ГЕНЕРАТОР АВТОКОЛЕБАНИЙ ПРОКОФЬЕВА
PROKOFYEV'S SELF-OSCILLATION GENERATOR

Изобретение относится к радиотехнике и, в частности, к перспективной технике средств радиосвязи, синтеза частот, генерирования колебаний специальной формы и радиоизмерений.
Широко известны генераторы незатухающих колебаний, названные академиком Андроновым автоколебаниями (АК) [1]. Изобретенные в 20-х годах XX века генераторы автоколебаний (ГА) до настоящего времени широко применяются в разнообразных технических системах и устройствах, сначала на радиолампах, кристадинах и тиратронах, а затем на тиристорах, транзисторах и микросхемах. За последние 90 лет этот тип генераторов, практически, господствует в массовой схемотехнике.
Известен также новый тип гармонических колебаний, названных регламентируемыми колебаниями (РК) [2, 3], которые генерируются с помощью узлов аналоговой вычислительной техники (интеграторы, тригонометрические функциональные преобразователи) на основе операционных (решающих) усилителей (ОУ) [4]. Особенностью РК является строго регламентируемый характер изменения мгновенной фазы этих колебаний во времени. Мгновенная фаза РК либо только убывает, либо только возрастает, а ее временная крутизна (частота) может управляться в широких пределах отрицательных и положительных значений, в том числе и быть равной нулю, что невозможно в АК.
Особенностью АК является сочетание линейного LC контура с нелинейной обратной связью, содержащей электронный прибор (ЭП) (радиолампа, транзистор и т.п.). Нелинейная характеристика ЭП (в радиолампе это крутизна S анодно-сеточной характеристики) обеспечивает компенсацию затухания в линейном LC контуре за счет линейности S на начальном участке ее характеристики и стабилизацию амплитуды АК за счет вхождения колебания в нелинейный конечный участок характеристики. Это сочетание свойств обосновал Г.С. Горелик в 50-х годах XX века [5].
С тех пор радиотехника далеко продвинулась, особенно в направлении микро- и нанотехнологий. Уже предпринята попытка обосновать возможность генерации РК в типовом LC контуре [6], при этом для развития схемотехники РК остро встает задача компенсации затухания в колебательном контуре. Такая задача решена в [7] путем введения в контур положительной обратной связи (ОС) через масштабный ОУ Тогда эквивалентное сопротивление контура
<mrow><mi>r</mi><mo>*</mo><mo>=</mo><mi>r</mi><mo>−</mo><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>к</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где r - сопротивление катушки индуктивности, ρ - дополнительное сопротивление, к - коэффициент усиления ОУ. Управляя доступными для регулировки ρ и к, можно установить r* любого знака, в том числе и равным нулю, (и все это в линейном режиме!). Поэтому в связи с этой открывшейся возможностью создания отрицательного сопротивления в колебательном контуре ставится задача построения структуры регламентируемого генератора автоколебаний (РГА).
Такая постановка не противоречит обоснованию Г.С. Горелика (см. [5]), что для создания автоколебаний обязательно необходим переход крутизны S в ЭП из линейного в нелинейный режим, когда
<mrow><mi>r</mi><mo>*</mo><mo>=</mo><mi>r</mi><mo>−</mo><mi>M</mi><mi>S</mi><mo>/</mo><mi>C</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где М - коэффициент взаимоиндукции, S - крутизна ЭП, С - емкость контура. В каждом из колебаний S на линейном участке характеристики согласно (2) компенсирует затухание, т.к. при этом r* может быть равным нулю или даже быть отрицательным, а при незначительном заходе колебания в нелинейность происходит стабилизация амплитуды незатухающих и даже возрастающих колебаний (см. [1] и [5]). При решении поставленной задачи предлагается применить нелинейную импульсную автоподстройку амплитуды (АПА), при которой крутизна S и взаимоиндукция М не требуются (см. [7], [8]).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению являются устройства по реализации способов [7] и [8].
Предлагаемое устройство выполняют следующим образом.
1. Подключают дополнительный резистор ρ между землей и началом L.
