Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Osnovy_proekt_ES_UchPosob_2007

одному из конденсаторов емкостного плеча. Уменьшить влияние нагрузки можно неполным подключением следующего каскада к контуру автогенератора.

Влияние дестабилизирующих факторов и методы стабилизации частоты автогенераторов.

Частота автогенератора определяется резонансной частотой контура

(рис. 11.5).

Индуктивность и ёмкость контура будут изменяться при эксплуатации, прежде всего при изменении температуры, т.к. имеют температурный коэффициент индуктивности (ТКИ), температурный коэффициент ёмкости

(ТКЕ).

ТКИ =αL = L∆L∆t , ТКЕ =αc = C∆C∆t ,

где ∆t – изменение температуры;

∆L, ∆C – изменение индуктивности при этом изменении температуры, соответственно.

Тогда температурный коэффициент частоты

α f = − 12 (αL +αC ),

190

где α f = f∆f∆t .

Для стабилизации частоты автогенератора под действием внешних факторов применяют следующие методы.

Уменьшают изменение параметров элементов генератора (например, ∆L и ∆C), т.е. применяют метод параметрической стабилизации. Для стандартных индуктивностей и ёмкостей контура предлагается их выбор с минимальными температурными коэффициентами αL, αC.

Если предлагается конструкция высокостабильной катушки индуктивности, то рекомендуется:

−Несущее основание из материала малого температурного коэффициента линейного расширения. Не гигроскопичного. Например, керамика.

−Чтобы исключить геометрические изменения в обмотке катушки рекомендуется наматывать катушку на керамическое основание предварительно нагретым горячим проводом, чтобы исключить сползание витков при эксплуатации.

Если катушка небольшого номинала однослойная, то можно намотку выполнить не проводом, а вжиганием меди в керамику.

Предложенные рекомендации позволяют получить катушки индуктив-

ности с температурным коэффициентом αL = (5...30) 10−6 Тогда как в

общем случае получают αL = (100...200) 10−6 .

Можно обеспечить стабильность частоты автогенератора путем температурной компенсации изменений ∆L и ∆C за счёт разнозначности коэффициентов их влияния. Например, температурный коэффициент индуктивности αL имеет знак “плюс”, тогда необходимо предложить в контур кон-

денсатор с отрицательным температурным коэффициентом αC (рис. 11.6).

на корпусе.

Для автогенераторов высокой стабильности кроме параметрической стабилизации и термокомпенсации применяется ещё метод термостатиро-

191

вания. При термостатировании контур или весь генератор помещается в термостат.

Автогенераторы с LC контурами даже при использовании указанных трёх методов стабилизации обеспечивают нестабильность частоты:

q= ∆ff = (5...10) 10 −4 .

Вто же время передатчики связи частотой до 100MHz должны иметь q=(10…50) 10-6.

Следовательно, для профессиональных передатчиков требуется нестабильность частоты на 1…2 порядка меньше, чем получается на LC контурах. Поэтому для конструкции высокостабильных автогенераторов нужны другие контуры, которые должны удовлетворять определённым условиям стабилизации.

Условия высокой стабилизации частоты автогенераторов.

Условия высокой стабилизации частоты можно вывести, анализируя условия автогенерации.

Согласно правилу баланса фаз сумма фазовых сдвигов сигнала на структурных составляющих автогенератора (см. рис. 11.4) по кольцу автогенерации должна быть кратна 2π. Для первой гармоники (n=1) условие баланса фаз выражается формулой:

π +ϕZэ +ϕОС = 2 π .

Относительно фазового сдвига сигнала на контуре для первой гармоники можно записать

ϕZэ =π −ϕОС.

Для случая резонансной системы автогенератора в виде LC – контура эквивалентное сопротивление ZЭ контура имеет комплексный характер и зависит от частоты

ZЭ = RЭ + jXЭ,

где RЭ – активное эквивалентное сопротивление контура; XЭ – реактивное эквивалентное сопротивление контура; j – мнимая единица.

При наличии возмущающих воздействий, например температурных изменений при эксплуатации, изменяются сопротивление контура и цепочки обратной связи, а значит, изменяется фазовый сдвиг контура или цепочки обратной связи. В этом случае изменится частота, при которой будет выполняться условие баланса фаз при новых значениях фазовых сдвигов.

Рассмотрим условие, когда изменение частоты при новых фазовых сдвигах сигналов будет минимальным. Для LC контура:

192

tgϕZэ = XЭ = −2 ∆f Q , RЭ f

где ∆ff - относительное изменение частоты автогенератора; Q – добротность контура.

фазовой характеристики. Q2>Q1. Предположим, что при температурном изменении изменились X и R

параметры контура и появился фазовый сдвиг сигнала ϕZэ=φТ. Указанному изменению фазового угла ϕZэ=φТ будет соответствовать

изменение частоты автогенератора с одним контуром ∆f1, с другим контуром ∆f2. У контура с высокой добротностью Q2 изменение частоты автогенерации ∆f2 будет гораздо меньше, чем у контура ∆f1 с малой добротностью. Следовательно:

1.Для того чтобы выполнять условие высокой стабильности частоты необходимо выполнять условие высокой добротности контура автогенератора. Высокодобротным должен быть либо контур автогенератора, либо элемент обратной связи. Этому условию соответствует требование высокой крутизны фазовой характеристики.

