Astro-nn.ru

Стройка и ремонт
21 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Кварцевый генератор принцип работы

Кварцевые генераторы на биполярных и полевых транзисторах, а также

цифровых КМОП и ТТЛ микросхемах. Осцилляторные схемы генераторов
стабильной частоты, онлайн калькулятор расчёта элементов.

Параметр стабильности LC-генератора при условии качественного исполнения данного узла, наличия высокодобротных катушек и конденсаторов с подобранными ТКЕ может достигать достаточно высоких значений. Это даёт возможность радиолюбителю, не направляя свой взгляд в сторону цифровых аксессуаров, вести комфортный приём/передачу однополосных сигналов в частотном диапазоне работы ГПД до 10-15Мгц.
Можно, конечно, попытаться залезть и повыше, но ненамного — начинают возникать нюансы. С одной стороны, чем дальше влез, тем больше интерес, с другой — становится всё труднее удержать частоту генератора в сфере своего влияния. А при частотах колебаний свыше 30МГц, долговременная относительная нестабильность генератора становится таковой, что «голос любителя, радостно вещающего однополосным SSB сигналом о преимуществах «Яги» перед «Двойным квадратом», начинает плавно глиссандировать от убедительного баритона Левитана до легкомысленного тенора оперной дивы».
И вот тут уже — жить без кварцевого резонатора становится сложновато. Причём окварцованный генератор может использоваться как готовый гетеродин на фиксированную частоту, так и в качестве опорника для цифрового синтезатора частоты.

Кварцевый резонатор (кварц) — радиоэлемент, в котором явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы.
Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах и составляет 10 4 . 10 6 . Долговременная относительная нестабильность частоты — не хуже чем 10 -6 . 10 -8

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора в схемах генераторов, надо рассмотреть его эквивалентную схему:

а частота параллельного:
.

Произведя несложные математические манипуляции, получаем:

Поскольку на практике Сo≫Ck, то расхождение между частотами параллельного и последовательного резонансов невелико — максимальная разность близка к 0,4% от паспортной частоты кварца. Также не составит особого труда заметить, что Fпар всегда > Fпосл.

Для интересующихся приведу некоторые типичные значения параметров эквивалентной схемы кварцевых резонаторов.

F (Мгц)Lk (мГн)Ck (пФ)Rk (Ом)Cо (пФ)
1191013,3×10 -32005
1028,68,86×10 -3124
12247,368×10 -3124
2011,945,3×10 -3103,5

Переходим к некоторым расхожим схемам генераторов с кварцевой стабилизацией частоты.

В ёмкостной трехточке по схеме Пирса (Рис.2) биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером.
Резисторы R1 и R2 задают режим работы транзистора T1 по постоянному току, и выбираются исходя из тока покоя транзистора 1-5мА в зависимости от частоты генерируемого сигнала.

При возбуждении кварцевого резонатора на нечётных механических гармониках кварца, вместо резистора R3 включают катушку индуктивности L1 (Рис.3).
Параметры контура следует выбирать так, чтобы его собственная частота составляла 0,7. 0,8 от частоты генерации. В результате контур имеет ёмкостную проводимость на частоте необходимой гармоники, что исключает возможность генерации на низших гармониках и основной частоте.

Значительно большим фазовым запасом для возникновения условий генерации обладают схемы ёмкостных трёхточек Пирса, выполненные на полевых транзисторах, либо КМОП микросхемах, в том числе и цифровых. Объясняется это высоким входным сопротивлением подобных устройств, что, в свою очередь, создаёт более правильные условия для работы цепей фазовращателя.

Схемы, выполненные на полевых транзисторах (Рис.4,5), аналогичны схемам свох биполярных аналогов.
Резистор R3 определяет режим работы Т1 по постоянному току, и выбирается исходя из необходимого тока покоя транзистора (1-5мА).

Генераторы Пирса вполне заслуженно считаются генераторами с наилучшей кратковременной стабильностью частоты, однако обладают определённым набором недостатков — как то: относительная сложность, необходимость качественной стабилизации базового тока транзистора, а также то, что ни один из выводов кварцевого резонатора не подключён к шине корпуса.

Отчасти указанных недостатков лишён генератор Колпитца — схемотехническое решение ещё одного трехточечного кварцевого генератора, в котором транзистор активного элемента по переменному току включён по схеме с общим коллектором. При этом кварцевый резонатор, имеющий индуктивный характер реактивного сопротивления, входит в состав параллельного резонансного контура, один из выводов которого может быть подключён к земляной шине.

На Рис.7 приведена базовая схема кварцевого генератора Колпитца при условии возбуждения резонатора на основной частоте.

Схема для возбуждения кварцевого генератора на 3-5 механической гармонике кварца (Рис.9) была замечена в datasheet-е на буржуйскую микросхему SA612A.

На высоких частотах, вплоть до 300МГц, целесообразно применять однокаскадные схемы генераторов с общей базой (Рис.11).


Рис.11Рис.12 Рис.13 Рис.14

Схемы, приведённые на Рис.11 и Рис.12 функционально абсолютно идентичны, хотя первая из них представляет индуктивную трёхточку с кварцевым резонатором, выполненную по схеме Хартли, а вторая ёмкостную — по схеме Колпитца.
Для возникновения колебаний необходимо, чтобы колебательный контур был настроен на частоту кварцевого резонатора, либо на частоту, равную кратной основной частоте гармоники.
Дальнейшего улучшения условия самовозбуждения этих автогенераторов на высоких частотах можно добиться, включив параллельно кварцу дополнительную катушку индуктивности L2 (Рис.13 и Рис.14). Контур, образованный параллельной ёмкостью кварца Со и катушкой L2, настраивают на частоту используемой гармоники.
Точно также как и в предыдущих случаях, биполярный транзистор лёгким движением руки может быть заменён на полевой с соответствующими цепями смещения.

ВАЖНО!
1. К источнику питания любые ВЧ генераторы, в том числе и окварцованные, следует подключать через интегрирующую RC цепочку, представляющую из себя резистор номиналом несколько сотен Ом (в зависимости от рабочего тока транзистора) и конденсатор, идущий одним выводом на землю, ёмкостью 0,1МкФ.
2. Каскады, подключаемые к выходу генератора, должны иметь достаточно высокое входное сопротивление. Идеально — если это будут цепи, реализованные на полевых транзисторах.
3. Разделительные конденсаторы, нарисованные на схемах последовательно с кварцевыми резонаторами, призваны отсечь от кварца постоянное напряжение. Кто-то их ставит, кто-то нет — по-любому, внятных теоретических обоснований по поводу вреда здоровью резонаторов от постоянки я не встречал. Так, что считайте присутствие этих элементов факультативным, хуже точно не будет, лучше — вполне вероятно.

