Автоколебательные системы с внешним воздействием, синхронизация колебаний

Рис. 52. Неавтономный генератор.	Рассмотрим внешнее воздействие на томпсоновский генератор с контуром в цепи затвора (рис. 52). Пусть внешнее воздействие u1(t) = U1sin(w1t); напряжение на затворе выберем в качестве переменной u; тогда уравнение второго закона Кирхгофа для цепи обратной связи запишется в виде . Вводя безразмерные переменные x = u/u0, t = w1t, получим
,	(6.16)
где обозначено ,  .

Рассмотрим два случая.

1. Пусть коэффициент регенерации k < 0. Это означает, что точка покоя является устойчивой. В этом случае, имея в виду малую амплитуду возбуждаемых колебаний, характеристику i_c = f(u) можно аппроксимировать на линейном участке характеристики линейной зависимостью i_c = I₀ + Su. Пусть воздействие w₁ происходит вблизи резонансной частоты w₀ (w₁ » w₀). Коэффициент k является почти таким же, как и для автономного генератора, тогда, как мы помним, условие k < 0 означает, что 2h > MSw₀. Тогда уравнение (6.16) сводится к уравнению, которое описывает воздействие внешней силы на простейшую линейную систему (здесь в качестве такой системы выступает колебательный контур)

.

Как видно, положительная обратная связь уменьшает потери или, что эквивалентно, увеличивает добротность. Известно, что отклик системы на внешнее воздействие вблизи резонанса пропорционален добротности, т. е. положительная обратная связь увеличивает отклик системы. Такой режим работы автогенератора (недовозбуждённый, т. е. в отсутствие внешнего воздействия он ничего генерировать не будет) называется регенеративным или недовозбуждённым.

Рис. 53. Резонансные кривые регенерированного контура для немалых сигналов.

При увеличении амплитуды внешнего воздействия нелинейностью функции ic = f(u) пренебрегать уже нельзя и использованная нами линейная аппроксимация ic = I0 + Su становится несправедливой. Резонансные кривые по-прежнему симметричны, но имеют немного иную форму, а именно несколько сплюснуты сверху в окрестности резонансного максимума из-за увеличения потерь в системе с ростом амплитуды колебаний. На рис. 53 приведён вид резонансных кривых при трёх случаях.

2. Теперь рассмотрим случай, когда k > 0. По-прежнему будем считать, что w₁ близка к резонансу, т. е. w₁ » w₀. Условие k > 0 означает, что 2h < MSw₀. Тогда в отсутствии внешнего воздействия в системе появятся колебания с собственной частотой w тоже близкой к частоте резонанса. Поскольку автоколебательная система всегда нелинейная, то в системе произойдёт стабилизация амплитуды. Кроме того, на нелинейную систему воздействует ещё частота w₁. За счёт нелинейного взаимодействия собственных колебаний с частотой w и вынужденных колебаний с частотой w₁ в системе будут возникать колебания с комбинационными частотами вида |nw ± mw₁|, где n и m - целые числа. Простейшие колебания, когда n = 1, m = 1, т. е. с частотой W = |w ± w₁|, называют биениями.

В режиме самовозбуждения у генератора, описываемого уравнением (6.16), возможен очень важный для практики режим синхронизации колебаний, когда сравнительно маломощный источник внешнего воздействия задаёт частоту и фазу колебаний мощного генератора. Например, приложим к мощному генератору маломощное воздействие. Возможна ситуация, когда маломощный генератор, найдя свою частоту и фазу, навяжет эту частоту мощному генератору. Это и есть режим синхронизации колебаний. Так как теория довольно сложна, рассмотрим упрощённый случай. Пусть мощный генератор имеет мягкое возбуждение. Для произвольной характеристики усилителя i_c = f(u), где f(u) какая-то нелинейная функция. Теперь уравнение (6.16) может быть переписано в таком виде:

,

(6.17)

где обозначено

,  .

Если искать решение этого уравнения с частотой, точно равной частоте внешнего воздействия (t = w₁t), то, используя обычную замену переменных в методе ММА

,  ,

укороченные уравнения примут вид:

;

.

