Принципы стабилизации 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 транзистора 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 герметичный 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, между ней и генератором используют 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 действии 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, т.е. обладает свойствами колебательного контура. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора представляет собой последовательно включенные индуктивность, емкость и активное сопротивление, параллельно которым включена емкость между выводами резонатора (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора

В соответствии со схемой рис. 2.12 кварцевый резонатор имеет две резонансные частоты: частоту последовательного резонанса и частоту параллельного резонанса . Поскольку ёмкость последовательно соединенных конденсаторов С_к и С₀ меньше емкости С_к, то ω₀ > ω_к. Следует отметить, что разница между этими частотами составляет несколько сотен герц. Так как С₀ зависит и от внешних цепей; то ω₀ она менее стабильна, чем ω_к.

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^-8. 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 сок. Для коррекции частоты предусмотрена катушка L, включенная последовательно с резонатором П. Рабочая точка транзистора определяется сопротивлениями резисторов R₁-R₂. Конденсаторы С1 и С2 совместно с резонатором и катушкой 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 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.

Рис. 2.13. Схема кварцевого автогенератора

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 - умножители частоты с изменяемым коэффициентом умножения; Пр1, Пр2 -преобразователи частоты. Предположим, что необходимо получить частоту 156 кГц. После делителей частоты Д1-ДЗ получаются частоты соответственно 100, 10 и 1 кГц. Установив переключатели настройки умножителей У1-УЗ в положения n₁=1, n₂=5 и n₃=6, получим на выходах умножителей соответственно частоты 100, 50 и 6 кГц. На выходе преобразователя Пр2 выделяется суммарный сигнал с частотой 50 + 6 = 56 кГц, а после преобразователя Пр1 - нужная частота 156 кГц.

Выделение нужных частот после умножителей и преобразователей производится резонансными контурами или фильтрами. Следует иметь в виду, что для уменьшения побочных составляющих (соседние гармоники, остатки слагаемых или вычитаемых в преобразователях сигналов, их комбинационных составляющих) необходимо использовать достаточно сложные фильтрующие устройства.

Рис. 2.14. Структурная схема синтезатора частоты

Рис. 2.15. Синтезатор частоты с ФАПЧ первого типа

В синтезаторах косвенного синтеза источником колебаний рабочей частоты служит перестраиваемый по частоте управляемый напряжением генератор (УГ). Текущая частота УГ преобразуется в частоту, равную частоте опорного сигнала или частоте другого колебания, полученного из сигнала опорного генератора, и сопоставляется с ней. В результате сравнения частот (с точностью до фазы) вырабатывается сигнал ошибки, который и подстраивает управляемый генератор. Цепь, выполняющая эти операции, называется системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Обычно используются два типа систем фазовой автоподстройки: с делением частоты в цепи приведения частоты управляемого генератора к частоте опорного сигнала и с суммированием или вычитанием сигналов в этой цепи, т.е. с преобразованием частоты [2].

Принцип работы системы ФАПЧ первого типа состоит в следующем (рис. 2.15). Колебания управляемого напряжением генератора УГ подаются на один из двух входов фазового детектора (ФД) через делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД), который делит частоту сигнала генератора в п раз. На второй вход фазового детектора подается сигнал опорного генератора ОГ с частотой f₀. Выходное напряжение фазового детектора через фильтр нижних частот (ФНЧ) воздействует на управляемый генератор так, что частота его сигнала, поделенная в n раз, будет равна частоте опорного генератора. Изменяя коэффициент деления ДПКД, можно изменять частоту генератора с шагом, равным частоте f₀. В качестве ДПКД обычно используются счетчики импульсов, выполненные на цифровых элементах.

Рис. 2.16. Синтезатор частоты с ФАПЧ второго типа

Принцип работы системы ФАПЧ второго типа поясняется рис. 2.16. Колебания управляемого генератора с частотой f_уг и колебания генератора сдвига (ГС) с частотой f_c подаются на входы преобразователя частоты П_р. На выходе последнего полосовым фильтром (ПФ) выделяется сигнал разностной частоты ∆f = f_с - f_уг или ∆f = f_уг – f_с. Этот сигнал подается на один вход фазового детектора, на второй его вход поступает сигнал опорного генератора f₀. На выходе детектора образуется управляющее напряжение, которое изменяет частоту управляемого генератора до получения равенства ∆f = f₀. В качестве генератора сдвига можно использовать синтезатор, выполненный на основе метода прямого синтеза частоты.

Контрольные вопросы:

2.1. Приведите функциональную схему радиопередатчика и поясните назначение ее основных узлов.

2.2. Какими техническими показателями характеризуется радиопередатчик?

2.3. Каким образом осуществляется классификация радиопередающих устройств?

2.4. В чем заключаются особенности работы усилителей мощности (генераторов с внешним возбуждением) радиопередатчиков?

2.5. Поясните принципы работы автогенератора.

2.6. Каким образом обеспечивается стабильность частоты в кварцевом автогенераторе?

2.7. Приведите структурные схемы синтезаторов частот различных типов.