Файл: Основные понятия и определения электросвязи.pdf

48 обратной связи
К
ос
= М 2
, где М – взаимная индуктивность между катушками L1 и L2.
Первоначальное положительное смещение создается источником
????
0
Величину напряжения смещения выбирают таким, чтобы рабочая точка находилась на участке наибольшей крутизны ВАХ транзистора (рисунок 7.6а, точка
А), что соответствует мягкому режиму самовозбуждения.
Последовательно с источником
????
0
включена цепь автосмещения R1C1.
-
+
+
-
U
M
VT
C1
C2
C3
L2
L1
E
R1
U
0
cм
к
u
бэ
u
вых
Рисунок 7.5 – Автогенератор с цепью смещения
Возникающие в контуре L2C2 слабые электрические колебания (в момент включения) наводят в катушке L1 переменную э.д.с., которая создает переменное возбуждающее напряжение в цепи базы. Для этого катушка обратной связи должна быть так присоединена к выводам базы и эмиттера транзистора, чтобы входное напряжение у нее имело фазу, сдвинутую на 180 0
по отношению к фазе выходного напряжения усилительного каскада. Этим обеспечивается положительная обратная связь между входным и выходным напряжениями в цепи обратной связи, так как усилительный каскад, в котором включен транзистор по схеме с общим эмиттером, также создает фазовый сдвиг, равный 180 0
. При нарастании амплитуды колебаний ток в цепи базы транзистора увеличивается. Постоянная составляющая тока базы
????
б0
создает падение напряжения
????
0????1
= ????
б0
????1 на резистивном сопротивлении R1 и результирующее напряжение смещения
????
????м
= ????
0
− ????
0????1
уменьшается (рисунок 7.6в). Рабочая точка смещается вниз по характеристике транзистора и переводит автогенератор в жесткий режим работы. При этом ток коллектора имеет вид последовательности импульсов (рисунок 7.6б), а напряжение на выходе схемы
????
вых представляет собой гармоническое колебание с неизменной амплитудой (рисунок 7.6г).

49 б) а)
Схемы LC автогенераторов различают по числу точек, в которых резонансный контур соединен с активным элементом. На практике используют
«двухточечные» и «трехточечные» схемы.
Двухточечная схема существует одна и называется трансформаторной
(рисунок 7.5). Обобщенная схема трехточечного автогенератора приведена на рисунке 7.7а. Для того, чтобы в такой схеме было возможно самовозбуждение, необходимо выполнить три условия:
- сопротивления
????
кб и
????
бэ должны иметь разные знаки;
- сопротивление
????
кб должно быть по абсолютной величине больше
????
бэ
;
- сопротивления
????
бэ и
????
кэ должны иметь одинаковые знаки.
U
0
0
0
t
t
0
А
i
к
0
t
i
к
U
см
u
бэ
u
вых
Рисунок 7.6 – Автоматическое смещение: ВАХ (а), ток коллектора (б) транзистора, диаграмма напряжения u бэ
(в), выходное напряжение АГ (г)
При выполнении первых двух требований обеспечивается баланс фаз, так как напряжение на базе транзистора, оказывается сдвинутым на 180
о относительно напряжения на коллекторе
При выполнении третьего требования сопротивление левой ветви, равное
(????
кб
+ ????
бэ
) и сопротивление правой ветви ????
кэ приобретают разные знаки и образуют колебательный контур, резонансная частота которого и определяет частоту генерируемых колебаний.
Трехточечные схемы делятся на индуктивную и емкостную трехточки.
Схему автогенератора, у которого
????
кэ и
????
бэ
- индуктивные катушки, а
????
кб
- г) в)

50 конденсатор (рисунок 7.7в), называют индуктивной трехточечной схемой, или индуктивной трехточкой (схемой Хартли). Схему автогенератора, у которого
????
кэ и
????
бэ
- конденсаторы, а
????
кб
- катушка индуктивности (рисунок 7.7б), называют емкостной трехточечной схемой, или емкостной трехточкой
(схемой Колпитца).
-
+
X
бэ

