Приветствую Вас, Гость! Регистрация RSS

Сайт "Cner"

Вторник, 20.11.2018
Главная » Статьи » Другие статьи » Статьи из литературы

Сверхрегенеративный приём
ПРИНЦИП СВЕРХРЕГЕНЕРАТИВНОГО УСИЛЕНИЯ
 
Сверхрегенеративный способ усиления высокочастотного напряжения принципиально отличается от того способа усиления, который применяется в ступенях усиления высокой и промежуточной частоты обычных радиоприёмников. Чтобы уяснить его сущность, рассмотрим процессы, происходящие в контуре самовозбуждающегося лампового генератора (рис. 1) при его включении и выключении.

В связи с тем, что действие положительной обратной связи эквивалентно уменьшению активного сопротивления контура генератора, условно принято считать, что она вносит в контур отрицательное сопротивление. Если это вносимое отрицательное сопротивление равно сопротивлению потерь контура, то его полное активное сопротивление равно нулю и в нём могут существовать незатухающие высокочастотные колебания.

В том случае, когда вносимое отрицательное сопротивление превышает сопротивление потерь контура, его полное активное сопротивление становится отрицательным и амплитуда колебаний в контуре нарастает. Это нарастание будет продолжаться до тех пор, пока вследствие увеличения высокочастотного напряжения и напряжения смещения на управляющей сетке лампы величина обратной связи не уменьшится настолько, что вносимое отрицательное сопротивление окажется равным сопротивлению потерь контура, т. е. его полное активное сопротивление станет равным нулю.

Таким образом, при включении генератора амплитуда колебаний устанавливается в его контуре стационарной не сразу, а нарастает постепенно по вполне определённому закону: за любые равные промежутки времени она увеличивается в одинаковое число раз (рис. 2, участок аб). Такой закон называется экспоненциальным. Скорость нарастания амплитуды в данном контуре зависит от величины обратной связи.
 
 

При выключении генератора колебания прекращаются также не сразу и затухают по такому же экспоненциальному закону. Однако скорость спадания амплитуды обычно не равна скорости их нарастания, так как определяется исключительно добротностью колебательного контура генератора.

Закон уменьшения амплитуды выражается формулой:
 

где r - полное активное сопротивление колебательного контура L1C1; L - его индуктивность; d - затухание; t - время, прошедшее после выключения генератора; w - угловая частота (w = 2 ¶ f) и е ~ 2,72.

Срывать колебания в контуре генератора и создавать условия для их возникновения можно, изменяя отрицательное смещение на управляющей сетке его лампы. При этом, чтобы сорвать колебания, нет необходимости запирать лампу, а достаточно лишь подать на её управляющую сетку такое смещение, при котором нарушается условие самовозбуждения. В последнем случае скорость затухания амплитуды колебаний в большой степени зависит от величины этого «выключающего» отрицательного напряжения и от величины обратной связи, Увеличив обратную связь и повысив таким образом добротность контура генератора, можно заметно снизить скорость затухания колебаний.

Если полное активное сопротивление контура отрицательно, то можно считать, что скорость нарастания колебаний при включении генератора зависит только от величины отрицательного сопротивления контура. В этом случае закон нарастания амплитуды колебаний можно выразить приведённой ранее формулой, заменив в ней конечную амплитуду высокочастотных колебаний начальной U0 и знак минус в показателе степени знаком плюс:
 

 
Необходимо подчеркнуть, что для того, чтобы в генераторе возникли собственные колебания, необходим начальный «толчок», хотя бы ничтожно малый. Практически такой «толчок» даётся при включении генератора или при уменьшении смещения на управляющей сетке его лампы. Кроме того, в контуре всегда имеются токи, возникающие вследствие тепловых электрических флуктуаций. Наконец, «толчок» может создать постороннее напряжение, частота которого равна резонансной частоте контура. В дальнейшем мы будем считать, что U0 равно напряжению, подводимому от постороннего источника, или (при отсутствии сигнала) напряжению шумов.

Для того чтобы амплитуда колебаний возросла от начального напряжения U0 в несколько микровольт до нескольких вольт, т. е. примерно в миллион раз, потребуется не больше нескольких десятков микросекунд.

