Главная Промышленная автоматика.

на стабильность частоты генератора, особенности повышения стабильности частоты управляемых по частоте КГ генераторов. Поэтому в данной книге использованы аналитические выражения без подробных математических выкладок, подтверждающих нх справедливость. Лишь в некоторых случаях приводятся необходимые преобразования, допущения, связанные с использованием соответствующих выражений для расчета элементов генераторов.

Как известно из [17], относительное изменение частоты КГ при изменении реактивного сопротивления, включенного последовательно с резонатором,

(1-ео)- +

£о

I - л;.

(1-о)-

Хп L

(10.I)

где Ху = AXy/XJ - приведенное к модулю сопротивления статической емкости резонатора изменение реактивного сопротивления, включенного последовательно с резонатором; х = Xj \Xq I - приведенное к модулю сопротивленпя статической емкости резонатора реактивное сопротивление, параллельное резонатору.

Для перестройки частоты в заданных пределах в генераторе должно быть реактивное сопротивление Хц (приведенное значение jCh), изменение которого на Ху обеспечивало бы изме1гение частоты на Л /. Но включение реактивного сопротивления последовательно с резонатором приведет к отстройке частоты генератора относительно частоты последовательного резонанса резонатора. Относительное изменение отстройки частоты геИератора относительно частоты последовательного резонанса резонатора можно определить также нз (10.1), подставив вместо Ху значение jc„.

Если прн перестройке частоты необходимо начальную отстройку бо сохранить неизменной, то одновременно с включением д;„ Необходимо включить добавочное реактивное сопротивление, равное по модулю и противоположное ему по знаку. Так, если перестраивать частоту предполагается изменением емкости конденсатора, то последовательно с ним необходимо включить катушку нидуктнв1го-сти с индуктивностью L = l/wC. Из (10.1) видно, что в общем случае зависимость Д / от Ху носит велинейный характер. Зависимость на рис. 10.1 приведена для случая работы генератора на частоте последовательного резонанса резонатора ео = О, ниже (отрицательное значение е) и выше (положительное значение о) частоты последовательного резонанса резонатора (кривые /, 2 и 3). Эта зависимость показана для = оо, что характеризует собой отсутствие реактивного сопротивления, параллельного резонатору, m = 4 -10- и Со = 5 пФ.

При .Гц = со (10.1) преобразуется;

Д/ 1 Ху{\-е,Г

-Со)

Из рисунка видно, что для различны. значений ?o получаем разнос значение крутизны характеристики управления и линейности.

Анализ (10.1) показывает, что зависимость Д / от % получается линейной лишь при

= 0.

т. е. прн = 1. Это означает, что параллельно резонатору, для обеспечения линейной зависимости Af/f от Ху, ддлжиа быть включена катушка с индуктивностью

Z.n=I/u)2 Со.

(10.2)

Когда параллельно резонатору включена катушка индуктивности (кривая 4), определенная нз (10.2), (10.1) преобразуется:

Af/f = - 0,5 mxj.

(10.3)


-0,5 -0,Ц

Рис. 10.1. Зависимость отиоситсльиого изменения частоты КГ от Ху

Из (10.3) видно, ЧТО относительное изменение частоты пе зависит от начальной отстройки Са и Af/f зависит от Ху линейно.

Во многих случаях управление частотой КГ осуществляется изменением напряжения.

Наиболее широкое применение для управления частотой генераторов получили варикапы. Это наиболее экономичные, малогабаритные, надежные и стабильные нз всех известных элементов, реактивное сопротивление которых зависит от приложенного напряжения. Как правило, для управления частотой используется барьерная емкость варикапов, т. е. емкость закрытого р - п-перехода.

Реактивное сопротивление варикапа Хр = Хро [(фр + £)/фр]. При начальном напряжении смещения Е„ реактивное сопротивление варикапа Хр„ = Хро [(фр + £„)/фр]. Изменение начального напряжения £„ иа АЕ приведет к изменению реактивного сопротивления варикапа: Ху = Хр - Xp,i= Хр„ [(1 + «) - 1]. где и = АЕ / (фр + £„) - приведенное изменение напряжения смещения.

Приведенное к модулю реактивного сопротивления статической емкости Со резонатора изменение реактивного сопротивления ва-



рнкапа Ху = Жр„ [(1 + и) - IJ. Относительное изменение частоты генератора при изменении напряжения смещения на варикапе

(1-ео)4-

(14-)

\ Хп.В j

14- -(Ч-«)

Хп.В

-Хри 1(1+")-Их

hit).

(1-ео) -

1-ео

\ XnJ

(10.4)

где х„. = Xn.J\X(> 1 - приведенное к модулю сопротивления статической емкости резонатора значение реактивного сопротивления резонатора, включенного параллельно варикапу.


