Герасимов В.Г. (ред). - Электрические измерения и основы электроники (1998) (529641), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Параметрическая стабилизация частоты позволяет снизить нестабильность до 10 5. Для уменьшения воздействия внешних электромагнитных полей авто- генераторы обычно полностью экранируют. Применение стабилизаторов напряжения исключает влияние на частоту колебаний питающего напряжения. Кварцевси стабилизация частоты заключается в применении кварцевых резонаторов, что дает очень низкую нестабильность частоты, обычно порядка 10 Я. Кварцевый резонатор представляет собой тонкую пластину прямоугольной либо круглой формы, вырезанную определенным образом из кристалла кварца, установленную в кварцедержателе.
Как известно, кварц обладает пьезоэффектом. При сжатии кварцевой пластины на противоположных ее гранях появляются разноименные электрические заряды, при растяжении пластины знаки зарядов на тех же гранях изменяются на обратные (прямой пьезоэффект), При воздействии на кварцевую пластину переменного электрического поля в ней возникают механические упругие колебания (обратный пьезоэффект), приводящие, в свою очеРедь, к появлению электрических зарядов на ее гранях. Таким образом, "дастина кварца представляет собой электромеханическую систему, облада~ощую резонансными свойствами. В зависимости от геометрических Размеров и ориентации среза резонансные свойства (резонансная частота 4 ) каждой пластины строго фиксированы и лежат в пределах от несколь- ~"х единиц килогерц до 1000 МГц.
187 х СО а) б) Рнс 4 7 Эквивалентная схема кварцевого резонатора (а), характер измснетыя сопротивления кварцевого резонатора в зависимости ст частоты (б) Кварцевый резонатор эквивалентен электрическому колебательному контуру Эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена иа рис, 4 7,а Как видно, кварц эквивалентен последовательно включенным элементам Ь„,, С„, и В~, а в такой цепи может быть резонанс напряжения с частотой аз„=1/Й„,С„,. Индуктивность кварца Л„„может быть значительной — от десятков микрогенри до нескольких миллигенри.
Емкость кварца С„, мала (сотые доли пикофарад ), Кварцевый резонатор обладает острым резонансом, что свидетельствует о небольшом сопротивлении Л порядка единиц ом. Поэтому добротность кварца достигает 10~ — 106, т е она на два-трн порядка больше добротности контуров, выполненных на дискретных элементах — индуктивной катушке и конденсаторе. Так как кристалл кварца помещают в кварцедержатель, который обладает емкостью С, равной нескольким десяткам пикофарад, то в кварцевом резонаторе наблюдается н резонанс токов с частотой оз На частотах ниже аз„и выше гат эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора носит емкостной характер (см.рис.4.7,6), а на частотах выше в„н ниже в, — индуктивный характер. Частотные свойства кварцевого резонатора обусловливают его различное включение в автогенератор Кварцевый резонатор можно включать в цепь положительной обратной связи как последовательный (колебательный) контур (рис.4 8,а), как индуктивный или емкостный элементы ветви колебательного контура.
Температурная нестабильность кварцевого резонатора очень мала — У некоторых кристаллов она имеет значение 10 ". На рис 4 8,6 изображена схема автогенератора ВС-типа на ОУ с мостом Вина, в котором вместо одного из резисторов включен кварцевыя резонатор КВ, работающий в режиме резонанса напряжений. 188 а) Рис 4 8 Автогенератор с кварцевой стабилизацией а — включение кварцевого резонатора как последовательного колебательного контура, 6 — включение кварцевого резонатора в режиме резонанса напряжения В этом автогенераторе для выполнения баланса амплитуд необходимо строго выдерживать коэффициент усиления К~,,= 3. Для этого вводится цепь нелинейной отрицательной обратной связи — диод Л), Вз,С1, А4, В5, ГТ, в которой полевой транзистор РТ используется как элемент с переменным сопротивлением промежутка сток — исток А ° . Это сопротивление возрастает.
если напряжение затвора Г~,„становится более отрицательным Как видно из схемы, коэффициент усиления К~„с= =1+ УГ,/А ~~ЯП4 с Увеличением Лси УменьшаетсЯ н наобоРот. ОтРицательное напряжение ~У формируется выходным напряжением генератора после его выпрямления диодом Л) и сглаживанием фильтром ЛзС, и Резнстивным дслитслсм 1~4~5 Такой автогенератор является эталонным генератором и применяется в прецизионных измерительных системах. Кварцевую стабилизацию частоты обычно применяют в автогенератоРах, работающих на фиксированных частотах (низкой и высокой), что является ее недостатком. Рассмотренные кварцевые автогенераторы являются простейшими ~овременный кварцевый автогенератор с высокой стабильностью частоты представляет собой довольно сложное устройство, содержащее стабилизаторы напряжения питания, а также такие элементы параметрической стабилизации, как амортизаторы и влагозащитные устройства.
Задача 4.5, Определить абсолютную нестабильность частоты коле баний Л1'в автогенераторе (см.рис.4.3), если температура в автогене. раторе увеличилась с 20 С до 40 С, индуктивность катушки контура Е =100 мкГн, емкость конденсатора С„=100 пФ, температурный ко эффициент индуктивности ТКЕ = 60 10 6 1!0С, температурный коэф фициент емкости ТКС= 40.10 6 1/'С Решение: Определяем ф по формуле (4 7) - 1~М.+ ЛС ~ 0 2 С С Рассчитываем ~, Л и Л 0'Е С к К 1 2яй С 2я — 1,59 106 Гц=1,59 МГц. — =Л1 ТК1.= 200.60-10 6 = 1200 10 6 1., — =Л( ТХС= 20~.40 10 6 = 800!О 6 С'„ Л7 = 1/2 1,59 106 (1200.10 6 + 800 10 ~) = 1590 Гц.
