Дослідження кварцового RC-генератора

Лабораторна робота № 10

Дослідження кварцового RC-генератора

1 Мета роботи:

Вивчення принципу роботи, параметрів, умови самозбудження кварцового RС-генератора гармонійних коливань та їх схемна реалізація.

2 Перелік приладів та устаткування, які застосовуються під час заняття:

Лабораторний стенд.

Осцилограф.

Частотомір.

3 Загальні відомості:

Автогенератори гармонійних коливань (АГК) перетворюють енергію джерел електроживлення в енергію незатухаючих синусоїдальних коливань на виході. Вони містять активний елемент (АЕ) і частотно-виборчий чотириполюсник (ЧВЧ). В якості активних елементів в АГК широко використовуються транзистори та операційні підсилювачі, а в якості ЧВЧ в області низьких частот RС-чотириполюсники.

Для стабілізації частоти генерації, а також для точного налагодження необхідної частоти застосовують електромеханічні перетворювачі з п’єзоелектричного кварцу, які володіють високими частотно-стабілізуючими властивостями. Основою кварцового перетворювача є пластина, вирізана з кристалічного кварцу певним чином. Для створення можливості включення кварцової пластини в якості елементу генераторного ланцюга дві протилежні грані цієї пластини металізуються. Потім пластину закріплюють у кварцотримачі, два виводи якого контактують з металізованими гранями пластини.

Якщо до виводів кварцотримача з кварцовою пластиною прикласти перемінну напругу, то завдяки зворотному п’єзоефекту пластина починає вібрувати з частотою прикладеної напруги та одночасно внаслідок прямого п’єзоефекту через кварцову пластину протікає перемінний струм тієї ж частоти; струм через виводи кварцотримача надходить у генераторний ланцюг. Закон зміни цього струму такий же, як і у випадку, якби замість кварцової пластини між виводами кварцотримача був би включений послідовний резонансний контур надзвичайно високої добротності. Завдяки цій властивості частота коливань кварцового генератора утримується в дуже малій околиці резонансної частоти кварцу. Найчастіше встановлюється такий режим роботи, при якому частота генерації незначно перевищує резонансну частоту кварцу.

Принципова схема кварцового генератора показана на рисунку 1.

Завдяки резисторові R1 напруга зсуву на затворі дорівнює нулю (у випадку біполярного транзистора під таким же зсувом знаходилася база). Конденсатор С1 і резистор R2 утворюють звичайний ланцюг стабілізації режиму по ланцюзі джерела (або емітера при використанні біполярного транзистора). Коливальний контур у ланцюзі стоку (або колектор біполярного транзистора) складений з конденсатора перемінної ємності С2 і котушки індуктивності L1. Для струму на частоті генерації конденсатор С3 шунтує джерело електроживлення. Котушки індуктивності L1 і L2 утворять вихідний трансформатор.

Рисунок 1 – Принципова електрична схема кварцового генератора

На рисунку 2 зображена спрощена залежність модуля імпедансу кварцу від частоти. Зворотний зв’язок в цій схемі виникає завдяки паразитній ємності стік-джерело. Оскільки ця ємність пов’язана з вихідним коливальним контуром, через неї протікає високочастотний струм, що створює на кварці спадання напруги. Тому що поблизу резонансу імпеданс кварцу малий у порівнянні з імпедансом цієї ємності, то такий струм має ємнісну природу і випереджає напругу приблизно на 90°. Якщо при цьому кварц на частоті генерації має індуктивний імпеданс, то спадання напруги на кварці в свою чергу випереджає струм приблизно на 90°, в результаті при невеликому індуктивному розлагодженні вихідного контуру виконується умова балансу фаз та при достатнім підсиленні виникає генерування коливань. Найбільша стабільність кварцового генератора виходить, коли резонансна частота вихідного контуру знаходиться між точками а та б (рисунок 2), де кварц має індуктивний імпеданс. Якщо частота генерації знаходиться поблизу частоти резонансу кварцу f_Р, та випадкова зміна температури може змістити робочу точку нижче цієї частоти та імпеданс кварцу стане ємнісним. При цьому порушиться умова балансу фаз і генерування зірветься.

Рисунок 2 – Залежність імпедансу кварцу від частоти

Кварцові генератори дозволяють одержати відносну нестабільність частоти порядку 10^-4.

Для дослідження кварцового генератора застосовується схема приведена на рисунку 3. В генераторі застосовується кварцова стабілізація. Частота генерації генератора складає 252,1 кГц. ККД кварцового генератора складає 66%.

Рисунок 3 - Принципова схема дослідженого кварцового генератора

В схемі на рисунку 3 кварцовий резонатор включений у ланцюг зворотного зв’язку. Резонатор в таких генераторах збуджується на частоті, близької до частоти послідовного резонансу. Схема з кварцовим резонатором в ланцюзі зворотного зв’язку менш критична до значення динамічного опору резонатора; в них можна застосовувати резонатори з великим R_К у порівнянні з трьохкрапковими схемами. При тій же потужності, що розсіюється на кварцовому резонаторі, ці схеми дозволяють одержати більший рівень напруги на навантаженні КГ. Однак стабільність частоти КГ, виконаного за схемою з кварцовим резонатором в ланцюзі зворотного зв’язку, нижче стабільності при використанні трьохкрапкових схем.

Підготовка до роботи.

6.1.1 Вивчити призначення кварцового генератора, принцип його роботи за схемою (рисунок 3).

Таблиця 1 - Залежність вихідної напруги від живлення генератора

-ЕК2, В

UВИХ, В

Таблиця 2 - Залежність частоти генератора від живлення генератора

-ЕК2, В

FГ, кГц

Мета заняття.

Результати вимірювань.

Графіки залежності.

Висновок.

Завдання до лабораторної роботи виконав(ла)

______________________________________________________ 200 ___ року

_________________

(Підпис студента)

Лабораторна робота № 10

Дослідження кварцового RC-генератора

1 Мета роботи: