тем меньше, чем больше отношение требуемой е и Резона р на частоты У к частоте Е перестраиваемого генератора.
Пусть, например, требуется перестроить генератор на частоту У = 10' Гц и для получения этой частоты используется кварцевый генератор с частотой У, = 9,9 106 Гц и перестраиваемый генератор со средней частотой Р = 1О' Гц. Пусть относительная нестабильность этих генераторов составляет соответственно ЬУОУУ, = 10 ' и ОР/Р = 1О '. Подставляя эти величины в (7.54), для относительной нестабильности частоты на выходе преобразователя получим ЬУ 10' — й — 10 =10 1О' Таким образом, используя преобразование частоты, можно получить перестраиваемый источник колебаний со стабильностью того же порядка, что и у кварцевого генератора.
7.6. Генераторы релаксационных колебаний Колебания, сильно отличающиеся от гармонических по форме, носят название релаксационных. Колебания специальной формы часто используются в радиотехнических устройствах. Для развертки луча в осциллографической или телевизионной трубке необходимы колебания напряжения или тока пилообразной формы; при коммутировании элементов сложных радиотехнических систем — радиолокационных станций, ускорителей заряженных частиц, логической обработке информации в ЭВМ применяют генераторы колебаний прямоугольной формы с малым временем нарастания и спадания (резкими фронтами). Схемы, генерирующие релаксационные колебания, весьма разнообразны. Как правило, эти схемы создают на основе активных элементов с сильной нелинейностью (газо- разрядные приборы, туннельные диоды, тиристоры, усилители с сильной положительной обратной связью, работающие в существенно нелинейном ре,киме), что позволяет использовать их в режиме переключателей.
В схемах генераторов релаксационных колебаний в качестве накопителей энергии обычно применяют реактивные элементы одного типа — либо конденсаторы, либо индуктивности. Теперь уже простейшие РгС- или Ш- цепи дают возможность выполнить условия баланса фаз и баланса амплитуд не на одной частоте (как а генераторах почти-гармонических колебаний), а в целом интервале частот, что позволяет генерировать колебания, спектр которых содержит широкий набор гармонических составляющих. 182 Глава 7.
Гене ато ~ алект ических колебаний а)7 Простейший генератор пилообразных колебаний использует характерные свойства неоновой лампочки, отображаемые вольт-амперной характеристикой (рис. 7.20, а) и состоящие в том, что лампочка зажигается и гаснет при разных 1 значениях напряжения на ней: напряжение зажигания (7, больше напряжения погасания У,. Включим неоновую лампочку параллельно конденсатору С, который заряжается через резистор Я от источника питания Е„, как показано на рис. 7.20, б, и пусть Е„) (7,. б) Будем считать, что сопротивление зажженой лампочки Еп т„, «В, а сопротивление погасшей лампочки тм» В, и пренебрежем временем зажигания и гашения разряда в лампочке. Пусть в начальный момент конденсатор С был разряжен. Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
