Мягкий и жесткий режим самовозбуждения. Реферат: Базовые схемы режимов самовозбуждения

В зависимости от значений постоянных питающих напряжений, подведенных к электродам усилительно­го элемента, и от коэффициента К 0 . с возможны два режима самовозбужде­ния: мягкий и жесткий.

В режиме мягкого самовозбуждения рабо­чую точку А выбирают на линейном участке ВАХ усилительного элемента (рисунок 9.1,а), что обеспечивает начальный режим работы усилительного элемента без отсечки выходного тока. В этих условиях самовозбуждение возникает от самых незначительных изменений входного напряжения, всегда имею­щихся в реальных условиях из-за флук­туации носителей заряда.

Сначала колебания в автогенераторе нарастают относительно быстро. Затем из-за нелинейности ВАХ усилительного элемента рост амплитуды колебаний замедляется, поскольку напряжение на его входе попадает на участки ВАХ со все меньшей статической крутизной, а это приводит к уменьшению средней крутизны S ср и коэффициента передачи К 0с цепи обрат ной связи.

Рисунок 9.1 – Диаграммы, поясняющие режимы самовозбуждения.

Нарастание колебаний происходит до тех пор, пока коэффициент передачи уменьшится до единицы. В результате в автогенераторе установится стацио­нарный режим, которому соответствует определенная амплитуда выходных ко­лебаний, причем угол отсечки выходно­го тока 0> 90°. Частота этих колебаний очень близка к резонансной частоте колебательной системы. Обратим внимание: если бы усили­тельный элемент имел линейную вольт-амперную характеристику, нарастание амплитуды автоколебаний происходило бы до бесконечности, что физически невозможно. Поэтому в линейной цепи получить устойчивые автоколебания с постоянной амплитудой невозможно.

Из-за нелинейности вольт-амперной характеристики форма выходного тока усилительного элемента получается несинусоидальной. Однако при доста­точно большой добротности (Q=50…200) колебательной системы первая гармо­ника этого тока и, следовательно, на­пряжение на выходе автогенератора представляют собой почти гармоничес­кие колебания.

9.5 Режим жесткого самовоз­буждения

При этом режиме напря­жение смещения задают таким, чтобы при малых амплитудах входного напряжения ток через усилительный элемент не проходил. Тогда незначи­тельные колебания, возникшие в конту­ре, не могут вызвать ток в выходной цепи, и самовозбуждение автогенератора не наступает. Колебания возни­кают только при их достаточно большой начальной амплитуде, что не всегда можно обеспечить. Процесс возникно­вения и нарастания колебаний при жестком режиме самовозбуждения иллюстрируется на рисунке 9.1, б. Видно, что при малых начальных амплитудах входного напряжения (кривая 1) ток i вых = 0 и автоколебания не возникают. Они возникают только при достаточно большой начальной амплитуде напря­жения (кривая 2) и быстро нарастают до установившегося значения. В ста­ционарном режиме усилительный эле­мент работает с углами отсечки выход­ного тока <90°.

Для удобства эксплуатации автогене­ратора целесообразнее применять мяг­кий режим самовозбуждения, так как в этом режиме колебания возникают сразу после включения источника пи­тания. Однако при жестком режиме колебаний с углом отсечки <90° обеспечиваются более высокий КПД автогенератора и меньшие тепловые потери. Поэтому в стационарном режи­ме автогенератора более выгоден имен­но режим с малыми углами отсеч­ки выходного тока усилительного эле­мента.

Если в автогенераторе с индуктивной обратной связью и колебательной характеристикой, плавно увеличивать М, то, начиная с критического значения М кр, амплитуда стационарного колебания, будет плавно возрастать.

Такой режим самовозбуждения называется легким.

Для получения легкого режима необходимо, чтобы колебательная характеристика выходила из нулевой точки и имела достаточно большой наклон в области малых амплитуд. Все эти требования выполняются при использовании автоматического смещения. При использовании принудительного (внешнего) смещения колебательная характеристика принимает вид:

Для возникновения колебаний в данном случае требуется очень сильная обратная связь (линия ОА, взаимоиндукция М 1).

После того как колебания установились связь можно ослабить до значения М 2 , при котором линия связи занимает положения ОВ. При дальнейшем ослаблений связи колебания срываются. Для восстановления колебаний М, соответствующего линии связи ОА. Такой режим самовозбуждения называется жестким.