От величины затухания контура зависит процент прироста (если затухание отрицательно) или уменьшения (если затухание положительно) амплитуды за один период. Следовательно, если взять два генератора с колебательными контурами, имеющими одинаковую добротность, но настроенными на разные частоты, и установить в этих генераторах одинаковые режимы (т. е. создать такие условия, чтобы отрицательные сопротивления, вносимые обратной связью в их контуры, были бы одинаковыми), то за одно и то же время амплитуда колебаний возрастёт больше в том из них, который работает на более высокой частоте. Объясняется это тем, что в нём за одно и то же время совершится больше циклов (периодов) колебаний.

Затухание колебаний после «выключения» генераторов будет происходить быстрее также в том из них, колебательный контур которого настроен на более высокую частоту.

Если на управляющую сетку лампы генератора (рис. 3) подать от постороннего источника: переменное напряжение Uпр достаточной величины (для простоты рассуждений будем считать, что оно имеет прямоугольную форму (рис. 4), то он будет генерировать прерывистые колебания одного из двух видов, форма которых показана на рис. 4, в и 4, г.



Колебания вида, показанного на рис. 4, в, устанавливаются в том случае, когда, амплитуда напряжения основной частоты за время t, равное половине периоду прерывающего напряжения, не успеет нарасти до стационарного значения.

Характерным для колебаний вида, показанного на рис. 4, в, является то, что увеличение начальной амплитуды сигнала U0 вызывает пропорциональное возрастание их максимальной амплитуды (при условии, что она попрежнему остаётся меньше стационарной). Например, если U0 увеличить в два раза, то во столько же раз возрастёт и напряжение U1. Вследствие этого при подаче на контур такого генератора начального напряжения, амплитуда которого изменяется относительно медленно по сравнению с частотой прерываний (рис. 5), то максимальные амплитуды «вспышек» генерируемых колебаний будут изменяться по тому же закону, что и амплитуда подводимых колебаний.

Это генерируемое высокочастотное переменное напряжение обычно в сотни тысяч, а иногда и в несколько миллионов раз превышает управляющее ими напряжение приходящего сигнала. Поэтому генератор прерывистых колебаний можно использовать для усиления высокочастотных сигналов. Работающие на таком принципе приёмники принято называть сверхрегенераторами.

Усиленное сверхрегенератором напряжение детектируется его же лампой или подаётся на какой-либо другой амплитудный детектор.

Рассмотренный режим работы сверхрегенератора называется линейным, так как при нём существует линейная зависимость между амплитудой приходящего сигнала и выпрямленным напряжением на выходе детектора.

Сверхрегенератору, работающему в линейном режиме, свойственны все качества, присущие обычному усилителю высокой частоты. Крупным достоинством его является возможность получения вполне естественного воспроизведения радиотелефонных передач с амплитудной модуляцией.

Недостатком такого сверхрегенератора является большая зависимость даваемого им усиления от питающих напряжений. Однако соответствующей стабилизацией питающих напряжений можно обеспечить достаточно устойчивое усиление.

Колебания вида, показанного на рис. 4, г, устанавливаются тогда, когда амплитуда собственных колебаний за время меньшее, чем половина периода прерывающего напряжения, успеет нарасти до стационарного значения. Такой режим работы называется нелинейным.

Среднее выпрямленное напряжение на выходе детектора пропорционально продолжительности существования установившихся (стационарных) колебаний в «вспышках», которая, в свою очередь, зависит от времени нарастания амплитуды этих колебаний. Увеличение амплитуды сигнала U0 вызывает сокращение времени нарастания колебаний, а следовательно, и увеличение продолжительности установившихся колебаний на такой промежуток времени, который необходим для того, чтобы амплитуда выросла от прежнего до нового значения. Так, например, если U0 возрастёт в два раза (до значения U'0 - см. рис. 6), то время нарастания уменьшится на τ' . При увеличении начальной амплитуды ещё в два раза (т. е. в четыре раза по сравнению с U0) время нарастания сократится ещё на τ', а в общей сложности на 2τ'. Нетрудно подсчитать, что изменение начальной амплитуды в 64 раза приведёт к сокращению времени нарастания на 6τ'. На столько же возрастёт и продолжительность существования установившихся колебаний.

Таким образом, изменение входного напряжения в широких пределах приводит к относительно небольшим изменениям времени нарастания амплитуды, т. е. к сравнительно небольшим отклонениям в продолжительности установившихся колебаний.
Вследствие этого пропорциональной зависимости между амплитудой сигнала и выпрямленным напряжением на детекторе нет. При приёме амплитудно - модулированного сигнала это неизбежно приведёт к сильным нелинейным искажениям (при глубокой модуляции коэффициент гармоник доходит до 30%). Правда, характер этих искажений таков, что он не вызывает заметного ухудшения разборчивости речи, а приводит в основном лишь к очень сильному сжатию динамического диапазона звучания. Но художественного приёма этот режим обеспечить не может. В этом заключается один из недостатков нелинейного режима.
Из сказанного вытекает также и то, что увеличение амплитуды несущей подводимого модулированного сигнала в несколько раз приведёт к очень небольшому увеличению среднего выпрямленного детектором напряжения. При этом выделяемая на его нагрузке переменная составляющая низкочастотного напряжения совершенно не изменится. Таким образом, сверхрегенератор, работающий в нелинейном режиме, обеспечивает хорошую автоматическую регулировку усиления. Однако вследствие этого при отсутствии полезного сигнала уровень внутренних шумов на выходе детектора будет практически равен максимальному уровню низкочастотного напряжения от полезного сигнала. При наличии несущей, значительно превосходящей уровень шумов, последний подавляется.

К достоинству нелинейного режима следует отнести высокую стабильность работы при значительных колебаниях питающих напряжений.

На рис. 7, а и 7, б приведены две схемы, позволяющие осуществить сверхрегенеративное усиление. Отличаются они друг от друга тем, что в первой из них колебательный контур включён в цепь управляющей сетки лампы, а во второй - в анодную цепь. В схеме рис. 7, а одну и ту же лампу можно использовать одновременно для сверхрегенеративного усиления колебаний высокой частоты, сеточного детектирования и предварительного усиления колебаний низкой частоты. Максимальная величина напряжения на контуре ограничивается в этом случае несколькими вольтами.

В схеме рис 7, б, лампа используется только для сверхрегенеративного усиления. Максимальное напряжение на контуре здесь может достигать 100 В.

Рассмотрим особенности схем сверхрегенеративного усиления, вытекающие из физической сущности их работы.

Во-первых, максимальное усиление, которое в состоянии дать сверхрегенератор, может достигать нескольких миллионов и не зависит от усилительных свойств его лампы. Для нормальной работы сверхрегенератора достаточно анодное напряжение порядка 20 В. Поэтому сверхрегенераторы целесообразно применять в малоламповых экономичных приёмниках, в особенности батарейных.
.Во-вторых, максимальное усиление, даваемое сверхрегенератором, не зависит от частоты подводимых к нему колебаний. Следовательно, его наиболее целесообразно применять в УКВ приёмниках, где обычным способом трудно получить большое усиление.

Необходимо отметить, что применение сверхрегенератора на относительно низких радиочастотах затруднительно, так как время нарастания и затухания колебаний, как было сказано выше, с понижением частоты удлиняется, и колебания за промежутки времени, не превышающие половины периода прерывающего напряжения, не успеют нарасти до значительной амплитуды. Это приведёт к резкому снижению усиления, даваемого сверхрегенератором. Увеличить период колебаний Т (рис. 4, а) нельзя по той причине, что частота прерываний должна быть в несколько раз выше максимальной модулирующей частоты.

Обычно частота прерываний выбирается не ниже 20 кГц, а частота усиливаемого сигнала желательно, чтобы была не ниже 4-5 мГц.