4.5. ИМПУЛЪСНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ Подобно генераторам синусоидальных колебаний импульсные генераторы работают в режиме самовозбуждения. Это означает, что в состав такого устройства входит широкополосный по частоте усилитель и звено положительной обратной связи, куда входит элемент, накапливающий энергию от источника питания. Такими элементами, как известно, являются конденсаторы и индуктивные катушки (чаШе применяются конденсаторы) Широкополосность усилителя является характерным признаком всех импульсных генераторов, так как условие самовозбуждения Х11 > 1 для получения, например, прямоугольных импульсов, должно выполняться в широком спектре частот гармонических колебаний, из которых состоят эти импульсы Мультивибраторы Для получения прямоугольных импульсов широко применяют мультивибраторы Мультивибраторы выпускаются в виде интегральных микросхем и часто выполняются на ОУ, в отдельных случаях — на дискретных элементах.
транзисторах, резисторах и конденсаторах. 190 и + Увых.макс ЙЦ+ вых.макс о ос вых Р(~вых.мак выхзиакс а) Рис 49 Схема (а) и временные диаграммы (б) мультивибратора на опт~ рационном усилителе Любой мультивибратор, как импульсный генератор, состоит из усилителя и ХС-цепей. Мультивибраторы могут работать в режиме автоколебаний и в ждущем режиме.
В мультивибраторе, работающем в режиме авпгоколебаний на выходе непрерывно возникают импульсы прямоугольной формы Уждущего мультивибратора прямоугольный импульс на выходе появляется только тогда, когда на вход подается запускающий импульс. На рис. 4.9,а представлена схема мультивибратора на ОУ„работающего в режиме автоколебаний. Рассматриваемый мультивибратор является симметричным, т.е. длительности импульса ~„и паузы ~„равны (см.рис.4.9,б). Основной частью его является операционный усилитель с положительной обратной связью (Х1, Х,), называемый триггером Шмитта. Поэтому на выходе мультивибратора напряжение может быть равно (/+ „„„, либо У „,„„,. Пусть выходное напряжение мультивнбратора равно ,, Оно подается, с одной стороны, на Х~С-цепь (цепь отрицательной обРатной свЯзи), а с дРУгой — на Хо сХ1-цепь (цепь положительной обратной связи).
Конденсатор С начинает заряжаться от напряжения Г+ „„„, через резистор Х2. При этом напряжение на конденсаторе иС, а оно является напряжением на инвертирующем входе, непрерывно сравнивается с напряжением на неинвертирующем входе, которое равно ~3У+„„ы „„где р = А~/(Х1+Я „.). Как только напряжение на конденсаторе С достигает значения ~)Г+вых „ак„выходное напряжение мультивибратора скачком изменяется до У„,„„,„,. С этого момента времени конденсатор С перезаряжается через резистор Х, а напряжение на конденсаторе стремится к У,„,.
Но когда напряжение на нем станет равным 1)С~ 191 выходное напряжение мультивибратора скачком изменит знак и процессы начнут повторяться вновь. Для определения длительности импульса ~„следует рассмотреть зарядку конденсатора С от источника, которым является напряжение У . Как известно из электротехники, процесс зарядки конденвых макс' сатора описывается дифференциальным уравнением д С ~~с + (У -Е С сне Решением этого уравнения является выражение исИ=Е-1Е- (/о(0)~ е '', (4.9) где т =КС.
Если процесс зарядки конденсатора начинается в момент времени ~ и заканчивается в момент времени 1з(см.рис. 4.9,б), то для данной схемы предыдущее решение запишется так: + — пт 4.9' ~С (~) вых макс ~~' вых макс 0 вых макс1 с ( ') где т =Р2С. Положив в выражении (4.9') Бс(1„)=ф (у+вы„„~„, и далее прологарифмировав его, находим — т 1и Р (/ вых макс Р вых макс + + / (4.1 О) и вых макс !3 Г вых макс Если Ь вых макс (~ вых макс, то (4.10 ' ) 1„=т !п(1+М!И~,) .
При !, =~и мультивибратор называют симметричным. В таком мультивибраторе (4.11) 192 2т !и (1+Ж~~о с) где Т=~и + 1„, На рис 4.10 изображена схема несимметричного мультивибратора, у которого ~и ~ ~ . Это неравенство обеспечивается разными постоянными времени т АС-цепей мультивибратора для ~ и ~„. Из рис.4.10 видно, что разные постоянные времени получаются за счет включения двух параллельных ветвей, состоящих из резисторов и диодов ( Я ', И) ! и А ", Г02). В таком мультивибраторе ток появляется в ветви Л' 1'Р!, когда выходное напряжение имеет значение Ь+,ы„„акс, и в ветви К "ГХЗ~, — когда выходное напряжение равно у учетом этого, а также (4.10), можно записать: ~„=(Я'+Я )С!и (1+2К1~Ко с); ~и = (К "+ЩС 1и (1+21~1Ио с) (4.12) Длительность фронтов генерируемых импульсов зависит от типа ОУ и составляет обычно не более 0,5 мкс.
Схема мультивибратора на ОУ, работающего в мсдущем релсиме (одковибратора1, изображена на рис.4.11,а. С приходом запускающего импульса иах(см.рис.4.11,б) мультивнбратор переходит в неустойчивое состояние, которое может продолжаться некоторое время ~~, определенное времязадающей Л 'зС-цепью, после чего устройство возвращается в исходное устойчивое состояние.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
