Кварцевая стабилизация.

Применение кварцевых резонаторов позволяет обеспечить относительное изменение частоты, не превышающее

Для изготовления кварцевых резонаторов используют природный кварц или искусственное кварцевое стекло(SiO₂)

Благодаря пьезоэлектрическому эффекту в зависимости от геометрических размеров и формы кристала возможно появление колебаний на основной резонансной частоте или на гармониках, кратных этой частоте.

Прямой пьезоэффект –при сити кварцевой пластины на противоположных ее гранях появляются разноименные электрические заряды, при растяжении пластины знаки зарядов изменяются на противоположные.

Обратный пьезоэффект – при воздействии на кристалл переменного электрического поля в нем возникают другие механические колебания, приводящие в свою очередь к появлению электрических зарядов на гранях.

Кварцевый резонатор эквивалентен электрическому колебательному контуру, схема замещения которого имеет вид:

 

 

Величины LC и R определяются механическими свойствами кварцевой пластины. R – небольшое оммическое сопротивление, характеризующее затухание механических колебаний.

Емкость C₀ – определяется меж электродной емкостью резонатора и емкостью подводящих проводов.

Полное сопротивление кварцевого резонатора

, где

Пренебрегая значением R (т.е. R=0), получим:

При Z_пол=0 получаем точку последовательного резонанса, которая зависит только от строго определенных параметров резонатора R,L,C (резонанс напряжений)

При получаем точку параллельного резонанса, частота которого определяется параметрами RLC, но и величиной C₀, которая значительно менее определена.(Резонанс токов)

Частота резонанса токов , больше частоты резонанса напряжений. Частоты и мало отличаются друг от друга т.к. С₀>>C

 

 

 

На частотах ниже и выше эквивалентное сопротивление кварца носит емкостный характер, а на частотах выше и ниже - индуктивный.

Добротность КР где w_p – частота резонанса .

Часто необходимо изменять частоту КР в небольших для того, чтобы получить требуемое значение частоты. Для этого последовательно с КР включают конденсатор С_п, емкость которого значительно больше С т.е. С_п>>C.

 

 

В этом случае полное сопротивление кварца:

При этом частота последовательного резонанса:

Пределы регулирования частоты:

Частота параллельного резонанса при подключении С_п не изменяется т.к. знаменатель Z_пол не зависит от С_п. На практике используют оба вида резонансов.

Генераторы с кварцевой стабилизацией частоты выполняют обычно включением КР на место время задающей емкости.

Рассмотрим схемы генераторов с кварцевой стабилизацией на ОУ

 

 

В автогенераторе по схеме а) используется последовательный резонанс. На частоте сопротивление КР равно нулю, т.е. проходит самовозбуждение генератора.

В генераторе по схеме б) используется параллельный резонанс. КР включен в цепь ООС. На частоте параллельного резонанса Z_пол=∞ (резко возрастает). Глубина ООС уменьшается, а ПОС остается без изменения (определяется резисторами R₃ и R₄). Если результирующее значение петлевого усиления βК окажется больше 1 (Кβ>1), то автогенератор возбудится.

Ограничение амплитуды колебаний осуществляется за счет выхода ОУ в нелинейную область.

Для схем мультивибраторов на цифровых КС инверторы выводятся в активную область за счет охвата отрицательной обратной связью, и КР включается вместо емкости в цепь положительной обратной связи.

 

 

В низкочастотных кварцевых генераторах (10-100кГц) рекомендуется входы инверторов соединять с землей с помощью небольших емкостей, устраняющих высокочастотную паразитную генерацию.

Схема генератора на базе ИС серии К561

 

 

Частота генерации определяется типом кварца. Точное значение частоты можно достичь путем подбора емкостей конденсаторов С₁ (16-68нФ) и С₂ (15-150нФ). Микросхема DD1.2 необходима для формирования стандартных импульсов. Резистор R₁(2,7 ÷20)кОм определяет глубину обратной связи, а R₂(18÷510)кОМ нагрузку элемента DD1.1.