5.4. Стабилизация частоты в автогенераторах

Наиболее важным требованием, предъявляемым к автогенераторам, явля­ется высокая стабильность частоты выходных колебаний. Это связано с тем, что во время работы любого автогенератора частота колебаний флюктуирует в некоторых пределах по случайному закону под воздействием различных дес­табилизирующих факторов: изменений температуры, влажности и напряже­ния питания, наличия внешних электромагнитных полей, механических воз­действий и пр. Влияние дестабилизирующих факторов проявляется в измене­ниях величин индуктивностей катушек, емкостей конденсаторов и сопротив­лений резисторов, входящих в состав колебательных контуров и частотно-избирательных RC-цепей.

Качество работы автогенераторов принято оценивать абсолютной и отно­сительной нестабильностями частоты. Абсолютная нестабильность представ­ляет собой разность Δf между текущим f и номинальным f_p (или f_к) значе­ниями частоты колебаний. Относительная нестабильность частоты определя­ется коэффициентом нестабильности Δf/f_p или Δf/f_к.

При расчете коэффициентов нестабильности используют следующие фор­мулы:

для LC-генераторов

; (5.21)

для RC-генераторов

. (5.22)

Здесь параметры ΔL, ΔC и ΔR — величины изменений индуктивностей катушек, емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов от номинальных значений, вызванные воздействием любого из дестабилизирующих факторов.

В схемах автогенераторов гармонических (часто и импульсных) колебаний применяют два основных способа стабилизации частоты: параметрический и кварцевый.

Параметрический способ стабилизации частоты

Данный способ стабилизации частоты заключается в ослаблении влияния дестабилизирующих факторов и подборе высокочастотных и прецизионных элементов колебательных контуров автогенераторов. Для исключения влияния температуры на параметры усилительных элементов автогенераторы в отдель­ных случаях помещают в термостаты. Уменьшение влияния механических воз­действий обеспечивает применение печатного монтажа и проводов индуктивностей, вжигаемых в керамику. Параметрическая стабилизация частоты позволяет снизить нестабильность до 10⁻⁵ (уход частоты на Δf = 10 Гц при генерируемых колебаниях f_p = 1 МГц).

Кварцевая стабилизация частоты

Данный способ стабилизации основан на применении в электрических схе­мах вместо LC-контуров кварцевого резонатора, что позволяет снизить неста­бильность частоты колебаний автогенератора до 10⁻⁷ (отклонение частоты на Δf = 0,1 Гц от генерируемой f_p = 1 МГц).

Кварцевый резонатор (сокращенно кварц) представляет собой помещенную в кварцедержатель тонкую прямоугольную пластинку минерала кварца, грани которой определенным образом ориентированы по отношению к осям кристал­ла. Из физики известно, что кварц обладает прямым и обратным пьезоэлектри­ческим эффектом (проще, пьезоэффектом). Прямой пьезоэффект возникает при механическом сжатии или растяжении кварцевой пластинки и сопровожда­ется появлением на ее противоположных гранях электрических зарядов.

При воздействии на кварцевую пластинку переменного электрического поля в ней возникают упругие механические колебания {обратный пьезоэффект), при­водящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на гранях пластин­ки. Кварц можно рассматривать как электромеханическую колебательную систе­му и сравнивать ее свойства с обычным колебательным LC-контуром (рис. 5.9). Добротность кварцевого резонатора достигает сотен тысяч, тогда как у колеба­тельного контура она не превышает 300...400. Механическая прочность и слабая зависимость частотных свойств от температуры обусловливают достаточно высо­кую эталонность частоты кварцевых резонаторов.

Рис. 5.9. Кварцевый резонатор: а— эквивалентная схема,

б—зависимость реактивного сопротивления от частоты

При расчетах кварцевый резонатор представляют эквивалентной схемой (рис. 5.9, а), в которой элементы L_KB, C_KB и R_KB характеризуют, соответствен­но, индуктивность, емкость и омические потери собственно кварца. Емкость С_ОК отражает наличие кварцедержателя. Зависимость реактивного сопротив­ления кварцевого резонатора от частоты x(f) приведена на рис. 5.9, б. Она имеет два резонанса: последовательный на частоте f_k1 и параллельный на частоте f_k2. Последовательный резонанс обеспечивают элементы L_KB и C_KB, отражающие резонансную частоту кварца

(5.23)

Параллельный резонанс в устройствах с кварцевым резонатором прак­тически не используется.

Схемы кварцевых автогенераторов. Чаще всего кварц в LC-генераторах применяют в качестве индуктивности (рис. 5.10, а), что упрощает конструк­цию, а также уменьшает мощность, рассеиваемую в резонаторе. Условия возникновения гармонических колебаний можно проанализировать, заме­нив кварцевый резонатор (Кв) его эквивалентной схемой и применив об­щие уравнения, характеризующие самовозбуждение автогенератора.

Рис. 5.10. Схемы кварцевых автогенераторов: а — кварц — аналог

индуктивности, б— кварц включен в мост Вина в качестве сопротивления

На рис. 5.10, б изображена упрощенная схема RC-генератора с мостом Ви­на, в котором вместо одного из резисторов включен кварцевый резонатор, работающий в режиме резонанса напряжений. Для того чтобы резонансная частота кварца совпадала с квазирезонансной частотой моста Вина, сопро­тивление резистора R подбирают равным резонансному активному сопротив­лению кварца R_КВ. Цепь отрицательной ОС с терморезистором R₂, включен­ная между выходом и инвертирующим входом ОУ, компенсирует температур­ные изменения резонансного сопротивления кварца и тем самым стабилизи­рует амплитуду выходных колебаний.

Отметим, что подстройку частоты в принципиальной электрической схеме данного автогенератора осуществляют с помощью конденсаторов. Для этого обычно используется полупроводниковая емкость — варикап.

Литература: В.И. Нефедов, “Основы радиоэлектроники и связи”, Издательство «Высшая школа», Москва, 2002.

7