И. Хабловски - Электроника в вопросах и ответах

Если требования к стабильности частоты генератора велики, то кварц должен быть помещен в термостат, внутри которого поддерживается постоянная температура. При этом можно получить стабильность лучше, чем 10 -6(даже 10 -8). На основе таких генераторов создаются эталоны (стандарты) частоты и кварцевые часы.

Кварцевая пластина может быть представлена в виде эквивалентной схемы (рис. 10.13, а ). Это схема, в которой механические параметры кварца заменяются электрическими эквивалентами. Так, индуктивность L m— электрический эквивалент массы, емкость С m— гибкости (упругости); сопротивление R mпредставляет противодействие перемещению, вызываемому трением в кристалле. Емкость С 0является емкостью между проводящими пластиками, присоединенными к кварцу. В схеме имеются два резонанса: последовательный и параллельный (рис. 10.13, б ).

Рис. 10.13. Эквивалентная схема кварцевого контура ( а) и соответствующее ей изменение реактивной проводимости ( б)

Резонансные частоты кварца обратно пропорциональны его размерам и толщине. Размеры типового кварца на частоту 428 кГц — 2,75х3,33х0,636 см. Параметры элементов эквивалентной схемы составляют: С 0= 5,8 пФ; С m= 0,042 пФ, L m = 3,3 Гн; Q= 23 000.

Кварцевые пластины (кварцевые резонаторы) изготавливаются на частоты от 2 кГц примерно до 35 МГц. Возможно также изготовление кварцев, работающих на более высоких частотах, даже до 150 МГц. Однако в этом случае генераторы работают на так называемых «обертонах», т. е. на частотах колебаний, почти в точности равных гармоническим частотам основной частоты.

Схема генератора Пирса представлена на рис. 10.14. Генератор Пирса является разновидностью генератора с емкостной связью. Кварцевый резонатор работает на частоте, близкой к частоте параллельного резонанса, и имеет индуктивное реактивное сопротивление Два конденсатора С 1и С 2образуют емкостной, делитель.

Генератор Пирса очень удобен для применения в многоканальных передатчиках, стабилизированных кварцем, поскольку не требует подстройки контура при смене кварца.

Рис. 10.14. Генератор Пирса

Это генератор, в котором не содержатся резонансные контуры LC, а цепь, определяющая генерируемую частоту, состоит только из элементов RC. Различают RС-генераторы с фазосдвигающими и мостовыми схемами. Обычно RС-генераторы используются для получения синусоидальных колебаний с частотами от долей герц (например, 0.01 Гц) до нескольких десятков килогерц. Обычно верхний предел частоты не превышает 300 кГц. RС-генераторы характеризуются хорошей стабильностью, легко перестраиваются и позволяют получать колебания с очень низкими частотами. Реализация LC-генератора, генерирующего колебания очень низкой частоты, является не простым делом из-за трудностей, связанных с изготовлением катушки с очень большой индуктивностью.

Схема генератора показана на рис. 10.15.

Рис. 10.15. RС-генератор с фазосдвигающей цепью

В состав генератора входит резистивный усилительный каскад, а также трехсекционная лестничная RС-цепочка, включенная между выходом и входом усилителя. Эта цепочка, находящаяся в петле ОС, вносит фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями. Одним из условий возникновения колебаний в схеме является фазовый сдвиг между этими напряжениями, составляющий 180°. В рассматриваемой цепи подобная ситуация может возникнуть только на одной частоте. Действие цепи легко можно понять, если принять во внимание, что каждая RС-секция является простым фазовращателем, вносящим в первом приближении сдвиг фазы 60° на рабочей частоте схемы. Три такие секции вносят, следовательно, требуемый сдвиг фазы 180°. Поэтому ПОС является избирательной, и в связи с этим колебания имеют синусоидальную форму.

Фазосдвигающая цепь вносит достаточно заметное затухание, и поэтому коэффициент усиления транзистора должен быть соответственно большим. Для RС-цепи, состоящей из трех секций, коэффициент усиления должен составлять не менее 29. Тогда будет выполнено также второе условие возникновения колебаний — условие баланса амплитуд.

При одинаковых сопротивлениях резисторов Rи емкостей конденсаторов Счастота колебаний генератора рассчитывается по формуле f= 1/(2π√6· RC). Для изменения частоты колебаний достаточно изменить сопротивление или емкость в фазосдвигающей цепи.

Общая структурная схема генератора мостового типа представлена на рис. 10.16. При соответствующем выборе параметров элементов моста ( R 1= R 2; R 4< R 3) напряжение на диагонали АВ моста находится в фазе с напряжением на диагонали СО . Напряжение U ABуправляет двухкаскадным усилителем без инверсии фазы (фазовый сдвиг 360°), выход которого является источником сигнала, подключаемого к одной диагонали моста.

Рис. 10.16. Структурная схема генератора мостового типа

Если коэффициент усиления достаточен, то в схеме выполняются условия, необходимые для возникновения колебаний. Поскольку схема является широкополосной и не выделяет какой-либо частоты, генерируемое напряжение не имеет синусоидальной формы.

Если схема должна генерировать напряжение некоторой определенной частоты, то ветвь моста с резисторами R 1и R 2должна быть заменена избирательной схемой. Схема такого типа, образующая совместно с резисторами R 3и R 4мост Вина, представлена на рис. 10.17, а . Резистор R 1заменен последовательной RС-цепочкой, а резистор R 2— параллельной RС-цепочкой. Условие соответствующей фазы напряжения, возбуждающего усилитель, выполняется только на одной частоте f= 1/(2π RC). На других частотах имеет место меньшее напряжение U АВ, а его фаза отличается от желаемой.