Назначения, классификация и принципы построения систем синхронизации.

В большинстве случаев нормальное функционирование различных систем передачи информации требует обеспечения определенной синхронизации работе передающей и приемной аппаратуры. Эта функция возлагается обычно на специальные системы синхронизации. От помехоустойчивости и качества их работы зависит их помехоустойчивость и качество работы системы передачи в целом. Системы синхронизации формируют на приемной стороне специальные синхронизирующие сигнала, синхронные с соответствующими сигналами, формируемыми на предающей стороне с учетом искажений, появившихся при распространении сигналов по каналу передачи.

Все многообразие задач, состоящих перед системами синхронизации, можно разделить на два больших класса: синхронизация различного рода коммутаторных устройств с целью обеспечения временного разделения сигналов (в системах с временным разделением каналов), синхронизация работы устройств приема и обработки с целью повышения их помехоустойчивости (при приеме сигналов со случайными параметрами).

Реальные каналы передачи являются каналами с переменными параметрами.

Оптимальный прием сигналов со случайными параметрами требует оценки (измерения) существенных параметров (частоты, времени запаздывания, фазы) таких сигналов. Эти измерения и возлагаются на системы синхронизации.

Системы синхронизации классифицирует по различным признакам. Все практические задачи синхронизации в системах передачи можно обеспечить тремя системами синхронизации: высокочастотный, поэлементной (тактовой), групповой.

Задача высокочастотной синхронизации обычно возникает при использовании додетекторной корреляционной обработки сигналов. В этом случае в точке приема необходимо получить образцы высокочастотных сигналов, частоты которых в любой момент времени должны быть ровны или близки частотам несущих или поднесущих принимаемых сигналов. В случае когерентной обработки это равенство должно выполнятся с точностью до фазы.

Задача поэлементной (тактовой) синхронизации состоит в обеспечении на приемной стороне фиксации временных границ элементных сигналов, соответствующих наименьшему подлежащему фиксации временному интервалу, формируемому на передающей стороне. Формирование таких сигналов может быть необходимой для обеспечения оптимальной после детекторной обработки сигналов и разделения сигналов по своим каналам.

В аналоговых системах передачи такими элементарными сигналами обычно являются канальные интервалы (интервалы времени, отводимые для передачи по одному каналу), а в цифровых системах – элементарные информационные символы.

Групповая синхронизация должна обеспечивать фиксацию временных границ определенных групп, элементарных сигналов, например слов, циклов, кадров и т. п.

В некоторых системах могут одновременно действовать все три указанных вида подсистем.

Синхросигналы высокочастотной Ии поэлементной синхронизации обычно имеют периодическую структуру. Синхросигналы групповой синхронизации могут, быть как периодическими, так и образовывать случайный поток. В цифровых системах передачи с циклическим и периодическим опросом, когда могут действовать все три указанных вида синхронизации, частоты всех перечисленных видов синхронизации могут выбираться кратными друг друга.

Например каждый кадр(группа посылок) содержит n 1 слов каждое слово состоит из n 2 символов, а каждый символ длится только n 3 периодов высокочастотного несущего или поднесущего. В этом случае все виды синхронизации можно осуществить после того, как будет установка синхронизация по кадрам.

Режим самовозбуждения, при котором после включения источника питания колебания плавно нарастают, называется мягким самовозбуждением, если же для возбуждения колебаний требуется какое-либо дополнительное воздействие, то такой режим называется жестким.

Рис. 13.2. Изменение крутизны при мягком режиме самовозбуждения

Реализации мягкого режима самовозбуждения можно достичь путем соответствующего выбора напряжения смещения на участке вольтамперной характеристики транзистора с большой крутизной.

Этому режиму соответствует зависимость S=f(U mб) следующей формы, показанной на рис. 13.2.

На этом же рис. проведена прямая
. Для точки пересечения графиков выполняется уравнение баланса амплитуд и установившаяся амплитуда колебания равна
. При мягком режиме стационарный режим оказывается устойчивым, режим покоя – неустойчивым. Поэтому происходит самовозбуждение автогенератора.

Для жесткого режима характерным является то, что малые колебания на входе транзистора не могут вызвать самовозбуждения автогенератора; самовозбуждение возможно только при большой начальной амплитуде напряжения. Такой режим реализуется путем подачи на УЭ запирающего напряжения смещения, при котором малые амплитуды входного напряжения не могут вызвать тока в выходной цепи УЭ.

