дает падение напряжения на контуре генератора (г). Так как контур является дирижером частоты и колебания осуществляются на резонансной частоте контура coq , фаза напряжения совпадает с фазой тока /. Сопротивление контура R имеет здесь резистивный ха-. рактер. Ток /* в индуктивной ветви контура отстает по фазе от напряжения на 90° (д).

Ток /* можно рассматривать как добавку , приращение к существующему току (а) контура. В самом деле, ведь в конечном итоге ток il обязан своим появлением ЭДС Е, наведенной в катушку связи Ц. Если бы ЭДС была равна нулю, всех последующих колебаний просто не было бы. Следовательно, существование и значение тока непосредственно зависит от наличия и значения ЭДС. Чем больше наведенная в катушке L ЭДС, тем большей окажется амплитуда порожденного ею тока Il.

Приращение /* по отношению к току может быть положительным, когда фазы и i\ совпадают (токи синфазны), или отрицательным, когда эти же токи будут иметь противоположные, сдвинутые на 180° фазы (токи противофазны). В первом случае ток /* поддерживает ток во втором - подавляет этот же ток.

В нашем случае, как видно из сравнения диаграмм (а) и (d), ток /* синфазен с током следовательно, увеличивает последний. Обратная связь здесь оказывается положительной.

Если теперь поменять друг с другом концы катушек связи L, ЭДС Е будет отставать по фазе от тока на те же 90° (знак в вышеприведенной формуле изменится на противоположный) и окажется в противофазе со своим первоначальным значением. На диаграмме (б) для данного случая колебания показаны штриховой линией. Далее последующие процессы будут протекать, как описано выше (все они показаны штриховой линией). В итоге видим, что ток /* оказывается, как и следовало ожидать, в противофазе с током Следовательно, ток /* не только не будет поддерживать i\, но будет последний подавлять, увеличивая затухание контура. Обратная связь станет отрицательной, при которой ни самовозбуждение, ни даже поддержание уже возникших колебаний окажется невозможным.

Действие положительной и отрицательной обратной связи можно проследить на простой механической модели маятника (или качелей). Если подталкивать маятник в такт с его собственными колебаниями, маятник будет раскачиваться. Если в противотакт - маятник будет тормозиться. Таким образом, для самовозбуждения генератора и поддержания в нем незатухающих колебаний должны выполняться два условия: обратная связь должна быть положительной, а ее значение - достаточно большим для полной компенсации рассеиваемой энергии в контуре.

Рис. 2.10. Схемы автогенераторов

Рассмотренная картина дает нам, конечно, только качественное представление о тех физических процессах, которые протекают в автогенераторе.

Две схемы генераторов с самовозбуждением показаны на рис. 2.10. В схеме рис. 2.10, а применена автотрансформаторная связь; на вход усилителя подается часть напряжения с контура при помощи отвода от катушки в точке т.

В схеме рис. 2.10, б применена емкостная связь. Полная емкость контура образована включенными последовательно конденсаторами С1 и С2, а на вход усилителя подается напряжение с конденсатора 02. Усиленные колебания подаются в контур через конденсатор Ср, а питающее напряжение на усилительный элемент подается через сопротивление R. Во всех схемах между управляющим электродом усилительного элемента и общей точкой включено сопротивление R. Это сопротивление способствует стабилизации амплитуды генерируемых колебаний. Проходящий по нему ток создает падение напряжения. При возрастании амплитуды тока через сопротивление R падение напряжения на нем увеличивается - изменение напряжения смещения на управляющем электроде уменьшает усиление. При уменьшении амплитуды колебаний это напряжение уменьшается, а усиление возрастает, что способствует восстановлению первоначальной амплитуды колебаний.

Генераторы с обратной связью для диапазонов дециметровых и сантиметровых волн, в принципе, не отличаются от описанных. Они отличаются только конструкцией колебательного контура, а в случае наиболее коротких волн - также типом усилительного элемента. На дециметровых и сантиметровых волнах используются соответственно короткозамкнутые отрезки коаксиальных линий и волноводов и объемные резонаторы. В качестве усилительного

Рис. 2.11. Автогенератор на туннельном диоде

элемента на сантиметровых волнах применяют клистроны и лампы бегущей волны.