1 У

V -о,г

-0,3

-0,5

Рис. 10.2. Зависимость отиосительного изменения частоты КГ от приведенного изменения напряжения на варикапе (/-/о-О; 2 - (о>0;

г-;о<о)

Зависимость А / от и, в общем случае, нелинейна. Крутизна и линейность характеристики управления определяются значениями

У, Х-рх, во. -"пв н -"п- ,

На рис. 10-2 приведена зависимость А / от и для v = /2; Хрп - - 0,5; Хц.в н Ха- °° н трех значений «о- Видно, что крутизна характеристики управления и пределы перестройки по частоте увеличиваются прн отстройке ниже частоты последовательного резонанса резонатора (отрицательное значение eg) и уменьшаются прн положительном значении вд - отстройке выше частоты последовательного резонанса резонатора.

При разработке управляемых по частоте КГ необходимо правильно выбрать частоту генератора, резонатора, элементы управления частотой, чтобы наиболее простыми схемными решениями обеспечить необходимые пределы перестройки при высокой стабильности частоты.

Наиболее широкое применение управляемые по частоте КГ генераторы получили в диапазоне 5-30 МГц. Это обусловлено рядом обстоятельств. Выше уже говорилось, что для обеспечения необходимых пределов перестройки последовательно с резонатором должно

быть включено определенное реактивное сопротивление, допустим варнкап. Одновременно с ним для обеспечения работы вблизи частоты последовательного резонанса резонатора необходимо включить дополнительное реактивное сопротивление того же значения, ио противоположное по знаку. Таким образом, в КГ должны включаться варикап и катушка индуктивностн.

В то же время нз (10.4) видно, что относительное изменение частоты при заданном и будет тем больше, чем больше Хр, т. е.чем мен ь-ше начальная емкость варикапа. Это приводит к тому, что на низких частотах последовательно с варикапом приходится включать катушку с большой индуктивностью, что создает определенные конструктивные трудности.

То же самое происходит н прн управлении частотой КГ с помощью изменения емкости нлн индуктивности. Прн работе же с отстройкой от частоты последовательного резонанса увеличивается влияние элементов генератора, параллельных резонатору, иа его частоту прн положительных значениях вд, уменьшается крутизна характеристики управления, а прн отрицательных вд увеличивается-к тому же возможность паразитного возбуждения генератора.

Прн выборе резонатора для управляемого по частоте генератора необходимо особое внимание обращать на значение емкостного отношения т, которому, как следует нз (10.4), прямо пропорциональна относительная перестройка по частоте, и на значение Со, также определяющее пределы перестройки частоты прн заданных пределах изменения реактивного сопротивления нлн напряжения на варикапе. Резонаторы, имеющие большее значение т н Со, наиболее предпочтительны для управляемых по частоте генераторов.

В диапазоне 5-30 МГц резонаторы работают, как правило, на основной частоте, пьезоэлемёнты представлиют собой плоские пластины, m и Со позволяют получить перестройку по частоте порядка ±1000-10- прн высокой стабильности частоты.

На более низких частотах пьезоэлемёнты резонаторов среза AT имеют форму двояковыпуклой линзы, что уменьшает т и затрудняет управление частотой и получение больших пределов перестройки по частоте, а резонаторы других срезов имеют более низкую стабильность частоты.

На частотах выше 30 МГц, как правило, уже используются резонаторы с колебаниями высших порядков, у которых емкостное отношение уменьшается пропорционально квадрату номера порядка колебания, что так же, как и на низких частотах, затрудняет управление частотой и не дает возможности получить большие пределы перестройки частоты.

Для получения больших пределов перестройки по частоте на частотах выше 30 МГц используется умножение частоты управляемого КГ диапазона 5-30 МГц.

На низких частотах для получения больших пределов перестройки используется выделение разностной частоты двух КГ диапазона 5-30 МГц. При этом в зависимости от требуемой перестройки возможны два варианта получения низкочастотного колебания с большими пределами перестройки по частоте.

В первом случае выделяется разностная частота, равная требуемой частоте низкочастотного колебания, двух КГ, один из иих является управляемым по частоте. Частота низкочастотного колебания /„ч ± Д/ = /i - (/2 ± Д/г)- В данном случае перестройка по частоте Д/ низкочастотного колебания f,j.4 равна перестройке по



частоте управляемого КГ Д/j. Для увеличения пределов перестройки требуемая частота низкочастотного колебания получается как разность частот двух управляемых по частоте КГ: /„и ± Д/ = = (/i ± Д/i) - Л ЯР Д/а).

Управлять частотой генераторов надо так, чтобы прн увеличении частоты /i частота уменьшалась и, наоборот, прн уменьшении fi частота /а увеличивалась.

Тогда изменение частоты низкочастотного колебания Д/ = = Д/, + Д/г, т. е. будет определяться суммарной перестройкой по частоте двух управляемых генераторов.

Схемные решения получения низкочастотного колебания как разности двух высокочастотных колебаний могут быть различными Это могут быть два отдельных КГ, работающих на смеситель, нлн же два резонатора, которые могут возбуждаться в одном генераторе и при этом выделяется нх разностная частота [121].

