чаются от нее не обязательно целочисленными множителями. Помимо обертонов, положительные реактивности наблюдаются и на ложных частотах– гармониках обертонов.

Добротность кварцевых резонаторов очень высока. На основнойчастоте она может достигать десятков тысяч единиц. На обер-

тонах добротность существенно ниже, в частности из-за больших потерь в кварце из-за большого R. Поэтому возбуждение кварца

внешним электрическим воздействием на обертонах, а тем более на ложных частотах, гораздотруднее осуществить.

2.5.3. Кварцевые генераторы

Особенностью кварцевого резонатора является чрезвычайно вы-

сокая стабильность частоты механических резонансных колебаний как на основной частоте, так и на обертонах. Поскольку кварцевый

резонатор ведет себя как электрический колебательный контур, то стабильность последовательнойfпс и параллельной fпр резонансных частот такого контура также чрезвычайно высока. При этом, как следует из рис.2.17 ,очень велика здесь ипроизводная сдвига фазы по частоте dφ/df в окрестностях как fпс,так и f пр. Этидва обстоя-

тельства ипозволяют использовать кварцевые резонаторы в генераторах электрических напряжений высокойчастоты.

Одна ита же кварцевая пластина может вводиться в режим м е- ханического резонанса на основной частоте или на обертонах за счет организации в ее эквивалентном электрическом колебательном контуре режима последовательного или параллельного резонанса. Это, как известно, достигается соответствующим выполне-

нием условийбаланса амплитуд ибаланса фаз.

Поскольку в диапазоне частот (fпс – fпр) кварцевая пластина характеризуется положительной реактивностью – индуктивностью (рис. 2.17),то проще всегостроится кварцевыйгенератор электрических напряжений по схеме Колпитца (рис.2.18).

Здесьиспользуется последовательная реактивность L кварцевой пластины и образуется трехточечная цепь обратной связи за счет добавочных конденсаторов C1 и С2. Как известно, такая цепь

сдвигает фазу на –180°, поэтому обратная связь заводится на инвертирующий вход усилителя.

Баланс амплитуд обеспечивается соответствующим коэффициентом усиления, определяемым отношением резисторов R1 и Rос.

63

Конденсатор Спар определяет паразитную емкость между входным ивыходным выводамиусилителя.

Частота колебанийтакого генератора

где Сэкв = С1С2/(С1+С2).

–

+

Рис. 2.18

В такойсхеме отличие fпр отfпс составляет:

Обычно разность частот не превышает 0,02%. Емкости конденсаторов С1 и С2 должны быть не менее 20 пФ. Увеличение емкостей С1 и С2 приближает fпр к fпс, но при этом увеличивается

время запуска генератора. При очень больших – сотни пикофарад – генератор может вообще не запускаться. Следовательно,

необходимо тщательно учитывать паразитные емкости между выводами усилителя, а также между входным (выходным) выводом и землей.

Одну и ту же кварцевую пластину– один и тот же электромеханический кварцевый контур можно ввести и в режим последовательного резонанса. Поскольку приэтом сдвиг фазы в таком ко н-

64

туре равеннулю, то надлежит кварц включить в цепь положительной обратной связи(рис. 2.19).

Рис. 2.19

Здесь, как и ранее, баланс амплитуд легко устанавливается резисторамиR1 иRос. Относительно баланса фаз:еслидаже fпс лежит в полосе пропускания усилителя,то ив этом случае внем набл ю- дается пусть небольшой, отстающий сдвиг фазы, зависящий от температуры ирежима работы усилителя. Для обеспечения балан-

са фаз,в цепь обратной связивводится конденсатор С,емкость которого подбирается применительно к условиям работы усилителя.

Изменение условий работы может привести к изменениям частоты колебаний генератора и даже к срыву колебаний. Слишком жесткие требования к усилителю заставляют отдавать предпочтение схеме Колпитца или Хартли.

Кварцевый резонатор, включенный по схеме Хартли, представ-

лен на рис. 2.20. Здесь кварцевый резонатор иLC-контур используются как положительные реактивные сопротивления. В качестве

конденсатора выступает паразитная емкость сток-затвор Сс-з, умноженная на коэффициент усиления по напряжению в соответсвиис теоремойМиллера.

Существует множество схем кварцевых генераторов, выполняемых как на дискретных транзисторах, так и на операционных усилителях.

Проще всего построить схемы с возбуждением в кварце колебанийосновнойчастоты в десяткимегагерц. Для построения гене-

65

раторов более высоких частот приходится возбуждать резонанс в нем на оберчастотах и даже на высших гармониках оберчастот. Чем выше желаемая частота возбуждения кварца, тем сложнее возбудить его из-за меньшей добротности.

