Лабораторная работа №5
Действие гармонической ЭДС на автогенератор. Захват частоты.
1. Цель работы: изучение явлений, происходящих в генераторе при воздействии гармонической ЭДС. Установление количественных соотношений между полосой захвата частоты, амплитудой синхронизирующей ЭДС и добротностью колебательной системы.
Теоретические основы
Генераторы синусоидальных колебаний
Данная группа генераторов предназначена для получения колебаний синусоидальной формы требуемой частоты. Их работа основана на принципе самовозбуждения усилителя, охваченного положительной обратной связью (рис.2.1). Коэффициент усиления и коэффициент передачи звена обратной связи приняты комплексными, т.е. учитывается их зависимость от частоты. При этом входным сигналом для усилителя в схеме рис.2.1 является часть его выходного напряжения, передаваемого звеном обратной связи |γ|<1
Рис.2.1Структурная схема автогенератора
Для возбуждения колебаний в системе рис.2.1 необходимо выполнение двух условий. Первое состоит в обеспечении баланса фаз, которое заключается в том, чтобы фазовые сдвиги, создаваемые усилителем (K) и звеном обратной связи (φγ), в сумме должны быть кратными 2π: 
Второе условие, необходимое для возникновения генерации, это условие баланса амплитуд |K| |γ|≥1, которое вытекает из общей формулы для усилителя, охваченного положительной обратной связью:
При выполнении баланса амплитуд усилитель компенсирует ослабление сигнала, создаваемое звеном обратной связи, и в схеме возникают устойчивые автоколебания. Для получения синусоидальной формы выходного сигнала используют несколько способов построения схем.
LC-генераторы
На рис.2.2 показана схема LC-генератора c трансформаторной связью, которая представляет собой усилительный каскад, выполненный по схеме с общим эмиттером. В качестве коллекторной нагрузки используется резонансный LC-контур с высокой добротностью.
Рис.2.2 схема LC-генератора c трансформаторной связью
Сигнал обратной связи снимается со вторичной обмотки резонансного контура и через разделительный конденсатор Ср подается на базу транзистора обеспечивая суммарный фазовый сдвиг (баланс фаз). Если принять индуктивную связь между первичной (w1) и вторичной (w2) обмотками идеальной для обеспечения баланса амплитуд необходимо выполнить условие:
где β - коэффициент усиления по току транзистора, w1, w2 - число витков первичной и вторичной обмоток, соответственно. Частота генерируемых колебаний близка к резонансной частоте колебательного контура:
Одним из важнейших параметров любого генератора является коэффициент нестабильности частоты генерируемых колебаний
где Δf - абсолютное отклонение частоты от номинального значения f. За счет колебаний температуры и напряжения источника питания коэффициент нестабильности транзисторных LC-генераторов не превышает десятых долей процента.
Мягкий и жесткий режимы самовозбуждения автогенератора
Различают два режима работы регенератора: "мягкий" и "жесткий". "Мягкий" - это когда при регулировке режима работы приемник постепенно входит в режим максимальной добротности, а затем и в режим генерации. При "жесткой" связи (которая, к сожалению, преобладает во многих опубликованных схемах регенераторов на транзисторах, что очень сильно дискредитировало этот тип приемника) это невозможно, так как приемник срывается в генерацию еще тогда, когда из входного контура LC не "вытянута" вся его добротность. В результате этого достичь приемлемых результатов при приеме AM и FM невозможно. Сразу можно сказать, что в силу конструктивных особенностей практически все регенераторы с автотрансформаторной схемой регулировки обратной связи относятся к "жестким" регенераторам.
Мягкий режим характеризуется безусловным быстрым установлением стационарного режима при включении автогенератора.
В автогенераторе с мягким режимом положение рабочей точки не зависит от развивающихся колебаний. Для наилучшего возбуждения желательно, чтобы рабочая точка активного элемента находилась в середине линейного участка ДПХ, то есть в точке максимального усиления (рис.3.3).
Рис.2.3 ВАХ автогенератора при мягком режиме самовозбуждения
Мягкий режим самовозбуждения характеризуется постоянно вогнутой кривой с максимальной крутизной в начале координат (рис.2.4).
Рис.2.4. Колебательная характеристика (а) и коэффициент усиления (б) автогенератора при мягком режиме самовозбуждения
Достоинством режима мягкого самовозбуждения является простота вывода автогенератора в требуемый стационарный режим. Недостатком – низкий КПД из-за большой величины постоянной составляющей тока.
Жесткий режим требует дополнительных условий для установления колебаний: либо большой величины коэффициента обратной связи, либо дополнительного внешнего воздействия (накачки).
В автогенераторе с жестким режимом возбуждения рабочую точку устанавливают в области нижнего нелинейного участка (близко к отсечке) так, чтобы ток в отсутствие генерации был бы близок к нулю. Из-за малого коэффициента усиления начальные колебания могут не развиться (рис.2.5).
Рис.2.5 ВАХ автогенератора при жестком режиме самовозбуждения
Жесткий режим самовозбуждения АГ характеризуется вогнуто-выпуклой колебательной характеристикой с одной или несколькими точками перегиба и соответственно с более чем двумя точками пересечения (рис. 2.6).
Рис. 2.6 Колебательная характеристика автогенератора при жестком режиме самовозбуждения
В автогенераторе с жестким режимом достоинством является отсутствие постоянного тока (или его малая величина) в режиме покоя автогенератора.
Захват частоты
Поведение автогенератора, находящегося под действием внешней силы, зависит от амплитуды и частоты этой силы.
Если амплитуда вынуждающей ЭДС мала по сравнению с амплитудой автоколебания и одновременно частота ω значительно отличается от частоты ωг = ωр свободных колебаний автогенератора (ωр – 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 ω к ωр картина меняется. Частота генерации ωг подтягивается к частоте ω внешней ЭДС, и при некотором значении 
, зависящем от соотношения амплитуд, автогенератор начинает работать точно на частоте ωг = ω без каких-либо признаков модуляции. Частота генератора оказывается захваченной частотой вынуждающей силы. В этом случае говорят, что генератор работает в режиме синхронизации.
Явление захватывания частоты используется в ряде радиотехнических устройств тогда, когда требуется осуществить принудительную синхронизацию автогенератора с помощью маломощного источника колебаний. В некоторых случаях, захватывание возникает, произвольно и препятствует их независимой работе на близких частотах.
В данной работе предлагается подробно рассмотреть механизм явления захватывания частоты и установить основные закономерности этого явления.