МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

КАФЕДРА МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИЙ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

ОЦЕНКА

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

доц. к.т.н				Анодина-Андриевская Е.М.
должность, уч. степень, звание		подпись, дата		инициалы, фамилия

ОТЧЕТ ПО ДОМАШНЕЙ РАБОТЕ

Тема работы: МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕРМОСТАТИРОВАННОГО КВАРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА

по дисциплине: Математическое моделирование электронных средств

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ

СТУДЕНТ ГР.	3250М				Батталов Р.Р.
			подпись, дата		инициалы, фамилия

Санкт-Петербург 2012

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3

1 КЛАССИФИКАЦИЯ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ 4

2 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОБЪЕКТА МОДЕЛИРОВАНИЯ 8

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТА 9

4 ПРОГРАММА И РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕРМОСТАТА ТСКГ 16

5 ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25

ЛИТЕРАТУРА 26

Введение

Темой работы является создание математической модели термостатированного кварцевого генератора (ТСКГ). Работа кварцевых генераторов (КГ) основана на пьезоэлектрическом эффекте кристаллов кварца, на характеристики которого сильно влияет температура окружающей среды. Принцип работы ТСКГ заключается в помещении кварцевого резонатора в термостат. На данный момент существует множество типов ТСКГ, но постоянно идет разработка новых вариантов данного прибора. Целесообразно построение математической модели для отработки особенностей конструкции и параметры элементов ТСКГ. Также, это целесообразно ввиду повышенных требований к средствам измерения, необходимым для проведения испытаний опытного образца и испытательным стендам.

Целью моделирования является создание адекватной реальному ТСКГ математической модели, которая бы позволяла, внося соответствующие изменения в конструкцию моделируемого ТСКГ (изменение входных параметров), получать результаты, по которым можно было бы предсказать поведение и свойства реальной системы с необходимой точностью, а также проведение исследования конструкции и функционирования ТСКГ, с использованием построенной модели, при различных внешних воздействиях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• составить классификацию КГ и провести сравнение ТСКГ рассматриваемой конструкции с аналогами,

• рассмотреть области применения ТСКГ и основные технические требования, которые следует учесть при моделировании,

• составить математическое описание работы ТСКГ,

• выбрать программную среду для проведения моделирования функционирования ТСКГ,

• составить программу (модель) в выбранной среде моделирования,

• оптимизировать составленную модель для обеспечения заданной точности при минимальном количестве вычислений,

• провести моделирование при разных параметрах конструкции ТСКГ, изменяя входные параметры системы для соответствия реальным условиям функционирования,

• проанализировать результаты моделирования и сделать вывод о достоинствах и недостатках рассматриваемой конструкции.

1 Классификация кварцевых генераторов

Существующие на сегодняшний момент КГ, предназначенные для генерации сигнала можно классифицировать по следующим признакам [1]:

1) По способам повышения стабильности частоты:

- простой без дополнительных элементов, предназначенных для улучшения каких-либо его параметров,

- термокомпенсированный кварцевый генератор(ТККГ), отклонение частоты которого в интервале температур уменьшается с помощью специальной электрической цепы,

- термостатированный кварцевый генератор(ТСКГ), элементы электрической цепи которого полностью или частично помещены в термостат для уменьшения влияния окружающей температуры.

2) По функциональной особенности:

- с частотной модуляцией,

- частотно-манипулированные (с частотной телеграфией),

- управляемые изменением индуктивности или емкости,

- управляемые напряжением,

- высокостабильные (прецизионные),

- многочастотные, в которых используется коммутация нескольких резонаторов (или одного) для стабилизации ряда близкорасположенных частот,

- измерительные, в которых резонатор используется для преобразования изменения какой-либо физической величины в изменение частоты.

3) По допустимой нестабильности частоты КГ:

- менее 0,001*10^-6,

- (0,001-0,01)*10^-6,

- (0,01-0,1)*10^-6,

- (0,1-1)*10^-6,

- (1-10)*10^-6,

- (10-100)*10^-6,

- более 100*10^-6,

Внутри каждой группы стабильности могут быть различными. Целесообразно для унификации требований выбирать стабильности по следующему рядом в одной группе: ±1; ±1,5; ±2; ±2,5; ±3; ±5; ±7,5 и ±10. Обычно в кварцевых генераторах за классификационную стабильность принимают температурную стабильность частоты в рабочем интервале температур.

4) По диапазону частоты:

- низкочастотные(1-1000 кГц),

- среднечастотные(1-30 МГц),

- высокочастотные (выше 30 МГц).

5) По элементной базе и способам конструирования:

- на дискретных элементах,

- гибридные с резонатором,

- гибридные с пьезоэлементом,

- интегральные с пьезоэлементом,

- интегральные на пьезоэлементе.

В России одним из наиболее известных производителей КГ является ОАО «Морион»[2], выпускающий множество вариантов рассматриваемого прибора.

Примеры КГ:

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МАЛОГАБАРИТНЫЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР, УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ ГК217-УН

Выпускается с приемкой «1» в соответствии с ТУ 6329-088-07614320-10

Особенности:

• Диапазон частот: 80 МГц – 170 МГц

• Малые размеры корпусы 20.2x20.2x10,5 мм

• Низкий уровень фазовых шумов

Является простым генератором без термостата, имеет малые размеры, но минусом является большая температурная нестабильность(единицы и десятки в шестой степени), изображен на рисунке 1.

Рис.1. Простой КГ.

ПРЕЦИЗИОННЫЙ ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР ГК202-ТК

Выпускается в соответствии с ТУ 6329-090-07614320-07

Особенности:

• Малые размеры - 36×27×12,7 мм

• Малое значение потребляемого тока – < 14 мА

• Напряжение питания – 5 В

• Стандартные частоты: 12,288МГц; 12,8МГц

Температурная нестабильность частоты лучше, чем у КГ, рассмотренного выше (меньше 5*10^-7). Изображен на рисунке 2.

Рис.2. Корпус генераторов ГК202-ТК и ГК197-ТС.

ПРЕЦИЗИОННЫЙ МАЛОШУМЯЩИЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР ГК197-ТС

Особенности:

• Высокая температурная стабильность до ±5x10^-10

• Высокая долговременная стабильность до ±2x10^-8/год

• Малое время установления частоты – до 1 мин

• Напряжение питания 5 В и 12 В

• Малая высота корпуса – до 10,0 мм

• Диапазон частот 10,0…20,0 МГц

• Низкий уровень фазовых шумов

Как видно, по температурной стабильности частоты ТСКГ опережает другие типы, но у него есть и свои недостатки – высокое потребление тока(потребляемый ток в установившимся режиме у ГК197-ТС в 10 раз больше чем у ГК202-ТК). Но тем не менее ТСКГ является лидером по стабильности среди аналогов. Изображен на рисунке 2.

Рассматриваемый КГ относится к термостатированным (имеет более расширенный диапазон рабочих температур), управляется напряжением (для простой компенсации старения кристалла кварца в резонаторе), также является высокостабильным, по нестабильности можно отнести к первым двум группам (частотная нестабильность менее 1*10^-8), среднечастотный (имеет широкое применение в качестве опорного генератора сигнала стабильной частоты). Конструируется на дискретных элементах, поскольку рабочая температура внутри корпуса около 100°C, так же речь идет о российском производственном предприятии.