Подставляя значения и , получим

;  .

(6.18)

Здесь функция D(X) описывает баланс потерь и вложения энергии, т. е. регенерацию (аналог колебательной крутизны). Для полевого транзистора, чью характеристику можно представить в виде ряда i_c(u) = I₀ + a₀u + b₀u² + g₀u³, получаем

, где , .

Вернёмся к уравнению (6.18). В автономном режиме генератора (l = 0) имеем

;  .

Найдём стационарные решения. Эти уравнения имеют два стационарных решения ( , ): состояние покоя системы (X = 0), устойчивое при D(0) > 0 и неустойчивое при D(0) < 0, а также ненулевое решение X = X₀ ¹ 0 (предельный цикл), где X₀ определяется из равенства D(X₀) = 0. Для фазы имеем: q = -xt/2 + q₀. Учитывая, что w₁ » w₀, можно записать

.

Взяв q = -xt/2, получим выражение

,

которое подтверждает, что в автономном генераторе колебания происходят с собственной частотой системы w₀, а не с частотой w₁, с которой мы искали решение. Таким образом, мы видим, что использованный нами метод ММА исправил ошибку в определении частоты генератора.

Теперь рассмотрим неавтономный режим работы генератора (l ¹ 0) в области синхронизации. При D(0) < 0 (потери в системе превышают вложение энергии) в генераторе не выполняется условие самовозбуждения, однако имеет место регенерация, т. е. регенеративный режим. В этом случае получается несколько сплющенная сверху резонансная кривая (рис. 53).

При выполнении условия самовозбуждения генератора, т. е. D(0) > 0, синхронный режим работы томпсоновского генератора возможен лишь при малых значениях расстройки x (|x| << 1). В стационарном ( , ) синхронном режиме из системы уравнений (6.18) получаем систему

;  ,

или одно уравнение

.

Решение такого уравнения непрерывно зависит от параметра. При произвольном D(X) последнее уравнение аналитически не разрешается. Можно ожидать, что при относительно малых значениях параметра l амплитуда колебаний почти такая же, как и в автономном режиме, т. е. X = X₀. Таким образом, маломощный генератор навяжет частоту и фазу, но с амплитудой он ничего сделать не сможет (амплитуда является энергоёмким параметром, поэтому малое воздействие его энергию изменить не сможет, а вот частота и фаза на энергию не влияют). Итак, мы можем ожидать, что установившаяся амплитуда колебаний близка к стационарной амплитуде в автономном режиме, т. е. X » X₀; тогда из второго уравнения (6.18) получаем соотношение

,

которое имеет стационарное решение лишь при |x| £ x₀ = l/X₀. Это неравенство и определяет ширину полосы синхронизации: |w₁ - w₀| £ w₁l/(2X₀). Таким образом, чем слабее внешний генератор, тем точнее он должен быть подстроен в резонансную частоту. При расстройке, выходящей за пределы полосы синхронизации, присутствуют как вынужденные колебания на частоте w₁, так и собственные колебания на частоте w₀, следовательно, имеет место режим биений.

Рассмотрим поведение генератора при внешнем воздействии с большой амплитудой и частотой, почти кратной собственной частоте генератора w₁ » nw₀. Для удобства введём в рассмотрение такую частоту w, что w » w₁/n » w₀. Введём безразмерное время t = wt, нормированное на w, т. е. будем искать решение с частотой, близкой к частоте собственных колебаний системы. Если ввести расстройку и аппроксимировать ток стока полиномом третьей степени i_c(u) = I₀ + a₀u + b₀u² + g₀u³, то, с учётом написанных выше соотношений, (6.17) можно записать в виде

,

(6.19)

где k = a - 2h, , , , . Применение метода ММА для решения этого уравнения при |k| << 1, |b| << 1, |g| << 1, |x| << 1 и большом l требует перехода к новой переменной y(t), определяемой соотношением

,

(6.20)

где X₁ - амплитуда вынужденных колебаний. Таким образом, решение уравнения (6.19) представляется в виде суперпозиции двух решений, причём член X₁sin(nt) соответствует чисто вынужденному процессу колебаний с частотой внешнего воздействия, а член y(t) - колебаниям с частотой, близкой к собственной. Амплитуда X₁ определяется условием X₁ = l/(1 - n²). После подстановки (6.20) в (6.19) имеем

.

