ГЕНЕРАТОР ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
GENERATOR OF HARMONIC OSCILLATIONS

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах для формирования радиосигналов, модуляции и преобразования частот.
Для приема, передачи и обработки сигналов используются генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний, основные требования к которым определяются мощностью, стабильностью частоты и чистотой спектра выходного колебания. Одним из видов источников гармонических колебаний являются автогенераторы в режиме захвата частоты.
Явление захвата частоты автогенератора рассмотрено в литературе, например [1], [2], [3].
Приведенные схемы - это двухрежимные автогенераторы, так как они при отсутствии внешнего возбуждения работают в режиме автоколебаний, а при наличии внешнего гармонического колебания - в режиме захвата. Описание двухрежимных автогенераторов дано в источниках [1], [2], [3], [6] и [7].
В книге [2] отмечается возможность генерации в режиме захвата частоты значительной мощности, при этом стабильность частоты сохраняется равной стабильности частоты внешнего (независимого) источника колебаний (см., например, §5.6).
Известны синтезаторы частоты по патентам [4] и [5], в состав которых входит двухрежимный автогенератор (автогенератор, имеющий режим захвата частоты), что позволяет уменьшить шум в составе выходного напряжения синтезатора.
Функциональная схема автогенератора в режиме захвата частоты, приведенная в [3], представляет работу генератора гармонических колебаний в режиме захвата в наиболее общем виде и, естественно, справедлива во всех вариантах, приведенных в
[1], [2], [4], [5], [7].
В автогенераторе, находящемся под действием внешней ЭДС е(t) и работающем в режиме захвата, можно применить условие баланса фаз [3].
Внешняя ЭДС и напряжение автоколебаний можно представить в виде:
З
0
AK
0
0
е(t)=Ecos(ωt+φ), e(t)=Ucos(ωt),
где Е - амплитуда внешней ЭДС;
З
ω- частота внешней ЭДС;
0
φ - фаза колебаний в момент t=0;
t - текущее время;
0
U - амплитуда автоколебаний;
0
ω- частота автоколебаний.
З
При стационарном режиме захвата автогенератор генерирует частоту, равную частоте внешних колебаний ω, с фазовым сдвигом относительно внешней ЭДС на угол α [3], [7]. Напряжение, генерируемое автогенератором в режиме захвата, можно записать в виде:
ЗК
0
З
e(t)=Ucos(ωt+α).
З
0
0
В соответствии с [1], [2], [4], [5] определена связь между полосой захвата - 2|ω-ω| и амплитудой - Е, внешней ЭДС, нормированной к амплитуде автоколебаний U в виде
где Q - добротность контура автогенератора.
Или, если обозначить относительную полосу захвата b, где
,
а нормированное напряжение внешнего источника a, где  то получим условие захвата автогенератора по частоте b≤a. Следовательно, минимальное значение напряжения внешнего источника a=b.
З
0
0
Из формулы видно, что Е может быть меньше, чем Ua, во столько раз, во сколько удвоенная отстройка |ω-ω| меньше полосы пропускания контура ω/Q.
Таким образом, в режиме захвата частоты автогенератор работает на частоте независимого источника ЭДС, но со значительно большей мощностью.
0
0
ЗК
Y
Y
0
Y ,
Однако для перехода из режима автоколебаний в режим захвата требуется время. Временные характеристики процесса захвата частоты рассмотрены [3], [7], где показано, что время установления автоколебаний по частоте случайно и зависит от величины амплитуды источника внешних колебаний a, отстройки частот и главное - от фазы колебаний φ в момент t=0. Как следует из [3] и [7], увеличение времени установления автоколебаний по частоте в функции от фазы φ может быть значительным. В [3] и [7] показано, что возможны два значения угла сдвига между внешними колебаниями е(t) и колебаниями автогенератора e(t) в режиме захвата угол α и угол α. Первый из которых - α - является устойчивым, а второй - α - условно устойчивым. Попадание угла φ в область фаз, близких к величине αприводит к значительному росту времени процесса захвата и может привести (теоретически) к бесконечно большой величине этого времени. Предлагается устройство, свободное от данного недостатка.
Наиболее близкой к предлагаемому устройству является генератор гармонических (синусоидальных) колебаний, приведенный в [3], принятый за прототип.
Функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где обозначено:
1 - источник внешних колебаний (ИВК);
2 - двухрежимный автогенератор (ДА);
3 - нагрузка.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные ИВК 1, ДА 2 и нагрузку 3.
Гармонические колебания с выхода ИВК 1 подаются на вход ДА 2, в котором происходит захват частоты, и автоколебания с выхода ДА 2 с частотой ИВК 1 подаются на вход нагрузки 3.
Работает устройство-прототип следующим образом.
После включения ИВК 1 начинает вырабатывать стабильное по частоте гармоническое колебание, и в то же время ДА 2 генерирует напряжение в режиме автоколебаний (генерация стабильных по частоте колебаний занимает больше времени, чем генерация нестабильных автоколебаний), напряжение от ИВК, поступаемое в ДА 2, воздействует на него таким образом, что через определенное время происходит захват частоты ДА 2 частотой ИВК 1, и на нагрузку 3 подаются гармонические колебания с частотой ИВК. Однако, как показано в [3] и отмечалось выше, время захвата по частоте случайно и зависит от величины амплитуды ИВК, отстройки частот и главное - от разности фаз между гармоническими колебаниями в начальный момент. Остановимся на этом вопросе подробнее.
В работах [3] и [7] рассмотрено изменение фазы в процессе захвата колебаний автогенератора. Найдено аналитическое решение, в котором задействованы следующие переменные значения:
0
τ - время, нормированное к τ;
0
0
τ=1/2πΔf - постоянная времени, определяемая колебательным контуром ДА.
0
0
Отметим, что в τ содержится 2π Q периодов колебаний с частотой автоколебаний ω.
0
Δf - полоса пропускания контура ДА 2;
a - амплитуда напряжения ИВК 1, нормированная к амплитуде напряжения ДА 2. Обратим внимание, что значение a по принципу работы значительно меньше единицы. Для объяснения временных характеристик захвата введем еще одно обозначение, а именно - 1/k - превышение амплитуды источника внешних колебаний a над минимально возможной амплитудой b,
1/k=a/b.
З
З
0
З
В [3] и [7] показано, что роль постоянной времени в режиме захвата играет нормированное время τ, определяемое соотношением τ=τ·a, что означает увеличение в 1/a раз. Или, другими словами, показывает факт сужения полосы в режиме захвата в это же число раз, число периодов колебаний с частотой автоколебаний ω в отрезке времени τ=1 составляет 2π Q/a. Например, при Q=50, a=0.15 будет 2000.
З
0
При перечисленных обозначениях и нормировках фаза между колебаниями источника внешних колебаний и автогенератора А(τ, φ) имеет, согласно [3] и [7], вид:
c
где e определяется выражением
0
На фиг.2 и 3 приведены зависимости изменения фазы ДА 2 в функции от времени при k=0.2 и k=0.9 для различных значений начальной фазы ϕ (рис.10 и рис.12 из [3]). На фиг.2 приведен случай, когда амплитуда напряжения ИВК 1 значительно превосходит минимальное значение b, конкретно в 1/0.2=5 раз.
Y
Y
Из графиков фиг.2 видно, что установившееся (устойчивое) значение фазового сдвига между колебаниями захваченного автогенератора и колебаниями источника внешних колебаний равно α=- 10°. Второе значение (условно устойчивое) α=200° или в радианах α=1.11.
З
0
0
0
З
0
З
З
0
З
0
З
0
0
Как видно из графиков фиг.2, время, за которое α(τ, ϕ) достигает величины α, зависит от ϕ. О величине ϕ можно судить по значению α(τ, ϕ) в момент времени τ=0, если принять (τ=τ/α). Кроме того, величина ϕ в обозначении α(τ, ϕ) на графике представлена в радианах, деленных на π. Например, α(τ, 1) означает ϕ=π или ϕ=180°.
З
0
Возьмем, для примера, кривую α(τ, 0.5), которая показывает установление фазы в функции от времени при условии ϕ=90°. Из кривой видно, что фазовый сдвиг от времени - величина отрицательная, т.е. автогенератор как бы «тормозит».
З
При τ=1.7 фазовый сдвиг составляет 20°, и для большинства практических случаев потерями из-за такого сдвига можно пренебречь, то есть можно считать переходный процесс закончившимся. Например, при синхронном детектировании потери пропорциональны 1-cos20°=0.95, т.е. малы.
