9.13. ДЕЙСТВИЕ ГАРМОНИЧЕСКОЙ ЭДС НА АВТОГЕНЕРАТОР. ЗАХВАТЫВАНИЕ ЧАСТОТЫ

Поведение автогенератора, находящегося под действием внешней силы, существенно зависит от амплитуды и частоты этой силы.

Если амплитуда возбуждения очень мала по сравнению с амплитудой автоколебания и одновременно частота значительно отличается от частоты свободного автогенератора ( — резонансная частота контура автогенератора), то действие внешней ЭДС сводится к эффекту модуляции, который проявляется в изменении фазы и амплитуды автоколебания по весьма сложному закону. С приближением частоты к картина меняется. Частота генерации «подтягивается» к частоте внешней ЭДС, и при некотором значении , зависящем от соотношения амплитуд, автогенератор начинает работать точно на частоте без каких-либо признаков модуляции. Частота генератора оказывается «захваченной» частотой вынуждающей силы.

Явление захватывания частоты используется в ряде радиотехнических устройств, когда требуется осуществить принудительную синхронизацию автогенератора с помощью маломощного источника колебаний. В некоторых случаях, например при наличии паразитных связей между двумя автогенераторами, захватывание возникает произвольно и препятствует независимой их работе на близких частотах.

Рассмотрим механизм явления захватывания частоты в простейшем одноконтурном автогенераторе с трансформаторной обратной связью при последовательном включении внешнего источника ЭДС в цепь база — эмиттер (рис. 9.41). Следует подчеркнуть, что такая схема выбрана только для определенности рассуждений. Сточки зрения установления общих соотношений вид схемы автогенератора и способ введения вынуждающей ЭДС принципиального значения не имеют. Частоту генерации (в отсутствие внешней ЭДС) приравняем резонансной частоте контура .

Рассмотрим сначала баланс фаз в автогенераторе, находящемся под действием внешней ЭДС в предположении, что имеет место стационарный режим захватывания, т. е. генерируемая частота равна частоте , отличной от резонансной частоты контура . При этом амплитуду Е будем считать настолько малой, что все основные параметры автоколебания — амплитуда первой гармоники коллекторного тока амплитуда напряжения на контуре и амплитуда напряжения обратной связи — останутся такими же, как и в отсутствие внешнего воздействия.

Рис. 9.41. Автогенератор с синхронизирующим источником ЭДС в цепи база — эмиттер

Рис. 9.42. Векторные диаграммы нанри жений и тока в автогенераторе: а) без внешнего воздействия; б) в режим - захватывания частоты

Иными словами, влияние внешнего воздействия проявляется только в изменении фазовых соотношений в автогенераторе.

До включения источника внешней ЭДС эти соотношения характеризуются векторной диаграммой, показанной на рис. 9.42, а. Ток — в фазе с напряжением а напряжение в фазе с током (напряжение на контуре отсчитывается от эмиттера к коллектору).

Исходная фаза тока выбрана произвольно, так как в автогенераторе фаза автоколебания зависит от начальных условий запуска. После включения внешней ЭДС (начальная фаза приравнена нулю) и установления стационарного режима диаграмма примет вид, показанный на рис. 9.42, б. При построении этой диаграммы учтены следующие условия: а) между током и напряжением имеется фазовый сдвиг , зависящий от расстройки контура по отношению к генерируемой частоте Принимая для определенности, что приходим к выводу, что вектор должен опережать вектор I, на угол

где Q — добротность контура;

б) ток находится в фазе с результирующим напряжением напряжение обратной связи связанное с напряжением контура соотношением — не зависит от частоты. Поэтому направления векторов и совпадают.

Из диаграммы видно, что нарушение фазового баланса автогенератора в коллекторной цепи на угол (в сторону опережения) из-за расстройки колебательного контура (при ) компенсируется тем, что в цепи база — эмиттер результирующее напряжение сдвинуто на угол в сторону отставания относительно

Когда фазовый сдвиг в коллекторной цепи является запазды вающим, а в цепи база — эмиттер — опережающим.

Из условий б) и в), а также непосредственно из диаграммы на рис. 9.42, б вытекает следующее равенство:

где - фазовый сдвиг между Е и

Итак, если режим захватывания действительно существует, то одновременно выполняются равенства (9.64) и (9.65).

Используя оговоренное условие малости Е по сравнению с можно считать

Малость угла позволяет также и в выражении (9.64) заменить тангенс его аргументом:

Приравнивая правые части последних двух выражений, приходим к следующему соотношению:

Из этого соотношения с чедует, что при заданной разности частот со и сор фазовый сдвиг напряжения UK относительно синхронизирующего колебания

Соотношения (9.66) и (9.67) имеют смысл при условии, что абсолютная величина расстройки не превышает некоторого предельного значения, при котором . Из физических соображений очевидно, что это предельное значение соответствует границам полосы захватывания. Подставляя в уравнение (9.66) , находим полную относительную ширину полосы захватывания

Итак, полоса захватывания пропорциональна отношению амплитуды внешней ЭДС к амплитуде колебаний свободного автогенератора и затуханию контура

В тех случаях, когда внешняя ЭДС вводится непосредственно в колебательный контур автогенератора, выражению для полосы захватывания можно придать несколько иной вид. Рассмотрим в качестве примера схему генератора с контуром в цепи база — эмиттер (рис. 9.43). Схема эквивалентного контура, в котором действие обратной связи учтено генератором ЭДС изображена на рис. 9.44. 3 отсутствие постороннего воздействия амплитуда связана с соотношением

Подставляя это соотношение в формулу (9.68), получаем

Рис. 9.43. Включение синхронизирующего источника ЭДС в колебательный контур автогенератора

Рис. 9.44. Схема замещения контура к рис. 9.43

Рис. 9.45. Зависимости (а) и генерируемой частоты (б) от частоты синхронизирующего источника

Аналогично можно показать, что при введении вынуж дающей ЭДС в коллекторный колебательный контур получится соотношение

где — амплитуда напряжения на контуре свободно автогенератора.

Нетрудно заметить, что отсутствие в формулах (9.69) и (9.70) величины Q объясняется тем, что внешнее воздействие оценивается ЭДС, вводимой последовательно в контур, а режим свободного автогенератора — напряжением, действующим на реактивном элементе контура. Если же оба напряжения определять одинаково: либо на реактивном элементе, либо как ЭДС, вводимую в контур последовательно, то независимо от схемы полосы захватывания будут определяться выражением вида (9.68).

Связь между генерируемой частотой и частотой вынуждающей ЭДС иллюстрируется рис. 9.45. Штриховая линия на рис. 9.45, а соответствует свободному генератору, когда . При введении в генератор источника внешней ЭДС частота «подтягивается» к частоте и сплошная линия отрывается от штриховой . Отрезок оси абсцисс, на котором и, следовательно, частота генератора совпадает с частотой , и есть полоса захвата.

График зависимости генерируемой частоты от частоты со вынуждающей ЭДС представлен (в ином масштабе частот) на рис. 9.45, б.