Рис. 2.20

По этой причине приходится тщательно организовывать цепь возбуждения кварца, создавая условия баланса фаз и амплитуд на желаемойчастоте ине позволяя ему возбуждатьсяна более низких "благоприятных" частотах.

В цифровой технике кварцевые генераторы прямоугольных ко-

лебаний высокой стабильности легкопостроить на базе инверторов в соответствии с рассмотреннымиособенностями. Схемы та-

ких генераторов приведены на рис.2.21.

На рис. 2.21, а кварцевый резонатор включен в цепь отрицательной обратнойсвязи,т.е. егоэлектромеханический колебательный контур организован по схеме параллельного резонанса– схема Колпитца.

На рис. 2.21, б генератор выполнен с использованием последовательного резонанса в электромеханическом кварцевом контуре.

Схема рис. 2.21, б более "капризна" из-за нестабильных фазовых сдвигов в инверторах. Это тем более критично, так как в этойсхе-

66

ме их два. КонденсаторС введен в схему для того, чтобы выставлять положения рабочих точек в них.

Рис. 2.21

2.6.Генераторыимпульсовнапряжений

2.6.1.Генераторы импульсов напряжений прямоугольной

формы

В основу таких генераторов положен заряд и разряд конденсатора определенной емкости через резистор конечного сопротивления.

Как известно, напряжение на обжимах конденсатора, заряжающегосячерезрезистор R,определяетсясоотношением

где U – разность потенциалов, в пределах которой конденсатор должензарядиться за время t; R – сопротивление резистора в цепи заряда конденсатора емкостью С; U0 – начальное напряжение на обкладках конденсатора к моменту времениt = 0.

Цепь R-C, определяемая (2.11), является обязательным элементом генератора напряжений прямоугольной формы.

Для построения генератора, помимо цепиR-C, необходим детектор уровней. Его легче построить на основе обычного операци-

онного усилителя. Для этого достаточно охватить его положительной обратной связью (рис.2.22).

67

Для построения генератора схема (рис. 2.22, а) охватывается

отрицательной времязадающей связью (рис. 2.22, б). Предположим, что до момента времениt=0 ключ Kл замкнут. Это значит, чтонапряжение на выводахконденсатора С равно нулю. Положим дополнительно, что Uвых = +Uп и Uоп =βосUп. Если теперь разомк-

нуть Kл,тоначинается заряд конденсаторачерез резистор R от источника напряжения +Uп. Верхняя обкладка конденсатора заряжа-

ется положительно. Закон изменения напряжения на ней экспоненциальный. Заряд продолжается до тех пор, пока напряже-

ние на верхней обкладке несколько не превысит +Uоп на величину U ≈ Uп/Ku ≈ 0,где K u – усиление усилителя по напряжению (практически можно считать его бесконечным). В момент t1 напряжение на инвертирующем входе превышает положительное напряжение на неинвертирующем входе. Выходное напряжение

усилителя меняет знак на обратный: Uвых = –Uп. Соответственно опорное напряжение также меняет знак истановится равным Uоп = = –βосUп. С этого момента начинается перезарядка конденсатора и экспоненциально увеличивается отрицательное напряжение на его верхнейобкладке (рис. 2.23).

В момент t2 оно по модулю превысит отрицательное опорное

напряжение, т.е. потенциал инвертирующего входа усилителя окажется ниже, нежели неинвертирующего, и выходное напряже-

ние поменяет знак. Оно вновь станет положительным, т.е. равным

Uоп = +βосUп. Таким образом, с момента t1 в схеме начинается периодический процесс, и ее выходное напряжение периодически меняет знак в пределах Uвых= ±Uп. На выходе наблюдаются знакопеременные прямоугольные импульсы. Частота повторения им-

пульсов определяется временем перезаряда конденсатора от +Uоп до –Uоп и наоборот. На интервале времени t2 – t3 напряжение на

конденсаторе стремится от–Uоп к +Uп,т.е.

U = Uп + βосUп = Uп(βос + 1).

Тогда изменение напряжения на конденсаторе во временив соответствиис (2.11) определится равенством

U(t) = (1+βос)Uип(1– е–t/RC) – βосUп.

Поскольку переключение схемы из одного положения в другое происходит в рассматриваемом случае приU(t) =βосUп, то

βосUп = (1+βос)Uип(1– е–t/RC) – βосUп

или

∆t = t3–t2 = RC ln[(1+βос)/(1–βос)].

69