кб
U

бэ
U

кэ
U

к
I
X
кб
X
кэ
С
кб
L
бэ
L
кэ
VT
L
кб
C
кэ
С
бэ
VT
VT
Рисунок 7.7 – Трехточечные схемы автогенераторов: а – обобщенная, б – емкостная, в – индуктивная
В первой обратная связь осуществляется через автотрансформатор при помощи индуктивного делителя, во второй - через емкостный делитель контурного напряжения. В схеме индуктивной трехточки элементом обратной связи является часть катушки индуктивности контура, в схеме емкостной трехточки - одно из плеч емкостного делителя.
Полные схемы трехточечных генераторов приведены на рисунках 7.8 и
7.9. в таблице 7.1 приведены особенности этих схем.
C1
C2
C3
C4
C5
+
-
L1
U
кэ
э
i
C
R1
R2
R3
R4
VT
б
U
бэ
i
L
U
кб
U
вых
Е
к
к
Рисунок 7.8 - Автогенератор с автотрансформаторной обратной связью а) б) в)

51
i
L
i
C
U
бэ
+
-
Е
к
C6
C7
C3
C4
C5
C2
C1
R1
R2
R3
б
э
VT
L2
L1
U
бэ
к
U
вых
Рисунок 7.9 - Автогенератор с емкостной обратной связью
Таблица
7.1
-
Особенности схем автогенераторов с автотрансформаторной и емкостной обратной связью схема особенность индуктивная трехточка емкостная трехточка
Трехточечное соединение контур L1C4 подключен к коллектору, эмиттеру
(через C2) и базе (через
C1) транзистора VT контур L1C4C5 подключен к коллектору (через C3), эмиттеру (через C2) и базе
(через C1) транзистора VT
Ветви параллельного контура индуктивная ветвь: кэ емкостная ветвь: бэ
, C4 индуктивная ветвь: L1 и C5 емкостная ветвь: C4
Выполнение баланса амплитуд часть напряжения с контура L1C4 подается на вход транзистора часть напряжения с контура
L1C4C5 подается на вход транзистора
Элемент обратной связи
L
бэ
C5
Выполнение баланса фаз
180 0
: токи в ветвях параллельного контура
????
????
и
????
????
в любой момент времени противоположны по направлению и напряжения на них противофазные
180 0
: включение транзистора по схеме с общим эмиттером
Начальное смещение на базе транзистора задается делителем напряжения R1R2, соответствует мягкому режиму самовозбуждения
Цепь автосмещения элементы R3C3 элементы R3C2
Схема коллекторного питания последовательная параллельная

52
Генераторы с LC-контурами нашли широкое применение на высокой частоте, однако их применение на низкой частоте осложняется низким качеством и большими габаритами катушек индуктивности. В связи с этим низкочастотные генераторы обычно используют различные RС-цепи в звеньях положительной обратной связи. Эти RС-цепи обычно имеют квазирезонансные характеристики, со сдвигом фаз между входным и выходным напряжениями, равным нулю или 180°. Две такие цепи приведены на рисунке 7.10. Первая цепь
(рисунок 7.10а) состоит из трех фазосдвигающих звеньев, каждое из которых обеспечивает сдвиг по фазе на 60°. В результате выходное напряжение будет сдвинуто по отношения к входному на 180°С. Для возбуждения колебаний усилитель также должен иметь сдвиг по фазе, равный 180°, то есть должен быть инвертирующим.
Вторая RC – цепь (последовательно-параллельная), изображенная на рисунке 7.10б, является основой схемы моста Вина и на квазирезонансной частоте обеспечивает сдвиг по фазе, равный нулю, поэтому для возбуждения колебаний усилитель должен быть не инвертирующим.
RC-автогенераторы представляют собой комбинации усилителей и пассивных RC-цепей, играющих роль колебательной системы и элементов обратной связи.
Обобщенная структурная схема RC-автогенератора представлена на рисунке 7.10в. Избирательная система (RC–цепь) может быть включена либо в схему усилителя, либо в схему цепи обратной связи. Задача избирательной системы
- отфильтровать ненужные гармонические составляющие, возникающие из-за нелинейности ВАХ, и обеспечить, тем самым, условия самовозбуждения автогенератора.
По принципу построения RC генераторы подразделяются на два типа: генераторы с фазосдвигающими цепочками в цепи обратной связи и генераторы с частотно-зависимой обратной связью.
Источник питания
U
вых
Цепь обратной связи
R1
R2
R3
C1
C2
C3

