книги из ГПНТБ / Альтшуллер Г.Б. Кварцевая стабилизация частоты
.pdf4.4.ЭКВИВАЛЕНТЫ ГЕНЕРАТОРОВ
Рабочая частота кварцевого резонатора в большой степени зависит от схе мы генератора, поэтому кварцевые резонаторы должны настраиваться в схемах генераторов, для которых они предназначены. При использовании схем последо вательного резонанса возможно использование типовых технологических генера торов.
При использовании других схем генераторов кварцевые резонаторы при на стройке должны возбуждаться в эквиваленте генератора. Эквивалент должен иметь стабилизированный выпрямитель, буферные каскады для уменьшения влия ния нагрузки па частоту и усилители напряжения для получения уровня выход ного напряжения, достаточного для обеспечения работы электронно-счетных час тотомеров, генератор для возбуждения кварцевых резонаторов.
Эквивалент генератора должен быть сконструирован так, чтобы был удоб ным доступ к кварцевому резонатору и была предусмотрена его легкая замена. Эквивалент должен иметь прибор для регистрации активности кварцевых резо наторов и должны быть предусмотрены клеммы для подключения прибора, изме ряющего активность резонаторов Для термостатированных кварцевых резона торов ^необходим эквивалент генератора с термостатнрующнм устройством. Термостатирующее устройство должно допускать быструю замену кварцевых резо наторов.
Эквиваленты генератора должны быть настроены так, чтобы разброс между ними при возбуждении в них одних и тех же кварцевых резонаторов составлял по частоте не более 10% от допуска по точности настройки и не более 5% по активности. Эквиваленты генераторов эталонируют на контрольных резонаторах, и результаты заносятся в паспорт эквивалента генератора. Кроме паспорта, к эквивалентам необходимо прилагать краткое описание и инструкцию по эксплуа тации с указанием сроков проверки эквивалентов и особенностей их работы.
Кварцевые резонаторы следует настраивать на той механической гармонике, на которой они будут использоваться в генераторах. Следует отметить, что обыч но кварцевые резонаторы до 20 МГц изготавливаются на основной гармонике, в диапазоне 20—60 МГц — на третьей механической гармонике, а в диапазоне 60— 100 МГц — на пятой. При заказе можно указать номер механической гармо ники резонатора.
Заказывая кварцевые резонаторы, необходимо задавать минимальную вели чину активности кварцевых резонаторов как при нормальной температуре, так и в рабочем интервале температур. Целесообразно вместо активности кварцевых резонаторов задавать максимально допустимое значение эквивалентного сопро тивления кварцевого резонатора и его изменение в интервале температур.
Следует задавать нормы на изменение частоты резонаторов в процессе ме ханических испытаний и после них, после предельных циклических температурных воздействий. Если необходимо, оговаривают значения эквивалентных параметров кварцевых резонаторов и максимально допустимые допуски на них.
Отметим, что ГОСТ не препятствуют изготовлению и выпуску кварцевых оезопаторов по техническим условиям с параметрами лучшими, чем указанные в ГОСТ.
5Г Л А В А
КЛАССИФИКАЦИЯ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
5.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Внастоящее время создано большое количество кварцевых ге нераторов, которые различаются по назначению, условиям экс плуатации, по величине максимальной нестабильности частоты, га баритам, мощности потребления, времени готовности и другим па раметрам. Соответственно кварцевые генераторы могут быть клас сифицированы по различным критериям.
Кварцевые генераторы могут быть разделены на группы по до
пустимой нестабильности частоты: 1 ) менее 1 •1 0 -9; |
2 ) |
в пределах |
||||
1 - 10—9— 10-10~9; |
3) |
в пределах |
Ы О - 8 —10*10-8; |
4) |
в |
пределах |
1 ■10- 7— 10-10-7; |
5) |
в пределах |
1 -10—6— 10-4О-6; |
6 ) |
в |
пределах |
J 0 -1о-6— 100-10 -6; 7) более 100-1 о-6. |
-------- - |
Кварцевые генераторы со стабильностью лучше 1-10~ 6 изготав |
|
ливаются на определенные частоты, |
обычно 1; 1,5, 2; 2,5; 3; 5; 8 |
или 10 МГц, так как именно для этих частот разработаны преци зионные кварцевые резонаторы.
