книги из ГПНТБ / Альтшуллер Г.Б. Кварцевая стабилизация частоты

Значение оптимальной величины сопротивления х„ зависит от начального сопротивления варикапа, имеет индуктивный характер и всегда меньше 1 , т. е. Хп<|А'Со|-

Значение коэффициента эффективности можно найти из выра­

жений (10.40),		(10.43) при е0= 0
		1
D	2 д'р[(	*b*Dрн	4хрц (1 — 2д.'рц)			(10.45)
L “	Д е,		Д ej
		2 **рн- ■&хрн
Как видно из рис. 10.12, выигрыш, полученный при включении
индуктивного		сопротивления параллельно кварцевому резонато­
ру,	увеличивается с ростом сопротивления варикапа хр11.
			Следует отметить, что па­
			разитная емкость, параллель­
			ная варикапу, несколько сни­
			жает эффективность этого спо­
			соба уменьшения нелинейных
			искажений.		Данный	способ
			следует	рекомендовать			для
			использования в частотномоду-
			лнрованпых генераторах, рабо­
			тающих вблизи последователь­
			ного резонанса.
			Способом		уменьшения		не­
			линейных	искажений,		который
			не влияет па стабильность ча­
			стоты при произвольной ее рас­
			стройке, является способ пре­
			дыскажения		модулирующего
			сигнала.
			Данный способ уменьшения
•эффективности от		начального сопротив­ нелинейных искажений заклю­
ления варикапа			чается в специальном предыс­
			кажении	модулирующего			сиг­

нала так, чтобы полученные искажения компенсировали искаже­ ния управляющего элемента и кварцевого генератора. Одним из ва­ риантов этого способа является уменьшение одной полуволны мо­ дулирующего напряжения (рис. 10.13). Это обеспечивается при по­ мощи цепочки предыскажений, состоящей из диода и нескольких сопротивлений (рис. 14.136). Величины /?, и R2 определяют степень искажения (ослабления) одной полуволны модулирующего напря­ жения по отношению к другой полуволне.

1 1 четь приведенная амплитуда одной полуволны будет щ, а вто­

рой полуволны	ii2 (рис. 10.13а),		причем и\>и2. ^Обозначим
(ui + «2)/2 = а,„,	(и\—u2)	/2ит — Аи.	Раскладывая напряжение на
управляющем элементе в ряд, получим
(«, — и,)	3	■ и.2) cos Q /	л (ц, — и„) cos О t =
	(и

2(H)

= -7 - A u и,п + итcos Q t +	— Д и итcos 2 Qt =	ит (— А и j- cos fi t +
Д	Зл	\ л

i— А и cos 2Q t ) .

Зя I

Подставляя значение и из у= 0,5 и используя выражение

Рис. 10.||3. Предыска-				С у ­
жение		полуволны мо-		т
дулнрующего			сигма-	Ilf
л‘а:	эпюра		напряже-	1
н)				-Lj
:п■Г|; б) схема цепоч­
ки	предыскажений с
одним		диодом

(10.46)

выражения (10.40) в (10.4) при (9.6), получаем после преобразо-

ван'ий следующие выражения для сдвига средней -частоты, девиа­ ции частоты, второй и третьей гармоник:

А е0	=	-	и% хри (1	-	е0Г /—	—	1- [1 — 2 л-рн (1 -	е0)] X
			Z		( д	и гп	4
х ^		4	“’ Н ) ) -					<1(Ш >
А е1	=	— 0,5 umxpit{1		— е0)2,				(10.48)
					(П -	2 л-р. ( 1 - е л),(4 - +		^f} ,
								(10.49)
АеЯ=		— — ы ^ р Л 1 -			е«)2 — — *рН (1 — е0) -1- 4 Д1			— е0)2 . (10.50)

Коэффициент нелинейных искажений с учетом второй и третьей гармоник можно определить из выражений (10.48) — (10.50). Учи­ тывая Аи/ит<C l, получаем следующее выражение для коэффици­ ента нелинейных искажений:

	Д	' А’рн (1	е0)	8	Д».Урн (1 — е0)2	|*
	-V< (1 — е„)‘-			Зл	Д ех	/
	Де^1					(10.51)
		•'■"рнU	е0)	■^„(1 -ео )*
	рч	■е)4
Значение Аи, при котором нелинейные искажения минимальны,
можно найти, дифференцируя выражение				(10.51) по Ди и прирав­
нивая его нулю:
А и°пт =	ит[1 —	Зл		Д et	X
		2 л-р п (1	-Грн (1
		16			е0)“	(10.52)
‘ [ 1— 2,VpH(! — е0)].

