|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Захватывание частоты колебаний |
 |
Захватывание частоты колебаний автогенератора внешним сигналом
Анимация
Описание
Захватывание частоты – явление, состоящее в том, что автоколебательная система (автогенератор) при воздействии на неё периодически изменяющейся по времени внешней силы совершает колебания не с частотой автоколебаний ωа, а с частотой внешнего воздействия ωв. Захватывание частоты осуществляется лишь благодаря нелинейности и диссипативности и имеет место при условии, что частоты ωа и ωв не слишком отличаются друг от друга, то есть для некоторого ограниченного диапазона частотных расстроек, называемых полосой захвата.
Полоса захвата зависит от свойств автогенератора и от амплитуды внешней силы. В частности, при возрастании амплитуды внешней силы, полоса захвата, как правило, увеличивается. Захватывание частоты может наблюдаться в автоколебательных системах любой фазовой природы и при различных периодических внешних воздействиях. Впервые же оно было обнаружено и объяснено для томпсоновского генератора с синусоидальным воздействием. Другой распространённый термин для захватывания частоты – синхронизация автогенератора внешней силой.
Как захватывание частоты, так и процессы, сопутствующие ему, часто моделируются неавтономным уравнением:
, (1)
где
t – время,
– возвращающая сила,
f – знакопеременная функция) с фазовым пространством
. Образом захватывания частоты в фазовом пространстве служит устойчивый предельный цикл периода 2π/
ωв, делающий один оборот в плоскости
за период. Этот цикл при слабом воздействии расположен на торе, а при сильном – он притягивает все траектории (1).
Вне полосы захвата в зависимости от свойств автогенератора и характера воздействия могут наблюдаться следующие типы колебаний:
а) периодические колебания, например при близости частот ωа и (p/q)ωв, где p, q – целые числа; их образы в фазовом пространстве – предельные циклы, расположенные при слабом воздействии на торе с числом вращения, равным (q/p);
б) квазипериодические колебания, их образ в фазовом пространстве – незамкнутая обмотка тора, например при несоизмеримых ωа и ωв при слабом воздействии;
в) стохастические колебания, их образ в фазовом пространстве – либо странный аттрактор, либо сложные устойчивые траектории.
Явление, при котором для некоторого интервала значений |
ωа -
pωв| (при
p>1) происходят периодические колебания с частотой
ωв, называется
ультрагармоническим захватыванием частоты. Образ этого явления в фазовом пространстве есть
предельный цикл периода 2π/
ωв с
p оборотами в плоскости
. Число вращения на
торе при слабом воздействии в этом случае равно
1/p. Если автоколебательная система описывается уравнением (1), где
нелинейность f и внешняя сила
h малы, то это уравнение с помощью асимптотических методов приводится к системе укороченных уравнений:
, (2)
где A и φ – соответственно амплитуда и фаза (или действие и угол). Тогда захватывание частоты объясняется существованием устойчивых состояний равновесия (2), а полосе захвата соответствует область их устойчивости.
Ключевые слова
Разделы наук
Используется в научно-технических эффектах
Используется в областях техники и экономики
Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты
Применение эффекта
Явление захватывания частоты находит чрезвычайно широкое применение в радиопередающих устройствах, измерительных приборах и т.п. Имеет большое значение в технике, поскольку позволяет автогенераторам, генераторам переменного тока, синхронным моторам и другим нелинейным системам входить в синхронный режим и устойчиво работать в пределах конечной полосы частот, а также позволяет нескольким генераторам устойчиво работать на общую сеть энергосистемы или нескольким радиопередатчикам на одну антенну. Синхронизация колебаний используется при создании умножителей и делителей частоты. В сложных нелинейных системах, генерирующих несколько частот, возможна синхронизация колебаний на различных комбинационных частотах системы. Например, синхронизация колебаний на разностной частоте применяется при синхронизации мод лазера. Синхронизация колебаний применяется в медицине, когда, например, больным с нарушением ритма сердца вживляют электронный синхронизатор сердечного ритма (так называемый кардиостимулятор).
Ультрагармоническое или субгармоническое захватывание используется для умножения или деления частоты.
Реализации эффекта
С помощью имплантируемого электрокардиостимулятора восстанавливается подача регулярных электрических импульсов к сердечной мышце. Вся система электрокардиостимулятора состоит из двух частей:
– Импульсного генератора, который собственно и называется ЭКС. Импульсный генератор состоит из электронной схемы и батареи, которые помещены в герметичный корпус. Электронная схема проводит исследование активности Вашего сердца и генерирует посылаемые к сердцу импульсы, контролируя их синхронизацию.
– Электрода (или двух электродов), который представляет собой специальный спиральный проводник, обладающий достаточной гибкостью, чтобы выдерживать кручение и сгибание, вызываемые движениями тела и сокращениями сердца. Электрод передает сердцу электрический импульс, вырабатываемый импульсным генератором, и несет обратно информацию об активности сердца.
Контакт электрода с сердцем осуществляется через металлическую головку на конце провода (рисунок 1).
Схема электрокардиостимулятора
Рис.1
С помощью нее стимулятор "следит" за электрической активностью сердца и посылает электрические импульсы (стимулирует) только тогда, когда они требуются сердцу. В том случае, если сердечная деятельность полностью отсутствует или ритм очень редкий, стимулятор переходит в режим постоянной стимуляции и посылает импульсы к сердцу с заданной частотой. Если будет проявляться спонтанная активность сердца, стимулятор перейдет в режим ожидания, то есть будет функционировать в режиме «по требованию» (on demand).
Микроволновой (диапазон частот 35-37 ГГц) скаттерометр предназначен для решения задач дистанционного зондирования атмосферы, морской поверхности и суши.
На рис.1 представлена структурная схема скаттерометра.
Структурная схема скаттерометра
Рис.1
Приемник скаттерометра строится по супергетеродинной схеме с малошумящим усилителем на входе. Для реализации когерентного режима необходимо синхронизовать с точностью до фазы гетеродин приемника с задающим генератором. Для этой гетеродин приемника выполняется перестраиваемым напряжением (VCO), и реализуется петля захвата фазы управляемого генератора от задающего генератора (PLL). PLL управляет частотой гетеродина приемника таким образом, что разность частот задающего генератора и VCO равняется 600 МГц, а флуктуация относительной фазы между этими связанными генераторами не превышает 0,3 градуса (rms). Разностная частота 600 МГц выделяется на смесителе сравнения, на который поступают сигналы задающего генератора и VCO, и используется для работы схемы PLL.
Литература
1. "Основы теории колебаний" Мигулин В.В, Медведев В.И., Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. - М.: Наука, 1978.
2. "Автоколебательные системы" Теодорчик К.Ф. - М.: Гостехиздат, 1952.
3. "Введение в теорию колебаний" Стрелков С.П. - М.: Наука, 1964.
