2.7. Кварцевая стабилизация частоты

Стабильность частоты автогенератора, как мы видели, определяется главным образом качеством его колебательной системы - её эталонными свойствами и добротностью. У обычного электрического колебательного контура эталонные свойства и добротность недостаточны для обеспечения необходимых норм по стабильности частоты. Стабильность частоты автогенераторов с электрическими колебательными контурами как правило не лучше 10 - 4 . В тех случаях, когда требуется более высокая стабильность, используют кварцевую колебательную систему. Использование механических колебаний кварца для получения электрических колебаний возможно благодаря прямому и обратному пьезоэлектрическим эффектам. Прямой пьезоэффект состоит в том, что механические деформации сжатия и растяжения пластинки кварца сопровождается появлением электрических зарядов на её гранях. Благодаря обратному пьезоэффекту у пластинки кварца, помещенной в электрическое поле, возникают деформации сжатия и растяжения и на её гранях появляются заряды за счет прямого пьезоэффекта. Будучи механической колебательной системой с распределёнными параметрами пластинка кварца подобно, например, электрической длинной линии обладает множеством собственных частот.

2.7.1. Электрическая эквивалентная схема кварца

Благодаря явлению пьезоэлектричества пластинку кварца в электрической схеме можно заменить некоторым колебательным контуром с сосредоточенными параметрами. Упрощенная эквивалентная электрическая схема кварцевой пластины (резонатора) изображена на рис. 2.15а, где С 0 - её статическая ёмкость (диэлектрическая проницаемость кварца e =4,6), к которой в реальных схемах ещё добавляется паразитная ёмкость кварцедержателя; Сq , Lq и rq - пьезоэлектрические эквивалентные параметры. Порядок их величин (при используемых на коротких волнах механических колебаниях пластины по толщине): С0 - единицы пФ, Сq -сотые доли пФ, Lq - десятые доли Гн , rq- от единиц до ста Ом. Добротность кварцевых резонаторов достигает сотен тысяч. Эталонность кварца весьма высока. Кроме того, благодаря малым размерам кварцевой пластины её легко термостатировать и т.п. Изображенная на рис.2.15а колебательная система имеет два резонанса - последовательный при w= wq (собственный резонанс кварца) и параллельный при w=w0 (колебательного контура в целом).

Рис.2.15

Разность между частотами последовательного и параллельного резонансов с уменьшением добротности уменьшается. При Q= 2/p , где p= Cq/C0 , эти частоты совпадают. При большой добротности отношение (w0-wq)/wq @p/2 @2×10-3 На рис. 2.15б, изображены кривые зависимостей реактивного Xq и активного Rq сопротивлений, а также фазового угла jэ эквивалентной схемы кварца от относительной расстройки частоты Dw/w. Из графиков видно, что в интервале между частотами последовательного и параллельного резонансов производная ¶jэ/¶w < 0, как у параллельного колебательного контура, а эквивалентное сопротивление кварца Xq здесь имеет индуктивный характер.

2.7.2. Схемы кварцевых генераторов

Различают два класса схем кварцевых генераторов. К первому классу относятся так называемые осцилляторные схемы, в которых генератор работает приблизительно на частоте параллельного резонанса кварцевого контура, так как только здесь получается необходимый для самовозбуждения сдвиг фаз и обеспечивается устойчивость автоколебаний. В осцилляторных схемах кварц включают в те участки обобщенной трехточечечной схемы генератора, где для поддержания автоколебаний эквивалентное сопротивление кварца должно иметь индуктивный характер (рис2.16).

Рис.2.16

Наличие колебаний в осцилляторной схеме всегда служит гарантией того, что она действует благодаря пьезоэффекту кварца. Следует отметить, что частота автоколебаний в этих схемах очень мало отличается от частоты параллельного резонанса кварцевого контура, поскольку ширина кривой полного сопротивления этого контура, которая пропорциональна затуханию кварца dq=1/Qq , значительно меньше ширины расстройки между частотами wq и w0 , поскольку dq может рассматриваться как величина второго порядка малости относительно величины р=Сq/C0.

В схемах, относящихся ко второму классу, кварц возбуждается на чacтоте последовательного резонанса, эти схемы обладают большей стабильностью. Примеры этих схем показаны на рис. 2.17.

Рис.2.17

2.7.3. Кварцевая стабилизация частоты в диапазоне волн

Одним из существенных недостатков кварцевого генератора является его неспособность работать в плавном диапазоне волн, поскольку изменить плавно собственную частоту кварцевой пластины невозможно. Для стабилизации частоты в плавном диапазоне волн используется интерполяционный метод, структурная схема которого изображена на рис.2.18. Сущность его сводится к следующему.

Колебания кварцевого генератора, частота которого fкв, и колебания с частотой fг диапазонного бескварцевого генератора, называемого интерполяционным , подаются на смеситель. После смесителя установлен селектор, который выделяет колебания требуемой рабочей частоты f = fкв + fг, или f= fкв - fг. Нетрудно показать, что нестабильность рабочей частоты, которая складывается из нестабильности кварцевого генератора и нестабильности интерполяционного генератора, тем ближе к нестабильности кварцевого генератора чем частота кварцевого генератора больше частоты интерполяционного генератора. Отношение N=fкв/fг носит название интерполяционного числа. Величина N обычно не превышает 20 из-за трудностей построения схемы селектора.

Рис.2.18

Устройства генерирования и формирования радиосигналов


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.