З
0
0
З
З
З
З
З
Рассмотрим кривую α(τ, 1), которая показывает установление фазы при захвате при условии ϕ=180° или ϕ=-180°. Из кривой видно, что значение фазового сдвига между колебаниями захваченного автогенератора и колебаниями источника внешних колебаний от времени уменьшается и стремится к -10°. Отметим, что производная от α(τ, 1) по τ отрицательная, т.е. автогенератор как бы «тормозит». Переходный процесс установления фазы для случая α(τ, 1) более длительный, чем для случая α(τ, 0.5), значение достигается 10° (ошибка 20°) за τ=4.
З
0
З
0
З
З
0
0
З
0
З
0
Y
Y
З
З
0
0
Y
YY
Рассмотрим кривую α(τ, -0.5), которая показывает установление фазы при условии ϕ=-90°. Из кривой видно, что фазовый сдвиг от времени уменьшается и стремится к -10°. Отметим, что производная от α(τ, ϕ) по τ положительная, т.е. фаза автогенератора как бы «обгоняет» фазу источника внешних колебаний, время переходного процесса до значения - 30° равно τ=1.7. Как видно из кривых фиг.2, характер переходного процесса сильно меняется при начальных значениях фазы 195°<ϕ<205°. Начальное значение ϕ удобно смотреть по значению α(τ, ϕ) в момент τ=0. В этом интервале значений ϕ не только резко возрастает время переходного процесса, но меняется знак производной. Это означает, что существует точка, в которой производная равна нулю, то есть фаза не меняется. Это условно устойчивая точка α, так как при генерации сигнала с фазой α незначительное изменение угла приводит к переходному процессу по кривым типа α(τ, -0.83) или α(τ, -0.85) и к переходу генерации сигнала в устойчивой точке с фазой α. Следует заметить, что вероятность попадания начальной фазы ϕ в интервал 195°<ϕ<205°, близкий к условно устойчивой точке, α равна p=1/36.
На фиг.3 приведен случай, когда амплитуда напряжения источника внешних колебаний незначительно превосходит минимальное значение b, конкретно в 1/0.9=1.11 раз. Из графиков видно, что установившееся значение фазового сдвига между колебаниями захваченного автогенератора и колебаниями источника внешних колебаний равно α=-65°.
З
0
0
З
З
З
З
Рассмотрим кривую α(τ, 1), которая показывает установление фазы при захвате при условии ϕ=180° или ϕ=-180°. Из кривой видно, что значение фазового сдвига между колебаниями захваченного автогенератора и колебаниями источника внешних колебаний от времени уменьшается и стремится к -65°. Отметим, что производная от α(τ, 1) по τ отрицательная, т.е. автогенератор как бы «тормозит». Определим время переходного процесса, как и в предыдущем случае ошибкой в 20°. Тогда переходный процесс установления фазы для случая α(τ, 1) будет τ=4.3.
З
0
З
З
З
Рассмотрим кривую α(τ, 0.5), которая показывает установление фазы в режиме захвата при условии ϕ=90°. Из кривой видно, что фазовый сдвиг от времени уменьшается и стремится к -65°. Отметим, что производная от α(τ, 0.5) по τ, отрицательная. При τ=2.7 фазовый сдвиг относительно -65° составляет 20° и, как упоминалось выше, для большинства практических случаев потерями из-за такого сдвига можно пренебречь.
З
0
З
З
З
Рассмотрим кривую α(τ, -0.5), которая показывает установление фазы при захвате при условии ϕ=-90°. Из кривой видно, что фазовый сдвиг от времени уменьшается и стремится к -65°. Отметим, что производная от α(τ, -0.5) по τ положительная, т.е. фаза автогенератора как бы «обгоняет» фазу источника внешних колебаний, время переходного процесса до значения -85° равно τ=1.4.
Характер зависимостей сильно меняется при начальных значениях фазы:
0
-116°<ϕ<-108°.
0
З
З
YY
В этом интервале значений ϕ резко возрастает время переходного процесса, меняется знак производной, то есть существует точка, в которой фаза не меняется. Это условно устойчивая точка, так как незначительное изменение угла приводит к переходному процессу по кривым типа α(τ, -0.6) или α(τ, -0.65). Вероятность попадания в интервал условно устойчивой точки p=1/36.