Прн управлении частотой КГ изменяется стабильность цент ральной частоты. Управление частотой, как уже говорилось выше осуществляется изменением реактивного сопротивления, включен НОГО последовательно с резонатором в схеме генератора. Таким ре активным сопротивлением обычно служат перестраиваемая катушка индуктивности, конденсатор с переменной емкостью илн варикап

Прн воздействии дестабилизирующих факторов (температуры влаги, ударных и вибрационных нагрузок, линейных ускорений и т. д.) изменяется реактивное сопротивление элемента и, как следст вне, частота генератора. Изменение частоты может быть также опре делено из (10.1), только вместо Ху необходимо подставить приведен ное значение изменения реактивного сопротивления соответствующе го элемента от воздействия дестабилизирующих -факторов. Напрн мер, приведенное изменение реактивного сопротивления в интервале температур

Ax = XaxAt/\XcJ, (10.5)

где X - реактивное сопротивление; - температурный коэффициент реактивного сопротивления; Д/ - интервал рабочих температур.

Подставив Ддс из (10.5) в (10.1), можно определить дополнительную составляющую нестабильности частоты, обусловленную изменением X в интервале температур.

Кроме того, прн управлении частотой изменяется ТХ резонатора. Зависимость ТЧХ от отстройки относительно частоты последовательного резанаиса резонатора обусловлена изменением емкостного отношения резонатора в интервале температур. Изменение ТЧХ резонатора при отстройке от частоты последовательного резонанса Д / = 0,5 табу (t - to), где а„ - температурный коэффициент емкостного отношения (для резонаторов AT я= 3.10-*, для резонаторов БТ а„ х - 3,5.10-*); t - текущее значение температуры; /о - температура, относительно которой определяется изменение ТЧХ.

В [17] показано, что отстройка выше частоты последовательного резонанса резонатора приводит к развороту ТЧХ против часовой стрелки, а ниже - по часовой стрелке.

Изменение ТЧХ (изменение стабильности частоты), вызванное температурным коэффициентом емкостного отношения, также необходимо учитывать нри разработке управляемых по частоте КГ. Более подробно выбор элементов и расчет параметров будут рассмотрены ниже.

10.2. Генераторы, управляемые напряжением

Обычно прн разработке управляемых напряжением КГ требуется определить параметры элементов цепн управления, обеспечивающие получение требуемой девиации частоты при заданном изменении напряжения на варикапе.

Выше было показано, что крутизна характеристики уаравле-иия частотой КГ уменьшается при отстройке выше частоты последовательного резонанса резонатора и увеличивается прн отрицательной отстройке. Но прн отстройке ниже частоты последовательного резонанса резонатора возрастает возможность паразитного возбуждения генератора иа частотах, ие контролируемых резонатором, ухудшается стабильность частоты. Поэтому, как правило, в КГ, управляемых напряжеипем, используется режим работы вблизи частоты последовательного резонанса резонатора, т. е. = 0. Лишь в тех случаях, когда трудно обеспечить требуемую девиацию частоты прн 6= - О, работают прн отрицательной отстройке, т. е. ниже частоты последовательного резонанса резонатора. Таким образом, частота резонатора выбирается обычно равной частоте генератора f.

Подбирают резонатор, исходя нз требований к стабильности частоты, габаритам и т. д., т. е. имеющий желательно большее значение т и Cq.

Для выбранного резонатора известны параметры т, R,. и Со. Серийно выпускаемые в настоящее время и применяемые в генераторах транзисторы, как это видно из данных, приведенных в разд. 3, являются высокочастотными активными элементами, н прн расчете, в первом приближении, можно не учитывать их инерционных свойств (при необходимости это можно сделать по методике, приведенной в 123]).

Приведенное значение реактивного сопротивления варикапа, необходимое для получения заданного относительного изменения частоты генератора Д /, прн заданном изменении напряжения на варикапе определяется нз (10.4).

Для /г = /и, т. е. во = О и V = 0,5, о чем говорилось выше, а также если пренебречь наличием паразитных реактивиостей, параллельных варикапу и резонатору (о включении х„ и х„ специально для увеличения крутизны и для улучшения линейности характеристики управления, уменьшения нелинейных искажений, будет сказано ниже), (10.4) можно упростить:

Д /=-0,5тл:р„("1/ь=Т<- l)/U-Xp„{yT+7i- l)]. (Ю.б)

По Хр„, определенному из (10.6), находим емкость варикапа

Выражение (10.7) определяет емкость варикапа при напряжении смещения 4 В, это удобно, поскольку это справочные данные. При необходимости для обеспечения возможности получения требуемого значения емкости используется параллельное нлн последовательное (встречно-последовательное) включение нескольких варикапов.

Если необходимая емкость варикапа, определенная из (10.7), ие может быть обеспечена, в том числе и параллельным-или последовательным соединением нескольких варикапов, то для получения требуемой девиации частоты прн заданном модулирующем напряжении





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 [23] 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

0.0039