2. К этому узлу подключают линейную ОС через масштабный ОУ без инверсии с коэффициентом усиления к, выход которого подан к концу конденсатора С*.
3. В качестве конденсатора С* включают последовательную цепь из двух конденсаторов С1 и С2.
4. Выбирают в качестве второй дополнительной ОС систему импульсной автоподстройки амплитуды (АПА), содержащую импульсный нелинейный элемент (ИНЭ), состоящий из RS триггера, выход которого подключен к управляющему входу электронного ключа с нормально разомкнутыми контактами, а несчетные входы - к выходам двух компараторов, первые входы которых объединены в один узел для синхронизации АПА, а вторые - к источникам малых напряжений +λ и -λ.
5. Подключают цепи ввода особых начальных условий (ОНУ), состоящие из одинарного тумблера режимов РК+ и РК-, сдвоенного пускового тумблера и резисторов Rз и Rт, подключенных к узлам между С1 и С2 и между L и С* колебательного контура.
6. Выбирают в качестве ОУ суммирующий ОУ с неинвертирующим и инвертирующим входами.
7. Подключают между выходом суммирующего ОУ и инвертирующим его входом нелинейную ОС, состоящую из первого входа суммирующей резистивной цепочки на два входа, второй из которых связан с подвижным контактом потенциометра А, на вход которого подано постоянное напряжение со среднего контакта тумблера режимов, выхода суммирующей цепочки и нормально разомкнутого контакта ИНЭ-, осуществляющего синхронизацию АПА подключением объединенного входа компараторов ИНЭ к узлу между L и С* колебательного контура.
8. Упрощают цепи ОНУ путем подключений тумблера режимов при РК+ к источнику -Хо, а при РК- к источнику +Хо и введением конденсатора Сп в разрыв цепи между резистором Rт и тумблером пуска.
9. Снимают стабилизированные регламентируемые автоколебания (РА):Х из узла между L и С*, U=ктY с выхода ОУ с уровнями стабилизации амплитуды Y+*=+А/кт в режиме РК+, и Y-*=-А/кт, где т=рС*.
При таком количестве и содержании признаков предлагаемого устройства следует считать прототипами источники [7 и 8]. Признаки 1, 2, 3 и 5 совпадают с [7], признак 4 совпадает с [8], признаки 6, 7, 8 и 9 являются новыми по сравнению с прототипами.
Признак 8 является остатком от полных ОНУ (см. [6]). Он гарантирует отсутствие колебаний в генераторе в момент подачи питания на его узлы (ИНЭ, ОУ). Когда узлы выйдут на рабочие режимы по команде "пуск", прерывается подача зарядного напряжения на конденсаторе С*, а нужный пусковой импульс для режимов РК+ и РК- даст дифференцирующая цепочка RтCп.
Ознакомление с современными источниками научно-технической и патентной информации не выявило технических решений, содержащих совокупность отличительных признаков предлагаемого генератора автоколебаний. Исходя из вышеизложенного, предлагаемое устройство удовлетворяет условию "новизна".
Уже сочетание в одном устройстве признаков двух прототипов, каковым является предлагаемое изобретение, имеет изобретательский уровень, т.к. открывает возможность генерировать автоколебания без крутизны S и без АВМ. А ведь в нем заложена гарантированная возможность генерировать РК. Поэтому предлагаемый РГА удовлетворяет "критерию изобретательский уровень".
На фиг. 1 приведена структура РГА, на фиг.2 - фазовые "портреты" а) РК+ и б) РК-, на фиг.3 - микросхемная реализация ИНЭ.