Для этого режима характерна следующая зависимость S=f(U mб), показанная на рис. 13.3.

Рис. 13.3. Изменение крутизны при жестком режиме самовозбуждения

Режим, соответствующий амплитуде колебаний
, устойчив, а режим, соответствующий амплитуде
, неустойчив.

13.3. Эквивалентные трехточечные схемы автогенератора

Простейшими по конфигурации автогенераторами являются автогенераторы, работающие по трехточечной схеме. В таких автогенераторах транзистор тремя своими выводами присоединяют к трем точкам колебательного контура, состоящего из трех реактивных элементов.

Обобщенная трехточечная схема автогенератора изображена на рис. 13.4.

Рис. 13.4. Обобщенная эквивалентная схема автогенератора

Для возникновения автоколебаний необходимо, чтобы:

В зависимости от того, какие реактивные элементы количественно преобладают в контуре, различают автогенераторы, построенные по схеме индуктивной (рис. 13.5) и емкостной (рис. 13.6) трехточки.

Индуктивная трехточка:

Рис. 13.5. Индуктивная трехточка

,
,
.

Емкостная трехточка:

Рис. 13.6. Емкостная трехточка

- частота генерируемых колебаний.

,
,
.

Коэффициент обратной связи через элементы трехточечной схемы:

.

Для индуктивной трехточки:
.

Для емкостной трехточки:
.

Схема Клаппа

В модифицированной схеме емкостной трехточки достигается более высокая стабильность частоты (рис. 13.7).

Рис. 13.7. Схема Клаппа

Введение конденсатора С 3 уменьшает коэффициент включения транзистора в контур, снижая дестабилизирующее влияние его параметров на частоту автогенератора.

, где
.

Во всех схемах контур включен частично в коллекторную цепь транзистора.

Коэффициент включения контура в цепь коллектора:

Эквивалентное сопротивление цепи коллектора:
.

Автогенератор, в зависимости от условий, может работать в мягком или жестком режиме самовозбуждения. Для раскрытия особенностей этих режимов самовозбуждения удобно совместно рассматривать амплитудную характеристику усилителя с цепью ООС (собственно усилитель), которая всегда имеет нелинейность, и амплитудную характеристику петли положительной ОС, которая является линейной (цепь обратной связи является линейным четырехполюсником).

На рис. 3.2, а представлена типовая амплитудная характеристика нелинейного собственно усилителя.

При малых входных сигналах выходной сигнал изменяется пропорционально входному (усилитель имеет постоянный коэффициент усиления, равный тангенсу угла наклона АХ к оси абсцисс), при больших входных сигналах указанная пропорциональность нарушается (коэффициент усиления усилителя зависит от амплитуды входного сигнала). Линия обратной связи является прямой, проведенной под углом к оси абсцисс, так как между выходным напряжением и напряжением ОС наблюдается линейная зависимость .

В момент включения питания автогенератора на входе усилителя действует шум, имеющий широкий спектр частотных составляющих, в том числе составляющую , частота которой соответствует резонансной частоте избирательной системы. Следует отметить, что прочие спектральные составляющие шума будут подавлены в той или иной мере избирательной системой. На выходе усилителя после усиления в К раз появится выходной сигнал , который после ослабления цепью ПОС в раз поступает на вход усилителя в виде напряжения . Процесс будет протекать до тех пор, пока амплитуда выходного колебания не достигнет стационарного значения (будет выполнено условие баланса амплитуд).

Из рис. 3.2, а видно:

точка А является точкой устойчивого равновесия;

генерация возможна только при таких условиях, когда линия обратной связи пересекает амплитудную характеристику усилителя, что соответствует выполнению условия .

Рассмотренный выше режим самовозбуждения автогенератора называется мягким. Для его обеспечения необходимо, чтобы АХ усилителя выходила из нуля и имела бы в начале координат линейный участок с достаточным углом наклона к оси абсцисс.

Мягкий режим самовозбуждения генератора характеризуется следующими особенностями:

§ АХ усилителя и прямая обратной связи пересекаются только в одной точке, которая является точкой динамического равновесия;

§ колебания, если изменять коэффициент ПОС β , возникают (прекращаются) при одном и том же коэффициенте ПОС ;

§ при для возбуждения автогенератора не требуется внешних воздействий;

§ при мягком режиме самовозбуждения генератора существует возможность установки заданной амплитуды колебаний путем подбора коэффициента ПОС .