Кварцевые генераторы подразделяются на несколько групп в зависимости от способов термостатирования или термокомпенса ции: 1 ) без термостатирования или термокомпенсации; 2 ) термо статированные; 3) термокомпенсированные.
По количеству кварцевых резонаторов, которые возбуждаются поочередно в кварцевом генераторе, они могут быть: 1 ) одиокварцевые; 2) многокварцевые. Применяется механическая или элек тронная (при помощи диодов) коммутация резонаторов.
Кварцевые генераторы подразделяются на группы в зависимо сти от способов управления их частотой:
1. Неуправляемые по частоте.
2 . Допускающие устранение неточности настройки кварцевых резонаторов и их старение.
3.Кварцевые частотномодулированные генераторы.
4.Кварцевые частотноманипулированные генераторы.
3 ) С использованием одного кварцевого резонатора для стаби лизации ряда близко расположенных частот.
6 . С управлением частоты в определенных пределах.
81
В зависимости от назначения и условий эксплуатации генера торы подразделяются на работающие:^) в стационарных радио станциях; 2 ) в мобильных радиостанциях; 3) в носимых радиостан циях; 4) в переносных радиостанциях.
Кварцевые генераторы характеризуются большим числом пара метров. Одни из них — общие для большого количества генерато ров, другие — характеризуют специальные генераторы.
Рассмотрим сравнительно распространенные параметры квар цевых генераторов:
1. Номинальная частота — частота, установленная в техниче ской документации на генератор.
2 . Рабочая частота — частота генерации кварцевого генера тора.
3.Отклонение частоты генератора от номинальной — отклоне ние рабочей частоты кварцевого генератора от номинальной ча стоты.
4.Суммарная нестабильность частоты — общее изменение ча стоты генератора из-за воздействия дестабилизирующих факторов.
5.Суммарное отклонение частоты генератора от номинальной, равное сумме отклонения частоты генератора при нормальных ус ловиях и суммарной нестабильности частоты.
6. Временная нестабильность частоты (старение) — нестабиль
ность частоты генератора за определенное время.
7. Общее отклонение частоты генератора от номинальной с учетом временной нестабильности генератора за определенное время.
8 . Пределы перестройки частоты корректором.
9.Периодичность подстройки частоты.
10.Номинальное напряжение питания — напряжение, установ ленное в технической документации.
11.Допуск на напряжение питания и его нестабильность — разброс напряжения питания по отношению к номинальному зна чению и нестабильность напряжения питания под действием де стабилизирующих факторов.
12.Нагрузка генератора ■— величина активных и реактивных сопротивлений, на которые работает генератор.
13.Выходное напряжение генератора — величина напряжения на нагрузке генератора.
14.Габариты генератора.
15.Интервал рабочих температур — интервал температур, в пределах которого генератор обеспечивает заданную стабильность частоты.
16.Интервал предельных температур — интервал температур, после воздействия которых генератор работоспособен при рабо чих температурах.
17.Условия эксплуатации — условия, при которых генератор должен обеспечивать заданные параметры.
18.Мощность потребления генератора. При применении термостатируюгцих устройств:
82
а) в установившемся режиме в нормальных условиях и при крайних рабочих температурах; б) в режимГе разогрева термостатирующего устройства.
19. Время готовности — время, через которое генератор обе спечивает заданное отклонение частоты от номинальной Частоты или от установившегося значения частоты.
20. |
Количество кварцевых резонаторов. |
2 1 . |
Частотномодулированный кварцевый генератор дополни |
тельно характеризуется: а) девиацией частоты; б) коэффициентом нелинейных искажений; в) величиной модулирующего напряжения для получения заданной девиации частоты; г) диапазоном модули рующих частот.
5.2.КЛАССИФИКАЦИЯ СХЕМ
Существует большое количество разнообразных схем кварце вых генераторов.
Удобно классифицировать кварцевые генераторы по месту включения кварцевых резонаторов в схему генератора. По этому признаку кварцевые генераторы могут быть разделены на несколь ко групп.
