Дегтярь Г.А. Устройства генерирования и формирования сигналов (2003) (1095864), страница 87
Текст из файла (страница 87)
АГ с кварцевыми резонаторами в качестве элементов колебательной системыносят название кварцевых автогенераторов (КАГ). Применение кварцевых резонаторов вАГ позволяет относительно легко обеспечить относительную нестабильность частоты ав355токолебаний порядка ±1·10-5, а при использовании некоторых дополнительных мер,например, термостатирования, нестабильность частоты может быть доведена до величины±1·10-7 и даже до ±1·10-8 и выше.В современных радиопередающих устройствах КАГ находят очень широкое применение, особенно в тех случаях, когда к стабильности частоты генерируемых колебанийпредъявляются весьма жёсткие требования.КАГ могут быть построены как на электронных лампах, так и на транзисторах.
Приэтом ламповые АГ можно считать более стабильными, чем транзисторные, так как транзисторы имеют более низкую температурную и режимную стабильность, а также значительный разброс параметров. Однако практически часто транзисторные АГ по стабильности частоты не уступают ламповым, а по другим показателям значительно превосходят их.К таким показателям относятся, например, габариты, надёжность и долговечность, устойчивость к ускорениям и ударо-вибрационным нагрузкам.3Основное дестабилизирующее влияние на частоту КАГ оказывает изменение температуры окружающей среды.
Поэтому все достаточно высокостабильные КАГ термостатируются.В зависимости от величины нестабильности частоты КАГ можно разделить на тривида.1. КАГ общего применения с нестабильностью частоты ±10-4…10-5. Такие КАГ нетермостатируются и нестабильность их частоты во многом зависит от изменения внешнейтемпературы. Точность установки рабочей частоты у таких КАГ обычно не превышает±5·10-6.2. Опорные КАГ с нестабильностью частоты ±10-6…10-7. При этом обязательно применяется термостатирование, причём точность поддержания температуры в термостате нехуже ±0,50С.
В таких КАГ используются специальные, тщательно проверенные схемы ввесьма облегчённом режиме работы. Точность установки частоты должна быть весьма высока, поэтому используются кварцевые пластины достаточно больших размеров. Частотаопорных КАГ обычно не превышает 5 МГц.КАГ первого и второго видов широко применяются в радиопередающих устройствах.3. Эталонные КАГ с нестабильностью частоты ±10-8…10-9.
Такие КАГ используютсятолько в специальных радиопередающих устройствах и измерительной аппаратуре в качестве первичного эталона частоты.Основным требованием к КАГ является стабильность частоты автоколебаний. Поэтому колебательная мощность КАГ обычно невелика и не превышает 20…30 мВт. Прималой мощности КАГ не только уменьшается разогрев элементов колебательной системы,но и упрощается и облегчается его термостатирование. Если требования к стабильностичастоты автоколебаний не очень высокие, то колебательная мощность КАГ может бытьдоведена до 300…500 мВт.
При больших уровнях мощности кварцевая пластина не выдерживает механических деформаций и разрушается.Эквивалентная схема и параметры кварцевого резонатораКварц (двуокись кремния SiO2) встречается в природном состоянии в виде кристаллов горного хрусталя, но в связи с обеднением естественных месторождений в настоящеевремя в радиотехнике используются изделия из искусственного выращенных кристаллов.Природные или искусственные кристаллы кварца имеют форму шестигранной призмы,ограниченной сверху и снизу шестигранными пирамидами (рис.22.3). Прямая, соединяющая вершины пирамид, называется оптической осью (ZZ / ).
Поворот кристалла кварца вокруг этой оси на любой угол не оказывает никакого влияния на распространение света3Сказанное выше относится как к кварцевым, так и к бескварцевым АГ.356вдоль неё. На поперечном сечении шестигранной призмы кристалла выделяют три парывзаимно-перпендикулярных осей: электрических (ХХ / ) и механических (YY / ). Из кристалла кварца вырезают пластины в виде паZраллелепипедов, линз или продолговатыхбрусков, ориентированных определённым образом относительно его осей.YXXПротивоположные грани пластины металлизируют, нанося тонкий слой (до 10-4YYмм) алюминия, серебра или золота. К ме/таллизации присоединяют электрическиеXXконтакты из специальных пружинY/Y/кварцедержате-лей.
Иногда с цельюуменьшения потерь оставляют неболь/X//Xшой зазор между держателями и гранямиYпластины. Для предохранения всей конструкции от внешних воздействий её помещают в пластмассовый, стеклянныйZ/или металлический баллон. Внутри балРис.22.3лона нередко создаётся вакуум, что позволяет резко снизить потери, обусловленные трением о воздух. Возможно заполнениебаллона водородом, что облегчает отвод тепла от пластины. Конструктивная совокупность из кварцевой пластины, кварцедержателей и баллона получила название кварцевогорезонатора (КвР).Кварц относится к числу кристаллов, обладающих свойствами прямого и обратногопьезоэлектрического эффекта.
