Стабилизация частоты колебаний

Важнейшим параметром генераторов является стабильность частот

генерируемых колебаний. Под стабильностью частоты следует понимать

способность генератора сохранять неизменной частоту колебаний в течение определенного промежутка времени при воздействии дестабилизирующих факторов. К наиболее существенным дестабилизирующим факторам следует отнести: механические деформации отдельных элементов генерируемых колебаний. Под стабильностью частоты следует понимать способность генератора сохранять неизменной частоту колебаний в течение определенного промежутка времени при воздействии дестабилизирующих факторов. К наиболее существенным дестабилизирующим факторам следует отнести: механические деформации отдельных элементов генератора, изменение температуры окружающей среды, непостоянство напряжений питания, непостоянство нагрузки генератора. Для сравнения схем генераторов в инженерной практике используется понятие нестабильности частоты, которая может быть абсолютной и относительной. Под абсолютной нестабильностью понимается абсолютное изменение генерируемой частоты Δφ = φ₂ – φ₁, где φ₁ и φ₂ соответственно частоты колебаний " до и после " воздействия

дестабилизирующего фактора. Так как абсолютная нестабильность не

позволяет сравнивать генераторы различных частот, на практике чаще

используется относительная нестабильность частоты:

где

Исходным условием при рассмотрении стабильности частоты генерируемых колебаний является условие баланса фаз (3).

В общем случае все фазовые углы, входящие в данное выражение, являются функциями частоты, режимов работы генератора, параметров колебательного контура. В то же время изменение любого из этих углов, нарушая баланс фаз, вызывает изменение частоты генерируемых колебаний. Фактически фазовые углы и мало зависят от частоты и при алых ее изменениях их можно считать только функциями дестабилизирующих факторов. В этой связи выражение (3) может быть

представлено в следующем виде:

где (4)

α- дестабилизирующий фактор.

После некоторых математических преобразований выражение для тносительной нестабильности частоты принимает вид

(5)

Знаменатель в правой части выражения (5) есть фиксирующая

способность контура генератора, которая прямо пропорциональна его оборотности и определяет степень отклонения частоты генерируемых колебаний от собственной частоты контура. Вторым условием постоянства частоты является высокая эталонность колебательного контура, т.е. способность контура противодействовать влиянию

дестабилизирующих факторов и сохранять неизменными свои параметры.

Таким образом, для обеспечения высокой стабильности

частоты колебаний в генераторе необходим малогабаритный элемент, обладающий высокой фиксирующей способностью и большой эталонностью.

Обычные колебательные контуры не обладают этими свойствами одновременно, в то время как кварцевый резонатор наиболее подходит для этих целей. Он представляет собой кварцевую пластинку, обладающую прямым

и обратным пьезоэффектом, заключенную в кварцедержатель. В таком сочетании образуется высокодобротный колебательный контур, который обеспечивает высокую стабильность частоты. Эквивалентная схема кварцевого резонатора представлена на рис.4, где С_о – емкость кварцедержателя. Зависимость сопротивления кварца от частоты представлена на рис.5. Здесь ω1 – собственная частота кварца – частота последовательного резонанса,ω2 – параллельного резонанса с учетом емкости кварцдержателя. Самовозбуждение кварцевого резонатора возможно лишь в области высокой крутизны

фазовой характеристики, что имеет место в интервале частот ω1 ω2 где сопротивление резонатора носит индуктивный характер. Это обстоятельство необходимо учитывать при включении кварца в трехточечную схему генератора.

Рис. 4

При включении кварца вместо одного из сопротивлений (см. рис.3.а, б.) имеет место емкостная трехточка (кварц включен в цепь между базой и коллектором) и разновидности индуктивной трехточки. Эквивалентные схемы таких генераторов представлены на рис.6.

На практике использует включение кварца в цепь обратной связи. В этом случае схема так же представляет собой емкостную или индуктивную трехточку.

 

Умножители частоты. По мере роста частоты

генерируемых колебаний сложнее обеспечивать ее высокую

стабильность. В ряде случаев целесообразно использовать в возбудителях относительно низкочастотные, маломощные автогенераторы с последующим умножением их частоты до необходимого значения.

Рис.5

Использование процесса умножения частоты позволяет повысить частоту сигнала в антенне, сформировать при необходимости сетку рабочих частот и повысить устойчивость схемы за счет различия частот входных и выходных цепей. В передатчиках с частотной фазовой модуляцией пропорционально коэффициенту умножения возрастает и индекс модуляции.

Рис. 6

По принципу работы умножители частоты можно разделить на

две группы. Первая группа работает на основе синхронизации частоты задающего генератора опорным сигналом. Такое умножение принято называть регенеративным. В умножителях второй группы используются преобразование частоты с обогащением спектра сигнала и последующей фильтрацией требуемой гармонической составляющей. Наибольшее распространение на практике получили умножители второй

группы, которые в свою очередь подразделяются по типу нелинейного элемента и по применяемой схеме. В схемах умножения применяются активные (транзисторы и лампы), и пассивные (полупроводниковые диоды) нелинейные элементы. В случае активного элемента в умножителе используется резонансная нагрузка. Схемы умножения при этом строятся

аналогично генераторам с внешним возбуждением. В качестве пассивных нелинейных элементов в схемах умножения используется диоды с нелинейным плавным характером изменения емкости - варакторы и диоды с накоплением заряда (ДНЗ).Умножители частоты регенеративного вида, как правило, применяется в сантиметровом диапазоне волн с

использованием туннельных, ливино-пролетных диодов и диодов Ганна.

По виду соединения диодов с входными и выходными цепями различают параллельную и последовательную схемы умножения. Для фильтрации побочных гармонических составляющих на выходе схемы ставится фильтр Ф2. Для исключения проникновения паразитных гармоник на вход схемы используется входной фильтр Ф1. Для обеспечения оптимальной передачи мощности в нагрузку и на вход умножителя схемы должны включать в себя входные и выходные согласующие устройства (СУ). Структурные схемы умножителей параллельного и последовательного типа представлены на рис.7,а,б, соответственно.

Рис.7

На рис.8 дана структурная схема умножителя на активном элементе. Вне зависимости от схемы построения умножителя частоты его входной и выходной сигналы определяются следующими выражениями:

Рнс.8