4. Амплитуда установившихся колебаний

Ранее уже отмечалось, что ограничение амплитуды в современных автогенераторах осуществляется или за счет инерционного элемента ИНЭ, введенного в цепь отрицательной обратной связи автогенератора, или системой АРУ.

В качестве ИНЭ может использоваться либо лампа накаливания, либо термистор. Сопротивление этих элементов зависит от температуры, а температура определяется балансом мощностей - мощности, выделяемой в ИНЭ, и мощности, отдаваемой ИНЭ в окружающую среду посредством конвекции и излучения.

Скорость процесса теплообмена между ИНЭ и окружающей средой характеризуется постоянной времени (t_инэ), которая тем больше, чем больше теплоемкость и чем меньше теплопроводность в окружающую среду, постоянная времени имеет порядок от нескольких сотен мс до единиц секунд в зависимости от типа ИНЭ и его рабочего режима. Постоянная времени ИНЭ, работающего в автогенераторе, должна быть намного больше периода колебаний на самой нижней рабочей частоте, в этом случае температура ИНЭ на протяжении периода колебаний не может следовать за изменениями мгновенной мощности и остается постоянной с высокой степенью точности. Таким образом, сопротивление ИНЭ является функцией действующего (а не мгновенного) значения тока или напряжения, а получаемые автоколебания -синусоидальными. Это предположение выполняется тем точнее, чем больше неравенство

τ_инэ >Т_колеб. .

Рисунок 4

В качестве ИНЭ наиболее распространены термисторы типа ТПМ6/2, ТПМ2/2, ТПМ2/05 и лампы накаливания типа НСМ, основные параметры их приведены в табл. 2, а Ом-амперные характеристики на рис.5, 6.

I_л(мА)

2

1

0,5

400

1200

2000

2400

R_л Ом

Рисунок 5

R_Т кОм

4

3

2

1

2

1

I(ма)

Рисунок 6

Таблица 2

Тип инэ	Предел ста­билизации, В	Средний рабочий ток, мА	Рабочая область по току мА	Допустимая кратковре­менная наг­рузка, мА	Постоян­ная вре­мени, с
ТПМ2/05	1,6-8	0,5	0,2-2	4	45
ТПМ2/2	1,6-8	2	0,4-8	12	25,2
ТПМб/2	4,8-7,8	2	0,4-6	12	42,8
НСМ6х20	0,2-0,4	6	4-8	20	0,5
НСМ12х5	0,5-3	I	0,6-1,8	6	0,4

Функциональная схема автогенератора с лампой накаливания приведена на рис. 7.

Рисунок 7.

Условие баланса амплитуд в установившемся режиме при принимает вид где коэффициент передачи цепи ООС для схемы рис.7 , откуда

Ток, протекающий через лампу накаливания ( ) , складывается из ам­плитуды переменного тока(I_m) в цепи ООС и постоянного тока (I₀) входного каскада усилителя: т.к. , то с учетом вышеприведенных выражений получаем

(9)

Для повышения стабильности выходного напряжения усилитель автогенера­тора выполняют таким образом, чтобы I₀, был много меньше I_m, тогда . Схема автогенератора с термистором приведена на рис.8,

Рисунок 8.

где

(10)

амплитуда выходного сигнала равна

(11)

I_A и I_Т -ток лампы накаливания и термистора в начальной рабочей точке А (рис.6). Точка А выбирается на участке характеристики с Н→ mах. Функциональная схема автогенератора с АРУ приведена на рис.9.

Рисунок 9.

Стабилизация амплитуды происходит следующим образом. Выходное напряжение автогенератора преобразуется в постоянное напряжение, которое затем сравнивается с опорным напряжением U₀. В случае отличия U= от U₀ на выходе схемы сравнения возникает напряжение ошибки, которое через усилитель К₁ воздействует на коэффициент передачи цепи генератора и тем самым изменяет амплитуду выходного напряжения, приближая U= к U_~

В качестве управляемого элемента - цепи в настоящее время чаще всего используется полевой транзистор, который при малых напряжениях между истоком и стоком ведет себя как электрически управляемое сопротивление .

В первом приближении сопротивление канала полевого транзистора в зависимости от напряжения на затворе (U₃) имеет вид

где R_oпт - сопротивление канала при U₃ =0 определяется по характеристикам полевого транзистора или при отсутствии характеристик может быть принято, что

(12).

U_отс - дается в справочнике.

Функциональная схема автогенератора с использованием полевого транзистора приведена на рис. 10,

Рисунок 10.

где - коэффициент преобразователя переменного напряжения в постоянное, равный отношению постоянного выходного напряжения к амплитуде входного сигнала ;

- коэффициенты передачи сравнивающего устройства со входа 1 и 2 на выход для сумматора на резисторах соответственно передачи в точку суммирования). Знак минус перед Q2 говорит о том, что выходной сигнал схемы сравнения пропорционален разности входных сигналов.