Если сжать пластину кварца вдоль механической или электрической оси, то на перпендикулярной паре граней возникнут заряды противоположногознака (прямой пьезоэффект). Если же к параллельной паре граней приложить электрическое напряжение, то вдоль перпендикулярных осей возникнет механическая деформацияпластины (обратный пьезоэффект). Помещённая в электрическое поле высокой частоты,кварцевая пластина испытывает периодические механические деформации благодаря явлению обратного пьезоэффекта, что в свою очередь вызывает появление электрическихзарядов на её гранях благодаря явлению прямого пьезоэффекта. Таким образом, пластинакварца претерпевает периодические механические деформации, обусловливающие периодические изменения зарядов на её гранях и, как следствие, протекание через пластину тока смещения.
Как всякий упругий механический элемент, кварцевая пластина имеет однуили несколько резонансных частот, интенсивность колебаний на которых наибольшая. Резонансная длина волны (частота) определяется тем линейным размером, вдоль которогоукладывается одна полуволна механического колебания. Помимо основной собственнойчастоты (одной полуволны) в упругом теле пластины возможно возникновение колебанийвысших типов (обертонов), частоты которых кратны основной, то есть вдоль линейногоразмера укладывается несколько стоячих полуволн.
Использование одной из таких гармоник нередко является единственной возможностью получения высокостабильных электрических колебаний на частотах в сотни мегагерц. При конструировании КвР, предназначенного для работы на высшей гармонике (так называемого гармоникового кварца),принимаются все меры, позволяющие повысить уровень именно этого колебания. Гармониковые кварцы позволяют стабилизировать частоты АГ вплоть до 200 МГц. Посколькукварцевая пластина представляет собою трёхмерное тело, то принципиально возможновозникновение множества других деформаций, которые не являются основными.
Соответствующие им частоты называются паразитными. Поэтому при изготовлении КвР стремятся так подобрать форму пластины, способ её крепления и вид деформации, чтобы максимально ослабить паразитные колебания. КвР, у которых основная и паразитная частотыколебаний близки, носят название многоволнистых. Свойством пьезоэффекта обладают357кристаллы более 100 веществ, но наиболее стабильны параметры у кварца, чем и объясняется его широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре.Наименьшие размеры кварцевой пластины, которые могут быть получены в производственных условиях, соответствуют основной частоте 15 – 20 МГц. Толщина пластиныпри этом не превышает 0,1 мм.Если собрать электрическую цепь, представленную на рис.22.4, включающую в себяисточник высокочастотного сигнала Е(ω), частота которого может изменяться, КвР, амперметр A и вольтметр U для измерения тока через КвР и напряжения на нём, и пронаблюдать изменение тока и напряжения от частоты и фазовый сдвиг между током и напряжением, то оказывается, что КвР в соответствие может быть поставлена эквивалентнаяэлектрическая схема рис.22.5.АLКRИСТКвРЕ(ω) ~URС0СКrКРис.22.4Рис.22.5Параметры эквивалентной электрической схемы КвР (рис.22.5): LК – динамическаяиндуктивность кварцевой пластины (обычно говорят: динамическая индуктивность кварца, характеризующая инерционные свойства пластины); СК – динамическая ёмкость кварцевой пластины (динамическая ёмкость кварца, характеризующая упругие свойства пластины); rК – динамическое сопротивление кварцевой пластины (сопротивление потерькварца, характеризующее потери энергии на внутреннее трение в пластине и образованиеультразвуковых волн в окружающем пространстве); С0 – статическая ёмкость КвР, то естьёмкость конденсатора с диэлектриком кварцем.
Определяется только углом среза, формойи размерами кварцевой пластины. При подключении КвР к схеме в состав С0 также будутвходить межэлектродная и монтажная ёмкости. Сопротивление R обусловлено активнойпроводимостью кварца и кварцедержателя, включая проводимость крепления в баллоне. Всхеме добавляется проводимость, обусловливаемая утечкой тока между электродами прибора, к которому подключается КвР. При хорошей конструкции кварцедержателя сопротивление R велико и его обычно не учитывают.Динамические параметры КвР (кварца) обусловлены явлением пьезоэффекта, поэтому ветвь из LК, СК, rК носит название пьезоэлектрической ветви. Значения LК обычно впределах от десятых долей до единиц генри, а значения СК в пределах от сотых до десятых долей пикофарад.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