При необходимости в генераторе с высокой стабильностью частоты предпочтение отдается усилительным элементам минимальной мощности; в них выделяется соответственно мало тепла, что облегчает стабилизацию температуры генератора, которая представляет одно из условий постоянства частоты. Широко применяются маломощные транзисторы и туннельные диоды.

Характеристика туннельного диода имеет падающий участок, которому соответствует отрицательное сопротивление в пределах этого участка (АВ на рис. 2.11, а). Из приведенных выше схем видно, что в автогенераторе с обратной связью действие усилителя эквивалентно шунтированию колебательного контура отрицательным сопротивлением; в случае туннельного диода это отрицательное сопротивление получается более просто, путем выбора рабочей точки на падающем участке характеристики. Туннельный диод ТД подключается параллельно колебательному LC-контуру (см. рис. 2.11, б) или последовательно с его элементами. Рабочая точка устанавливается при помощи делителя напряжений из сопротивлений R1 и R2. Генераторы с туннельными диодами делаются для любых частот радиотехнических диапазонов, вплоть до миллиметровых волн.

Стабилизация частоты. Частота свободных колебаний в контуре зависит главным образом от его индуктивности и емкости. Эти параметры не только связаны со свойствами катушки и конденсатора, но зависят и от присоединенных к колебательному контуру внешних цепей. Температура и другие параметры окружающей среды могут вызывать изменение результирующих индуктивности и емкости и через них влиять на частоту колебаний контура. В случае генератора это приведет к изменению частоты генерируемых колебаний, которая изменяется также при любых регулировках или изменениях в присоединенных цепях.

Внутренняя емкость усилительного элемента и его входное и выходное активные сопротивления зависят от приложенного напряжения питания. Поэтому непостоянство напряжения питания транзисто-

ра ИЛИ туннельного диода и других электронных элементов, входящих в состав генератора или подключенных к нему, также вызывает изменение частоты. Механические сотрясения и удары также могут приводить к изменениям частоты из-за изменений емкости и индуктивности.

Для улучшения температурной стабильности при изготовлении колебательного контура выбирают материалы, наименее подверженные влиянию температуры. Дополнительно применяют температурную компенсацию, включая в состав контура компенсационный конденсатор, емкость которого благодаря специальному подбору изоляционного материала уменьшается при повышении температуры и вызывает повышение частоты, что компенсирует ее понижение из-за влияния температуры на другие элементы.

Чтобы устранить влияние внешней температуры и других свойств внешней среды на генератор, его помещают в герметический термостат-камеру с точно стабилизированной температурой.

Влияние подключенных к контуру внешних цепей и элементов уменьшается ослаблением связи контура с ними и, в частности, с нагрузкой. Чтобы уменьшить влияние нагрузки, применяют между ней и генератором промежуточный буферный усилитель.

Нестабильность питающего напряжения устраняется применением стабилизатора. Воздействие механических сотрясений предотвращается амортизацией, т.е. упругой подвеской генератора.

Эффективный способ получения колебаний стабильной частоты состоит во включении в генератор кварцевого резонатора. Такой резонатор представляет собой пластину, вырезанную из кристалла кварца и помещенную между двумя металлическими обкладками (электродами). Кварцевые пластины обладают пьезоэлектрическим эффектом. При механической деформации пластины на ее поверхности возникают электрические заряды (прямой пьезоэлектрический эффект); при дей- ствии электрического поля пластина деформируется (обратный пьезоэлектрический эффект). Если приложенное напряжение переменное, то пластина совершает механические колебания.

