Импульсные устройства на микросхемах (944139), страница 27
Текст из файла (страница 27)
6.!. Условное графическое изображение и эквивалентная схема кварцевого резонатора Таблица 6.1 Кварневые резонаторы Параметр 2ОО «Гн (основнаа частота) 2 Мгн (оснавиан частота) 3) Мгн (треть» гармоника) 100 0,52 0,012 4 54 10' 2000 27 0,024 9 16 10' 20 0,011 0,0026 6 10в й), Ом 01, Гн С1, пФ Со, пФ () Параметры конкретных типов кварцевых резонаторов указывают в паспорте. Измеряют параметры с помощью специальной аппаратуры. Частотная характеристика кварцевого резонатора представлена на рис. 6.2,а. Для наглядности она показана не в масштабе.
В действительности частотный интервал между характерными точками мал, а ветви кривых имеют большую крутизну. Кварцевому резонатору свойственны две резонансные частоты, при которых обеспечивается равенство абсолютных зиаченвй реактивного сопротивления, т. е. полное сопротивление имеет активный характер. Первая— частота последовательного резонанса: 1 1а 2яУ).!С! (6.1) вторая — частота параллельного резонанса: 1» 1 1 .Г С! С!С, 2н)(С!С) ~г С, ' йн 1.! С!+С (6.2) 126 стемы вблизи частоты резонатора (,)=2н!а).!)')(! = 1)г(2п!аС1К!) достигает десятнов и сотен тысяч, что недостижимо для обычного электрического колебательного контура.
Строго говоря, истинную частоту последовательного резонанса, на которой сопротивление резонатора активно, отображает точна 1, (рис. 6.2, 6). Ее положение немного отличается от расчетной частоты 1а, так как формула 6.! не учитывает влияние емкости Со (рис. 6.!). Однако, поскольку Со~С!, различие между 1, и 1, очень мало и можно считать, что 1, 1,. Интервал частот ЛЬ 1а-Ь называют резонансным промежутком. В резонансном промежутке реактивное сопротивление резонатора положительно, т. е.
имеет индуктивный характер (рис. 6.2, и). Емкостное отношение С!/Са определяет протяженность резонансного промежутка. Чем оно меньше, тем ближе между собой частоты при последовательном и параллельном резонансах. Поскольку С!/Со» 1, резонатор удобнее харантеризовать обратной величиной с=Со!С1, называемой емкостным коэффициентом. Кварцевая пластинка на держателях нзн тело с несколькими степенями свободм может совершать механические колебания разных видов, каждому иэ которых свойственны собственные резонансные частоты. Это означает, что реальный нварцевый резонатор может возбуждаться не только на основной частоте, но и на гармониках, а также на побочных нежелательных резонансах (рис.
6.3). Максимальную добротность резонатор имсет на основной, номинальной частоте. Колебания на нежелательных частотах могут возникать при неправильной настройке генератора, а также при перегрузке резонатора. Возбуждение на гармониках (третьей и пятой) используют для генерации колебаний на частоте 20 МГц и выше в связи с тем, что с уменьшением толщины нварцевой пластины уменьшается н ее прочность, что усугубляет хрупкость кварца.
Так как механические колебания резонатора имеют сложный характер, их гармоники лишь приблизительно кратны основной частоте колебаний. Нежелательные резонансы могут оказаться причиной непредсказуемых явлений в работе кварцевого генератора в виде возбуждения не на номинальной частоте, произвольного перескока на другую частоту, биенвй частот из-за одновременной генерации нескольких колебаний.
! 1( Р Рис. 6.3. Частотная характеристика кварпевого резонатора: 1 — основная резонансна» частота; à — третья механнческаа гармоника; 3 — пятая механическая гармоника, 4 — нежелательные резонансы 127 ных условиях в гевератор последовательно или параллельно ре- В реальных ус эонатору подк ру подключают конденсатор небольшой емкости с целью подстройки частоты н обеспечения благоприятных условий работы.
На рис. 6,4, а — э показаны эквивалентные схемы резонатора — в ненагружеином (свободном) состоянии н с нагрузочным конденсатором Сь (от англ. 1оаб — нагрузка). Рядом показаны зависимости их сопротивлении от частоты. Каи следует из графиков, емкастная нагрузка Сь вызывает смещение одной из резонансных частот. Конденсатор, включенный последовательно с резонатором, повышает частоту последовательного резонанса (рис. 6.4, б), а параллельно — понижает частоту параллельного резонанса (рнс. 6.4, э). Прн определенном значении нагрузочной емкости эти частоты идентичны и определяются уравнением — =2п .
