Кварцевая стабилизация частоты генератора

– применяется, когда необходимо обеспечить нестабильность частоты менее 10^-5

Кварцевая стабилизация заключается в том, что вместо LC - контура в генераторе используют злектромеханическую колебательную систему с кварцевым резонатором.

Кварцевый резонатор представляет собой пластинку, выпиленную определенным образом из природного минералы (кристалла) - кварца (двуокиси кремния SiO2).

Природный кристалл кварца имеет вид шестигранной призмы. Тип и свойства выпиленного из него резонатора определяется тем, как ориентирована пластинка относительно осей кристалла.

Существуют три главные взаимно перпендикулярные оси.

Ось Z называется оптической осью кристалла.

Оси X, проходящие через любую пару противолежащих вершин шестиугольника, - электрические оси.

Оси Y, проходящие через любую пару противоположных граней - механические оси.

Если пластинка кварца вырезана таким образом, что ее наибольшая поверхность перпендикулярна оси X, это означает, что использован срез X. Соответственно существуют срез Y. Есть такие срезы под углом к оси Z.

От типа среза зависит пригодность кварца для работы в различных диапазонах f, температурный коэффициент f, возможность использования в фильтрах и т.д.

Например: пластины кварца, полученная из среза X, обладают отрицательным ТКЧ, т.е. при Т­ f ген¯. Пластины кварца, полученные из срезов под углом к оси Z, в некотором интервале изменения Т имеют нулевой ТКЧ.

Использование именно кварца объясняется его двумя замечательными свойствами:

Кварц, как всякая механическая система, способен совершать механические колебания (например, удлинение или укорочение).

1) Первое замечательное свойство кварца то, что механические колебания достигают большей величины (большей амплитуды D l) только в том случае, если частота внешней силы f равна частоте собственных колебаний f _O= f _КВ кварцевой пластинки. На прочих частотах амплитуда D l колебаний очень мала (колебания практически отсутствуют).

Иначе говоря, резонансная кривая у кварцевой пластинки очень острая, как у колебательного контура очень высокого качества (высокой добротности Q).

2) Второе замечательное свойство кварцевой пластинки заключается в том, что при механических воздействиях на нее (например, сжатии или растяжении) на противоположных гранях пластинки появляются электрические заряды разных знаков и, следовательно, эдс. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом (пьезоэффектом).

С другой стороны под воздействием переменного электрического поля в кварцевой пластинке возникают упругие (механические) калебания. Этим характеризуется обратный пьезоэффект. Собственная f колебаний кварцевой пластинки зависит от ее толщины и лежит в пределах от единицы кГц до десятков МГц. При этом, как уже говорилось, наибольшая амплитуда колебаний кварца будет при резонансе (см. рис. 2), когда f внешнего электрического поля совпадает с f _КВ – собственно частотой кварца.

Оба эти эффекта (прямой и обратный) всегда сопровождают друг друга.

Если f внешнего переменного поля далека от f _КВ, ток, возникающий в ней, будет мал.

С приближением f внешнего переменного поля к f _КВ обратный пьезоэффект повышается, резко повышается амплитуда механических колебаний.

Это приводит к ­ прямого пьезоэффекта и значительному росту тока, который достигает МАХ при f _ВНЕШ = f _КВ (см рис 2)

Такое поведение кварцевой пластинки аналогично действию последовательного электрического контура, поэтому она может быть представлена в виде эквивалентной схемы с последовательно соединённой индуктивностью L _КВ, ёмкостью С _КВ и сопротивлением R _КВ

Поскольку кварцевая пластина подключается к схеме с помощью механического кварцедержателя, то его ёмкость и ёмкость соединительных проводов должна быть учтена в эквивалентной схеме параллельно включённой ёмкостью С _О. Частотная характеристика кварцевого резонатора X(f) – зависимость реактивного сопротивления кварца X_КВ частоты, имеет следующий вид (рис 3)

Рис. 3 Эквивалентная схема кварцевого резонатора (а) и его ЧХ

 

Особенностью характеристики (и кварца, как колебательной системы) является наличие 2-х резонансов:

– последовательного на частоте f ₁;

– параллельного на частоте f ₂

В последовательном резонансе участвуют L _КВ С _КВ и, следовательно,

(5)

В параллельном резонансе участвуют все реактивные элементы схемы кварцевого резонатора (при этом ёмкости С _КВ и С _О вкл. последовательно к L), поэтому

(6)

Учитывая, что С_О >> С_КВ (обычно С _О – единицы, а С_КВ – сотые доли пФ),

получаем

(7)

Т е частоты f 1 = f _КВ » f 2

Т к величины L _КВ C _КВ определяющие рабочую частоту f _КВ, определяются только геометрическими размерами кварцевой пластины, мало зависящими от внешних условий (температуры влажности и т.д.), то практически совпадающие частоты f 1 f 2 будут очень стабильны отсюда можно сделать вывод:

Автогенератор с кварцем даёт колебания строго на одной частоте, равной собственной частоте f _КВ кварцевой пластине благодаря

а) высокой добротности Q, достигающей 10⁴ ….10⁶

сравнение: для LC-контура Q не превышает нескольких сотен.

б) хорошим эталонным свойством пластины, т.е. постоянству её

L _КВ C _КВ стабильность f кварцевых автогенераторов значительно выше стабильности генератора с LC контуром и достигает величины порядка

d_КВ = 10^–5 … 10^–8

// сравнение: d_LC=(10^–2… 10^–3) //