Структура РГА состоит из следующих узлов и элементов. LC контур 1 через дополнительный резистор ρ подключен к земле. Конденсатор С* подключен своим концом к выходу ОУ 2, выходное сопротивление которого хотя и находится в контуре, но не оказывает влияния на его параметры из-за малой величины его внутреннего сопротивления, а через свой неинвертирующий вход, подключенный к резистору ρ, замыкает линейную ОС с коэффициентом усиления к. Другая ОС нелинейная и она является системой импульсной АПА колебаний, в состав которой входит ИНЭ 3 (фиг.3), у которого первые входы его компараторов объединены в один узел для синхронизации АПА, а вторые подключены к источнику малых напряжений +λ и -λ, снимаемых с делителя. 4. Нелинейная ОС подключается между выходом суммирующего ОУ 2 и его инвертирующим входом с усилением -æ. В состав этой цепи входят первый вход суммирующей резистивной цепочки 5 на два входа, второй вход которой подключен к подвижному контакту потенциометра управляющих напряжений А, выход суммирующей цепочки и нормально разомкнутый контакт 7 электронного ключа ИНЭ, объединенный вход компараторов которого подключен к узлу между L и С* колебательного контура и осуществляет синхронизацию АПА.
В РГА предусмотрена возможность введения упрощенных ОНУ с помощью цепи: тумблер режимов 8, пусковой сдвоенный тумблер 9 и резисторы Rз и Rт. Упрощение этих цепей достигнуто за счет исключения подстроечных резисторов в режимах РК+ и РК-, изменении полярности входных напряжений на тумблере режимов 8 и введением конденсатора Сп в разрыв цепи между Rт и тумблером пуска 9.
Функционирует РГА следующим образом. В исходном положении(ИП) при поданном питании на микросхемы колебаний в генераторе нет, т.к. на конденсаторе С* принудительно задано напряжение Хо/4. Потенциометр режимов РК должен быть установлен в одном из двух положений, либо отрицательном, при котором с него снимается в контур импульсной АПА отрицательное напряжение, величина и знак которого будут отработаны в "положительную амплитуду" колебания Y в РК+, либо положительном, при котором с него снимается в контур импульсной АПА, положительное напряжения величина и знак которого будут отработаны в "отрицательную амплитуду" колебания Y в РК-… Будем считать, что в колебательном контуре при включенной линейной ОС, отключенной нелинейной ОС предварительно была проведена компенсация затухания, например, путем подбора к. После этой подготовки нелинейную ОС включаем, пусковой тумблер ставим в ИП и устанавливаем для РК+ малые ОНУ: Х(0)=Хо/4, Y(0)=0. Колебания X и Y (фиг.2а, б) сначала изменяются в линейном режиме (фиг.2а, область ОI) согласно уравнению
<mrow><mi>L</mi><mi>C</mi><mo>*</mo><mover><mi>Y</mi><mo>•</mo></mover><mo>+</mo><mi>X</mi><mo>=</mo><mn>0,</mn><mtext> </mtext><mi>Y</mi><mo>=</mo><mover><mi>X</mi><mo>•</mo></mover><mo>.</mo><mtext> </mtext><mi>с</mi><mi>м</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>[</mo><mn>6</mn><mo>]</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Когда ИТ, двигаясь по отрезку эллипса, достигнет OII, в этот момент появляется рабочий импульс ИНЭ, который целесообразно для пояснения процесса генерации РК представить в виде следующей безразмерной функции алгебры логики (см. [9])
где Sg - функция знака (см. [1]), a TrR, TrS - состояния RS триггера, черта над функцией обозначает инверсию. Тогда динамику генерации РК в РГА можно представить в виде одного нелинейного (кусочно-линейного) уравнения
При  (импульса ИНЭ нет, его электронный ключ нормально разомкнут), основную часть периода генерации работает линейное уравнение (3) осциллятора со скомпенсированным затуханием (область, практически, вся плоскость X, Y).