/ СНС,+С.) 1ь С 1+ Со+ Сь (6.3) Чем. болыпе параллельная иагрузочная емкость, тем ближе частота параллельного резонанса к частоте последовательного рь При некоторой сУммаРной емкости Сь +Со=ЯС!У2 обе частоты совпадУт. Дальнейшее Увеличение емкости Сь ведет к утрате резонаторам резонансных свойств. ту а Рис. 6.4. Влияние емкостной нагрузки иа частотную характеристику кварцевого резонатора: а — ненагруженныз резонатор, и — нагрузка включена наслелавагелыго; а — на. гоузка включена аврал. зелено сг' и 128 Легко сосчитать, что для типового резонатора на 200 кГц (см.
табл.6.1) нагрузочная емкость Сь не должна превышать 200 пФ, Реально она должна быть гораздо пеньше из-за возможного срыва колебаний вследствие снижения активности резонатора. В то же время нагрузочная емкость Сь не должна быть очень малой, чтобы ослабить влияние емкости монтажа н усилителя генератора на частоту колебаний и ее стабильность. Рекомендо.
ванные значения емкости нагрузки — 20, 30, 50 и 100 пф, из них ЗО пф— предпочтительная. При последовательном включении емкости нагрузки Сь частота последовательного резонанса, как уже отмечалось, приближается к частоте па. раллельного резонанса, причем чем меньше емкость, тем уже резонансный интервал. Следует упомянуть также о некоторых других параметрах, связанных с практическим использованием кварцевых резонаторов. Уровень возбуждения характеризует мощность, которую рассеивает резонатор при его работе в конкретном генераторе. Качество генератора существенно зависит от этого параметра. Избыточное возбуждение может вызвать уход частоты вследствие нагревания резонатора и появления механических перенапряжений.
При недостаточном уровне возбуждения происходят сбои в работе генератора и затрудвяется его запуск, так как начальное возбуждение требует ббльшей мощности, чем поддержание колебаний. В случае последовательного резонанса примерный уровень возбуждения можно определить, исходя из динамического сопротивления резонатора (см.
табл. 6.1). Обычные значения уровня возбуждения — от нескольких микроватт до единиц милливатт. Среднее значение 0,5 мВт. Активное динамическое сопротивление резонатора с нагрузочным кон. денсатором Сь прн резонансе на частоте 1ь больше, чем у ненагруженного, и связано с ним зависимостью Вь= И (1+Со/Сь) '. (О.ч) где К1 — активное сопротивление ненагруженного резонатора; Йь — то же, но с учетом нагрузочной емкости, С, — статическая емкость между электродамн резонатора; Сь — емкость нагрузки. Этот факт следует учитывать при выборе уровня возбуждения, особенно в генераторе невысокой частоты, так как динамическое сопротивление резонаторов быстро растет с уменьшением частоты.
Нестабильность частоты колебаний кварцевого генератора принято характеризовать следующими показателями: нестабильностью от воздействия меняющихся климатических условий, главным образом — температуры среды; температурной нестабильностью ча. стоты может доходить до ~25.10-э в интервале 0...60'С по отношению к рабочей при 25~2 'С; долговременной нестабильностью, обусловленной медленными необрати. мыми изменениями (старением) резонатора и, возможно, других деталей; кратковременной нестабильностью — случайными изменениями частоты кварцевого генератора относительно рабочей за заданяый интервал времени работы, например, час или смену. Старение резонатора происходит независимо от того, работает он нли бездействует.
Для обычных резонаторов на 1О МГц, работающих ив ос. возной частоте, с т те, скорость старення в течение первого года составляет, прн. нерво — в !.1о-' в неделю (5.10 ' в гол), а у резонаторов с малым старением н утех, у тех, что работают на гармоннках, она меньше. Н кратковременную частотную нестабильность иногда включают температурную нестабнльность, обусловленную прогревом компонентов самого генератора.
Кварцевый генератор в общем случае представляет собой усилитель, в цепь обратной связи которого включен кварцевый резонатор. Для возбуждення н поддержания колебаний усиление должно компенсировать потеря в контуре на частоте, прн которой полная фаза контура <р=О, ялн, что то же самое, ~р 360'и, где и 1, 2, 3, ... На практике прнменяют генераторы с нспользованнем обоих видов резонанса. 6.3. Принципы организации кварцевых генераторов Схемы генераторов с нспользоааннем параллельного резонанса (антнрезонанса) показаны на рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
