Кварцевая стабилизация частоты

Кварцевый резонатор представляет собой кварцевую пластинку 1, помещенную между двумя металлическими электродами 2 и закрепленную с помощью кварцедержателя 3.

Рисунок 12.1 – Эскиз конструкции кварцевого резонатора.

Кварцевые пластины обладают пьезоэлектрическим эффектом. ПРЯМОЙ ПЬЕЗОЭФФЕКТ состоит в том, что при механической деформации пластины на ней появляются электрические заряды, а ОБРАТНЫЙ – в деформации пластины под воздействием электрического поля.

Если к зажимам цепи, содержащей резонатор, подвести переменное напряжение _~, то в ней возникнет переменный ток.

Рисунок 12.2 – Условное изображение кварцевого резонатора.

Ток достигает максимума при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной резонансной частотой кварцевой пластины .

Рисунок 12.3 – Частотная характеристика кварцевого резонатора.

 

Кварцевый резонатор можно представить в виде эквивалентной электрической схемы, приведенной ниже.

Рисунок 12.4 – Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора:

L_кв, С_кв, R_кв – эквивалентные параметры кварцевой пластины;

С₀ – емкость между электродами.

В целом образовался колебательный контур третьего вида. В нем резонанс наблюдается на двух частотах:

- частоте последовательного резонанса;

- частоте параллельного резонанса.

Расхождение между частотами очень небольшое (сотни герц). Частоты резонансов очень стабильны и могут использоваться в качестве эталонных.

Для любых частот, кроме узкой полосы сопротивление кварцевого резонатора имеет емкостной характер и лишь для отмеченной полосы – индуктивный.

Рисунок 12.5 – Изменение реактивного сопротивления кварцевого резонатора.

В схемах генераторов кварцевые резонаторы можно использовать как эталонные фильтры и как эталонные индуктивности.

Пример первого способа использования представлен на рисунке 12.6.

Рисунок 12.6 – Кварцевый генератор, выполненный по фильтровой схеме.

Схема является фильтровой, т.к. кварцевый резонатор выполняет в ней роль конденсатора, замыкающего цепь ПОС индуктивной трехточки. Автогенератор возбуждается на частоте последовательного резонанса , на которой сопротивление резонатора минимальное и чисто активное. Это означает, что коэффициент обратной связи будет наибольшим (выполняется условие БА). Кроме того, на этой частоте цепь ПОС не вносит дополнительного фазового сдвига (выполняется условие БФ).

Пример второго способа использования кварцевого резонатора показан на рисунке 12.7.

Рисунок 12.7 – Кварцевый генератор, выполненный по схеме емкостной

трехточки.

Кварцевый резонатор выполняет роль индуктивности и включается в соответствующий участок трехточечной схемы генератора (между базой и коллектором в емкостной трехточечной схеме). АГ возбуждается на одной из частот, лежащих между и .

 

13 RC -АВТОГЕНЕРАТОРЫ

Использование LC- генераторов для генерирования низкочастотных гармонических колебаний затруднительно, т.к. необходимо увеличивать индуктивность и емкость контура, что связано с уменьшением добротности контура и увеличением его габаритов и массы. Поэтому на этих частотах используют RC -генераторы.

Из множества разновидностей на практике находят применение цепочные и мостовые RC- автогенераторы.

 

Цепочный RC-автогенератор

Рисунок 13.1 – Структурная схема цепочного RC -автогенератора.

Низкочастотный усилитель в пределах полосы пропускания имеет постоянный коэффициент усиления и постоянный фазовый сдвиг 180° между входным и выходным напряжениями. Форма генерируемых колебаний в таком генераторе оказывается зависящей от частотных характеристик цепи обратной связи. Если АЧХ и ФЧХ цепи обратной связи равномерны в полосе частот, равной или превышающей полосу пропускания усилителя, то при выполнении условий БА и БФ в полосе пропускания усилителя, на выходе генератора будут наблюдаться колебания, отличающиеся по форме от гармонических. Если ФЧХ цепи обратной связи такова, что для одной частоты создаются преимущественные условия (фазовый сдвиг 180° между входным и выходным напряжениями), тогда условие БФ будет соблюдаться только для этой частоты, и в таком RC -генераторе возникнут гармонические колебания с частотой .

Для развития процесса самовозбуждения генератора необходимо выбрать коэффициент чуть-чуть больше . Тогда при подключении генератора к источнику питания малейшие колебания на частоте через цепь ПОС будут поступать на вход усилителя, а т.к. , то эти колебания будут усиливаться усилителем чуть больше, чем ослабляться цепью ПОС. Поэтому с каждым циклом амплитуда колебаний на частоте будет возрастать. При достижении амплитудой величины напряжения насыщения за счет нелинейности амплитудной характеристики коэффициент усиления становится , и на выходе генератора будут установившиеся колебания частотой и постоянной амплитуды . При этом искажения формы гармонического колебания (срез амплитуды) будет минимальным.

Рисунок 13.2 – Временная диаграмма возбуждения генератора.

Для поворота фазы выходного напряжения усилителя на 180° в цепь ПОС включается фазосдвигающая цепь (ФСЦ), состоящая из нескольких (обычно трех или четырех) фазосдвигающих RC- звеньев.

Рисунок 13.3 – Принципиальная схема (а) и векторная диаграмма (б)

фазосдвигающего звена.

Практически элементы RC -звена подбираются так, чтобы . В зависимости от включения схемы ФСЦ называют R -параллель или С -параллель.

Рисунок 13.4 – Трехзвенная ФСЦ: R -параллель и С -параллель.

Частота генерируемых колебаний автогенератора соответствует частоте, при которой сдвиг фаз между напряжениями и достигает 180°:

- R-параллель; - С-параллель.

Требуемый для обеспечения самовозбуждения коэффициент усиления усилителя , где - коэффициент передачи цепи ПОС на частоте генерации.

Рисунок 13.5 – Принципиальная схема RC -автогенератора с трехзвенной ФСЦ:

R1R2 – делитель напряжения. Обеспечивает режим по постоянному току;

R4C1 – элементы температурной эмиттерной стабилизации рабочей точки;

R3 – нагрузка однокаскадного усилителя на транзисторе VT, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ);

С2 – С4, R5 – R7 – элементы ФСЦ. R5 – R7 должны быть много больше, чем R3, чтобы не уменьшать коэффициент усиления усилителя.

БФ выполняется автоматически, т.к. трехзвенная RC -цепь имеет фазовый сдвиг 180⁰ и каскад с ОЭ сдвигает фазу на 180⁰, поэтому суммарный фазовый сдвиг по цепям усиления и цепям обратной связи составляет 360⁰.

БА выполняется за счет применения каскада с коэффициентомусиления больше 29, т.к. коэффициент передачи трехзвенной RC -цепи 1/29. Это необходимо для выполнения условия самовозбуждения: .

При подключении к источнику питания уменьшается потенциал коллектора (ток коллектора возрастает), и это уменьшение через RC -цепь поступает на вход усилителя и приводит к уменьшению , т.е. к росту потенциала коллектора. Теперь рост потенциала поступает через RC -цепь на базу транзистора, увеличивая потенциал базы и уменьшая потенциал коллектора. Таким образом, на выходе устройства наблюдаются колебания электрической энергии.

АГ с ФСЦ обычно применяют для генерирования гармонических колебаний фиксированной частоты, что связано с трудностью перестройки частоты в широком диапазоне.