Коэффициент передачи цепи ООС

(13)

Сопротивление служит для уменьшения амплитуды напряжения U_cUм полевого транзистора до 0,1 - 0,3 В, т.к. превышение U_cUм , указанной величины приводит к сильным искажениям формы генерируемых колебаний. Цели улучшения формы выходного сигнала служат и сопротивления R , величина которых выбирается на два-три порядка больше (но не более 100 кОм), сопротивления канала полевого транзистора R_oпт.

Усилитель автогенератора (К₀) и в этом случае желательно выполнять так, чтобы ток I_j, был много меньше I_m тогда емкость С_p можно из схемы исключить и, кроме того, можно сделать . Амплитуда установившихся колебаний такого автогенератора равна

(14)

Как видно, второе слагаемое дает зависимость LL от параметров фазирующей цепи и цепи ООС. Для уменьшения их влияния на амплитуду установившихся колебаний необходимо, чтобы К₁>>1. Допустимое значение этого произведения определяется устойчивостью автогенератора и модуляционными искажениями формы сигнала.

Основным звеном схемы с АРУ является преобразователь переменного напряжения в постоянное, т.к. он в значительной мере определяет коэффициент гармоник, быстродействие и стабильность амплитуды колебаний автогенератора. Все преобразователи по основному параметру преобразуемого переменного напряжения можно разделить на преобразователи действующего, средневыпрямленного и амплитудного значений. Преобразователи действующего и среднего значения можно представить в виде двух звеньев: функционального преобразователя (I) и фильтра нижних частот (ФНЧ) (рис.11).

Рисунок 11.

Так как ФНЧ имеет конечное значение постоянной времени ( ), то на выходе преобразователя, кроме постоянной составляющей, будет напряжение 2-й гармоники, значение которого определяется частотой сигнала и . После схемы сравнения усиленный сигнал ошибки и напряжение 2-й гармоники подаются на затвор полевого транзистора ( Т₁ ), что приводит к дополнительной относительной модуляции сопротивления канала. (Т₁)

Модуляция Т₁ сопротивления с удвоенной частотой генерации вызывает изменение амплитуды первой гармоники U_вых и появление третьей гармоники. Такие искажения выходного сигнала называются модуляционными. Лучшими по быстродействию и уровню пульсаций выходного напряжения можно считать преобразователи амплитудного значения (пиковые детекторы).

Автогенератор на основе пикового детектора может быть реализован с включением схемы сравнения с U₀, после детектора (рис.14) и до него (рис.12).

Рисунок 12.

Рисунок 14.

Работа схемы на рис.14 аналогична рассмотренной ранее. Здесь роль преобразователя выполняет пиковый детектор (D, R, С ). Постоянное напряжение с его выхода, значение которого пропорционально амплитуде выходного сигнала, сравнивается с опорным, а полученный сигнал ошибки через усилитель (К₁) воздействует на коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи усилителя автогенератора (К₁)

Второй вариант автогенератора с пиковым детектором приведен на рис.12. Особенностью его работы заключается в том, что в этом случае выходное напряжение сравнивается с опорным до поступления на амплитудный детектор с помощью компаратора (R₁ R₂, D). Сигнал ошибки (рис. 1За)

Рисунок 13.

усиливается усилителем ошибки (К₁) (рис. 13б) и через диод D заряжает конденсатор пикового детектора (С). В промежутках между импульсами конденсатор разряжается через большое сопротивление R, поэтому к приходу следующего импульса напряжение на нем несколько уменьшается (рис. 13в). Очередной импульс отсеченной вершины снова заряжает конденсатор С и все процессы повторяются. Включение усилителя ошибки и до пикового детектора позволяет в такой схеме получить меньшие модуляционные искажения при прочих равных условиях с предыдущей схемой.

Устойчивая работа автогенератора (рис. 12,14) возможна при выполнении условия

Где:

(15)

U_зн - начальное значение напряжение на затворе полевого транзистора, при котором коэффициент передачи цепи ООС

Начальное значение сопротивления полевого транзистора R_нпт выбирается

равным (1,5 + 2)R_ОПТ. Соответствующее ему значение U_зн находится либо по характеристикам полевого транзистора, либо может быть рассчитано:

(16)

Из выражения (7) определяется, что

(17)

Где , а F₀ и U_m находим из выражения (15), (14).

Как видно, устойчивая работа автогенератора с контуром стабилизации, включающим пиковый детектор, возможна только при сравнительном малом коэффициенте стабилизации, тем не менее стабильность выходного напряжения при равных нелинейных искажениях в этой схеме значительно выше, чем в генераторах с инерционной нелинейностью.

Если выбранная схема построения автогенератора не обеспечивает необходимой стабильности амплитуды выходного напряжения, то после него включается дополнительный стабилизатор уровня.