Аналогичные графики приведены в [3], [7], для других значений b/a, таким образом, значительное, непрогнозируемое времени захвата является недостатком генератора гармонических колебаний на основе автогенератора в режиме захвата частоты.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата в виде создание генератора гармонических колебаний с малым временем захвата.
Для решения поставленной задачи в генератор гармонических колебаний, содержащий источник внешних колебаний, двухрежимный автогенератор и нагрузку, согласно изобретению введены первый и второй ключи, генератор временного интервала, фазовый детектор, запоминающее устройство и управляемый фазовращатель, при этом выход источника внешних колебаний соединен с первым входом первого ключа и первым входом фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом двухрежимного автогенератора и первым входом второго ключа; выход фазового детектора через запоминающее устройство соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, первый вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход управляемого фазовращателя соединен со входом двухрежимного автогенератора; выход генератора временного интервала соединен с управляющими входами первого ключа, запоминающего устройства и второго ключа, выход которого соединен с нагрузкой.
Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.4, где введены следующие обозначения:
1 - источник внешних колебаний (ИВК);
2 - двухрежимный автогенератор (ДА);
3 - нагрузка;
4, 9 - первый и второй ключи;
5 - генератор временного интервала (ГВИ);
6 - фазовый детектор;
7 - запоминающие устройство;
8 - управляемый фазовращатель.
Предлагаемое устройство содержит источник внешних колебаний (ИВК) 1, двухрежимный автогенератор (ДА) 2, нагрузку 3, первый 4 и второй 9 ключи, генератор временного интервала (ГВИ) 5, фазовый детектор 6, запоминающее устройство 7 и управляемый фазовращатель 8. При этом выход ИВК 1 соединен с первым входом первого ключа 4 и первым входом фазового детектора 6, выход ДА 2 соединен со вторым входом фазового детектора 6 и с первым входом второго ключа 9; выход фазового детектора 6 через запоминающее устройство 7 соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя 8, первый вход которого соединен с выходом первого ключа 4, а выход управляемого фазовращателя 8 соединен со входом ДА 2; выход ГВИ 5 соединен с управляющими входами первого ключа 4, запоминающего устройства 7 и второго ключа 9, выход которого соединен с нагрузкой 3.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
0
Блоки ИВК 1 и ДА 2 генерируют переменные напряжения в форме гармонических колебаний с близкой частотой, но с разными фазами. В исходном состоянии ключи закрыты. Переменное напряжение ИВК 1 поступает на первые входы закрытого первого ключа 4 и фазового детектора 6. Переменное напряжение ДА 2 поступает на первый вход закрытого второго ключа 9 и на второй вход фазового детектора 6. Выходное напряжение фазового детектора 6, пропорциональное разности фаз между напряжением ИВК 1 и напряжением ДА 2, через ЗУ 7 подается на управляемый фазовращатель 8, который устанавливает фазу, примерно равную по величине разности фаз между напряжением ИВК 1 и напряжением ДА 2. В момент времени t включается ГВИ 5, который по истечении временного интервала Δt вырабатывает импульс управления. Этот импульс является командой для запоминания напряжения, пропорционального фазе в запоминающем устройстве 7, выходное напряжение которого устанавливает на управляемом фазовращателе 8 фазу, близкую или равную по величине фазе между колебаниями ИВК 1 и ДА 2, которая определена в фазовом детекторе 6, но противоположную по знаку. Кроме того, импульс управления с ГВИ 5 является командой на открывание первого ключа 4, и колебание с выхода ИВК 1 через управляемый фазовращатель 8 подается на ДА 2, в котором происходит захват автоколебаний ДА 2 колебаниями ИВК 1. Кроме того, импульс управления с ГВИ 5 подается на ключ 9 и является командой на его открывание, в результате чего колебание с выхода ДА 2 подводится к нагрузке 3.
Таким образом, в начальный момент работы ДА 2 в режиме захвата фаза его колебаний отличается от фазы напряжения ИВК 1 на малую величину. Следовательно, переходный процесс установления фазы не может попасть в область, близкую к условно устойчивой точке, и проходит за минимальное время, а при определенных допусках на точность совпадения фаз этим временем можно пренебречь.
