Принципы обеспечения высокой стабильности частоты автогенераторов

Содержание

1. Цель и задачи работы ………………………...…………………………4

2. Принципы обеспечения высокой стабильности частоты автогенераторов ...……………………………………………………….5

3. Описание лабораторного макета ....…………………………………...11

4. Порядок выполнения и программа работы .......……………………...15

5. Содержание отчёта ...………………………………….……………….17

6. Техника безопасности при выполнении работы ......………………...17

7. Библиографический список ...…………………………………………18

Цели и задачи работы.

В результате выполнения лабораторной работы приобретаются знания о месте автогенераторов в структурной схеме передающей части телекоммуникационной системы, о методах обеспечения высокой стабильности частоты генерируемых колебаний и способах построения автогенераторов.

Выполняющие работу студенты приобретают навыки экспериментального исследования зависимости частоты автогенераторов от различных факторов и умение сопоставить полученные данные с теоретическими предпосылками.

Полученные знания и навыки могут быть применены при выполнении курсовых и выпускных работ, связанных с проектированием радиопередатчиков различного назначения.

Принципы обеспечения высокой стабильности частоты автогенераторов.

Одним из основных требований, предъявляемых к задающим генераторам (автогенераторам) радиоприемной и радиопередающей аппаратуры устройств связи, является обеспечение высокой стабильности частоты генерируемых колебаний. Источники высокостабильных колебаний применяются в радиолокации и навигационных системах, в спектроскопии и радиоастрономии. Они являются составной частью Государственного первичного эталона времени и частоты.

Любой автогенератор является нелинейным устройством, преобразующим энергию источника питания в энергию высокочастотных колебаний. В отличие от усилителей (генераторов с независимым возбуждением) в автогенераторе колебания на выходе возникают в отсутствии внешних воздействий.

В состав автогенератора обычно входит источник питания, усилительный (активный) элемент, нагрузка и устройство обратной связи (особенностью автогенератора на туннельном диоде является работа по принципу компенсации потерь в колебательном контуре за счет «отрицательного» сопротивления, которым и служит туннельный диод в рабочей области своих характеристик). В качестве усилительных элементов используют лампы, транзисторы, микросхемы, клистроны, магнетроны, и другие приборы. В нагрузочных цепях этих элементов применяют колебательные системы с сосредоточенными и распределенными параметрами.

В настоящее время все автогенераторы малой мощности выполняются с использованием полупроводниковых элементов. Невысокие рабочие напряжения транзисторов, микросхем и туннельных диодов (по сравнению с лампами) определяют пониженное напряжение и малую рассеиваемую мощность на колебательной системе, что повышает стабильность частоты этих автогенераторов в сравнении с ламповыми схемами.

Количественно стабильность частоты оценивается абсолютной нестабильностью ∆f=f_ном-f, представляющей собой разность между номинальным значением частоты и ее текущим значением, полученным после воздействия какого-либо дестабилизирующего фактора, или относительной нестабильностью ∆f/f_ном, которой пользуются для сравнительной оценки.

Различают два вида нестабильности частоты автогенератора: долговременную и кратковременную. Под долговременной нестабильностью частоты понимается нестабильность, связанная с медленными изменениями частоты автогенератора за счет влияния внешних дестабилизирующих факторов: изменения окружающей температуры, давления, влажности, напряжения источников питания и прочее. Кратковременная нестабильность определяется быстрыми флуктуационными изменениями частоты автогенератора, вызываемыми тепловыми и дробовыми шумами. Условно принимают, что нестабильность частоты, проявляющаяся за время наблюдения, большее или равное секунде, относится к долговременной.

Структурная схема генератора содержит в своем составе активный элемент, частотно-избирательный четырехполюсник (нагрузка) и цепь положительной обратной связи (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема автогенератора

Таким образом, автогенератор можно представить усилительным звеном с коэффициентом усиления по напряжению K_U, охваченным обратной связью с коэффициентом β. [1,2]

Напряжение, снимаемое с выхода канала обратной связи:

U_ос = βU_вых,

а напряжение на выходе генератора:

U_вых = K_UU_ос,

т.е. U_вых = K_U βU_ос,

K_U = SZ_н

Таким образом, автогенератор можно представить усилительным звеном с коэффициентом усиления по напряжению K_U, охваченным обратной связью с коэффициентом β. [1,2]