Рассмотрим сначала одиотранзисторные кварцевые генераторы (рис. 5.1). К первой группе схем относятся схемы кварцевых ге нераторов, в которых кварцевый резонатор вместе с управляющим
|
|
а) |
|
|
5) |
Г— |
|
ц |
Г |
|
Кдч. |
] |
|
■К6Ч.f |
|
||
|
■К |
т |
т |
||
|
т |
|
|
Г 7 |
|
|
3 г |
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
J |
|
|
L |
|
L |
|
Рис. 5.1. Обобщен |
Рис. |
5.2. |
Емкостная |
трехточечная схема |
|
ная |
трехточечная |
кварцевого генератора: |
|
||
схема |
кварцевого |
а ) с подстроечным элементом; б) без под |
|||
генератора |
строечного элемента |
|
(подстроечным) элементом включен вместо одного из сопротивле ний схемы (см. рис. 5.1). Следует отметить, что подстроечных (уп равляющих) элементов может и не быть. Если кварцевый резона тор вместе с управляющим элементом или без него включен вме сто сопротивления Z3 между коллектором и базой транзистора, схема кварцевого генератора называется емкостной трехточечной схемой (рис. 5.2).
83
Если кварцевый резонатор с управляющим элементом или без него включен вместо сопротивления Z2 между базой и эмиттером, транзистора (рис. 5.3) или вместо сопротивления Z4 между коллек тором и эмиттером транзистора (рис. 5.4), схемы кварцевых гене раторов называются индуктивными трехточечными схемами. При
а)
С3 - |
|
сз - |
17 |
У4! |
7 |
*|Т |
|
|
|
КБ^13 |
о)
Су
• ( Г |
**4 |
Vbj |
|
6)
Сч
\Хи L3
------L С3
*=?КВ'
Рис. 5.3. Индуктивная трехточечная схема генератора с кварцевым резо натором между базой и эмиттером транзистора:
а) с подстроечным элементом; б) без подстроечного элемента
Рис. 5.4. Индуктивная трехточечиая схе ма генератора с кварцевым резонато ром между коллектором н эмиттером транзистора:
а) с подстроечным элементом; б) без подстроечного элемента
отсутствии управляющего элемента или при емкостном управляю щем элементе кварцевый резонатор в этих схемах всегда возбуж дается в интервале частот между последовательным и параллель ным резонансами кварцевого резонатора. При индуктивном под строечном элементе кварцевый резонатор может возбуждаться как в интервале частот между последовательным и параллельным ре зонансами кварцевого резонатора, так и вне этого интервала (ни же последовательного резонанса). При определенной величине ин дуктивности, включенной последовательно с кварцевым резонато ром, эта схема может работать вблизи последовательного резо нанса кварцевого резонатора. Иногда этот вариант схемы кварце вого генератора называют схемой с кварцевым резонатором в кон туре [157]. Трехточечные схемы кварцевых генераторов будут рас смотрены в гл. 6 .
Ко второй группе схем генераторов относятся схемы кварце вых генераторов, в которых кварцевый резонатор включен в цепь, соединяющую базу, эмиттер и коллектор транзистора с колеба тельным контуром, образованным сопротивлениями Zlf Z2 и Z3. Та кие схемы кварцевых генераторов называются схемой генератора с кварцевым резонатором в цепи обратной связи. Иногда эти схе мы называются фильтровыми [157].
В схемах с кварцевым резонатором в цепи обратной связи ко лебательный контур, состоящий из сопротивлений Zj, Z2 и Z3, на строен на частоту, близкую к частоте кварцевого резонатора, по этому, как правило, такие схемы возбуждаются вблизи частоты минимального полного сопротивления кварцевого резонатора f, т. е. вблизи частоты последовательного резонанса кварцевого ре зонатора.
84
Рассмотрим схему рис. 5.5а. Эта схема может быть выполнена по емкостной (рис. 5.5б) или индуктивной- (рис. 5.5в) трехточеч ной схеме. Также интересна схема рис. 5.6.
