rkvgener1-2 (Курсовой проект по РПрдУ)
Описание файла
Файл "rkvgener1-2" внутри архива находится в следующих папках: КУРСАЧ ПО РПрдУ, ЛИТ-ра. Документ из архива "Курсовой проект по РПрдУ", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "схемотехника" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве МАИ. Не смотря на прямую связь этого архива с МАИ, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "курсовые/домашние работы", в предмете "схемотехника аэу" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "rkvgener1-2"
Текст из документа "rkvgener1-2"
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящем пособии даются общие сведения о требованиях, предъявляемых к стабильности частоты автогенераторов, применяемых в радиотехнических устройствах. Приводится описание кварцевых резонаторов (КР), которое затрагивает их электрофизические свойства: характеристики срезов кварца, виды колебаний, возбуждаемые в пьезеэлементе, эквивалентная электрическая схема КР. Ана' лизируются температурно-частотные характеристики КР и зависимость параметров КР от уровня возбуждения. Приводимые таблицы и рисунки позволяют ознакомиться с классификацией и типовыми конструкциями КР. Рассмотрены ряд схем построения транзисторных автогенераторов с КР, нашедших широкое применение 'на практике. Даваемая оценка их технических характеристик позволяет ориентироваться при выборе схемы автогенератора. Приводимые методики расчета для четырех основных схем автогенератора с КР позволяют рассчитать параметры режима работы транзистора, колебательной системы и цепей питания и смещения. Предусмотрены методики расчета как для автогенераторов, работающих на основной частоте КР, так и на его механических гармониках. Для удобства расчета в пособии имеются справочные таблицы. Приводимые методики расчета легли в основу разработанных программ для персональных компьютеров и ЭВМ. Для каждой программы дается краткое описание, позволяющее подготовиться для расчета на ЭВМ. Полные описания имеются в кабинете курсового проектирования кафедры.
Пособие написали: А.К. Ельцов — гл. 1, И.И. Постников — гл. 2, Р.А. Грановская — гл. 3, 4, Е.М. Добычина — гл. 5. Общее редактирование пособия выполнила Р.А. Грановская.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ АВТОГЕНЕРАТОРОВ
В современной радиоаппаратуре широкое применение нашли автогенераторы, которые используют в возбудителях радиопередаю-щих устройств (РПУ) и гетеродинах радиоприемных устройств.
Одним из основных требований, предъявляемых к автогенераторам, обычно является требование стабильности частоты колебаний. высокая стабильность частоты возбудителей РПУ и гетеродинов радиоприемных устройств позволяет уменьшить их полосу пропускания и улучшить помехоустойчивость.
При повышении стабильности частоты радиоаппаратуры можно увеличить число радиоканалов в заданном диапазоне частот. Ряд систем связи принципиально требуют высокой стабильности частоты колебаний на выходе РПУ. К таким системам можно отнести, например, службу единого времени и эталонных частот, синхронные системы вещания, системы связи с однополосной модуляцией, системы радиолокации и т.д. Требования к стабильности частоты некоторых радиосистем приведены в табл. 1.1.
Автогенераторы с объемными кварцевыми резонаторами реализуются на частотах 30...50 МГц на основной частоте и до 150...400 МГц при использовании механических гармоник кварцевых резонаторов [1]. Кварцевая стабилизация позволяет обеспечить долговременную нестабильность частоты от 10-5 до 3-10-11 (суточная). Кратковременная нестабильность кварцевых автогенераторов при временах измерения от 10-3 до 10 с лежит в пределах 10-9 +10-7 до 10-9 ¸10-11 [13].