(6.21)

Это уравнение уже допускает применение метода ММА, так как в правой части стоят малые члены. Ищем решение в виде

, 

или, если для x:

,  .

Рассмотрим случай n = 2; он представляет особый интерес, так как при этом значении n возникает так называемый резонанс второго рода. Укороченные уравнения принимают вид

;

.

После интегрирования, получим

(6.22)

Здесь z = u² + v², X₁ = -U₁/3.

Рассмотрим стационарные решения задачи ( ). Отличные от нуля стационарные состояния (u₀ ¹ 0, v₀ ¹ 0, z₀ ¹ 0) легко получаются из системы (6.22).

Отсюда видно, что

,

откуда легко выразить z₀:

.

(6.23)

Знак "-" нас не интересует, так как z₀ заведомо положителен.

Попробуем формально построить график этого решения (рис. 54). При X1 ³ X10 физического смысла решение не имеет (заштрихованная область на рисунке). В зависимости от параметров рассматриваемой системы в ней может реализоваться несколько различных режимов. 1) В автономном режиме (U1 = 0, X1 = 0) стационарная амплитуда колебаний z0 = -4k/g существует при коэффициенте регенерации k > 0 (g < 0) и равна нулю (z0 = 0) при k < 0. Генерация колебаний происходит на собственной частоте w0.

Рис. 54. График амплитуды автоколебаний при воздействии внешней силы с удвоенной частотой.

2) В неавтономном синхронном (x = 0) режиме при внешнем воздействии (U₁ > 0, X₁ > 0) на автоколебательную систему (k > 0, g < 0) амплитуда автоколебательного процесса определяется из соотношения

,

(6.24)

график которого мы и построили (рис. 54).

Мы сказали, что физический смысл имеют значения z > 0. Это значит, что если внешнее воздействие по амплитуде превосходит величину X₁₀, происходит срыв автоколебаний, т. е. z₀ становится равным нулю (z₀ = 0). Происходит настолько мощное воздействие, что собственные колебания гасятся, а остаются только вынужденные колебания с частотой w₁. Если X₁ < X₁₀, то амплитуда воздействия велика, но не слишком. Вот тогда (6.24) нормально существует, т. е. существует синхронный колебательный режим, когда в системе устанавливается частота вдвое меньшая (в данном случае), чем частота внешнего воздействия (резонанс первого рода). Это так называемый режим деления частоты.

3) Случай k < 0, g < 0, w ¹ w₀ (x ¹ 0) соответствует недовозбуждённой автоколебательной системе с внешним воздействием на кратной частоте. При k < 0 собственных колебаний не будет, тогда z₀ = 0. Положив в уравнении (6.23) z₀ = 0, можно найти граничные значения расстройки, при которых возникают вынужденные колебания с частотой вдвое меньшей, чем частота внешнего воздействия (резонанс второго рода):

.

(6.25)

Кривые резонанса второго рода z₀(x) при разных значениях амплитуды внешнего воздействия показаны на рис. 55.

Рис. 55. Кривые резонанса второго рода.

Рис. 56. Амплитудная кривая резонанса второго рода.

Зависимость z₀ от X₁ имеет вид, изображённый на рис. 56.; кривая X₁₁X₁₂ показывает зависимость амплитуды вынужденных колебаний в недовозбуждённом генераторе от амплитуды внешнего воздействия на двойной частоте. В заштрихованной области имеет место вынужденный процесс с небольшой амплитудой из-за большого различия между собственной частотой системы w₀ и частотой внешнего воздействия w₁ (в нашем случае w₁ » 2w₀). Значение амплитуды внешнего воздействия, равное X₁₁ называется порогом возбуждения, а значение X₁₂ - потолком возбуждения. В области значений от X₁₁ до X₁₂ существует резонанс второго рода.