а )1 ___ , в )___________
и
м я, . |
II |
|7 = |
В) |
|
II___ |
|
.___ |
к к |
1 |
-< = м И £ |
|
т :
сг . |
Lz \ |
Рис. 5.5. Схемы генератора с кварцевым |
резонатором в цепи обратной связи в |
цепи базы транзистора: |
|
а) общая; б) емкостная трехточечная; в) |
индуктивная трехточечная |
Рис. 5.6. Схемы генератора с кварцевым резонатором в цепи обратней связи
вцепи эмиттера транзистора:
а) общая; б) емкостная трехточечиая; в) индуктивная трехточечная
Третьей схемой генератора с кварцевым резонатором в цепи обратной связи является схема с кварцевым резонатором в цепи коллектора (рис. 5.7).
Схемы генераторов с кварцевым резонатором в цепи обратной связи могут быть двух- и трехтраизисторными. В этих схемах квар цевый резонатор стоит в цепи связи каскадов. Подробнее схемы генераторов с кварцевым резонатором в цепи обратной связи бу дут рассмотрены в гл. 7.
К третьей группе генераторов относятся специальные схемы, в которых, например, используется ударное возбуждение кварцевых резонаторов или сервоуправление.
Схемы кварцевых генераторов могут быть с возбуждением: 1 ) по основной частоте; 2 ) на механических гармониках.
Такие схемы широко используются при получении высоких ча стот (выше 20—30 МГц) без применения умножителей.
По частотам возбуждения кварцевых резонаторов кварцевые ге нераторы подразделяются на схемы:
85
1 ) параллельного резонанса1);
2 ) последовательного резонанса2).
Кварцевые генераторы могут подразделяться по.способам уст ранения влияния статической емкости кварцевого резонатора на схемы:
Рис. 5.7. |
Схемы генератора с кварцевым |
резонатором в цепи обратной связи |
в цепи коллектора транзистора: |
индуктивная трехючечная |
|
а) общая; |
б) емкостная трехточечная; в) |
1 ) уменьшающие влияние статической емкости кварцевых ре зонаторов:
2 ) с применением компенсации влияния статической емкости кварцевых резонаторов;
3 ) с применением нейтрализации влияния статической емкости кварцевых резонаторов.
Схемы с уменьшением влияния статической емкости кварцевых резонаторов наиболее широко используются в кварцевых генера торах па механических гармониках кварцевого резонатора на ча стотах выше 50—70 МГц.
Рассмотрим основные отличительные черты схем кварцевых ге нераторов:
1.Вид схемы генератора.
2.Наличие корректора частоты.
3.Количество транзисторов.
4.Диапазон частот, в котором может работать схема генера тора па постоянных элементах при смене кварцевого резонатора.
5.Номинальная расстройка от частоты последовательного ре зонанса.
При работе кварцевого резонатора между частотами последова тельного п параллельного резонансов следует оговаривать величи ну эквивалентной емкости генераторной схемы.
') В таких схемах кварцевый резонатор работает на частотах, близких к ча стоте параллельного резонанса резонатора с учетом влияния элементов схемы генератора.
2) В таких схемах кварцевый резонатор работает вблизи к частоте своего последовательного резонанса.
86
6 . Эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора, при ко тором колебания генератора срываются, .— сопротивление срыва. Оно характеризует запас схемы генератора по возбуждению.
7. Эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора, при ко тором обеспечивается заданное выходное напряжение, — рабочее сопротивление резонатора.
8 . Коэффициент устойчивости по отношению к возбуждению па разитных колебаний /суст— Спар/Со, где Спар — емкость, при вклю чении которой вместо кварцевого резонатора схема генератора возбуждается на паразитной частоте.
9.Нестабильность частоты при изменении напряжения питания
взаданных пределах.
10.Разброс выходного напряжения при вариации параметров кварцевых резонаторов в пределах, оговоренных техническими ус ловиями на них.
1 1 . Нестабильность частоты схемы генератора при изменении температуры в рабочем интервале.
12. Величина мощности, рассеиваемой в кварцевом резонаторе.
6 Г Л А В А
ТРЕХТОЧЕЧНЫЕ СХЕМЫ ТРАНЗИСТОРНЫХ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
6.1.ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ
ВСХЕМАХ ГЕНЕРАТОРОВ
В настоящее время широко применяются транзисторные схемы кварцевых генераторов. Транзисторы имеют малые габариты и массу, малую мощность потребления, высокую надежность, в ы с о к у ю механическую устойчивость, малое время готовности. Эти ка чества и обусловили распространение транзисторов в схемах квар цевых генераторов. Использование транзисторов в генераторных схемах имеет особенности по сравнению с электронно-вакуумными лампами *).