Рассмотрим численный пример.
0
Пусть относительная полоса захвата b=0.03, нормированное напряжение внешнего источника a=0.15, b/a=0.2, добротность контура Q=50, то есть полоса пропускания контура ω/2Q составляет 1% от номинала.
Пусть отстройка внешнего источника гармонических колебаний составляет 0.1 от полосы контура, то есть 0.001 от номинала частоты. Теперь можно рассчитать число периодов, за которое фазовый сдвиг между автоколебаниями ДА 2 и ИВК 1 составит 360°. Это число периодов будет 1000 (1/0.01·0.1).
0Н
0Н
0Н
З
0
Если, например, измерение фазовым детектором 6 фазового сдвига между автоколебаниями ДА 2 и внешними колебаниями ИВК 1 проводится в течение 20 периодов радиочастоты, фаза изменится от начального значения ϕ до (ϕ+7.2°), так как (360°/1000)·20=7.2°. Фазовый детектор 6 определит среднее значение фазы (ϕ+3.6°) ошибка измерения из-за изменения фазы за 20 периодов составит малую величину, а именно 3.6°. В соответствии с измеренным значением фазы управляемый фазовращатель 8 компенсирует фазовый сдвиг между автоколебаниями ДА 2 и внешними колебаниями ИВК 1, меняя фазу внешних колебаний ИВК 1. Таким образом, в начальный момент времени разность фаз будет близка к нулю. Что означает, установление фазы в режиме захвата будет происходить по кривым α(τ, 0), т.е. соответствующим ϕ=0.
З
0
З
0
Эффективность работы предлагаемого устройства можно наглядно показать с помощью вышеупомянутых графиков зависимостей разности фаз α(τ, ϕ) между напряжениями ИВК 1 и ДА 2 от времени τ при различных начальных фазах ϕ для случаев соотношений амплитуд и отстроек: k=0,2 (фиг.2) и k=0,9 (фиг.3).
З
Для случая, когда малая отстройка, b/a=0.2, в соответствии с фиг.2 установление фазы будет проходить по кривой α(τ, 0) от 0° до -10°.
Из графиков, приведенных в [3], а также двух частных случаев фиг.2 и 3 можно заметить, переходный процесс режима захватывания не имеет режимов в окрестности условно устойчивой точки.
Таким образом, предложенное устройство работает эффективно - генерирует гармоническое колебание с малым уровнем шума, но при этом не имеет условно устойчивой точки, в которой время переходного процесса может быть сколь угодно большим. Вследствие чего, уменьшается время перестройки частоты приемников и передатчиков, увеличивается количество прыжков частоты в единицу времени, в устройствах радиоподавления снижается потери времени на генерацию помех на заданных частотах и т.д.
В устройстве применены общеизвестные решения, а именно: фазовые детекторы - [8], [9]. Фазовращатели - [8], [9].
Источники информации
1. Гонорвский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Часть 2. Изд. «Советское радио», М., 1967 г.
2. Мигулин В.В. и др. Основы теории колебаний / В.В.Мигулин, В.И.Медведев, Е.Р.Мустель, В.Н.Парыгин; Под ред. Мигупина В.В. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 392 с.
3. Бокк О.Ф. Режим захвата в автогенераторе // Теория и техника радиосвязи: Науч.-техн. сб. / ВНИИС. - Воронеж, 2003. - Вып.2. - С.126-131.
4. Патент РФ №2329594 «Синтезатор частот», 2008 г.
5. Патент РФ №2329595 «Синтезатор частот», 2008 г.
6. Бокк О.Ф., Слипко С.В.: «Шумы автогенератора на дифференциальном каскаде» // «Теория и техника радиосвязи». Научно-технический сборник, 2003 г., №2.
7. Бокк О.Ф., Слипко С.В.: Теория колебаний (на примере автогенератора). - Воронеж. Изд. - ОАО «Концерн «Созвездие», 2008. - 80 с.: ил.
8. Окунев Ю.Б. Теория фазоразностной модуляции. - М.: Связь, 1979, - 216 с., ил.
9. Горшков Б.И. Радиоэлектронные устройства: справочник. - М.: Радио и связь. 1984, 400 с., ил.