Сверхрегенератор ни в коем случае не следует использовать в первой ступени приёмника, так как он создаёт очень сильное обратное излучение. Кроме того, вследствие влияния антенны на резонансную частоту и остальные параметры колебательного контура сверхрегенератора очень трудно добиться того, чтобы он устойчиво работал. Поэтому перед сверхрегенеративной ступенью в приёмнике должна быть по крайней мере ещё одна ступень (усиления ВЧ или преобразовательная). Лучше всего его использовать в ступени, работающей на фиксированной частоте, например для усиления ПЧ.

ДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ

Как было уже установлено, характер нарастания высокочастотных колебаний в сверхрегенераторе, а также их максимальная амплитуда, достигаемая к концу первого полупериода прерывающего напряжения, зависят от начальной амплитуды сигнала.

Если сигнал исчезнет сразу после возникновения колебаний в контуре, то это не повлияет на скорость их нарастания, определяемую величиной «отрицательного» сопротивления. Таким образом, напряжение U1 останется постоянным, независимо от того, подаётся ли сигнал непрерывно или в виде отдельных импульсов, если только каждый импульс приходит в момент возникновения колебаний в контуре. В случае запаздывания импульса время для нарастания колебаний после его воздействия оказывается уменьшенным, вследствие чего их амплитуда будет меньше. С увеличением времени запаздывания максимальная амплитуда уменьшается очень резко. Если импульс приходит в конце первого полупериода или в течение второго полупериода, то он вообще не усиливается. Это свойство сверхрегенератора и является причиной его высокой помехоустойчивости при импульсных помехах.

Поскольку момент прихода мешающего импульса произволен, можно считать, что лишь незначительная часть импульсов помехи попадёт в приёмник в начале первого полупериода и будет усилена в полной мере. Моменты прихода большинства импульсов будут такими, что они либо вовсе не будут усиливаться, либо усилятся в небольшой степени.

Следует отметить, что те импульсы, момент прихода которых совпал с моментом начала возникновения колебаний, усилятся в полной мере лишь при работе сверхрегенератора в линейном режиме.

В нелинейном режиме, вследствие отмеченной выше непропорциональной зависимости между выходным напряжением и амплитудой сигнала, импульсы более сильные, чем сигнал, будут дополнительно ослаблены. Таким образом, сверхрегенератор, работающий в нелинейном режиме, обладает более высокой помехоустойчивостью относительно сильных импульсных помех, чем работающий в линейном режиме.

ПРИЁМ НА СВЕРХРЕГЕНЕРАТОР ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

Частота колебаний в контуре сверхрегенератора определяется параметрами этого контура и не зависит от частоты приходящего сигнала. Тем не менее с помощью сверхрегенератора можно усиливать и детектировать частотно-модулированные сигналы. Для этого его контур необходимо настраивать так, чтобы несущая частота сигнала попадала не на вершину, а на боковой скат резонансной кривой контура. При этом всякое изменение частоты сигнала приведёт к изменению его амплитуды, т. е. частотная модуляция будет преобразовываться в амплитудную. Полученный амплитудно-модулированный сигнал усиливается точно так же, как в рассмотренном раньше случае, затем он может быть продетектирован любым способом.

Сверхрегенеративный детектор частотно-модулированных колебаний обладает очень высокой чувствительностью и мало восприимчив к импульсным помехам, даже если последние значительно превышают уровень полезного сигнала.

Однако сверхрегенеративный ЧМ детектор обладает и недостатками.

Во-первых, хотя он и весьма значительно ослабляет импульсные помехи, но отдельные импульсы всё же хорошо прослушиваются; это снижает качество приёма, если он производится при наличии импульсных помех.

Во-вторых, флюктуационные шумы не только не ослабляются сверхрегенератором, а даже усиливаются, в особенности при работе его в нелинейном режиме.

Наконец, такому детектору свойственны общие недостатки сверхрегенеративных схем, отмеченные выше, т. е. нестабильность усиления при работе в линейном режиме и сильные нелинейные искажения при работе в режиме нелинейном.

Таким образом, рассмотренный метод детектирования лишает частотную модуляцию одного из важнейших преимуществ перед амплитудной модуляцией - подавления шумов, уровень которых ниже уровня сигнала (в том числе и собственных шумов приёмника), а следовательно, и возможности высококачественного приёма слабых сигналов.