вх
U

вых
U
R1
R2
C1
C2

вх
U

вых
U
усилитель
Рисунок 7.10 – фазосдвигающая (а) и последовательно-параллельная (б)
RC–цепи, структурная схема RC-автогенератора а) б) в)

53
Генератор с фазосдвигающими цепочками (рисунок 7.11) содержит усилительный каскад на транзисторе VT1, фаза выходного сигнала которого отличается от фазы входного на 180° и цепь обратной связи, обеспечивающей изменение фазы сигнала обратной связи также на 180°для обеспечения баланса фаз. Согласование выходного сопротивления фазосдвигающей цепи
C4R4C5R5C6R6 с низким входным сопротивлением усилителя обеспечивает эмиттерный повторитель на транзисторе VT2.
C4
C5
C6
C7
C2
C1
C3
VT1
VT2
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R8
R9
R7
R10
+
-
E
к
U
вых
Рисунок 7.11 – RC-генератор с фазосдвигающими цепочками
Для возникновения генерации колебаний необходимо, чтобы напряжение обратной связи, подаваемое на вход генератора, непрерывно возрастало. Это возможно только тогда, когда усиление усилительного каскада больше ослабления, вносимого цепью обратной связи. Коэффициент передачи трехзвенных RC-цепей на рабочей частоте равен 1/29. Поэтому коэффициент усиления усилителя для выполнения условия самовозбуждения должен быть не менее 29.
Частота колебаний генератора определяется резонансной частотой фазосдвигающей цепи.
Другой распространенной схемой является генератор с мостом Вина
(рисунок 7.12). Его основу составляет двухкаскадный усилитель на транзисторах VT1и VT2 с положительной обратной связью в виде последовательно-параллельной RC-цепи C2R1C1R3, являющуюся одной из ветвей моста Вина. Элементы R3R6 образуют вторую ветвь моста Вина. Схема генерирует автоколебания на частоте
????
0
, на которой наблюдается баланс моста
Вина. Минимальный коэффициент усиления, при котором выполняется баланс амплитуд, К
ус
= 3.
Коэффициент усиления двухкаскадного усилителя превышает это значение, поэтому наряду с положительной обратной связью используют отрицательную обратную связь (элементы R5, R10, цепь C5R6). Отрицательная обратная связь снижает коэффициент усиления и нелинейные искажения генерируемых колебаний.

54
VT1
VT2
C1
C2
C3
C4
C5
C6
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
+
E
к
U
вых
-
Рисунок 7.12 - RC-генератор с мостом Вина
Если условия самовозбуждения в RC-генераторах выполняются не на одной частоте, а в широком диапазоне частот, выходное напряжение генератора будет представлять собой последовательность импульсов, характеризующихся быстрым нарастанием и быстрым спадом. Такие генераторы называют импульсными.
7.4 Стабилизация частоты, формы и мощности генерируемых колебаний
Современная техника требует высокой стабильности частоты генерируемых частот. Мерой стабильности является относительная нестабильность
∆????
????
г
, где
∆???? - допустимое отклонение частоты колебаний генератора от номинального значения
????
г
Нестабильность частоты вызвана дестабилизирующими факторами.
Например: влияние температуры на параметры элементов колебательного контура, на режимы транзистора, что приводит к изменению емкостей коллекторного и эмиттерного переходов. В результате изменяется емкость колебательного контура и, следовательно, генерируемой частоты. Влияние температуры оценивается температурным коэффициентом частоты, показывающим относительное изменение частоты при изменении температуры на 1К. Возможны и другие причины нестабильности: нарушение баланса фаз, старение элементов, вибрация, изменение напряжения питания, переключения, регулировки, изменение нагрузки активного элемента и т. п.
Способы уменьшения нестабильности частоты – автогенераторов:
- высокая стабильность источников питания;
- температурная стабильность режима работы транзистора;
- включение в контур термокомпенсирующих элементов (например, конденсатора с отрицательным температурным коэффициентом);
- термостатирование (то есть помещение в замкнутый объем с постоянными условиями) колебательного контура либо генератора в целом.