Кварцевая пластина, как и всякое упругое тело, обладает резонансной частотой механических колебаний, зависящей от ее размеров. Будучи включенной в электрическую цепь, пластина представляет собой обычную резонансную систему, те. обладает свойствами колебательного контура. Эквивалентная электрическая схема кварцевого

Ск =Со

Рис. 2.12. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора

резонатора представляет собой последовательно включенные индуктивность, емкость и активное сопротивление, параллельно которым включена емкость между выводами резонатора (рис. 2.12). В соответствии со схемой рис. 2.12 кварцевый резонатор имеет две резонанс-, ные частоты: частоту последовательного резонанса (в = 1/V/-,C, и частоту параллельного резонанса cOq = l/LJC,Co/(C, +cj] . Поскольку емкость последовательно соединенных и Сд меньше емкости С, то cOq > со. Следует отметить, что разница между этими частотами составляет несколько сотен герц. Так как Сд зависит и от внешних цепей, то она менее стабильна, чем .

Замечательным свойством кварцевого резонатора является слабая зависимость его параметров от изменения температуры и напряжения питания. Так, относительное изменение частоты генератора с кварцевым резонатором при изменении окружающей температуры на 1°С или питающего напряжения на 0,1 В не превышает 10 . Это и определило исключительную популярность кварцевых резонаторов для обеспечения стабильной частоты автогенераторов.

Существует большое число различных схем автогенераторов с кварцевым резонатором, отличающихся активным (усилительным) элементом (лампа, транзистор, туннельный диод, интегральный модуль и т.д.) и способом или местом включения резонатора (резонатор в качестве одного из сопротивлений трехточечной схемы, резонатор в цепи положительной обратной связи и т.д.). Наиболее часто в качестве активного элемента используются транзистор и туннельный диод.

Одна из возможных практических схем транзисторного кварцевого автогенератора приведена на рис. 2.13. Кварцевый резонатор возбуждается на частоте, близкой к частоте последовательного резонанса со. Для коррекции частоты предусмотрена катушка L, включенная последовательно с резонатором. Рабочая точка транзистора определяется резисторами R-R2. Конденсаторы С1 и С2 совместно с резонатором П и катушкой L образуют схему емкостной трехточки.

Современные передатчики, как правило, предназначены для работы не на одной частоте, а в широком диапазоне частот. При этом на какой бы частоте ни работал передатчик, он должен обеспечить требуемую стабильность частоты. Использовать для каждой частоты

- Е + -о о-

Выход

Рис. 2.13. Схема кварцевого автогенератора

кварцевый генератор нецелесообразно. Поэтому разработаны специальные устройства - синтезаторы частоты, в которых используются способы прямого или косвенного синтеза частоты на основе стабильного опорного генератора.

При прямом синтезе выходная частота синтезатора получается путем многократных последовательно проводимых операций деления, умножения, сложения и вычитания частоты колебания опорного генератора и частот, получающихся при этих операциях колебаний.

Деление частоты производится специальными каскадами - делителями частоты, в качестве которых можно использовать, например, триггеры.

В качестве умножителей обычно используются генераторы гармоник, формирующие короткие импульсы из колебания, частота которого подлежит умножению. Спектр этих импульсов богат гармониками. С помощью узкополосного полосового фильтра из спектра импульсов выделяется сигнал требуемой гармоники.

Сложение и вычитание частот получается в процессе преобразования частоты в преобразователях (иногда их называют смесителями). На входы преобразователя подаются два сигнала с частотами, которые надо сложить или вычесть. При взаимодействии этих сигналов в преобразователе возникают составляющие различных комбинационных частот, в том числе суммарной и разностной, одна из которых выделяется фильтром.

Принцип прямого синтеза частоты можно пояснить с помощью рис. 2.14, где приняты следующие обозначения: Г - кварцевый генератор частоты 1 МГц; Д1-ДЗ - делители частоты на 10; У1-УЗ - ум-

Г 1МГц Д1

4/10

100 кГц

П1 = 1 Пр1

/ /] 100 кГц

7/10 2=5

У2 50 кГц

Ш Пз = б

1 кГц

б кГц

156 кГц

56 кГц

Рис. 2.14. Структурная схема синтезатора частоты