4. Базовая схема кварцевого генератора на цифровой микросхеме (Рис.6) отлично работает в широком диапазоне частот и не требует никаких модификаций. Многочисленные 2-3 вентильные вариации на заданную тему большого смысла не имеют, так как обладают худшими частотными свойствами. Разве, что можно обратить внимание на схему, приведённую на Рис.15, которая за счёт более высокого общего коэффициента усиления создаёт дополнительные условия для устойчивой генерации и меньшей зависимости от номиналов ёмкостей.
Рис.15

Ну и по традиции — калькулятор в студию!

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Приведённый калькулятор не претендует на 100% достоверность, так не в состоянии учитывать реальные характеристики применяемых резонаторов, однако, в большинстве случаев поможет радиолюбителю не допустить явных ошибок и запустить устройство без шаманства и танцев с бубнами.

А на следующей странице рассмотрим схемы кварцевых генераторов, обладающих способностью плавной перестройки в некотором не очень широком диапазоне частот.

Что такое кварцевый генератор

Точность поддержания частоты в приведенных схемах невысока. Частота «уходит» примерно на 10—^20% при изменении напряжения питания от 5 до 15 В и в достаточно большой степени зависит от температуры (использова­ние высокостабильных резисторов и конденсаторов не поможет, и потому нецелесообразно). Чтобы избавиться от этого, необходимо использовать кварцевый резонатор, в просторечии — просто кварц.

Здесь не место для того, чтобы подробно излагать принципы работы кварце­вого (или реже употребляемого керамического, который обладает несколько меньшей стабильностью) резонатора — это нужно делать в курсе радиотех­ники в сравнении со свойствами колебательного контура. Вкратце дело за­ключается в следующем: если приложить к кварцевому параллелепипеду, выпиленному из целого кристалла в определенной ориентации относительно его осей, напряжение, то кристалл деформируется — очень не намного, но все же достаточно, чтобы на этом принципе даже делать прецизионные ма­нипуляторы для электронных микроскопов или выталкивающие жидкость поршни в струйных принтерах Epson. Это т. и. обратный пьезоэлектриче­ский эффект. Имеет место и противоположный прямой эффект — если такой кристалл деформировать, то у него на гранях появляется разность потенциа­лов — это используется в специальных тензометрических кварцах.

Получается, что если мы включим такой кристалл в схему с обратной связью, то она начнет генерировать, причем частота генерации будет зависеть ис­ключительно от размеров кристалла— и ни от чего больше! Как, спросите вы, даже от температуры не будет зависть? Вот именно — пьезоэлектриков, как называют вещества, ведущие себя подобно кварцу, много, но чаще всего используют именно кварц, так как он помимо пьезоэлектрических свойств обладает еще и одним из самых низких на свете температурных коэффициен­тов расширения.

В результате кварцевые генераторы без каких-либо дополнительных ухищ­рений дают погрешности порядка 10

^ долей от номинальной частоты. Такие доли обозначаются какррт (part per million), а иногда просто как 10″^. Температурная нестабильность кварцев не превышает долей или единиц ррт. Это значит, что уход часов с таким генератором составляет не более 1 секун­ды в сутки. Правда, для того, чтобы реализовать потенциал кварцевых резо­наторов полностью, нужны специальные схемы включения, иногда довольно громоздкие (обычно их делают на дискретных элементах), но и схемы на цифровых инверторах, приводимые далее, дают результат не хуже примерно 10’»^ во всем диапазоне питающих напряжений и температуры.

На кварцах работают все бытовые электронные часы, и вообще в любом со­временном бытовом электронном устройстве вы обязательно найдете кварц, а иногда и не один. Кварцы выпускают на определенные частоты, при приоб­ретении их следует обращать внимание на возможное отклонение частоты от номинальной, которая может составлять от долей ррт до десятков и даже сотен ррт. Если нужна повышенная точность, то можно приобрести специа­лизированные очень стабильные резонаторы с погрешностью начальной ус­тановки до 10’^ выпускаются и готовые генераторы на разные частоты (осо­бенно большой выбор предлагает фирма, название которой обычно ассоциируется совсем с другими продуктами — Epson, приобретшая в свое время компанию, известную своей часовой торговой маркой Seiko).

Большинство кварцевых генераторов в цифровой технике строят по одной и той же схеме, которая очень проста и требует всего одного инвертора, резистора и двух конденсаторов. Схема эта показана на рис. 16.4, а. Чтобы не перегружать выход (это будет влиять на стабильность) нагружать такой генератор можно только на один-два КМОП-входа, поэтому обычно на вы­ходе ставят еще буферный элемент. Если частота с выхода подается, на­пример, только на вход КМОП-счетчика, то его можно не ставить. Пара­метры всех элементов можно менять в довольно больших пределах — так, емкость конденсаторов может меняться от 10 до 100 пФ (как рассчитать значение емкости более точно, см. «Подробности» далее), причем они не обязательно должны быть одинаковыми— изменением С1 можно под­страивать частоту в пределах 4—5 знака после запятой. Сопротивление ре­зистора R1 может меняться от 1 до 20 МОм, R2 — от нуля до сотен килоом (меньшие значения при более высокочастотных кварцах). Схема потребля­ет несколько десятков микроампер при напряжении питания 5 В и устойчи­во работает для кварцев с частотами от десятков килогерц до 1 МГц для «классической» КМОП и до 10 МГц для КМОП-элементов из быстродейст­вующих серий. Правда, с некоторыми старыми отечественными кварцами (вроде РК-72) могут быть проблемы.

Рис. 16.4. Схемы кварцевых генераторов на КМОП-элементах

Инвертор, естественно, может представлять собой и просто инвертор, и мно­говходовой логический элемент с объединенными входами. Во втором слу­чае один из входов можно использовать для запуска и остановки генерации, как в схеме на рис. 16.2, б.

Конденсаторы С1 и С2 в схеме на рис. 16.4, а рассчитывают, исходя из номи­нальной емкости нагрузки С„, которая указывается для каждого кварцевого ре­зонатора. Если она неизвестна, то можно ориентироваться на значение 12,5 пФ для «часовых» кварцев и на значение 16—32 пФ для кварцев частотой 1—16 МГц. Номинал С каждого из конденсаторов (при условии их равенства) можно рассчитать по приблизительной формуле С = 2Сн – 10 пФ, где 10 пФ — «среднепотолочное» значение емкости монтажа плюс емкости входа-выхода инвертора. Таким образом, для «часовых» кварцев эти емкости должны быть порядка 15 пФ, а для более высокочастотных — 22—5бпФ. Для микросхем вроде часов реального времени, где конденсаторы уже имеются в составе микросхемы, указывается номинальная нагрузочная емкость внешнего квар­цевого резонатора. Правильно подобранное значение емкости гарантирует более точное соответствие частоты генератора номинальной, но это не зна­чит, что при других значениях емкости генератор не заработает: чем больше значение емкостей, тем больше и потребляет схема, но и тем бьютрее она «заводится». Указанные на схеме значения 22 пФ оптимальны, если использо­вать резонатор «не глядя».