201

При этом коэффициент нелинейных искажений по второй гар­ монике равен нулю, а искажения по третьей гармонике от Аи не зависят и при этом способе 'Предыскажений не уменьшаются.

Коэффициент нелинейных искажений при Аи=Аиопг

ЛеТ

min	Л'/8	- Л Р „ ( 1	е0) + 4 , ( 1	ео)2
		л'рн (1 — е<|)4

(10.53)

Из анализа выражений (10.51), (10.52) п кривых рис. 10.14 видно, что минимум коэффициента нелинейных искажений полу­ чается для определенной девиации частоты. Если обеспечить ми-

шлшых искажений от депиаини частоты при различных величинах Лн(е0 = 0, А'рП= —0,5)

ннмальные нелинейные искажения для максимальной девиации, то для меньших девиаций получается избыточное предыскажение и нелинейные искажения для меньших девиаций могут возрастать. Для устранения этого следует выбирать величину Аи так, чтобы обеспечить минимум нелинейных искажений при 0,5Aei, тогда в заданном диапазоне рабочих девиаций частоты нелинейные иска­ жения будут малыми.

Эффективно уменьшить нелинейные искажения можно, приме­ нив в тракте передачи сигнала усилительный каскад со специаль­

ной	характеристикой. Форма такой характеристики описана в
[26,	32].

Следует отметить необходимость некоторого увеличения моду­ лирующего напряжения при использовании предыскажений, фор­ мируемых цепочкой с диодами.

Способ введения предыскажений не ухудшает стабильности ге­ нератора при произвольной расстройке и может быть рекомендо­

202

ван для применения в частотномодулированных кварцевых гене­ раторах.

Следует указать на еще один способ уменьшения нелинейных искажений без изменения стабильности частоты при произвольной расстройке. Способ заключается в подаче двух модулирующих на­ пряжений одновременно. Первое напряжение подается на один вы­ вод варикапа в течение двух полупериодов, второе напряжение с определенной амплитудой подается на второй вывод варикапа в течение одного полупериода.

В некоторых случаях оказывается целесообразно использовать одновременно несколько способов уменьшения нелинейных иска­ жений.

1 0 .4 . К В А Р Ц Е В Ы Е Г Е Н Е Р А Т О Р Ы С Ч А С Т О Т Н О Й М А Н И П У Л Я Ц И Е Й

Частотная манипуляция применяется в частотной телеграфии. При частотной манипуляции кварцевый генератор в зависимости от телеграфной посылки работает на одной из двух частот: выс­ шей частоте /п (расстройка ев), в низшей частоте f3 (расстройка с„). Разница между высшей и низшей частотами: Fp= f B—fB— ха­ рактеризует их разнос (соответственно Аер= е в—ен).

Существует много способов частотной манипуляции в кварце­ вых генераторах. Рассмотрим кратко несколько из них, а именно частотную манипуляцию без разрыва фазы.

Частотная манипуляция реализуется изменением напряжения на варикапе. Этот способ аналогичен способу получения частотномодулированного сигнала, только на варикап, включенный в ге­ нераторную схему, следует подавать прямоугольные импульсы, т. е. иметь два уровня напряжения: один, соответствующий высшей ча­ стоте, другой — низшей.

Этот способ позволяет получать высокую скорость манипуля­ ции и обеспечивает частотную манипуляцию со скругленными фронтами импульса.

Стабильности частот частотноманипулированных и частотномодулированных кварцевых генераторов отличны, что обусловли­ вается в основном двумя причинами.

1. В частотноманипулированных генераторах стабильность частоты необхо­ димо определять на высшей и низшей частотах, в то время как в частотиомодулированпых генераторах определяется стабильность средней частоты. Неста­ бильность частоты кварцевого генератора с частотной манипуляцией нужно опре­ делять раздельно на низшей и высшей частотах генератора. Для этого следует воспользоваться формулами, полученными в § 10.2, в которые необходимо под­ ставить вместо с» расстройки е„ и ен соответственно.

Поскольку при изменении расстройки изменяется ЧТХ Де(, то это изменение следует учитывать при определении нестабильности:

Ае< = I е„ — е„ |атД t.

