Кварцевая стабилизация частоты. Стабильность частоты колебаний автогенератора

Стабильность частоты колебаний автогенератора. При передаче информации по радиоканалам требуется высокая стабильность частоты радиопередающего устройства, недостижимая без принятия специальных мер по стабилизации частоты задающего генератора. Сделаем некоторые пояснения. Обозначим номинальную частоту некоторого высокочастотного автогенератора f ₀. Под действием целого ряда дестабилизирующих факторов (влияние окружающей температуры, нестабильность источников питания, влажность, вибрации, старение элементов схемы и др.) мгновенное значение частоты f _гавтогенератора отличается от номинального. Разность f _г– f ₀ = Δ f носит название абсолютной нестабильности частоты автогенератора. Качество автогенератора принято характеризовать относительной нестабильностью его частоты δ _f = Δ f / f ₀. Для автогенератора, в котором не предпринято специальных мер по стабилизации частоты, значение относительной нестабильности его частоты δ _f ≈ 10^–3, что не является удовлетворительным. В результате применения целого комплекса конструктивно-технологических мероприятий, таких, например, как применение высокостабильных элементов колебательного контура LС, высокостабильных источников питания, обеспечение минимальной связи с нагрузкой, стабилизация режима работы нелинейного элемента, термостатирование автогенератора и других мер, удается достигнуть относительной нестабильности нелучше δ _f > 10^–4… 10^–5, что для систем связи также не является удовлетворительным.

Прежде чем наметить пути решения этой проблемы, рассмотрим упрощенный механизм возникновения нестабильности частоты генератора. Вспомним условие баланса фаз в автогенераторе и запишем его в несколько иной форме:

(φ _s + φ _{ос )} + φ _z = φ ₁ + φ _z = 2π n = 0,

где φ ₁ = (φ _s + φ _ос)является слагаемым, практически не зависящим от частоты, в то время как φ _z является частотно-зависимым. На рис. 14.6 оба слагаемых уравнения баланса фаз представлены своими частотными зависимостями. Слагаемое φ ₁ изображено горизонтальной пунктирной линией, слагаемое φ _z есть фазовая характеристика колебательного контура. Крутая фазовая характеристика (сплошная кривая) соответствует контуру с высокой добротностью, пологая кривая (пунктир) – контуру с низкой добротностью. Точки пересечения А и В графиков слагаемых соответствуют условию выполнения баланса фаз и определяют значение частоты автогенератора (f _г и f _г1). Обоюдно направленными стрелками показано, в каких направлениях перемещаются составляющие фазового баланса под воздействием дестабилизирующих факторов. Из рис. 14.6 видно, что при крутой фазовой характеристике абсолютные уходы частоты будут меньше, чем при пологой. Следовательно, для повышения стабильности частоты в автогенераторе необходимо использовать колебательные контуры с наибольшей возможной добротностью. Однако наибольшая достижимая величина добротности колебательного контура не превышает 200…300. Выходом из этой ситуации является использование в качестве колебательной системы в автогенераторе кварцевого резонатора (рис. 14.7), эквивалентная добротность которого на три-четыре порядка превышает добротность обычного колебательного контура. Для стабилизации частоты применяются кварцевые пластинки, вырезанные из монокри­сталла кварца под определенными углами к осям кварца и обладающие пьезоэлектрическим эффек­том. Кварцевую пластину, поме­щенную в кварцедержатель, называют кварцевым резонатором, сокращенно – кварцем. Эквивалентная электрическая схема кварца представляет собой параллель­ный колебательный контур второго рода, показанный на рис. 14.7. На схеме L _к, C _к, r _к являются собственными параметрами кварца, C ₀ – емкость кварцедержателя. Их величины определяются геометрическими размерами кварцевой пластины и типом механических колебаний, которые могут быть колебаниями по толщине или по длине. Необычны по срав­нению с колебательным контуром значения собственных параметров кварца. Типовыми значениями параметров схемы замещения кварца на 4 МГц являются следующие: L _к = 100 мГн, C _к = 0, 015 пФ, r _к = 100 Ом, Q =25000. Величина C ₀зависит от конструктивного выполнения и лежит в пределах 1…10 пФ. Кварц имеет две резонансные частоты: частоту последовательного резонанса и частоту параллельного резонанса . В полосе частот между двумя резонансными частотами кварц ведет себя как некоторая индуктивность, что позволяет включить его в схему генератора по емкостной трехточке (рис. 14.8, а). Генератор работает чуть ниже частоты параллельного резонанса. Развязывающий дроссель L _др в цепи источника питания обеспечивает малое сопротивление постоянному току и высокое сопротивление на частоте генерируемых колебаний.

Можно включить кварц и в цепь обратной связи усилителя. Такая схема (рис. 14.8, б) работает на частоте последовательного резонанса. В контур ПОС включены усилительные каскады по схемам с ОБ и ОК, не инвертирующие фазу сигнала. Условие баланса амплитуд выполняется только на частоте , на которой кварц имеет очень малое сопротивление r _ки петлевое усиление контура ПОС оказывается большим единицы.

Для генерирования гармонических колебаний на частотах доли герца – десятки килогерц использование LC -генераторов становится нецелесообразным, так как массогабаритные показатели элементов контура становятся недопустимо большими. По этим же причинам затрудняется перестройка частоты автогенераторов. Поэтому автогенераторы низких и инфранизких частот используют особенности частотных зависимостей ряда RC -цепей, включаемых в цепь обратной связи между входом и выходом широкополосного усилителя. Автоколебания возникают на единственной частоте при одновременном выполнении условий баланса амплитуд и фаз. Такие устройства получили название RC -генераторов. В них в качестве RC -цепей используют многозвенные RC -цепи, мосты Вина и двойные Т -образные мосты.