Кварцевые резонаторы имеют предельно допустимую мощность рассеяния, которая невелика — от 1—3 мкВт для «часовых» кварцев в цилиндрических корпусах 6×2 или 8×3 мм, до 30—50 мкВт в низких прямоугольных корпусах (HC-49S) и 1—2 мВт для кварцев в стандартных прямоугольных корпусах типа HC-49U. Превышение допустимой мощности еще не означает выхода резона­тора из строя (хотя может случиться и такое: смотря насколько превысить), но стабильность генератора снижается. Значение рассеиваемой мощности на кристалле W можно грубо прикинуть, исходя из падения напряжения на резо­наторе: И/= (Ук/к, где /к — ток через резонатор, который определяется в основ­ном резистором R2. Его величина подчитывается, исходя из напряжения на выхо/^е инвертора и^ых’. k = U^bJRi = U^J2R2 (делитель 2 появляется, так как на выходе мы имеем меандр, а не постоянное напряжение). Рассчитать (Ук. форма которого близка к синусоидальной, непросто, но можно померить экс­периментально: для «часового» кварца в схеме по рис. 16.4, а его действую­щее значение равно примерно 0,05 от напряжения питания. Итого при номи­налах резисторов и конденсаторов, близких к указанным на схеме, мощность на «часовом» резонаторе составляет около 1 мкВт при напряжении питания 5 В и линейно растет с напряжением питания, поэтому при 15 В самые миниа­тюрные кварцы лучше не ставить.

Читать еще:  Асинхронный двигатель в режиме генератора

Недостатком схемы на рис. 16.4, а является то, что на низких частотах она достаточно долго «заводится» при включении — установление режима для «часового» кварца 32 768 Гц может занимать секунды, в зависимости от зна­чения емкостей, и в это время схема потребляет довольно большой ток — до 15 мА. Этого недостатка лишена более сложная схема на рис. 16.4, б, кото­рая, однако, работает только при частотах в десятки килогерц, то есть ориен­тирована на «часовые» кварцы. Потребление такой схемы при напряжении питания 3,3 В и использовании указанных на схеме элементах серии 74НС составляет 180 мкА (3 мА в момент включения), а время выхода на режим при включении питания или подаче разрешающего высокого уровня на вход «Пуск/Стоп» не превышает 0,2—0,3 с. При отключении подачей низкого уровня на вход «Пуск/Стоп» схема потребляет меньше 1 мкА. В этой схеме резонатор работает в более щадящем режиме, чем в схеме на рис. 16.4, а.

Специально для измерения температуры выпускают термочувствительные кварцы, обладающие чувствительностью порядка 50—90 ррт изменения час­тоты на каждый градус изменения температуры. Кварцы эти бывают на раз­ные частоты: 30—40 кГц, 5 МГц, 10—40 МГц и пр. Если заменить в схеме на рис. 16.4, б «часовой» кварц аналогичным термочувствительным (например, отечественным РКТ-206 с частотой 32,7 кГц), то получится отличный мало­потребляющий датчик температуры с частотным выходом и отрицательным наклоном зависимости частоты от температуры. Зависимость эту для быто­вых применений можно считать линейной, однако для прецизионных изме­рений температуры (для чего, собственно, такие кварцы и выпускают) при­ходится ее аппроксимировать полиномом 2-й и даже 3-й степени.

Заметки на полях

Кстати, мало кто знает, но в случае, если под рукой нет подходящего кварца, то схему на рис. 16.4, а вполне можно «завести», просто заменив резонатор малогабаритной индуктивностью. То же относится и к встроенным генерато­рам микроконтроллеров, которые строятся по аналогичной схеме. Частоту можно фубо прикинуть, если учесть, что постоянная времени LC-контура рав­на VZc, причем в качестве величины С нужно подставить сумму емкостей обоих конденсаторов, тогда частота будет примерно равна единице, деленной на удвоенную величину этой постоянной. Естественно, главное преимущество кварца — высокая стабильность — при этом пропадет, зато можно менять час­тоту, в том числе и плавно.

Кварцевый генератор принцип работы

Радиостанция на основе TDA7021 и TDA7000. Часть 2.

Автор: __
Опубликовано 29.02.2016
Создано при помощи КотоРед.

Прежде чем перейти к схеме передатчика на кварце, имеет смысл разобраться, что же это за такая штука кварц. Точнее в нашем случае говорить «кварцевый резонатор» но т.к. основа кварцевого резонатора является кварц, то кварцевый резонатор кратко так и называют.

Кварц – это минерал, причем один из самых распространённых минералов в земной коре. Кристаллы кварца также часто выращивают искусственно. Этот минерал обладает свойством пьезоэффекта, т.е. если его деформировать, то на его гранях получается разность электрических потенциалов, а если на него подавать разность потенциалов, то он деформируется.

Все остальные подробности мы опускаем, т.к. в противном случае мы до схем не доберемся.

Понятно лучше взять хорошую книжку по данному вопросу и почитать, но обычно такие книжки довольно сложны для понимания начинающим радиолюбителям. Если же кто то захочет почитать, то у нас в «сундуке» есть хорошая книжка по данному вопросу.

Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г. «Кварцевые генераторы»

Здесь же попробуем на самом низком уровне рассмотреть только общие понятия о кварцах и кварцевых генераторах, что бы было понятно, почему в какой то конкретной схеме применили именно эту схему, а не какую то другую и можно ли в данном конкретном случае применить другую схему.

Я тут сам конечно ничего не придумывал, а просто пользуюсь тем, что напечатано в книжках, но при этом все схемы, что выкладываю здесь, проверены мной на практике.

Понятно, что здесь в статье будет много упрощений, но как писал выше, кто хочет узнать более подробно, то читайте книжку, ссылку на которую приведена выше, мы же будем считать, что кварцевый резонатор это радиоэлемент и нам интересны его свойства.

Дальше, для упрощения так и будем называть «кварц»

Эквивалентная схема кварца выглядит так.

По сути это колебательный контур, но особенность в том, что этот контур имеет очень стабильные параметры и большую добротность. Это главная особенность кварца и применяют его именно в тех случаях, когда требуются высокие требования к стабильности частоты.

Кстати кварцы применяются не только в кварцевых генераторах, а и например в фильтрах или в датчиках и т.д. но мы эти вопросы здесь затрагивать не будем.

