3.5 Кварцевый генератор (параллельный резонанс)
Стабильность частоты колебаний в кварцевом генераторе на несколько порядков превышает стабильность частоты LC- или RC-генераторов. Эквивалентная схема модели кварцевого резонатора (Рис. 3.5.1) содержит последовательно соединённые индуктивность L1, ёмкость С1 и малое сопротивление R1. Значения L1, С1 и R1 определяются геометрическими размерами кварцевого резонатора – пластины, выпиленной определённым образом из кристалла кварца. Значение ёмкости С2 определяется ёмкостью выводов резонатора. Внешний конденсатор С5 (С5 >> C2) позволяет в небольших пределах изменять (подстраивать) резонансную частоту. Резистор R2 с очень большим сопротивлением не влияет на параметры схемы и включен по «требованию» программы схемотехнического моделирования МС7 – узлы схемы должны по постоянному току иметь связь с нулевым узлом. Т1 и Т2 – точки включения.
Рис.
3.5.1. Модель кварцевого резонатора
Комплексное сопротивление кварцевого резонатора (Z) без учёта элементов R1 и С5 равно:
.
(3.5.1)
Как видно из (3.5.1), возможны 2 резонанса:
последовательный резонанс
;
(3.5.2)
параллельный резонанс
.
(3.5.3)
С учётом подстроечного конденсатора С5 (С5 >> C2) комплексное сопротивление кварцевого резонатора (Z1) равно:
,
(3.5.4)
при
этом частота резонанса
равна:
(3.5.5)
Фазовый сдвиг коэффициента передачи сигнала по цепи включения кварцевого резонатора (от точки Т1 к точке Т2) при параллельном резонансе равен 1800, потому и усилитель в схеме кварцевого генератора с параллельным резонансом должен давать сдвиг фазы также на 1800. В этом случае общий фазовый сдвиг усилителя с кварцевым резонатором в цепи обратной связи составит 3600 и возникнет «баланс фаз» - необходимое условие для генерации.
Рис.
3.5.2 Модель схемы кварцевого генератора
(параллельный
резонанс)
Задание
1). Соберите модель схемы кварцевого генератора с параллельным резонансом (Рис. 3.5.2). Установите значение эквивалентных параметров кварцевого резонатора в соответствии с номером задания (Табл. 3.5).
Таблица 3.5
-
Вариант задания
L1
С1
С2
1
0.850
2.80p
20p
2
0.950
2.90p
25p
3
1.045
3.20p
20p
4
1.250
3.60 p
25p
5
1.380
3.80p
20p
6
1.460
3.95p
25p
2). Рассчитайте резонансную частоту кварцевого резонатора без учёта подстроечного конденсатора С5 по формуле (3.5.3) и при С5=100 p по формуле (3.5.5)
3). В режиме анализа Transient:
Постройте временную характеристику сигнала U вых =f(t).
Измерьте длительность переходного процесса.
В установившемся режиме измерьте амплитуду сигнала Umax , длительность периода Т и определите частоту колебаний F. Сравните с расчётным значением частоты, полученным в пункте 2).
Измерьте постоянные напряжения в узлах схемы.
4). В режиме анализа Transient \ DSP Parameters \ Limits для сигнала U вых в установившемся режиме:
Установите число точек (Number of Points) =10;
Постройте спектральную характеристику;
Измерьте коэффициент гармоник по второй … девятой гармоникам и общий Кг.
Результаты анализа по данному пункту представьте в виде спектральных графиков и в табличном виде.
5). Повторите измерения по пункту 4) в переходный период (при амплитуде сигнала, равной 0,7 U max).
6). По всем проведенным исследованиям сделайте выводы.
7). Оформите документы «Схема электрическая принципиальная» (Э3) и «Перечень элементов» (ПЭ3).
8). Разработайте печатную плату [5].