Вместе с тем следует отметить, что мягкий режим работы автогенератора экономически невыгоден, так как автогенератор работает в линейном режиме и его к.п.д. не превышает 50%.

Несмотря на указанный недостаток, мягкий режим самовозбуждения является основным режимом работы автогенераторов.

Процесс возбуждения колебаний происходит иначе, если усилитель имеет S – образную АХ (рис.3.2, б ). При установке коэффициента ПОС β < β 2 АХ усилителя и линия ПОС не имеет точек пересечения. Это значит, что коэффициент ПОС мал, и автогенератор не возбуждается.

При установке коэффициента ПОС β 1 < β < β 2 АХ усилителя и линия ПОС имеет две точки пересечения А и С . Это значит, что условие баланса амплитуд выполняется для двух значений амплитуды колебаний автогенератора.

Точка С характеризует неустойчивое состояние автогенератора. Пусть в некоторый момент времени амплитуда на выходе генератора соответствует точке С , при этом коэффициент усиления собственно усилителя равен К С. Допустим, что под действием внешнего фактора амплитуда колебаний уменьшилась. Это приведет к уменьшению сигнала на входе генератора, так как U ВХ = β·U ВЫХ, и вызовет дальнейшее уменьшение амплитуды выходных колебаний, поскольку коэффициент усиления усилителя К меньше, чем К С . Результатом внешнего воздействия в рассматриваемом случае будет срыв колебаний. Напротив, если под действием внешнего фактора амплитуда колебаний увеличится, то возрастет и сигнал на входе. Это вызовет дальнейшее увеличение амплитуды выходных колебаний, которое будет происходить до тех пор, пока система не перейдет в стационарное состояние.

Точка А характеризует устойчивое (стационарное) состояние автогенератора, при этом коэффициент усиления собственно усилителя равен К А . Допустим, что под действием внешнего фактора амплитуда колебаний, соответствующая точке А , уменьшилась. Это приведет к уменьшению сигнала на входе генератора, так как U ВХ = β U ВЫХ. Однако, поскольку коэффициент усиления усилителя К в рассматриваемом случае больше К А, входной сигнал получит большее усиление и амплитуда выходного сигнала возрастет и вновь будет соответствовать точке А .

Очевидно, что для запуска автогенератора амплитуда возбуждающего воздействия должна превысить значения амплитуды входного сигнала, соответствующей точке С . Рассмотренный режим возбуждения автогенератора называется жестким .

В случае, если установить коэффициент ПОС β = β 2 , то автогенератор работает также, как и в мягком режиме, при этом существует точка устойчивого равновесия.

Рассмотрим, как изменяется амплитуда колебаний, если изменяется коэффициент ПОС, а внешние воздействия отсутствуют.

В соответствии с рассмотренным выше, запуска генератора не произойдет, если β < β 2 (линия ПОС β проходит левее линии β 2). Запуска генератора не произойдет и в случае, если β 1 < β < β 2 (линия ПОС β проходит между линиями β 1 и β 2 ), так как внешний электрический толчек отсутствует. Генератор возбудится только в случае β = β 1 , при этом установится стационарная амплитуда колебаний. Если после запуска генератора дальше уменьшать коэффициент ПОС β в пределах β 1 < β < β 2 , то срыва колебаний не произойдет, будет лишь уменьшаться амплитуда колебаний. Срыв колебаний произойдет в случае, когда β = β 2 . Для возобновления колебаний необходимо снова установить коэффициент ПОС β = β 1 .

Таким образом, жесткий режим самовозбуждения генератора характеризуется следующими особенностями:

§ кривая коэффициента усиления усилителя имеет точку перегиба и пересекается с прямой ПОС в одной или двух точках;

§ существует два значения критического коэффициента ПОС (β 1 и β 2 ), соответствующие запуску и срыву колебаний автогенератора;

§ амплитуда колебаний даже для критической ПОС запуска β 1 не может быть близка к нулю;

§ существует возможность запуска генератора при β 1 < β < β 2 за счет начального внешнего толчка.

Жесткий режим автогенератора более экономичен (автогенератор имеет более высокий к.п.д.), чем мягкий режим, так как усилитель работает в нелинейном режиме. Вместе с тем, при жестком режиме невозможно получить колебания малой амплитуды, а запуск генератора имеет определенные сложности. Жесткий режим самовозбуждения автогенераторов применяется редко.