2.В частотноманипулированных генераторах, в отличие от частотномодулированных генераторов, можно выбирать режим работы и элементы схемы, не учитывая нелинейные искажения. Нестабильность частоты увеличивается по мере

203

увеличения величины начального сопротивления варикапа. Поэтому в частотномаиипулироваиных кварцевых генераторах целесообразно выбирать большие значения изменения напряжения и и малые значения сопротивления jcp„. Зада­ ваясь величиной и порядка 0,8, можно определить величину начального сопро­ тивления варикапа

-'рн = (ев ен)/1(1 е„) (1 eu)J.

Частотная манипуляция коммутацией реактивных сопротивле­ ний генераторной схемы. Получить частотную манипуляцию можно коммутацией управляющих реактивных сопротивлений схемы ге­ нератора. В качестве переключателей целесообразно использова­ ние полупроводниковых диодов. Наиболее просты схемы с комму­ тацией управляющего сопротивления при помощи диода, причем диод, в частности, может подключать управляющее сопротивле­ ние ХУ2 последовательно с кварцевым резонатором и сопротивле­ нием Ху).

Такая схема показана на рис. 10.15. Реактивное сопротивление -Vу| позволяет получить одну из частот частотноманипулированно-

Рис. 10.15 н 10.16. Схемы чаетотноманнпулнрованных кварцевых гене­ раторов

го кварцевого генератора. Частотная манипуляция обеспечивается

коммутацией реактивного сопротивления Ху2 при помощи	диодов
Д\ и Д 2. Величины сопротивлений Ху1 и Ху2 можно найти,	исполь­
зуя выражения, полученные в § 9.1.

Величину сопротивления Ху2 можно уменьшить, применив схе­ му рис. 10.16. В этой схеме коммутируется как сопротивление ХуЬ так и сопротивление Ху2.

При частотной манипуляции коммутацией реактивных сопротив­ лений при помощи полупроводниковых диодов несколько ухудша­ ется стабильность частоты.

Основными причинами увеличения нестабильности частоты яв­ ляются, помимо изменения ЧТХ кварцевого резонатора, влияние реактивных сопротивлений, служащих для изменения частоты ге­ нератора, и влияние диодных ключей.

Нестабильность частоты, вызванную изменением ЧТХ кварце­ вого резонатора при частотной манипуляции, можно уменьшить выбором температурного коэффициента управляющего элемента

и х .	величину которого можно определить из следующего выра­
жения:
“ а-и.	« т (1 - еср) / ( 1 — ев н),

204

где еср = (ев + е„ ) / 2 — среднее значение расстройки частотноманинулированного генератора.

Отметим, что для компенсации изменения ЧТХ кварцевых ре­ зонаторов среза АТ знак температурного коэффициента управляю­ щего элемента на высшей частоте должен быть положительным, а на низшей — отрицательным.

Возможна компенсация ЧТХ на высшей и низшей частотах так, чтобы результирующие температурные характеристики мало отли­ чались от температурных характеристик генератора на средней ча­ стоте. Вопросы улучшения стабильности частоты кварцевых гене­ раторов без разрыва фазы за счет термоком'пенсации ЧТХ всего генератора будут рассмотрены в § 12.4.

Частотная манипуляция при бесконтактном переключении двух частот. Аналогичная схема описана в § 8 .6 . В этой схеме в различ­ ные плечи мостовой цепи генератора включено два кварцевых ре­ зонатора, соответствующих высшей и низшей частотам. Частоты коммутируются перестройкой контура, например, при помощи ва­ рикапа. Колебания в контуре возбуждают второй кварцевый резо­ натор, колебания которого, в свою очередь, затягивают колебания генератора без разрыва фазы. Эксперимент показал возможность манипуляции до тысячи бод с переходным процессом менее 1 0 мкс.

ИГ Л А В А

ТЕРМОСТАТИРОВАНИЕ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ И ГЕНЕРАТОРОВ

11-1 КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМОСТАТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ И ИХ ПАРАМЕТРЫ

Температурная нестабильность кварцевых генераторов, рабо­ тающих в широких температурных интервалах, является основной составляющей нестабильности частоты. Выбором специальной ориентации кварцевых элементов резонаторов, уменьшением раз­ броса их параметров можно повысить стабильность частоты квар­ цевых генераторов. Дальнейшее повышение температурной ста­ бильности частоты может быть достигнуто применением методов термоетатпрования и термокомпенсации. В этой главе будет рас­ смотрен метод термоетатпрования. Термокомпенсация изменений частоты кварцевых резонаторов и генераторов будет рассмотрена в гл. 1 2 .