Ск, Lк и Rк – это собственно параметры самой кварцевой пластинки, а Сс – это так называемая статическая емкость кварца. Часто её называют емкость «кварцедержателя» что более понятно поясняет, что это такое, хотя и не особо точно. Эта емкость в реальных кварцах лежит в пределах единиц пикофарад.

Емкость Ск в сотни раз меньше статической емкости Сс.

Если внимательнее посмотреть на эквивалентную схему кварца, то видим, что эта схема имеет два резонанса. Один резонанс, это резонанс последовательного колебательного контура образованным элементами Ск, Lк и Rк. На этой резонансной частоте сопротивление кварца очень маленькое и кстати намного меньше, чем сопротивление конденсатора Сс на данной частоте.

Второй резонанс, это параллельный. Это сразу в глаза бросается когда смотрим на эквивалентную схему. В данном случае в параллельный колебательный контур входит также и статическая емкость Сс. Понятно, что частота параллельного резонанса чуть больше, чем последовательного, т.к. в данном случае общая емкость в контуре это последовательное соединение двух емкостей Ск и Сс, а при последовательном соединении общая емкость уменьшается.

Т.о. амплитудно-частотная характеристика(АЧХ) упрощенно выглядит так.

Промежуток между частотами последовательного резонанса и параллельного обычно от сотен герц, до единиц килогерц и зависит от величины статической емкости Сс.

Хорошо это или плохо, увидим дальше, но это еще не все. Дело в том, что мы рассмотрели основную частоту кварца, а реально кварц имеет такие же резонансы и на нечетных гармониках кварца. Т.е. например кварц с основной частотой 1 МГц имеет такую же характеристику на частоте примерно в три, в пять, семь раза и т.д. больше, но на этих частотах величина этих «всплесков» уменьшается пропорционально величине гармонике

Я на картинке написал «примерно» т.к. к сожалению, если например, имеем кварц на основную гармонику 10 МГц, то его третья гармоника не будет ровно в три раза больше, т.е. 30 мгц. Она будет отличаться от этой цифры на сотни герц – единицы килогерц. Это часто создает дополнительные трудности при проектировании схем.

Более полная эквивалентная схема кварца с учетом его третьей гармоники выглядит так.

Теперь еще об одной тонкости встречающейся на практике, это так называемые гармониковые кварцы. На практике с этим тоже часто возникают недоразумения при изготовлении каких либо схем. Дело в том, что обычно кварцы на частоты больше 20 мгц являются гармониковые, хотя это не всегда, но чаще так.

Т.е. купив кварц на котором написано 27 МГц окажется, что 27 мгц это его третья гармоника, а основная его гармоника 9 МГц, но у подобных кварцев добиваются, что АЧХ его в районе третьей гармонике выглядела так.

Т.е. как то там делают, что бы эти максимумы АЧХ на третьей гармонике были больше, чем у не гармоникового кварца на 9 мгц. Но все равно, если этот кварц на котором написано 27 мгц поставленный в схему генератора по осциляторной схеме, он будет генерировать частоту около 9 мгц, т.е. возбудится на своей основной гармонике.

Что бы такой кварц к примеру на 27 МГц завелся на третьей гармонике все равно придется применять дополнительные меры. Просто такой кварц более легче заводится на гармонике, чем просто например обычный кварц на 9 МГц.

Как уже говорил, существуют и не гармониковые кварцы на 27 мгц и часто на практике нам нужно это определить. Для этого удобна схема, что приведена выше, т.е. собрав её и удостоверившись, что генерация происходит на частоте 9 мгц, делаем вывод, что кварц гармониковый. Если в данной схеме испытуемый кварц запускается на частоте 27 мгц, значит он не гармониковый. Иногда не гармониковый кварц на 27 МГц в данной схеме вообще не запускается. В этом случае нужно поставить конденсаторы С1 и С2 порядка 30 пф.

Проверить частоту можно осциллографом или частотомером. При этом не забывать, что измерительные приборы вносят в схему реактивности, обычно емкости, что может нарушить работу схемы.

Если приборов нет, что можно определить частоту генерации с помощью приемника. Частоту генерации 9 мгц можно поймать с помощью КВ приемника.

Что бы удостовериться, что генератор генерирует на частоте 27 мгц можно воспользоваться УКВ приемником. При этом можно поймать третью гармонику данного генератора на частоте 27*3=81 мгц и четвертую на частоте 27*4=108 мгц, т.е. гармоники располагаются не через 9 мгц, а через 27 мгц, что однозначно говорит о частоте генерации 27 мгц.

При этом не забывать, что у приемников есть и паразитные каналы приема, что в какой то мере усложняет пользование этим способом определения частоты генерации.

Выводы из всего написанного выше.

Если мы взяли кварц на котором написано 27 мгц, то его основная частота может быть как 27 мгц, так и примерно в три раза меньше и для того, что бы он генерировал именно на частоте 27 мгц нужны специальные схемные ухищрения и тогда частота генерации будет та, что на нем написано.

Если мы запустим гармониковый кварц на его основной частоте, а потом поставим умножитель на три, то частота генерации будет не совсем такая, что написано на нем. Она может отличаться, хотя и немного, но иногда это существенно.

И третье, что не очень для нас хорошо, т.к. мы хотим сделать передатчик ЧМ на кварце это то, что сделать ЧМ модуляцию в кварцевом генераторе можно только если кварц в схеме работает на основной гармонике. Это видно из эквивалентной схемы кварца, что выкладывал выше. При возбуждении кварца на механической гармонике получить существенную ЧМ невозможно.

Пока это примем как данное и оставим объяснения на потом, но вот такая «печалька» в кварцами.

Теперь рассмотрим разные схемы кварцевых генератором и посмотрим, чем они отличаются.

Теперь перейдем конкретно к схемам кварцевых генераторов.

Как выше писал, кварц имеет два резонанса, последовательный и параллельный. Обычно на самом кварце пишут частоту его последовательного резонанса.

Определить на каком резонансе работает кварц в какой либо схеме довольно просто. Для этого нужно мысленно заменить его в схеме катушкой или конденсатором и вот чем он заменяется можно и определить на каком резонансе он работает. Если он в схеме заменяется катушкой, значит он работает на параллельном резонансе. Если его можно заменить конденсатором, значит он возбуждается вблизи последовательного резонанса.

Для начала посмотрим схемы в которых кварц работает на основной гармонике на частоте вблизи его параллельного резонанса.

Схема генератора Пирса.

Номиналы не писал, т.к. подобный генератор в данном случае не применял.

Конденсаторы С1 и С3 блокировочные, а конденсаторы С2 и С4 зависят от кварца. Что бы лучше был виден принцип работы, схему можно нарисовать в другом виде.

Как видим, что в данной схеме кварц можно заменить катушкой и схема останется работоспособной.

Как выше писал это признак того, что в данной схеме кварц работает вблизи своего параллельного резонанса.

