1.4. Способы стабилизации частоты в автогенераторах

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

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

При расчете коэффициентов нестабильности используют следующие формулы:

для LC-генераторов

(16)

Δf/f_p = -0,5(ΔL/L + ΔC/Q;

для RC-генераторов

(17)

Δf/f_k = -(ΔС/С + ΔR/R).

Здесь параметры ΔL, ΔС 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).

а) б)

Рис 10. Кварцевый резонатор: а — эквивалентная схема; б— зависимость реактивного сопротивления от частоты

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

Кварцевый резонатор (сокращенно кварц) представляет собой помещенную в кварцедержателъ тонкую прямоугольную пластинку минерала кварца, грани которой определенным образом ориентированы по отношению к осям кристалла. Как известно, кварц обладает прямым и обратным пьезоэлектрическим эффектом (проще, пъезоэффектом). Из курса физики известно, что 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. 10). 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 обуславливает высокую эталонность частоты кварцевых резонаторов.

Рис. 11. Схемы кварцевых автогенераторов: а — кварц— аналог индуктивности; 6— кварц включен в мост Вина в качестве сопротивления

При расчетах кварцевый резонатор представляют эквивалентной схемой (рис. 10, а), в которой элементы L_кв, C_кв и R_кв характеризуют, соответственно, индуктивность, емкость и омические потери собственно кварца. Емкость С_вк отражает наличие кварцедержателя. Зависимость реактивного сопротивления кварцевого резонатора от частоты x(f) приведена на рис. 10, б. Она имеет два резонанса: последовательный на частоте f_к1 и параллельный на частоте f_k2. Последовательный резонанс обеспечивают элементы L_кв и С_кв, отражающие резонансную частоту кварца

(18)

Параллельный резонанс в устройствах с кварцевым резонатором практически не используется.

Схемы кварцевых автогенераторов. Чаще всего кварц в LC-генераторах применяют в качестве индуктивности (рис. 11, а), что упрощает конструкцию, а также уменьшает мощность, рассеиваемую в резонаторе. Условия возникновения гармонических колебаний можно проанализировать, заменив кварцевый резонатор (К_в) его эквивалентной схемой и применив общие уравнения, характеризующие самовозбуждение автогенератора.

На рис. 11, б изображена упрощенная схема RС-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.