Для повышения стабильности частоты используются термостатирующие устройства. Под термостатирующим устройством будем понимать устройство, поддерживающее внутри объема термостатирования заданную температуру с определенной точностью при изменении температуры окружающей среды. Существующее мно­ гообразие термостатируиощих устройств можно классифицировать по ряду основных параметров. Так, в зависимости от способа ис­ пользования теплового потока термостатирующие устройства под­ разделяются на три группы:

1.Устройства, в которых заданная температура поддерживает­ ся с помощью нагрева. В них рабочая температура объема термостатирования всегда выше крайней положительной температуры окружающей среды. Такие термостатирующие устройства назы­ ваются подогревными.

2.Устройства с охлаждением объема термостатирования. В них рабочая температура ниже самой низкой температуры окружаю­ щей среды.

3.Устройства, в которых применяют как нагрев, так и охлаж­ дение объема термостатирования. Такие термостатирующие уст­ ройства называются реверсивными. В них рабочая температура объема термостатирования может быть выбрана внутри темпера­ турного интервала, в котором должно работать термостатирующее

'сгройство.

По принципу действия термостатирующие устройства подразде­ ляются на:

1 ) пассивные, в которых нет термодатчика и схемы регулиро­ вания;

2 ) активные, в которых используются схемы регулирования температуры;

3) устройства с естественным термостатированием, использую­ щие тепло земли.

Термостатирующие устройства могут быть классифицированы также по типу регулирования на:

1 ) устройства с позиционным (дискретным) регулированием; 2 ) устройства с пропорциональным (плавным) регулированием. Иногда термостатирующие устройства подразделяют по типу

используемого термодатчика на устройства: 1 ) с биметаллическим датчиком; 2 ) с ртутным датчиком;

3)с датчиком в виде терморезистора;

4)с использованием в качестве термодатчика фазового пере­ хода состояния вещества.

Кроме того, термостатирующие устройства могут быть класси­ фицированы по таким параметрам, как точность поддержания тем­ пературы, время готовности, средняя потребляемая мощность и др. Рассмотрим основные параметры термостатирующих устройств.

1.Температура термостатирования — текущее значение сред­ ней температуры объема термостатирования.

2.Номинальная температура термостатирования термостати-

рующего устройства — заданная средняя температура в объеме' термостатирования.

3.Габариты и масса.

4.Термостатированный объем.

5.Напряжение питания термостатирующего устройства.

6 . Средняя мощность, потребляемая термостатирующим устрой­ ством в установившемся режиме при нормальных крайних отрица­ тельной и поллжительной температурах.

7. Максимальная потребляемая мощность — пиковая мощность, потребляемая термостатирующим устройством при позиционном регулировании.

8 . Максимальная потребляемая мощность термостатирующего устройства в начальный момент времени (т. е. мощность, потреб­ ляемая в форсированном режиме).

9. Форсированный режим — режим специального повышения темпов нагрева или охлаждения объема термостатирования после включения устройства для уменьшения времени установления тем­ пературы.

10.Время готовности термостатирующего устройства — время

смомента включения термостатирующего устройства до момента, когда температура в объеме термостатирования достигает и ос­ тается в заданных пределах от средней температуры термостати-

ровапия.

2 0 7 .

11.Точность поддержания температуры термостатирующего устройства — изменение средней температуры объема термостатировання при изменении температуры окружающей среды в задан­ ных пределах.

12.Точность регулирования температуры термостатирующего устройства — изменение температуры объема термостатирования

впроцессе регулирования температуры при постоянной темпера­ туре окружающей среды.

13.Интервал рабочих температур — интервал температур, в пределах которого термостатирующее устройство должно обеспе­ чивать заданные параметры.

14.Коэффициент ослабления влияния температуры окружаю­ щей среды, равный отношению изменения окружающей темпера­ туры к соответствующему изменению средней температуры объема термостатирования при заданных изменениях температуры окру­ жающей среды.