Реализовать преимущество сверхрегенеративного принципа усиления при приёме ЧМ радиостанций можно путём использования этого принципа в усилителе высокой частоты, после которого следуют ограничитель и обычный частотный детектор (приёмник в этом случае настраивается точно на частоту принимаемого сигнала). Объяснение происходящих в этом случае процессов довольно сложно, а потому здесь не приводится.

СХЕМА С ПРЕРЫВИСТОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ

В заключение рассмотрим одну из наиболее часто встречающихся на практике схем сверхрегенераторов - схему с прерывистой генерацией, называемую также схемой с самогашением (рис. 8).
В этой схеме отсутствует отдельный источник прерывающего напряжения. Периодический срыв генерируемых высокочастотных колебаний осуществляется здесь благодаря соответствующему выбору режима работы лампы.

Генератор, работающий в режиме прерывистой генерации, отличается от обычного генератора большей величиной обратной связи и большими величинами сопротивления утечки сетки и ёмкости сеточного конденсатора (R1 и С2 на схеме рис. 8). Работает такая схема следующим образом. При возникновении колебаний на управляющей сетке лампы появляется переменное напряжение, которое вызывает появление сеточного тока. Этот ток заряжает конденсатор С2 (рис. 8). Поскольку обратная связь велика, амплитуда колебаний нарастает очень быстро и при достаточно большой ёмкости конденсатора С2 успеет достигнуть стационарного значения прежде, чем отрицательное напряжение на сетке достигнет сколь-либо значительной величины. Иначе говоря, весь процесс нарастания амплитуды колебаний в генераторе происходит практически при напряжении смещения на сетке близком к нулю. Поэтому максимальная амплитуда U1 довольно велика.

С увеличением высокочастотного напряжения сеточный ток сильно возрастает, вследствие чего после достижения стационарной амплитуды конденсатор С2 начинает очень быстро заряжаться. В результате этого напряжение смещения быстро увеличивается до тех пор, пока колебания не сорвутся.

После срыва колебаний сеточный ток прекращается. По мере разряда конденсатора С2 через сопротивление R1 смещение на сетке постепенно уменьшается. При некоторой его величине в контуре вновь возникают колебания. Далее этот процесс периодически повторяется. Длительность «вспышки» получается тем большей, чем больше ёмкость конденсатора С2. Частота повторения «вспышек» определяется постоянной времени R1C2, т. е. тем выше, чем быстрее разряжается конденсатор С2 через сопротивление R1.

Нарастание колебаний происходит здесь от некоторой амплитуды U0, равной или начальной амплитуде приходящего сигнала, или напряжению шумов. От величины начальной амплитуды зависит время нарастания колебаний. Но длительность τ1 , определяемая временем заряда конденсатора С2 сеточными токами, не зависит от U0, так как основную долю заряда конденсатор С2 получает уже после установления амплитуды. Таким образом, при увеличении U0 за счёт сокращения времени нарастания колебаний повышается частота «вспышек», а это, в свою очередь, приводит к увеличению среднего выпрямленного напряжения на нагрузке детектора.

Очевидно, что в этой схеме зависимость между напряжением на входе сверхрегенератора и средним напряжением на детекторе такая же, как и в рассмотренном выше нелинейном режиме. Различие состоит лишь в том, что в ранее рассмотренной схеме выпрямленное напряжение возрастает вследствие увеличения длительности «вспышек» за счёт сокращения времени нарастания, а здесь выпрямленное напряжение возрастает вследствие увеличения частоты «вспышек» (длительность которых постоянна).

В схеме с самогашением одна и та же лампа выполняет одновременно три функции: сверхрегенеративного усилителя колебаний высокой частоты, сеточного детектора и усилителя колебаний низкой частоты.

В. Хевролин, г. Москва

Источник публикации: ж. "Радио", 1953, №8, с. 37-41

Примечание:   Журнальный вариант статьи можно скачать здесь: http://cner.ucoz.net/load/drugie_fajly/sverkhregenerativnyj_priem/2-1-0-14
Категория: Статьи из литературы | Добавил: cner (10.06.2017)
Просмотров: 175 | Рейтинг: 0.0/0