может быть активным сопротивлением rкв ,Rmax , индуктивностью и емкостью. Наибольшая стабильность частоты достигается, когда кварц работает в качестве индуктивности L или активного сопротивления rкв. Параллельный резонанс не используется в силу его малой стабильности. На рис. 5.3 показана штриховкой область устойчивой работы кварца как индуктивности.
5.2.2Cхемы кварцевых автогенераторов
Взависимости от того, чем является кварцевый резонатор в схеме, существуют два вида схем кварцевых генераторов:
1)Осцилляторные схемы, когда кварц работает индуктивностью в трехточечной схеме АГ;
2)Фильтровые схемы, когда кварц является активным сопротивлением rкв в цепи обратной связи обычного автогенератора.
Осцилляторные схемы представлены на рисунке 5.4: а) кварц – индуктивность L3, емкостная трехточка;
в) кварц – индуктивность L2, индуктивная трехточка;
с) кварц – индуктивность L1, индуктивная трехточка;
L3 |
|
C3 |
|
|
C3 |
|
|
RH |
|
L1 |
RH |
L1 |
RH |
VT |
C1 |
VT |
|
|
VT |
|
C2 |
|
L2 |
|
|
L2 |
|
а) |
|
|
в) |
|
с) |
|
Рисунок 5.4 – Осцилляторные схемы кварцевых АГ |
|
|||||
Особенностью осцилляторных схем является то, что с целью повышения стабильности, они работают на слабую нагрузку, и практически основной нагрузкой является сам кварц, независимо от места подключения его в схеме.
62
Поэтому нельзя допускать, чтобы мощность, рассеиваемая на кварце, превышала допустимую.
Оптимальной схемой является емкостная трехточка, рис. 5.4 а):
- здесь один навесной элемент - кварц, являющийся диэлектриком, нет проблем с организацией питания и смещения;
- проще вычисляется коэффициент обратной связи K = C1 ;
C2
- слабое шунтирование кварца сопротивлением АЭ.
В схеме рис. 5.4 в) – 2 навесных элемента и сильное шунтирование кварца нелинейным входным сопротивлением АЭ.
Фильтровые схемы представлены на рис. 5.5-5.8. На рисунке 5.5 представлена классическая фильтровая схема: емкостная трехточка с кварцем в цепи обратной связи по входу АЭ. Контур L3C1C2 должен быть настроен на частоту последовательного резонанса, где кварц является активным сопротивлением rкв. Здесь показаны и другие возможные подключения кварца, но это приводит к разрыву либо питания, либо земли.
L3
rкв , С0
VT |
C |
C2
Рисунок 5.5
63
x3 |
x1-x2 |
C0 |
|
|
x2 |
x2 |
|
C0 |
|
Рисунок 5.6 |
|
При настройке фильтровой схемы, рис.5.5 может случиться, что обратная связь возникает не через rкв, а через С0, что снизит стабильность АГ. Для п редотвращения этого вводится компенсация емкости кварца С0 емкостью С’0, как показано на рисунке 5.6 (схема Пружанского).
Очень часто применяют фильтровые схемы на операционных усилителях, рис. 5.7, или на логических инверторах, рис.5.8.
Для достижения приемлемой формы синусоиды здесь требуется подборка и подстройка сопротивления.
rкв
R1
100к R2
68к
Рисунок 5.7 – ОУ с кварцем
rкв
R*
1 |
1 |
Рисунок 5.8 – Кварцевый мультивибратор
64
5.2.3Кварцевый автогенератор на гармониках
Кварцевый резонатор может работать не только на основной частоте (5.9), но и на гармониках, когда по толщине пластины укладываются несколько полуволн, обязательно нечетные число – 3,5,7,9 и т.д.
При этом, как известно, повышается добротность резонатора, расширяется диапазон частот, но также снижается область устойчивой работы кварца как индуктивности. Схема емкостной кварцевой трехточки, работающая на гармониках, представлена на рис. 5.9.
|
φ |
|
L3 L |
|
|
C1 RH |
ω0 |
ωквn |
VT |
ωкв(n-1) |
|
C2 |
|
|
Рисунок 5.9 – Схема кварцевого АГ на гармониках
Она содержит в качестве емкости С1 – колебательный контур LC, который на частоте гармоники nωкв должен являться емкостью, а на других частотах (нижних) индуктивностью, чтобы генерация не возникла. Из фазовой характеристики (рис. 5.9) следует правило выбора частоты настройки: ωкв( n −1) ω0 ωквn .
5.2.4Расчет кварцевого автогенератора
Расчет проведем для схемы на рисунке 5.4 – емкостной трехточки.
Задано: ωкв ,rкв ,C0 ,Pдоп.
65
Расчет произведем в четыре этапа:
1)Распределение мощностей: выбор АЭ. Задаемся мощностью
рассеяния |
на кварце |
Ркв Рдоп и мощностью |
на |
нагрузке, например, |
|||||||
Рн =0,1Ркв, отсюда получаем Р1 =1,1Ркв. |
|
|
|||||||||
|
|
2) |
Выбираем |
АЭ из условий IдопUдоп |
≥ 8P1 |
(см. расчет ГВВ). |
|||||
Выполняем расчет ГВВ на заданную частоту |
и мощность. Определяем |
||||||||||
U |
вых |
,I |
,R |
,P ,η,U |
вх |
,K = |
Uвх |
. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
1 Э |
0 |
|
Uвых |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
3) Расчет элементов С1, С2. Из расчет f ГВВ имеем C1 = K . Второе
C2
уравнение получим из условия слабого шунтирования емкостью С0 эквивалентной индуктивности контура кварца Lэкв :
ω 1С ωквLэкв . кв 0
Из условий резонанса контура Lэкв ,С1 ,С2 имеем:
ω |
|
L = |
|
1 |
|
+ |
|
|
1 |
|
= |
|
С1 +С2 |
. |
|||
|
ω |
|
С |
ω |
|
С |
|
|
|||||||||
|
кв |
экв |
кв |
|
кв |
2 |
|
ω |
С С |
||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
кв 1 2 |
||||
Сопоставляя эти выражения, получим второе уравнение для вычисления
С1С2: С1С2 C0 и искомые формулы:
С1 +С2
C1 (K +1)C0 ,C2 = CK1 .
4)Проверка на допустимую мощность кварца:
- контурный ток Ik =UвыхωквС1, |
|
|
- мощность рассеяния на кварце Р |
= I 2r |
Р . |
кв |
к кв |
доп |
Если это условие не выполняется, уменьшаем С1, либо снижаем Uвых (берем другой АЭ).
Слишком большие емкости брать не рекомендуется, так как это приводит к большой мощности, рассеиваемой на кварце.
66