Термостатирующее устройство состоит из камеры, в которой размещают объект термостатирования; термодатчика, являющегося термочувствительным элементом, который непосредственно или че­ рез схему регулирования автоматически регулирует поступление мощности в термостатирующее устройство; слоя теплоизоляции; устройства, подводящего тепло к камере или отводящего от нее тепло. Для отвода тепла от камеры 'используются термоэлектри­ ческие батареи, а для подвода тепла — нагреватели. В качестве нагревателей могут применяться проволочные, пленочные транзи­ сторные нагреватели и др.; кожуха; схемы регулирования, усили­ вающей сигнал термодатчика до необходимой величины.

Рассмотрим подробнее термодатчики, применяемые в термоста­ та рующих устройствах.

11.2.ТЕРМОДАТЧИКИ

Существует большое количество термодатчиков. Рассмотрим кратко некоторые из них.

Биметаллические. Их принцип действия основан на различии температурных коэффициентов линейного расширения двух метал­ лов, образующих биметаллическую пластину. При изменении тем­ пературы биметаллическая пластина изгибается, замыкая или размыкая контакты. Для повышения надежности целесообразно использование системы регулирования. В некоторых случаях для непосредственного управления мощностью целесообразно выпол­ нять биметаллические датчики так, чтобы замыкание и размыка­ ние их происходило скачком [71, 115]. Обычно биметаллические датчики могут обеспечить точность регулирования температуры порядка гп ГС, однако при тщательном их выполнении можно обес­ печить точность в несколько десятых градуса. Достогфством би­ металлических датчиков является их простота, однако они срав­ нительно не надежны, имеют малую виброустойчивость и поэтому п о вменяются ограниченно.

мн

Ртутные. Их принцип действия основан на коммутации контак­ тов при изменении температуры за счет объемного расширения ртути. Как и биметаллические ртутные термодатчики, применяются в дискретных системах регулирования. Ртутный термодатчик пред­ ставляет собой ртутный термометр с двумя контактами: один из них всегда имеет контакт с ртутью, а второй контакт впаивается на некотором расстоянии от первого. При определенной темпера­ туре ртуть замыкает оба контакта; таким образом, ртутные термодатчики всегда работают на замыкание. Они позволяют получить более высокую точность, чем биметаллические датчики, однако они более инерционны, мало устойчивы к механическим воздействиям и не работоспособны при температурах ниже —40°С. Эти недо­ статки с учетом сравнительно низкой надежности ограничивают их применение.

Терморезисторные. Терморезисторы имеют малые габариты и тепловую инерцию, высокую надежность, что обусловливает широ­ кое применение их в качестве датчиков температуры в термостатирующих устройствах. Для уменьшения их старения целесообразно подвергать терморезисторы искусственному старению при повы­ шенной температуре.

Проволочные сопротивления в качестве термодатчиков. Дейст­ вие этих термодатчиков основано на свойстве металлов увеличи­ вать электрическое сопротивление п-ри повышении их температу­ ры. В качестве материала для проволочных сопротивлений можно использовать никель, медь и другие металлы. Достоинствами про­ волочных сопротивлений в качестве термодатчиков являются большая стабильность во времени, чем у терморезисторов, и воз­ можность в некоторых системах терморегулирования сочетания функций термодатчика и нагревательного элемента.

Полупроводниковые диоды или транзисторы в качестве термо­ датчиков. Возможность использования полупроводниковых прибо­ ров в качестве термодатчиков основывается на зависимости обрат­

ного тока диода	или коллекторного перехода от	температуры.
Эти зависимости	достаточно подробно рассмотрены	в {70, 201].

Чувствительность этих термодатчиков невелика, а стабильность их мала, что затрудняет их использование.

Сегнетоэлектрические элементы в качестве термодатчиков. Ис­ пользование сегнетоэлектрических элементов в качестве термодат­ чиков основано на изменении состояния материала из полярного в неполярное и обратно при определенной температуре (температу­ ра Кюри). При питании сегнетоэлектрического элемента высоко­ частотным напряжением достаточно большой величины в «ем бу­ дет выделяться тепло вследствие диэлектрического' гистерезиса.' При достижении температуры Кюри сегнетоэлектрический элемент перейдет в неполярное состояние и выделение тепла прекратится. В качестве материала сепнетоэлектрического элемента может ис­ пользоваться триглицинсульфат (температура Кюри порядка 49°С) и триглицинфторобериллат (температура Кюри порядка 70°С). Сегнетоэлектрический элемент сочетает функции термодатчика с

2 0 9