Стабильность частоты и кварцевые генераторы

 

Одним из важнейших показателей генератора является стабильность частоты генерируемых колебаний при изменении дестабилизирующих факторов. Такими факторами являются:

– колебания температуры окружающей среды;

– изменение влажности и атмосферного давления;

– колебания напряжения источников питания;

– изменение нагрузки автогенератора;

– старение элементов во времени;

– механические воздействия (удары, вибрация и т.п.).

В зависимости от времени измерения различают кратковременную (обычно до 1 с) и долговременную (часовую, суточную, месячную, годовую) нестабильность частоты. Для количественной оценки стабильности частоты используются понятия абсолютной и относительной нестабильности.

Абсолютная нестабильность частоты равна разности частот до и после воздействия дестабилизирующего фактора:

 

Df = f2 – f1 .

 

Относительная нестабильность частоты определяется формулой:

Df / f = ( f2 – f1 ) / f .

 

Относительная нестабильность частоты позволяет сравнивать генераторы, работающие в различных частотных диапазонах.

Одной из основных причин, вызывающих нестабильность частоты, является изменение фазовых сдвигов в отдельных звеньях автогенератора. Если существующий вначале баланс фаз нарушается, то новая сумма фазовых углов

 

S j (w) = 2p n +Dj

 

приводит к такому изменению частоты, при котором на новой частоте (w+Dw) баланс фаз восстанавливается, т.е.

 

S j (w + Dw) = 2p n.

 

Разложив левую часть уравнения в ряд и отбросив члены высших порядков малости, получим:

 

S j (w) + Dw S (¶j / ¶w) = 2p n или

Dw S (¶j / ¶w) = – Dj ,

откуда получим

Dw / w = – Dj / ( w S (¶j / ¶w)) = – Dj /s.

 

Величина s не влияет на условия самовозбуждения, а характеризует собственно автогенератор и называется фиксирующей способностью автогенератора. Генераторы с высокой фиксирующей способностью резко изменяют фазовый сдвиг при изменении частоты и тем самым препятствуют уходу частоты. В автогенераторах с LC-контурами фиксирующая способность пропорционально добротности контура. Поэтому для увеличения стабильности генераторов применяются контуры с высокой добротностью.

Однако при воздействии дестабилизирующих факторов непосредственно на параметры контура, нестабильность частоты генератора будет определяться нестабильностью элементов схемы. Для уменьшения этой нестабильности применяются высокостабильные резисторы, конденсаторы и катушки.

Реально достижимая нестабильность частоты генераторов составляет 10^–4 , что не удовлетворяет требованиям большинства радиотехнических устройств. Повышение стабильности частоты генераторов достигается применением кварцевых резонаторов (при этом нестабильность составляет 10^–6 – 10^–9 ).

Кварцевые резонаторы состоят из кварцевого элемента, электродов и кварцедержателя. Кварцевые элементы изготавливают из искусственного или природного моноблока кварца в виде пластин со специально ориентированными относительно кристаллографических осей поверхностями. В качестве электродов часто применяются тонкие металлизированные пленки, нанесенные на соответствующие поверхности кварцевого элемента. Кварцедержатель представляет собой механическую систему для крепления кварцевого элемента (герметизированный металлический корпус или вакуумный стеклянный баллон).

Эквивалентная схема кварцевого резонатора показана на рис. 24.

 

Рис.24. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

 

На схеме (рис. 24) Со – емкость кварцедержателя, Ls, Rs, Cs – параметры кварцевого элемента , представляющего собой последовательный колебательный контур c резонансом напряжения, собственная частота которого равна

______ fпос = 1 / 2 p Ö LsCs.

Эта частота называется частотой последовательного резонанса. На частоте левее fпос резонатор обладает емкостным сопротивлением, правее – индуктивным. С учетом Со получается параллельный колебательный контур с резонансом токов, резонансная частота которого называется частотой параллельного резонанса и равна

____________________ fпар = 1 / 2 p Ö LsCsСо / (Сs + Со).

На частотах меньше fпар резонатор обладает индуктивным сопротивлением, выше – емкостным. Разность резонансных частот определяется из соотношения

fпар – fпос = fпос Cs / (2Co).

 

Поскольку на практике Cs / (2Co) << 1, резонансные частоты разнесены на незначительную величину.

Параметры кварцевого резонатора существенно отличаются от параметров обычных контуров. В табл. 12 в качестве примера приведены параметры кварцевых резонаторов на частоту 3 МГц.

 

Таблица 12

Cs	Десятые или сотые доли пФ
Ls	Тысячи или сотни тысяч mН
Rs	Единицы или десятки Ом
Cо	Единицы или десятки пФ
Q	Десятки тысяч

 

В зависимости от схемы автогенератора, места включения кварцевого резонатора и используемых элементов кварцевый резонатор может возбуждаться на частотах ниже частоты последовательного резонанса, в интервале частот между последовательным и параллельным резонансами, на частотах выше параллельного резонанса. При использовании в качестве активного элемента одиночного транзистора применяются трехточечные схемы включения кварцевого резонатора по переменному току (рис. 25) или схемы включения резонатора в цепь обратной связи (рис.26).

 

Рис. 25. Трехточечные схемы включения кварцевого резонатора в автогенераторе

Рис. 26.Схемы включения кварцевого резонатора в цепь обратной связи автогенератора

 

Лабораторная работа №7