UPOS3 / Раздел1

1. ОПОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Изложенный в [1] материал по преобразованию непрерывных величин в код и трактовке терминов "ЦИУ", "ЦИП" позволяет выделить основные узлы цифровых измерительных приборов. Ряд из них реализуется в виде интегральных схем (ИС) и хорошо представлен в соответствующей справочной литературе, на которую даны ссылки. Ряд узлов, пришедших в последнее время в измерительную технику из других технических областей и не имеющих широкого представления в литературе или трудны для понимания, описаны более подробно.

1.1. Кварцевые опорные генераторы

Опорные генераторы (ОГ) – это обычно кварцевые генераторы или генераторы с параметрической стабилизацией. Параметры сигнала ОГ должны минимально зависеть от внешних воздействий. Сохранение стабильности частоты зачастую должно сопровождаться уменьшением объёма, массы, потребляемой мощности и времени установления частоты. Эти требования привели к использованию в ОГ не только кварцевых резонаторов АТ и БТ, но и ТД (с двуповоротным срезом). Резонансная частота колебательного контура (которым представляется кварцевый резонатор) с активными потерями r определяется:

, (1.1)

где ₀ – собственная частота резонансной системы;

- добротность системы.

Процесс возбуждения характеризуется граничными условиями r = 0 или Q = . Незатухающие колебания возникают и при r < 0 (при этом условии _к  ₀). Наличие отрицательного сопротивления для всей системы даёт не гармонический, а релаксационный сигнал. Условие r  0 обеспечивает электронная схема. Гармонические и релаксационные колебания – крайние случаи автоколебаний. Частота гармонических колебаний и амплитуда релаксационных колебаний мало чувствительны к внешним воздействиям. Изменение частоты гармонических колебаний сопровождается изменением их амплитуды. У релаксационных колебаний частота сильно зависит от внешних воздействий.

Сопротивление резонансной системы в зависимости от частоты f, определяется:

, где r₀ – сопротивление на резонансной частоте.

Из этого выражения получаем:

, где . (1.2)

Это означает, что в полосе частот от f₁ до f₂ резонансная система имеет отрицательное сопротивление – необходимое условие для возбуждения:

. (1.3)

Относительная нестабильность частоты автогенератора определяется:

. При Q > 100, , (1.4)

то есть высокодобротные резонаторы уменьшают нестабильность частоты.

Основные варианты широко используемых генераторов приведены на рис. 1.1-1.4. [2, с. 155-158].

Рис. 1.1. Маломощный генератор на LC элементах

Генератор на рис. 1.1 используется в широкой полосе частот (0,1500 МГц). Резистор отрицательной обратной связи R_э1 уменьшает вес высших гармоник. Напряжение с выхода потенциометра "I_к" также может представлять собой регулирующее напряжение для стабилизации амплитуды выходного сигнала. Рекомендуются следующие параметры схемы X_ср100 Ом; X_с1  X_с2  50 Ом; L_к = 1/(²_minC_max) = 1/(²_maxC_min); X_ск  R_н/10; X_Сбл  1 Ом; X_др  3 кОм; X_Lб  2 кОм.

Схема опорного генератора, работающего на основной гармонике кварцевого генератора, приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Генератор на первой гармонике резонатора

Диапазон работы генераторов по схеме рис. 1.2 примерно 50 кГц – 70 МГц. Кварц работает на частоте параллельного резонанса. Рекомендуемые параметры элементов: X_др  1 кОм; X_ск  R_н/10; X_Сбл  1 Ом.

Схема опорного генератора, работающего на третьей гармонике кварца, приведена на рис. 1.3. Здесь частота последовательного резонанса кварца увеличена за счёт последовательно включённого конденсатора (несколько сот Герц).

Рис. 1.3. Генератор на третьей гармонике кварца

Рекомендуемые параметры элементов следующие: X_Сбл  1 Ом; X_с1  100 Ом; X_с2  200 Ом; L₁ = 1/(²C₁).

Более высокие частоты сигналов имеют генераторы, работающие на 5,7 и 9-й гармонике кварца, рис. 1.4. Здесь реактивное сопротивление компенсирующей индуктивности L₂ должно быть равно сопротивлению статической ёмкости кварца и паразитной ёмкости (27пФ и 0,55пФ).

Рис. 1.4. Генератор на 5,7 и 9-й гармонике кварца

Рекомендуемые параметры элементов схемы: X_сбл  1Ом; X_L2 = X_CZQ; L₃ и параллельная эквивалентная ёмкость (примерно 4,5 пФ) должны составить резонансный контур на частоте генерации.

ОГ импульсного сигнала также используют высшие нечётные механические гармоники кварца. Обычно в генераторах на дискретных интегральных схемах активный элемент выводится в линейный усилительный режим. Схема ОГ на ЭСЛ ИС приведена на рис. 1.5.

При большой задержке распространения t_зр элемента D1.1. (Т_вых / t_зр  2), кварц подключают к его инвертирующему выходу.

Задание рабочей точки элементов дискретных ИС проводится различными способами, положительные и отрицательные стороны которых поясняются рис.1.6.

Оценочное значение коэффициента усиления по напряжению элементов ИС различных технологий следующие: К_ТТЛ  26 дБ; К_ЭСЛ  12 дБ; К_КМОП  26 дБ. Особенности построения генераторов прямоугольных импульсов изложены в [3, с. 154-161, 4, с. 207-216]. Данные приведены для ТТЛ ИС.

Рис. 1.5. Импульсный генератор на нечётных гармониках кварца

Рис. 1.6. Задание рабочей точки элементов дискретной ИС

Миниатюрные кварцевые генераторы для широкого диапазона частот также изготавливаются промышленностью. Их данные отражены в табл. 1.1.

В области частот более 20 МГц (до 400  800 МГц, а теоретически до 3ГГц) в генераторах стали использоваться ПАВ–резонаторы вместо кристаллических резонаторов. В отличие от последних, ПАВ–резонаторы обладают высокой добротностью, механической прочностью и малыми размерами. Добротность ПАВ–резонаторов достигает величины (25)10⁴, что позволяет строить генераторы конкурентоспособные с их аналогами на кварцевых резонаторах [5]. Эквивалентная схема ПАВ–резонатора вблизи резонансной частоты идентична схеме кристаллического резонатора, поэтому при проектировании применимы методы, используемые для их аналогов, работающих на объёмных волнах.

Таблица 1

Характеристики миниатюрных кварцевых генераторов

Технология	Д-н частот, МГц	Напряжение питания, В	Ток, мА, не более	Примечания
ТТЛ	0,25-120	5  10 %	70	Вых. сигнал – меандр.
КМОП	0,75-70	5  10 %	30	ф,с  4нс при fвых  120 МГц;
ЭСЛ	30-200	-5,2  5 %	50	ф,с  15 нс при fвых  9 МГц; f = 1010-6 в д-не температуры 07 oC.