Курсовая работа: Генератор электрических колебаний высокой частоты

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 R_п . 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 R_эк =R₊ - R_- . Если же знак этого сопротивления положительный (R_эк >0), потери в колебательной системе увеличиваются и колебания быстро затухают; если знак отрицательный (R_эк <0) и кроме этого < R_п , происходит частичная компенсация потерь и скорость затухания колебаний уменьшается. При R_эк <0 и > R_п 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:

K_ус == K_ус exp iψ_ус ,

где U_mвых и U_mвх - соответсвенно комплексные амплитуды выходного и входного напряжения;

K_ус = - модуль коэффициента усиления;

ψ_ус - его аргумент, учитывающий сдвиг фаз между входным и выходным напряжением усилителя. Предположим, что в качестве колебательной системы использован одиночный колебательный контур, резонансное сопротивление которого R_рез . Тогда

U_mвых =I_m1 R_рез ,

где I_m1 - амплитуда первой гармоники выходного тока усилительного прибора. Связь между значениями I_m1 и U_mвх устанавливается с помощью соотношения Im1≈S_ср U_mвх , в котором S_ср – средняя крутизна вольт-амперной характеристики усилительного элемента. В любом реальном усилителе эта характеристика нелинейная, поэтому средняя крутизна S_ср зависит от амплитуды входного напряжения U_mвх . Так, при малых значениях U_mвх крутизна характеристики S_ср практически равна статической крутизне в рабочей точке, при увеличении U_mвх она уменьшается.

Подставляя значение I_m1 из последнего уравнения в выражение для U_mвых , получаем:

U_mвых = S_ср U_mвх R_рез .

Тогда

K_ус = S_ср R_рез и K_ус = S_ср R_рез exp jψ_ус .

Коэффициент передачи цепи обратной связи

K_ус == K_о.с. exp jψ_о.с. ,

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--