Таблица 1.1
Нестабильность частоты радиосистем
| Тип радиосистемы | Диапазон частот, ГТц | Допустимые отклонения частоты |
| Радиорелейная связь | 0,1...0,47 0,47...2,45 | 2×10-5 10-4 |
| 2,45...10,5 | 2×10-4 | |
| 10,5...40 | 3×10-4 | |
| Спутниковые системы связи | 6,5 | 4×10-6 ... 3-10-8 |
| Доплеровские РЛС | 10 | 10-6... 10-10 |
| Телевизионные станции | 0,3...0,l | не более 1 к Гц |
| Радиовещательные станции | 0,3...0,l | 2-10-5 |
| Подвижные станции радиосвязи при выходной мощности более 5 Вт менее 5 Вт | 0,3...0,l | 2×10-6 510'° |
| Радионавигационные системы | — | 10-10... 2×10-12 |
| Помехоустойчивые системы радиосвязи | — | 10-11... 10-12 |
2. КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
Пьезоэффект известен с конца прошлого столетия, когда французские ученые братья Пьер и Жак Кюри открыли новое физическое явление — пьезоэлектричество. В 1880 г. они опубликовали статью, в которой описывалось обнаруженное явление — поляризация некоторых диэлектрических кристаллов в результате воздействия на них механического давления. Это явление получило название прямого пьезоэлектрического эффекта.
Французский физик Липман в 1881 г. после ознакомления с работами Кюри, предположил существование обратного пьезоэффекта. В том же гОду братья Кюри подтвердили экспериментально, что под действием приложенного электрического поля в кварцевом кристалле возникают механические деформации. Это явление стало называться обратным пьезоэффектом.
Начало практического использования пьезоэлектричества совпадает по времени с развитием ламповой радиоэлектроники и связанной с ней электроакустики. В это время французский математик и физик Поль Ланжевен (ученик П.Кюри) предложил использовать в качестве излучателя и приемника ультразвука кварцевые пластины, возбуждаемые ламповым генератором. П. Ланжевеном впервые было осуществлено возбуждение пьезоэлектрика переменным электрическим полем и, что особенно важно, в режиме резонансных механических колебаний. Им была оценена эффективность резонансного возбуждения, установлена высокая добротность колебаний кварцевых пластин. Результаты работы П. Ланжевена послужили основой для дальнейших, более подробных исследований в разных странах.
В 1920 г. профессор Вейслейского университета (США) У.Кэди изобрел кварцевый резонатор [1], показав возможности использования его как стабилизатора частоты ламповых генераторов. У.Кэди использовал кварцевую пластину Х-среза, помещенную между двумя, металлическими пластинами. В ней возбуждались механические колебания в направлении длины, что определяло относительно низкую частоту колебаний резонатора. При включении такого резонатора между выходом и входом лампового усилителя возникала цепь положительной обратной связи и в результате возбуждение на частоте собственных колебаний резонатора.' У.Кэди были предложены четырехполюсный резонатор и схема генератора с таким резонатором.
В 1923 г. Г.Пирс (США) предложил новую схему кварцевого генератора, в которой возбуждались продольные колебания кварцевых пластин по толщине, что повысило частоты кварцевых генераторов. В конце 20-х годов начали использовать резонаторы У-среза, в которых возбуждались колебания сдвига по толщине, работавшие более устойчиво, чем резонаторы с пластинами Х-среза. В 20-х годах учеными разных стран была предложена эквивалентная электрическая схема резонатора, что позволило разработать основы теории кварцевого генератора.
В нашей стране в 1927 г. в Ленинграде состоялась первая Всесоюзная конференция по пьезоэлектрическим колебаниячм и использованию их для стабилизации частоты [2].
2.1. Срезы кварца и их основные характеристики
Кристаллический кварц Si02 (кремнезем) — безводная двуокись кремния — самое распространенное на земле соединение. В нем со
четаются высокая механическая прочность, химическая стойкость и ярко выраженные пьезоэлектрические свойства
Форма кристалла кварца образована гранями пяти видов (рис. 2.1). Этих граней в кристалле кварца шесть: т — грани, или призматические (грани гек-сагональной призмы); R — грани, или грани большого ромбоэдра; r — грани, или грани малого ромбоэдра. Три треугольные грани R и три грани r на концах кристалла образуют шестигранный конус. Кроме того, имеются еще грани тригональной бипирамиды s и триго-нального трапецоэдра х.