Рассмотрим эти особенности и параметры транзисторов.
1. Крутизна характеристики коллекторного тока значительно превышает крутизну характеристики анодного тока электронновакуумных ламп. Крутизна современных транзисторов на низкой
частоте составляет |
100—400 мА/В. |
|
|
Крутизна транзистора существенно зависит от частоты. Модуль |
|||
крутизны |
|
|
|
|Sj = |
S n/] 1 — tg= cps , |
|
(6.1) |
где |
cps = arctg(o/cos = —arctg/'/K — фаза |
крутизны транзистора; |
|
оц(7 . 0 |
— граничная |
частота транзистора |
по крутизне — частота, |
при которой модуль крутизны уменьшается в >^2 "по сравнению с крутизной на низкой частоте.
Транзистор имеет большую инерционность, т. е. запаздывание тока коллектора по отношению к напряжению на базе, вследст вие чего крутизна становится комплексной величиной;
5 - |S| е' Ts = S A - i S M= |Sj (1 + i tg cps) cos <ps . |
(6.2) |
2. Характеристики транзистора являются правыми. При рас смотрении транзисторов целесообразно заменить реальные стати ческие характеристики транзистора аппроксимированными. Как показано в [161, 164, 6 8 ], можно использовать линейно-ломанную
') В этом параграфе будут рассмотрены параметры биполярных транзисто ров. Параметры униполярных (полевых) транзисторов будут кратко рассмотре ны в § 8.8.
88
аппроксимацию характеристик транзистора подобно принятой для: аппроксимации характеристик электронно-бакуумных ламп.
Рассмотрим рис. 6.1. С достаточной для практических расчетов точностью можно считать, что величина сдвига характеристики коллекторного тока равна сдвигу характеристики базового тока..
Сдвиг характеристик |
будет |
• |
||||
обозначаться как Е'в. Ап- |
|
|||||
проксимация рис. 6 . 1 |
прове |
|
||||
дена для случая, когда вы |
|
|||||
сота импульса |
коллекторно |
|
||||
го тока |
достаточно |
велика. |
|
|||
Рассматривая |
генераторы с |
|
||||
небольшой |
величиной |
им |
|
|||
пульса |
коллекторного |
тока, |
|
|||
аппроксимированные харак |
|
|||||
теристики |
следует |
прово |
|
|||
дить так, чтобы они по воз |
|
|||||
можности совпадали с ре |
|
|||||
альными. |
отметить, |
|
Рис. 6.1. Статические характеристики тран- |
|||
Следует |
ЧТО, |
зистора и их аппроксимация |
||||
как правило, |
в кварцевых |
|
генераторах используется недонапряженный режим, так как при перенапряженном режиме стабильность частоты транзисторного генератора значительно падает.
При повышении температуры характеристики коллекторного тока смещаются влево, а крутизна характеристики коллекторного тока уменьшается, причем зависимости этих параметров от темпе ратуры близки к линейным.
3. Транзистор имеет большие входные и выходные проводимо сти, т. е. малые входные активное и реактивное сопротивления и малые выходные активное и реактивное сопротивления.
Проходные проводимости транзисторов очень малы, и при ана лизе работы транзисторного генератора их можно не учитывать.
Рассмотрим влияние входных и выходных сопротивлений на примере емкостной трехточечной схемы. В этой схеме кварцевый резонатор включен между базой и коллектором транзистора. Очень часто последовательно с кварцевым резонатором включается уп равляющий элемент с начальным сопротивлением Лун, устраняю щим неточность настройки по частоте кварцевого резонатора.
Схема генератора с учетом входных и выходных сопротивле
ний транзистора показана на рис. 6 .2 а, |
перейдем к схеме рис. 6.26, |
где |
|
Zx — R1+ i Xj_\ Z2 — R2+ i X 2, |
(6.3) |
ZyH= RyH+ i XyH; ZKB = RKB+ i Лкв> |
|
RyH — активное сопротивление управляющего элемента; Л ";в, R"KB — реактивное и активное сопротивления кварцевого резона тора с учетом влияния параллельного сопротивления:
89