55
Эти меры позволяют достичь
∆????
????
г
= 10
−4
… 10
−5
. Снизить относительную нестабильность до значений
10
−6
… 10
−8
можно при использовании в качестве колебательной системы автогенераторов кварцевых пьезорезонаторов.
Кварцевые резонаторы представляют собой пластины, определенным образом вырезанные из кристаллов кварца и обладающие прямым и обратным пьезоэффектом. На боковые поверхности пластин наносятся проводящие металлические слои, являющиеся обкладками конденсатора. При подведении к обкладкам переменной э.д.с. кварцевая пластина будет совершать механические колебания (обратный пьезоэффект), амплитуда которых достигает максимума при совпадении частоты внешней э.д.с. с собственной частотой механических колебаний кварцевой пластины. Механические колебания вызывают, в свою очередь, появление электрических зарядов на обкладках (прямой пьезоэффект). Механические колебания кварцевой пластины имеют частоту, зависящую от размеров пластины: чем меньше эти размеры, тем выше частота колебаний.
Эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена на рисунке
7.13а. Схема представляет собой параллельно-последовательный контур, в котором элементы кв
, C
кв
, ????
кв
- эквивалентные параметры кварца, C
0
- емкость между электродами.
Х
эк
,
R
эк
R
кв
R
эк
Х
эк f
рез1 f
рез2 f
L
кв
С
кв
R
кв
С
0
Рисунок 7.13 – Эквивалентная схема (а) и частотная зависимость составляющих входного сопротивления кварцевого резонатора (б)
Такой контур имеет две резонансные частоты: резонанса напряжений и резонанса токов. Эти резонансные частоты расположены очень близко друг к другу и отличаются всего примерно на 1%. На рисунке 7.13б изображены частотные зависимости активной и реактивной составляющих эквивалентного входного сопротивления кварцевого резонатора. б) а)

56
Резонансные свойства кварцевых резонаторов очень стабильны, а добротность их достигает величин 10 7
, что во много раз превышает добротность обычных колебательных контуров.
На практике наиболее всего распространены два вида кварцевых генераторов: а) осцилляторные - генераторы, в которых кварцевый резонатор является частью колебательного контура и эквивалентен индуктивности; б) генераторы последовательного резонанса, в которых кварцевый резонатор включен в цепь обратной связи, используется как узкополосный фильтр и эквивалентен активному сопротивлению.
Контрольные вопросы:
1. Объясните назначение узлов структурной схемы автоколебательной системы.
2. В чем заключается условие баланса фаз и амплитуд?
3. Что такое «мягкий» и «жесткий» режим самовозбуждения? Дайте сравнительную характеристику.
4. Приведите обобщенные схемы индуктивной и емкостной трехточек LC –
автогенератора.
5. Почему на низких частотах удобнее использовать схемы RC-генератора?
6. Поясните особенности схемы RC-генератора с мостом Вина
7. Каково назначение RC- цепочек в RC-генераторе с фазосдвигающими цепями?

57
Раздел 8 Общие понятия о модуляции и детектировании
8.1 Назначение модуляции. Виды модуляции
Модуляция - изменение информативных параметров некоторых первичных физических процессов (сигналов), рассматриваемых как носители информации, в соответствии с передаваемой (включаемой и сигнал) информацией. Виды модуляции связаны с типом сигнала-носителя.
Модулируемые параметры называется информационными. Устройство, осуществляющее модуляцию, называется модулятором, оно имеет два входа и один выход (рисунок 8.1).
х(t)
S(t)
u
АМ
(t)
Рисунок 8.1- Модулятор
На модулятор подаются:
-
х(t)
- модулирующий, низкочастотный, управляющий, информационный, первичный сигнал;
- s(t) - модулируемый сигнал, высокочастотное, несущее колебание, сигнал-переносчик.
Выходной сигнал модулятора
u
АМ
(t)
- модулированный, высокочастотный, вторичный сигнал.
Главная особенность модуляции
– преобразование спектра модулирующего сигнала. По этой причине модулированные сигналы используются в радиосвязи, многоканальной связи.
Теоретически возможно бесконечное число видов модуляции. В настоящее время в системах связи используется более пятидесяти. Вопрос выбора вида модуляции для системы связи решается с точки зрения эффективного прохождения сигнала по линии связи, простоты выполнения операций модуляции и демодуляции, способности обеспечить заданное качество передачи сообщений при наличии помех.
Амплитудная модуляция