Напряжение, снимаемое с выхода канала обратной связи:

U_ос = βU_вых,

а напряжение на выходе генератора:

U_вых = K_UU_ос,

т.е. U_вых = K_U βU_ос,

K_U = SZ_н

Следовательно, установившиеся колебания будут существовать в схеме при условии, что:

S β Z_н ≥ 1

Это выражение и определяет условия самовозбуждения в генераторе. Его можно записать в виде:

class=WordSection2>

где n=0,1,2,3… и S, β, Z_н – модули коэффициентов S, β, Z_н; ᵠ_S, ᵠ_ос, ᵠ_z – сдвиг фазы между входным и выходным напряжениями в усилительном звене (ᵠ_S, ᵠ_z) и канале ОС (ᵠ_ос).

Эти выражения носят названия баланса амплитуд и баланса фаз соответственно.

Одной из главных причин нестабильности частоты задающего генератора является нестабильность параметров его колебательной системы, и особенно малых емкостей, входящих в колебательную систему (выходной емкости транзистора, входной емкости следующего каскада).

Другой причиной нестабильности частоты может явиться изменение фазового сдвига между первой гармоникой коллекторного тока и напряжением на контуре. При этом изменяется сдвиг фазы в цепи ОС и нарушается условие баланса фаз.

Анализ стабильности частоты автогенератора [1,2] показывает, что чем круче зависимость любой из фаз (ᵠ_S, ᵠ_ос, ᵠ_z) от частоты, тем частота более стабильна.

В важном частном случае нагрузки в виде параллельного колебательного контура (изменением (ᵠ_S, ᵠ_ос пренебрегаем, что оправдано на относительно низких частотах) видно (рис. 2), что крутизна изменения ᵠ_z растет при увеличении добротности Q контура.

Рис. 2. Зависимость |Z| и ᵠ_z при различных добротностях Q

Это означает, что для увеличения стабильности частоты при прочих равных условиях следует увеличивать добротность последовательного контура до практически достижимых значений Q=150…200. Одним из способов повышения является кварцевая стабилизация. Относительная стабильность частоты ∆f/f у таких автогенераторов достигает значений 10^-3…10^-4. При применении высокодобротных кварцевых резонаторов эта величина может быть порядка 10^-6…10^-7 и ниже.

Тем не менее, дестабилизирующие факторы сказываются на стабильности частоты любых автогенераторов и при всех значениях ∆f/f. На практике основными из факторов являются изменение питающих напряжений и температуры. Их влияние и исследуется в данной работе. При исследовании влияния изменения питающих напряжений, напряжение, подаваемое на автогенераторы (E_пит), должно плавно регулироваться в некоторых пределах. Этот интервал определяется параметрами транзисторов, микросхем и туннельных диодов, входящих в состав автогенераторов. Для безопасности работы превышать 15В не рекомендуется, так как они могут выйти из строя. Исходя из этих соображений, при номинальном напряжении питания 10В диапазон его изменения составляет от 9 до 14В.

Температурная стабильность автогенераторов исследуется с помощью термошкафа. Рабочий диапазон выбирается из следующих соображений. Снизу этот диапазон ограничен условиями эксперимента, а, именно комнатной температурой, так как для достижения более низких температур пришлось бы использовать холодильник, в который нужно было бы помещать автогенераторы. Сверху диапазон ограничен безопасностью работы активных элементов. Таким образом, диапазон изменения температур принят равным 20⁰С…60⁰С.

В работе также исследуется возможность перестройки частоты с помощью варикапа. При этом абсолютное изменение частоты ∆f в зависимости от изменения включенной последовательно с кварцевым резонатором емкости варикапа ∆C_у может быть представимо в виде

где номинальная частота f_н принята равной 1МГц;

динамическая емкость кварцевого резонатора: С_К=0,001пФ,

статическая емкость кварцевого резонатора: С_О=5пФ,

емкость С_ген=С₁С₂/С₁+С₂, С₁ и С₂ – контурные емкости автогенератора,

С₁=1500 пФ, С₂=3810 пФ.

Емкость С_вар зависит от приложенного к нему обратного напряжения Е_см. Изменением Е_см изменяем С_вар, добиваясь изменения частоты ∆f.

Рис. 3. Зависимость С_вар от Е_см