При  (импульс ИНЭ имеется, его электронный ключ замкнут, незначительную часть периода генерации (см. OII) работает уравнение
которое также линейное, но отличается от (3) (имеется правая часть, затухание велико, превышает fo, признак колебательности j=0, корни характеристического уравнения действительные и отрицательные) и в нем заложена суть АПА. Применяя метод точечных преобразований [10] для решения поставленной задачи, вычисляются два ряда точечных значений колебания Y, которое оно получает при вхождении ИТ в ОII и приобретает при выходе из OII (по терминологии Я.З. Ципкина [11] это решетчатые функции). Когда входящее и выходящее значения этих функций будут совпадать, то АПА свершилась. Это произойдет, когда в (6) Y будет равно 0, и тогда для РК+ (управление -А) стабильное значение решетчатой функции Y*+=А/кт, где т=ρС*. На ФП на месте нестабильного состояния равновесия типа "центр" рождается стабильный (устойчивый) предельный цикл первого рода (см. [1]) (см. фиг.2а). Изображающая точка(ИТ) бесконечно долго вращается по нему против часовой стрелки(мгновенная фаза возрастает), а стабильные по амплитуде РА X и Y согласно (3) в [7] принимают вид
<mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Y</mi><mo>+</mo><mo>*</mo><mo>/</mo><mi>j</mi><mi>f</mi><mi>o</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mi>f</mi><mi>o</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>Y</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Y</mi><mo>+</mo><mo>*</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mi>f</mi><mi>o</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где f=fo, поскольку затухание скомпенсировано. Для РК- (управление +А) У*=-А/кт. На ФП рождается новый предельный цикл, в котором в отличие от РК+ ИТ вращается по часовой стрелке (мгновенная фаза убывает), а соответствующие стабильные по амплитуде РА X и Y согласно (4) в [7] принимают вид
<mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Y</mi><mo>−</mo><mo>*</mo><mo>/</mo><mi>j</mi><mi>f</mi><mi>o</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>j</mi><mi>f</mi><mi>o</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>Y</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Y</mi><mo>−</mo><mo>*</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>j</mi><mi>f</mi><mi>o</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Отметим особенности генерируемых РА. 1); X в обоих режимах имеет одинаковый уровень стабилизации амплитуды, равный A/jкт. 2) PA Y имеет противоположный по знаку напряжения уровень стабилизации  амплитуды (см. (7) и (8)). 3) PA Y фигурирует в РГА в виде пропорционального ему напряжения U=ктY, снимаемого с выхода ОУ, что полезно для практики применения РГА. 4) Переход от одного знака частоты на другой рекомендуется проводить через ИП (т.е. ИП - режим - пуск).
Лабораторный макет РГА апробирован на колебательном контуре промежуточной частоты (465 кГц), на отечественных микросхемах: ОУ - К574 УД1; ИНЭ: - К597 СА 3, К576ТМ 2, КН590 КН4.
Реализация РГА расширяет область применения РК до 1 ГГц и перспективна для увеличения пропускной способности радиоэфира в 2 раза.
Список использованных источников
1. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний / под ред. Н.А.Железцова. М.: Физматгиз, 1959 г., 916 с.
2. Патент РФ №2131144. Способ генерирования колебаний, Авт. изобр. Прокофьев Е.В., G06G 7/26, Н03В 1//0, опубл. Бюл. №15, 1999 г.
3. Патент РФ №2294053. Генератор пилообразного напряжения. Авт. изобр. Прокофьев Е.В., Тюрин А.В., Колесников С.Н., Осенчугов А.Н., H03K 4/50, опубл. БИ №5, 2007 г.
4. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника / М.: Энергоатомиздат, 1983, 215 с.
5. Горелик Г.С., Колебания и волны/. М.: Госфизматгиз, 1959, г., 573 с.
6. Прокофьев Е.В. Способ генерирования регламентируемых колебаний. Заявка №2010114107, 2010 г.
7. Прокофьев Е.В. Способ управления затуханием в колебательном LC контуре. Заявка №2011104271, 2011 г.
8. А.с СССР №959049. Способ формирования стабилизированного по амплитуде колебания в замкнутой колебательной системе. Авт. изобр. Алексеев А.С., Прокофьев Е.В. G05F 1/00, G06G 7/26, опубл. БИ №34, 1982 г.
9. Прокофьев Е.В., Исследование систем фазовой автоподстройки частоты на аналоговых вычислительных машинах. Кандидатская диссертация, 1973 г.
10. Неймарк Ю.И. Метод точечных преобразований в теории нелинейных систем / М.: "Наука", 1972, 471 с.
11. Цыпкин Я.З. Теория импульсных систем / М.: Физматгиз, 1958 г., 724 с.