2.Кроме указанного, контур и элемент обратной связи должны иметь вы-

сокую параметрическую стабильность, т.е. обладать эталонными свойствами.

Высокой добротностью и высокими эталонными свойствами обладают кварцевые резонаторы (кварц).

193

Кварцевые резонаторы и принципы стабилизации частоты

Для кварцевых пластинок имеет место пьезоэффект: если к пластине из кварца подвести на её обкладки переменное напряжение, то пластинка будет деформироваться - растягиваться и сжиматься с частотой переменного напряжения (рис. 11.8). Кристалл кварца имеет шестигранник в сечении. Из кристалла могут быть вырезаны пластинки толщиной а и направлений среза x и y в зависимости от направления относительно осей шестигранника. Пластины х – среза перпендикулярны оси х, проходящей через вершины шестигранника, а пластины у – среза перпендикулярны оси у, проходящей перпендикулярно граням как ось симметрии шестигранника.

В зависимости от направления среза пластины имеет место разная скорость распространения механических колебаний в пластине. На рисунке штрихами показаны предельные значения амплитуд деформации пластины при растяжении и сжатии, когда приложено синусоидальное напряжение к обкладкам пластины. Если нарисовать график изменения амплитуд деформации по толщине пластины а, то получается, что по толщине пластины а укладывается половина волны механических колебаний, где А – амплитуда деформации. В таком случае длина волны механических колебаний

λмех = 2na ,

где а - толщина кварцевой пластинки; λмех – длина волны механических колебаний пластинки,

n – номер гармоники колебаний.

a

amax

А

194

Поэтому, если частота передатчика должна быть выше указанных значений, то за автогенератором ставят умножители частоты.

Принципы построения кварцевого автогенератора и характеристики его стабильности

Кварцевая пластина с обкладками кварцедержателя в эквивалентной электрической схеме представляет собой сложный резонансный контур (рис. 11.9). На рисунке обозначено:

LK, CK, RK – эквивалентные параметры (индуктивность, емкость и сопротивление потерь, соответственно) кварцевой пластины.

С0 – ёмкость обкладок кварцедержателя.

Следовательно, имеем два резонансных контура, а значит две резонансные частоты.

Левая ветвь контура имеет последовательный резонанс с частотой ω1:

С учетом емкости кварцедержателя имеем контур параллельного резонанса с частотой ω2:

где СЭ = СK+C0 .

СK C0

Посмотрим, как изменяется активное и реактивное сопротивление кварца в диапазоне частот, и на каких частотах имеет место большая крутизна фазовой характеристики (рис. 11.10).

RЭ,XЭ RЭ

LK

RK

196

8.Особенности проектирования автогенераторов.

9.Какими методами обеспечивают стабильность частоты автогенератора при наличии дестабилизирующих факторов?

12.Художественное оформление конструкции ЭС

Техническая эстетика рассматривает основополагающие методы и принципы художественного конструирования, проблемы стиля и мастерства. Требования инженерной психологии и технической эстетики учитывались и при конструировании ЭС первых поколений. Особенностью конструирования современных ЭС является усиление этих требований ввиду широкого использования в конструкции ЭС пластмасс, дающих конструктору большую свободу выбора цвета и формы изделия; все большей зависимости внешнего вида и габаритов ЭС от элементов управления и индикации (ввиду уменьшения размеров панели управления); возрастания требований к внешнему виду; выпуска ЭС с учетом требований всех пользователей

Алгоритм художественного конструирования ЭС представлен на рис. 12.1. При разработке внешнего оформления конструкции ЭС наиболее важно учесть различные ограничения (социально-экономические, эргономические, конструктивные, технологические), а также факторы технической эстетики, влияющие на конструкцию через субъективные особенности художника-конструктора (знания в области технической эстетики, эргономики, конструирования электронной аппаратуры, технологических художественных возможностей производства, социальных проблем и т. д.).

Художник-конструктор, используя объективные факторы технической эстетики и учитывая различные ограничения, синтезирует художественное оформление конструкции. Оценивая результаты очередного шага конструирования, он может перейти к другому варианту или остановиться на последнем и выпустить конструкторскую документацию на художественное оформление. В ряде случаев художник-конструктор может влиять на изменение ограничений, например, настоять на изменении способов отделки, схемы компоновки конструкции.

К социально-экономическим факторам относятся: обеспечение об-

щественно-необходимых потребностей, ориентация на конкретную группу потребителей, устранение дублирования функций в различных устройствах (радиоприемник, магнитола), унификация, экономия материальных и трудовых ресурсов, конкурентоспособность, обеспечение сбыта, патентоспособность. Художественное оформление, например, радиоприемника,

199