Генератор Пирса на кварце часто делают также на логических элементах. Для этого логический элемент с помощью резистора ставят в активный режим, т.е. вместо транзистора ставят просто логический элемент переведя его в активный режим(в режим усиления)

Вместо резистора R2 можно поставить колебательный контур настроенный или на основную частоту. При этом с генератора можно снять довольно мощный сигнал или, что более для нас интересно на частоту механической гармоники кварца, т.е. на частоту в три или в пять(семь) раз больше основной частоты кварца. Обычно на частотах выше третьей гармоники схема заводится только после «плясок с бубном»

Еще один генератор в котором кварц работает вблизи параллельного резонанса.

Данная схема широко применяется для создания кварцевых генераторов с ЧМ. Дело в том, что для того, что бы получить ЧМ в кварцевом генераторе, он должен работать на основной частоте резонанса. При работе кварца на гармонике сдвинуть его очень трудно. В данной схеме в цепь коллектора тоже можно поставить колебательный контур, но при этом кварц как и в исходной схеме все равно возбуждается на основной гармонике, а контур просто выделяет гармонику основной частоты кварца. Т.е. в данном случае мы можем выделить и четные гармоники кварца.

Это значит мы во первых можем в данной осуществить частотную модуляцию, а во вторых выделять не только нечетные гармоники, а в том числе и четные, но об этом дальше.

Генератор Колпитца.

Видим, что в данной схеме кварц можно заменить на конденсатор, а это значит, что кварц возбуждается вблизи своего последовательного резонанса.

Кварц может возбуждаться как на основной гармонике, так и на нечетных гармониках кварца. Это зависит от того, на какую частоту у нас настроен колебательный контур L1, С1, С2, С3. Если контур в данной схеме настроен на основную частоту кварца, то в этой схеме можно сделать ЧМ.

Читать еще:  Как выбрать газовый генератор

Есть еще несколько видов кварцевых генераторов, но в дальнейшем они нам не понадобятся, поэтому здесь писать про них не буду, кроме одной. Есть проверенная схема кварцевого генератора без катушек в которой кварц можно возбудить на третьей гармонике. В Интернете есть несколько разновидностей подобных схем, но на практике они работают неустойчиво в отличии от этой схемы. Настройка на нужную гармонику производится подбором конденсатора С5.

Т.к. в дальнейшем она у нас будет использоваться, то здесь я приведу её описание. Точнее просто выложу скан из статьи.

Статья опубликована в ж. Радиолюбитель 8-2000 год. Я эту схему применял в гетеродине простого АМ приемника на 27 МГц с минимумом катушек.

Теперь перейдем к получению ЧМ в кварцевом генераторе, в том числе и получение широкополосной ЧМ.

Вперед к Части 3.

Что такое кварцевый резонатор и как он работает?

Кварцевый резонатор является электронным прибором, построенным на пьезоэффекте, а также механическом резонансе. Применяется радиостанциями, где задает несущую частоту, в часах и таймерах, фиксируя в них интервал в 1 секунду.

Что это такое, и зачем он нужен

Прибор является источником, обеспечивающим гармонические колебания высокой точности. Имеет, при сравнении с аналогами, большую эффективность работы, стабильные параметры.

Первые образцы современных устройств появились на радиостанциях в 1920-1930 гг. как элементы, имеющие стабильную работу, способные задавать несущую частоту. Они:

  • пришли на смену кристальным резонаторам, работавшим на сегнетовой соли, появившимся в 1917 в результате изобретения Александра М. Николсона и отличавшимся нестабильностью;
  • заменили использовавшуюся ранее схему с катушкой и конденсатором, которая не отличалась большой добротностью (до 300) и зависела от температурных изменений.

Чуть позже кварцевые резонаторы стали составной частью таймеров, часов. Электронные компоненты с собственной резонансной частотой 32768 Гц, которая в двоичном 15-разрядном счетчике задает временной промежуток равный 1 секунде.

Приборы используются сегодня в:

  • кварцевых часах, обеспечивая им точность работы независимо от температуры окружающей среды;
  • измерительных приборах, гарантируя им высокую точность показателей;
  • морских эхолотах, которые применяются при исследованиях и создании карт дна, фиксации рифов, отмелей, поиска объектов, находящихся в воде;
  • схемах, соответствующих опорным генераторам, синтезирующим частоты;
  • схемах, применяемых при волновом указании SSB или сигнала телеграфа;
  • радиостанциях с DSB-сигналом с промежуточной частотой;
  • полосовых фильтрах приемников супергетеродинного типа, которые более стабильны и добротны, чем LC-фильтры.

Устройства изготавливаются с разными корпусами. Делятся на выводные, применяемые в объемном монтаже, и SMD, используемые в поверхностном монтаже.

Их работа зависит от надежности схемы включения, влияющей на:

  • отклонение частоты от необходимого значения, стабильность параметра;
  • темп старения прибора;
  • нагрузочную емкость.

Свойства кварцевого резонатора

Превосходит ранее существовавшие аналоги, что делает прибор незаменимым во многих электронных схемах и объясняет сферу использования устройства. Это подтверждается тем, что за первое десятилетие с момента изобретения в США (не считая другие страны) выпущено больше 100 тыс. штук приборов.

Среди положительных свойств кварцевых резонаторов, объясняющих популярность, востребованность устройств:

  • хорошая добротность, значения которой — 104-106 — превышают параметры ранее использовавшихся аналогов (имеют добротность 300);
  • небольшие габариты, которые могут измеряться долями миллиметра;
  • устойчивость к температуре, ее колебаниям;
  • долгий срок службы;
  • простота изготовления;
  • возможность построения каскадных фильтров высокого качества без использования ручной настройки.

Кварцевые резонаторы имеют и недостатки:

  • внешние элементы позволяют подстраивать частоту в узком диапазоне;
  • обладают хрупкой конструкцией;
  • не переносят чрезмерного нагрева.

Принцип работы кварцевого резонатора

Работает прибор на основе пьезоэффекта, проявляющегося на пластинке из кварца, причем низкотемпературного. Элемент вырезают из цельного кристалла кварца, соблюдая задаваемый угол. Последний определяет электрохимические параметры резонатора.

Пластинки с обеих сторон покрывают слоем серебра (подходит платина, никель, золото). Затем их прочно фиксируют в корпусе, который герметизируется. Устройство представляет колебательную систему, которая обладает собственной резонансной частотой.

Когда электроды подвергаются переменному напряжению, пластинка из кварца, обладающая пьезоэлектрическим свойством, изгибается, сжимается, сдвигается (зависит от типа обработки кристалла). Одновременно в ней появляется противо-ЭДС, как это происходит в катушке индуктивности, находящейся в колебательном контуре.

