Общие сведения о стабилизации частоты

СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ АВТОГЕНЕРАТОРОВ

 

 

Одним из важных электрических показателей не только генератора, но и всей электронной системы, в которой он используется, является стабильность частоты (или постоянство её во времени). Во время работы любого генератора частота его колебаний не остаётся постоянной, а изменяется по случайному закону под воздействием случайных факторов.

Количественно стабильность генератора оценивается величиной абсолютной и относительной нестабильности, характеризующими отклонение f _Г от установленного значения.

Абсолютной нестабильностью частоты генератора называется разность D f между текущими значением f и заданным f ₀ т.е.

D f = f – f ₀ (1)

Относительная нестабильность определяется отношением:

(2)

Требования по стабильности частоты генератора зависят главным образом от назначения тех устройств, в которых они применяются. Рассмотрим влияние этого показателя на качество функционирования некоторых радиоэлектронных систем.

Радиосвязь между передатчиком и приёмником может быть надёжной и устойчивой, если передатчик и приёмник работают строго на одной частоте, т. е. когда колебательные контуры приёмника чётко настроены на частоту волны, излучаемой передатчиком. Последнее возможно лишь при условии стабильных частот передатчика и приёмника.

 

(-) нестабильности

взаимная расстройка частот передатчика и приёмника приводит к резкому ухудшению радиосвязи или даже прекращению её. Нестабильная по f аппаратура требует на приёмном конце непрерывного «поиска» f передатчика с помощью ручных настроек приёмника. Такая связь ненадёжна и малооперативна.

(+) стабильности

с другой стороны высокая стабильность f радиоаппаратуры позволяет

– уменьшить помехи других радиостанций, работающих на близких к ней частотах;

– уплотнить радиоканал связи путём уменьшения D f между соседними

радиостанциями;

– повысить помехозащищённость приёмника при работе его на узкой полосе

частот, особенно при умышленных помехах со стороны противника.

В измерительной технике с цифровой обработкой информации измерения осуществляется путём подсчёта числа импульсов (колебаний напряжения встроенного генератора) за промежуток времени t, пропорциональный амплитуде измеряемой величены.

Нестабильность частоты генератора, т.е. изменение его f под воздействием внешних факторов, приведёт к погрешности измерения. Стабильность f генератора промышленной установки определяет качество технологического процесса.

Как мы видим из приведённых примеров, стабильность частоты генераторов играет очень важную роль в техники. В зависимости от конкретных требований относительная нестабильность может находиться в пределах

10^–10 ÷ 10^–3.

Рассмотрим, какие факторы влияют на стабильность частоты автогенератора

Дестабилизирующие факторы,влияющие на частоту автогенератора

Основными факторами, влияющими на стабильность частоты автогенераторов, является:

– изменение температуры;

– – “ – влажности;

– – “ – давления (окружающей среды);

– – “ – напряжения питающей схемы;

– – “ – нагрузки генератора;

– механическое воздействие (деформация элементов монтажа);

– низкая добротность контуров.

Наиболее существенным из этих факторов является температура. Как известно ёмкость конденсаторов и индуктивность катушек зависят от их линейных размеров, которые изменяются под действием изменений температуры.

Параметры рабочих температур деталей в радиоэлектронных цепях могут достигать больших значений. Так постоянные и переменные токи, проходя по катушкам и конденсаторам генераторов, могут нагреть их до 70¸90 ^оС.

Как мы уже знаем, частота колебаний, например, LC автогенератора определяется частотой собственных колебаний его колебательного контура:

(3)

и зависит от индуктивности L и ёмкости C контура. Строго говоря, в понятие

L и C входят также индуктивность и ёмкость соединённых проводов, межэлектродные ёмкости ламп и транзисторов. Кроме того, частота f ₀ зависит также от активного сопротивления r контура и внутреннего сопротивления Ri лампы автогенератора (или проводимости транзистора).

Поэтому, если параметры колебательной системы автогенератора L, C, r, Ri будут постоянны, то и его частота f ₀ будет стабильной. Это первое условие высокой стабильности частоты автогенератора.

Вторым условием стабилизации частоты генератора является высокое качество (добротность) Q (малое сопротивление r и соответственно малые потери) колебательного контура. Контур, обладающий высокой добротностью Q, имеет очень острую резонансную кривую (см. рис.1. а).

 

Рис. 1 Иллюстрация добротности колебательного контура:

а – высокая Q; б – низкая Q

 

Свободные колебания такого контура происходят на строго определённой частоте f ₀.

Контур с низкой добротностью Q имеет широкую и сглаженную резонансную кривую, для которой частота резонанса f ₀ весьма неопределенна. Следовательно, такой контур не способен давать собственные колебания строго на одной частоте.

Изменения температуры вызывают механические напряжения и деформации в катушке индуктивности и конденсаторе, вызывая изменения параметров этих элементов.

Аналогично влажность влияет на диэлектрическую проницаемость диэлектрика конденсатора и вызывает изменение его емкости.

Колебания давления окружающей среды также вызывают изменения геометрических параметров LC– элементов и изменения их свойств.

Колебания U_ПИТ вызывают изменения f, связанные с изменением параметров транзисторов, ламп и других активных элементов, а также изменение амплитуды колебаний и связанную с этим возможность появления нелинейных эффектов.

Влияние нагрузки генератора на его f заключаетсяв том, что последующие каскады, будучи связаны с контуром автогенератора, вносят в контур реактивные сопротивления, которые, изменяя в конуре L и C изменяют его частоту.

Механические воздействия (сотрясения) вызывают деформации, перемещения проводников, деталей контура автогенератора (например, смещение пластин конденсатора).

Низкая добротность контуров уже в принципе не обеспечивает постоянство f o, т.к. условия баланса фаз и амплитуд в этом случае будут выполняться в некотором диапазоне D fo, что и определяет непостоянство частоты колебаний генератора.

Рассмотренные факторы существенно влияют на параметры генератора и не позволяют получить в простейшем одноконтурном LC-генераторе

относительную нестабильность меньше d = 10^–2… 10^–3.

Однако, потребность науки и техники не могут быть удовлетворены столь низкой стабильностью генерирующих колебаний.

Рассмотрим, каким же образом на практике достигается поввшение стабильности f генераторов.