Рассмотрено использование комбинационных генераторов, в частности, трехчастотных, в параметрических преобразователях. Показаны достоинства и ограничения данной схемотехнической реализации.
Ключевые слова: комбинационный генератор, преобразователь, трехчастотный генератор, эффект повышенной чувствительности.
Рассмотрим комбинационные генераторы. Комбинационные генераторы — это автоколебательные системы, в которых генерируются колебания разных частот в разных точках. Каждый генерируемый сигнал является продуктом перемножения и последующей фильтрации выбранных двух других сигналов из всех генерируемых. Частота данного сигнала равна сумме или разности частот перемножаемых сигналов. В результате алгебраическая сумма частот всех генерируемых сигналов в петле генератора равна нулю. Баланс частот — это новое условие устойчивой генерации сигналов, которое добавляется к условиям баланса амплитуд и баланса фаз. Увеличение условий устойчивой генерации сигналов увеличивает число степеней свободы автоколебательной системы и, соответственно, число положительных свойств.
На рис. 1 приведена структурная схема трёхчастотного генератора, которая содержит три полосных усилителя 1, 3, 6 и три смесителя 2, 4, 5.
Видно, что в рассматриваемом генераторе частота сигнала на выходе усилителя 1 может быть суммой или разностью частот сигналов на выходах усилителей 3 и 6. Частота сигнала на выходе усилителя 3 может быть суммой или разностью частот сигналов на выходах усилителей 1 и 6. Частота сигнала на выходе усилителя 6 может быть суммой или разностью частот сигналов на выходах усилителей 1 и 3.
При установленном наборе частот соответственно настраиваются коэффициенты передачи и полосы пропускания полосных усилителей, в пределах которых должно выполняться условие баланса амплитуд. В области частот, где выполняется условие баланса амплитуд, должны выполняться ещё два условия:
где
Рис. 1. Структурная схема трёхчастотного генератора
Данная автоколебательная система характеризуется жёстким возбуждением из-за наличия в ней смесителей. Необходим начальный толчок для возбуждения свободных колебаний в любом полосном усилителе. После этого происходит возбуждение всей автоколебательной системы. В первый момент частоты колебаний совпадают с частотами свободных колебаний в каждом полосном усилителе. Затем начинается переходный процесс, в конце которого частоты примут значения, удовлетворяющие условиям (1.4) и имеющие минимальное отклонение от частот свободных колебаний.
Из-за этого комбинационные генераторы способны генерировать колебания, частоты которых в общем случае не совпадают с резонансными частотами полосных усилителей. Этот эффект достигается без использования амплитудного фактора, как в генераторах с многопетлевой обратной связью.
Другое достоинство комбинационного генератора — это повышенная стабильность варьируемых частот двух генерируемых сигналов, если третий полосный усилитель снабдить резонансным контуром повышенной добротности или кварцевым резонатором. В этом случае происходит компенсация уходов резонансных частот контуров полосных усилителей из-за влияния возмущающих факторов и частоты генерируемых сигналов не зависят от этих уходов.
Подобные эффекты имеются в автоколебательной системе, являющейся частным случаем структуры, приведённой на рис. 1. Смеситель 5 исключается, а вместо полосного усилителя 6 вводится стабильный генератор возбуждения. Эта схема обладает мягким возбуждением и широко используется как угловой модулятор и параметрический измерительный преобразователь.
Комбинационные генераторы способны работать в режиме кратного синхронизма, в режиме плавного управления частотами генерируемых колебаний и в режиме биений.
В режиме кратного синхронизма средние частоты полосных усилителей настраиваются в соответствии с кратными числами. В этом случае гармоники генерируемых колебаний попадают в полосы пропускания усилителей, и из-за взаимной синхронизации сигналов этими гармониками происходит затягивание их частот. Появляются зоны синхронизма, в пределах которых изменение настройки полосных усилителей не влияет на частоту генерируемых колебаний. Режим используется для деления и умножения частот.
Режим биений применяется рядом с зонами кратного синхронизма. При этом наблюдается модуляция генерируемых колебаний. В интервалах между зонами кратного синхронизма автоколебательная система работает в качестве диапазонного генератора. Частоты генерируемых сигналов изменяются согласно управляющим воздействиям. К способам управления комбинационным генератором можно отнести воздействие на средние частоты полосных усилителей и внесение дополнительного фазового сдвига. Реализация этих способов может быть достаточно разнообразная.
Чувствительность преобразователей и модуляторов на базе комбинационных генераторов принципиально не отличается от чувствительности аналогичных устройств, использующих другие автоколебательные системы.
В режиме повышенной чувствительности [1, 2] относительно небольшие изменения резонансных или средних частот фильтров автоколебательной системы, или небольшие изменения дополнительных фазовых сдвигов в петле автоколебательной системы, вызывают значительные изменения частот генерируемых сигналов.
Аналитические исследования, компьютерное моделирование и натурное макетирование позволили определить условия реализации данного эффекта в любой автоколебательной системе, включая и использование в схеме трехчастотного генератора.
Исследование автоколебательной системы с комбинационным взаимодействием трёх сигналов разных частот в режиме повышенной чувствительности привели к разработке и реализации усилителей девиации частоты и девиации фазы, а также взаимных преобразователей девиации частоты и фазы с одновременным увеличением индекса модуляции.
Эффект повышенной чувствительности, включая комбинационные схемы, позволяет реализовать параметрические измерительные преобразователи с угловой модуляцией выходного сигнала, которые будут способны регистрировать сверхмалые отклонения контролируемого параметра.
Литература:
1. Иванов, В. В. Фазочастотные преобразователи повышенной чувствительности [Текст] / В. В. Иванов, В. И. Воловач, В. К. Шакурский // Надежность и качество: Труды международного симпозиума. — Пенза: ПГУ, 2003. — С. 389–390.
2. Иванов, В. В. Генераторные, фазовые и частотные преобразователи и модуляторы [Текст] / В. В. Иванов, В. К. Шакурский. — М.: Радио и связь, 2003. — 172 с.