Когда подается напряжение с частотой, совпадающей с собственными колебаниями пластинки, то в устройстве наблюдается резонанс. Одновременно:

  • у элемента из кварца увеличивается амплитуда колебаний;
  • сильно уменьшается сопротивления резонатора.

Энергия, которая необходима для поддержания колебаний, в случае равенства частот низкая.

Обозначение кварцевого резонатора на электрической схеме

Прибор обозначается аналогично конденсатору. Отличие: между вертикальными отрезками помещен прямоугольник — символ пластинки, изготовленной из кварцевого кристалла. Боковые стороны прямоугольника и обкладки конденсатора разделяет зазор. Рядом на схеме может присутствовать буквенное обозначение прибора — QX.

Как проверить кварцевый резонатор

Проблемы с небольшими приборами возникают, если они получают сильный удар. Такое происходит при падении устройств, содержащих в конструкции резонаторы. Последние выходят со строя и требуют замены по тем же параметрам.

Проверка резонатора на работоспособность требует наличия тестера. Его собирают по схеме на основе транзистора КТ3102, 5 конденсаторов и 2 резисторов (устройство подобно кварцевому генератору, собранному на транзисторе).

Прибор необходимо в подключаемых соединениях, подключениях подключить к базе транзистора и отрицательному полюсу, защищая установкой защитного конденсатора. Питание схемы включения постоянное — 9В. Плюс подключают на вход транзистора, к его выходу — через конденсатор — частотомер, который фиксирует частотные параметры резонатора.

Схемой пользуются при настройке контура колебаний. Когда резонатор исправный, он при подключении выдает колебания, которые приводят к появлению переменного напряжения на эмиттере транзистора. Причем частота напряжения совпадает с аналогичной характеристикой резонатора.

Прибор неисправен, если частотомер не фиксирует возникновение частоты или определяет наличие частоты, но она — либо намного отличается от номинала, либо при нагреве корпуса паяльником сильно изменяется.

Кварцевый генератор

Кварцевый генератор, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, является обязательным узлом для большинства современных приемников и трансиверов, а также для измерительных приборов. В этом обзоре приведены варианты возможного исполнения подобных генераторов па частоты от единиц до десятков мегагерц.

Прежде чем переходить к практическим схемам, отметим, что для широко распространенных кварцев основная рабочая частота обычно не превышает 10…15 МГц. Обусловлено это трудностями в изготовлении (при серийном производстве) очень тонких кварцевых пластин с высокой степенью параллельности рабочих сторон. Последнее, в частности, сильно влияет на моночастотность резонатора (отсутствие паразитных резонансов, особенно вблизи основной рабочей частоты).

Применительно кварцевый генератор наличие таких резонансов может привести к возбуждению резонатора не на той частоте, что указана на его корпусе, или к скачку частоты генератора при изменении внешних условий (температура, сопротивление нагрузки и т.п.). Если частота, указанная на корпусе кварцевого резонатора, выше 15 МГц, то с высокой степенью вероятности этот резонатор гармониковый, и его основная частота в три или даже в пять раз ниже “номинала”.

В кварцевый генератор, схема которого показана на рисунке, кварцевый резонатор возбуждается на основной частоте. Для его устойчивой работы сопротивление нагрузки (входное сопротивление следующего каскада) должно быть не менее 1 кОм. При этом высокочастотное напряжение на выходе генератора будет не менее 0,5 В (здесь и далее – эффективное значение). Номиналы конденсаторов С3, С4 и резистора R4 зависят от рабочей частоты кварцевого резонатора. Для полосы частот 1…3 МГц они должны быть соответственно 270 пФ, 180 пФ и 3,3 кОм; для 3…6 МГц – 180 пФ, 120 пФ и 3,3 кОм; для 6…10 МГц – 180 пФ, 120 пФ и 2,2 кОм; для 10…18 МГц – 150 пФ, 68 пФ и 1,2 кОм; для 18…21 МГц – 68 пФ, 33 пФ и 680 Ом.

Как принято говорить в таких случаях, при исправных деталях и безошибочном монтаже генератор настройки не требует (за исключением, быть может, некоторой коррекции рабочей частоты подстройкой конденсатора С2). Если при выполнении двух названных выше условий генератор все же не заработал, то единственной причиной этого может быть невысокая активность кварцевого резонатора. В этом случает его следует либо заменить на другой, либо попытаться “поиграться” с номиналами конденсаторов С3 и С4. В частности, может помочь изменение в ту или иную сторону отношения их емкостей.

На втором рисунке приведена схема кварцевый генератор, в котором кварцевый резонатор возбуждается на нечетных гармониках его основной рабочей частоты.

Как и в предыдущем варианте, входное сопротивление следующего каскада должно быть не менее 1 кОм. Выходное напряжение – примерно 0,5 В. Для полосы частот 15…25 МГц емкости конденсаторов С2, С3 и С4 должны быть соответственно 100, 100 и 68 пФ; для 25…55 МГц – 100, 68 и 47 пФ; для 50…65 МГц – 68, 33 и 15 пФ. Катушку L1 наматывают проводом диаметром 0,3 мм на каркасе диаметром 5 мм. Она имеет подстроечник из карбонильного железа (диаметр – 4 мм). Для трех указанных выше полос рабочих частот число витков должно быть соответственно 15, 10 и 7.

Налаживают кварцевый генератор подстройкой катушки L1 по устойчивой генерации на третьей гармонике основной частоты кварцевого резонатора. Если этого не происходит при любом положении подстроечника, то следует подобрать число витков катушки или попробовать провести эту операцию, установив конденсатор С2 с большим или меньшим номиналом. Если же и эта операция не поможет, то скорее всего причиной является низкая активность кварцевого резонатора (см. выше). Следует заметить, что далеко не все резонаторы, устойчиво генерирующие на основной частоте, также устойчиво работают и на гармониках.

Подобный кварцевый генератор может обеспечить напряжение около 2В на высокоомной нагрузке (например, смесительный каскад на транзисторе с изолированным затвором) на более высокой частоте, если в цепь коллектора транзистора VT1 ввести полосовой фильтр, настроенный, например, на вторую гармонику рабочей частоты генератора (т.е. это будет генератор – удвоитель частоты на одном транзисторе). Катушки индуктивности L2 и L3 такого фильтра наматывают проводом диаметром 0,6 мм на каркасе диаметром 5 мм с двумя подстроечниками из карбонильного железа (диаметр 4 мм). Расстояние между катушками – 5 мм. Для полосы частот 60…90 МГц число витков должно быть 9, а для 90…130 МГц – 6. Номиналы конденсаторов С6, С7 фильтра – 33 и 22 пФ соответственно.

Кварцевый генератор, схема которого показана на рисунке, чуть посложнее – он содержит колебательный контур.