При рассмотрении пьезоэлектрических явлений в кварце пользуются прямоугольной системой координат с обозначениями осей X, Y, Z. Хотя эти оси сдвинуты на определенные углы к истинным
кристаллографическим осям кварца, их обычно называют кристаллографическими осями. Ось Z («оптическая» ось) совпадает с осью симметрии высшего порядка кварца (третьего) и с продольной осью кристалла. В этом направлении пьезоэффект не проявляется, электропроводимость выше, чем в перпендикулярном направлении, отсутствует двойное преломление светового луча. Ось Y (механическая ось) проходит в направлении, перпендикулярном любой грани призмы. Осей Y в кристалле кварца три (см. рис. 2.1). Ось Х (электрическая ось) направлена перпендикулярно оси Y и, следовательно, проходит параллельно какой-либо из граней призмы. Три электрические оси Х расположены в плоскости, перпендикулярной оптической оси, под углом 120°
друг к Другу- Каждая из механических осей Y перпендикулярна оптической оси и одной из электрических осей (см. рис. 2.1). По оси Х механические силы вызывают наиболее интенсивное появление электрических зарядов на ребрах призмы, т.е. в направлении этой оси кристалл кварца обладает наибольшими пьезоэлектрическими свойствами. Электрическое напряжение, приложенное вдоль оси X, вызывает механическое напряжение вдоль оси Y.
Для изготовления кварцевых резонаторов (КР) кристаллические элементы (пластины, бруски и т.п.) вырезаются из кристалла кварца под различными углами относительно кристаллографических осей. Такая ориентация, кристаллографического элемента называется срезом. Существует понятие первоначальной ориентации, когда все грани пье-зоэлемента параллельны кристаллографическим осям. Условное обозначение первоначальной ориентации пьезоэлемента (ПЭ) состоит из двухбукв: первая (х, у или z) указывает, какой из осей параллельна толщина пьезоэлемента, вторая — какой из осей параллельна его длина. За толщину принимается наименьший размер, а за длину — наибольший. На рис. 2.2 приведены все шесть возможных первоначальных ориентаций, кристаллических элементов, имеющих форму прямоугольных пластин, где l — наибольшее (длина), b — среднее (ширина) и s — наименьшее (толщина) ребро кристаллического элемента. Упомянутые ранее Х и Y срезы на рис. 2.2 имеют соответственно обозначения ху и ух.
Последовательно поворачивая вокруг ребер ПЭ на различные углы, можно получить различные ориентации или так называемые «косые» срезы. Условное обозначение кристаллического элемента любого среза, грани которого образуют углы с кристаллографическими осями, составляется из обозначения первоначальной ориентации, к которому добавляется одна, две или три буквы (l,b,s). Первая буква указывает, какое направление вдоль длины, ширины или толщины имеет то ребро кристаллического элемента, которое служит осью первого его поворота из положения первоначальной ориентации. Последующие буквы, если они имеются, показывают, вокруг каких ребер кристаллического элемента производятся остальные повороты. Углы первого, второго и третьего поворотов пьезоэлемента вокруг этих осей обозначаются соответственно буквами a, b и g, проставляемыми через косые линии. Числа, проставляемые вместо этих букв, показывают величину углов поворота. Угол поворота считают положительным, если он будет происходить против часовой стрелки. На рис. 2.3, в качестве примера, показаны ориентации ПЭ одноповоротного (а) среза ух1/b° (ВТ, ДТ) и двухповоротного (б) среза ухbl/-g /+b° (ИТ). Срез БТ получен путем поворота ПЭ вокруг оси Х по часовой стрелке на угол Р= 47°... 50°, а срез ИТ при фиксированных значениях угла у = 19° 06¢, 13°54', 23° 25' имеет переменные значения угла b= 33...35° [3].