Это даст сразу два преимущества. Во-первых, он имеет более высокую спектральную чистоту выходного сигнала. Во-вторых, он обеспечивает более высокий уровень выходного сигнала (около 1В на нагрузке 100 Ом). Для полосы частот 1…3МГц емкости конденсаторов С2, С5 и С6 соответственно равняются 470, 270 и 2000 пФ; для 3… 10 МГц – 330, 150 и 1500 пФ; для 10…30 МГц – 180. 47 и 330 пФ. Катушка L1 должна иметь при среднем положении подстроечника такую индуктивность, чтобы обеспечить с конденсатором С5 резонанс па рабочей частоте. Налаживают этот генератор по устойчивой генерации на основной частоте кварцевого резонатора или на ее третьей гармонике.

Опорные генераторы

В настоящее время при разработке радиоэлектронной аппаратуры уделяется огромное внимание стабильности ее характеристик. Средства подвижной радиосвязи, в том числе сотовой связи не являются исключением. Основным условием достижения стабильных характеристик узлов радиоэлектронной аппаратуры является стабильность частоты задающего генератора.

В составе любой радиоэлектронной аппаратуры, в том числе приемников, передатчиков, микроконтроллеров обычно присутствует большое количество генераторов. Первоначально приходилось применять усилия для обеспечения стабильности частоты всех генераторов. С развитием цифровой техники люди научились формировать колебание любой частоты из одной исходной частоты. В результате появилась возможность выделить дополнительные средства для повышения стабильности частоты ОДНОГО генератора и тем самым получить целый ряд частот с очень высокой стабильностью. Такой генератор частот получил название опорный генератор

Первоначально для получения стабильных колебаний LC генераторов применялись особые конструктивные методы:

  • Изменение индуктивности за счет расширения металла проволоки компенсировали выбором материала сердечника, влияние которого было обратным по отношению к влиянию проводников индуктивности;
  • осуществляли вжигание металла в керамический сердечник с малым температурным коэффициентом расширения;
  • в контур включались конденсаторы с различным температурным коэффициентом емкости (ТКЕ).

Таким образом удавалось достигнуть стабильности частоты опорного генератора 10 –4 (на частоте 10 МГц уход частоты составлял 1 кГц)

Одновременно велись работы по применению совершенно других методов получения стабильных колебаний. Были разработаны струнные, камертонные, магнитострикционные генераторы. Их стабильность достигала весьма высоких значений, но при этом габариты, сложность и цена препятствовали их широкому распространению. Революционным прорывом оказалась разработка генераторов с применением кварцевых резонаторов. Одна из наиболее распространенных схем кварцевых генераторов, выполненная на биполярном транзисторе, приведена на рисунке 1.


Рисунок 1. Схема кварцевого генератора на биполярном транзисторе

В этой схеме опорного генератора баланс амплитуд обеспечивается транзистором VT1 а баланс фаз — контуром Z1, C1, C2. Генератор собран по стандартной схеме Колпитца. Отличием является то, что вместо катушки индуктивности применяется кварцевый резонатор Z1. Следует заметить, что в данной схеме не обязательно для обеспечения стабильной работы схемы применять эмиттерную стабилизацию. Часто оказывается вполне достаточно и коллекторной стабилизации режима работы транзистора. Подобная схема приведена на рисунке 2.


Рисунок 2. Схема кварцевого генератора с коллекторной стабилизацией режима

Схемы кварцевых генераторов, приведенных на рисунках 1 и 2, позволяют получить стабильность частоты опорного колебания порядка 10 –5 На кратковременную стабильность колебаний опорного генератора наибольшее влияние оказывает нагрузка. При присутствии на выходе опорного генератора посторонних колебаний возможен захват его колебаний. В результате кварцевый генератор будет производить колебания с частотой помех. Для того, чтобы это явление не проявлялось в опорном генераторе на его выходе обычно ставят усилитель, основное назначение которого не пропустить внешние колебания в кварцевый генератор. Подобная схема приведена на рисунке 3.

Читать еще:  Генераторы переменного тока


Рисунок 3. Схема кварцевого генератора с развязкой частотозадающих цепей от выхода схемы

Не менее важным параметром, во многом определяющим фазовые шумы генератора (для цифровых схем — джиттер сигнала синхронизации), является напряжение питания, поэтому опорные кварцевые генераторы обычно запитывают от высокостабильного малошумящего источника напряжения и осуществляют фильтрацию питания RC или LC цепочками.

Наибольший вклад в нестабильность частоты кварцевого генератора вносит температурная зависимость резонансной частоты кварцевого резонатора. При изготовлении резонаторов кварцевых опорных генераторов обычно применяются AT-срезы, обеспечивающие наилучшую стабильность частоты в зависимости от температуры. Она составляет 1*10 –5 (10 миллионнных или 10 ppm). Пример зависимости частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры при различных углах среза (шаг изменения угла среза 10′) приведен на рисунке 4.


Рисунок 4. Зависимость частоты кварцевых резонаторов с AT-срезом от температуры

Нестабильности частоты 1*10 –5 достаточно для большинства радиоэлектронных устройств, поэтому кварцевые генераторы без специальных мер по повышению стабильности частоты применяются очень широко. Опорные генераторы с кварцевой стабилизацией без дополнительных мер по стабилизации частоты называются XO.

Как это видно из рисунка 4, зависимость частоты настройки кварцевого резонатора с AT-срезом от температуры хорошо известна. Более того, эту зависимость можно снять экспериментально для каждого конкретного экземплята кварцевого резонатора. Поэтому, если постоянно измерять температуру кварцевого кристалла (или температуру внутри кварцевого опорного генератора), то частоту генерации опорного генератора можно сместить к номинальному значению увеличивая или уменьшая дополнительную емкость, подключенную к кварцевому резонатору.

В зависимости от схемы управления частотой такие опорные генераторы называются TCXO (кварцевые генераторы с термокомпенсацией) либо MCXO (кварцевые генераторы с микроконтроллерным управлением). Стабильность частоты таких кварцевых опорных генераторов может достигать 0.5*10 –6 (0.5 миллионных или 0.5 ppm)

В ряде случаев в опорных генераторах предусмотрена возможность подстройки номинальной частоты генерации в небольших пределах. Подстройка частоты осуществляется напряжением, подаваемым на варикап, подключенный к кварцевому резонатору. Диапазон подстройки частоты генератора не превышает долей процента. Такой генератор называется VCXO. Часть схемы опорного генератора (без схемы термокомпенсации) приведена на рисунке 5.


Рисунок 5. Кварцевый генератор с подстройкой частоты внешним напряжением (VCXO)

В настоящее время многие фирмы выпускают опорные генераторы со стабильностью частоты до 0,5*10 –6 в малогабаритных корпусах. Пример чертежа подобного опорного генератора приведен на рисунке 6.


Рисунок 6. Внешний вид опорного кварцевого генератора с температурной компенсацией

Особенности и сферы применения кварцевых генераторов

Кварцевый генератор представляет собой устройство для создания колебаний, которые производятся специальным резонатором (относится к электронным компонентам), состоящим из заготовки, выполненной из кристалла соответствующего минерала, и электродов. Колебания отличаются значительной степенью стабильности частоты. Причиной является высокое качество резонатора.

Актуальные сведения

Такие устройства являются одними из наиболее популярных источников тактовых импульсов. Они применяются практических в любых схемах электронных приборов. Здесь стоит упомянуть системы транспортировки информации, радиолокации, навигации, вычислительную технику, устройства телеметрии и т. д. Помимо этого, кварцевые генераторы используются для измерения целого ряда различных физических параметров (давления, температуры, влажности и т. д.).

Частота колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких килогерц до сотен мегагерц. Этот параметр зависит от размеров резонатора, упругости кварца, пьезоэлектрической постоянной и формы заготовки.

Схема такого генератора, как правило, элементарна в настройках и регулировании. Многие кварцевые генераторы, используемые в цифровой технике производятся по одному и тому же принципу. Устройство, включает в себя один инвертор, резистор и пару конденсаторов. Чтобы не вызывать перегрузок на выходе, генератор нагружается только на один или два КМОП-входа. Также присутствует буферный элемент.

Параметры всех составляющих могут быть отрегулированы, причем пределы настройки весьма велики. Это касается емкости конденсаторов, сопротивления резистора. Схема не слишком энергоемкая, поэтому можно обеспечить экономию ресурсов.

Любые генераторы должны соответствовать следующим требованиям:

  • Быть работоспособными под влиянием различных внешних факторов, при старении.
  • Оставаться надежными и функционировать с требуемыми показателями при учете разброса параметров кварцевого резонатора.
  • Демонстрировать необходимую мощность, частоту, а также их стабильность.

Вышеприведенные нюансы помогут оценить особенности использования кварцевых генераторов.

Кварцевые генераторы

Точность поддержания частоты в приведенных схемах невысока. Частота «уходит» примерно на 10–20 % при изменении напряжения питания от 5 до 15 В и в достаточно большой степени зависит от температуры (использование высокостабильных резисторов и конденсаторов не поможет, и потому нецелесообразно). Чтобы избавиться от этого эффекта, необходимо применить кварцевый резонатор, в просторечии – просто кварц.

Здесь не место для того, чтобы подробно излагать принципы работы кварцевого (или реже употребляемого керамического, который обладает несколько меньшей стабильностью) резонатора – это нужно делать в курсе радиотехники в сравнении со свойствами колебательного контура. Вкратце дело заключается в следующем: если приложить напряжение к кварцевому параллелепипеду, выпиленному из целого кристалла в определенной ориентации относительно его осей, то кристалл деформируется – очень не намного, но все же достаточно, чтобы на этом принципе даже делать прецизионные манипуляторы для электронных микроскопов или выталкивающие жидкость поршни в струйных принтерах Epson . Это так называемый обратный пьезоэлектрический эффект . Имеет место и противоположный прямой эффект – если такой кристалл деформировать, то у него на гранях появляется разность потенциалов, – явление используется в специальных тензометрических кварцах.

Получается, что если мы включим такой кристалл в схему с обратной связью, то она начнет генерировать колебания, причем частота генерации будет зависеть исключительно от размеров кристалла – и ни от чего больше! Как, спросите вы, даже от температуры не будет зависеть? Вот именно – пьезоэлектриков , как называют вещества, ведущие себя подобно кварцу, много, но чаще всего используют именно кварц, т. к. он помимо пьезоэлектрических свойств, обладает еще и одним из самых низких на свете температурных коэффициентов расширения.

В результате кварцевые генераторы без каких‑либо дополнительных ухищрений дают погрешности порядка 10 ‑6 долей от номинальной частоты. Такие доли обозначаются как ррт (part per million ), а иногда просто как 10 ‑6 . Температурная нестабильность хороших кварцев не превышает долей или единиц ррт . Это значит, что уход часов с таким генератором составляет не более 1 секунды в сутки. Правда, для того чтобы реализовать потенциал кварцевых резонаторов полностью, нужны специальные схемы включения, иногда довольно громоздкие (обычно их делают на дискретных элементах), но и схемы на цифровых инверторах, приводимые далее, дают результат не хуже примерно 10 4 во всем диапазоне питающих напряжений и температуры.

На кварцах работают все бытовые электронные часы, и вообще в любом современном бытовом электронном устройстве вы, скорее всего, найдете кварц, а иногда и не один. Кварцы выпускают на определенные частоты, при их приобретении следует обращать внимание на возможное отклонение частоты от номинальной, которая может составлять от долей ррт до десятков и даже сотен ррт . Если нужна повышенная точность, то можно приобрести специализированные очень стабильные резонаторы с погрешностью начальной установки до 10 ‑7 , выпускаются и готовые генераторы на разные частоты (особенно большой выбор предлагает фирма, название которой обычно ассоциируется совсем с другими продуктами, – Epson , приобретшая в свое время компанию, известную своей часовой торговой маркой Seiko ).

Большинство кварцевых генераторов в цифровой технике строят по одной и той же схеме, которая очень проста и требует всего одного инвертора, резистора и двух конденсаторов. Схема эта показана на рис. 16.4, а . Чтобы не перегружать выход (это будет влиять на стабильность), нагружать такой генератор можно только на один‑два КМОП‑входа, поэтому обычно на выходе ставят еще и буферный элемент. Если же частота с выхода подается, например, только на вход КМОП‑счетчика, то его можно не ставить. Параметры всех элементов можно менять в довольно больших пределах – так, емкость конденсаторов может меняться от 10 до 100 пФ (как рассчитать значение емкости более точно, см. «Подробности» далее), причем они не обязательно должны быть одинаковыми, – изменением С1 можно подстраивать частоту в пределах 4–5 знака после запятой. Сопротивление резистора R1 может меняться от 1 до 20 МОм, R2 – от нуля до сотен килоом (меньшие значения получаются при более высокочастотных кварцах). Схема потребляет несколько десятков микроампер при напряжении питания 5 В и устойчиво работает для кварцев с частотами от десятков килогерц до 1 МГц для «классической» КМОП и до 10 МГц для КМОП‑элементов из быстродействующих серий. Правда, с некоторыми старыми отечественными кварцами (вроде РК‑72) могут быть проблемы.

Рис. 16.4. Схемы кварцевых генераторов наКМОП ‑элементах

Инвертор, естественно, может представлять собой и просто инвертор, и многовходовой логический элемент с объединенными входами. Во втором случае один из входов можно использовать для запуска и остановки генерации, как в схеме на рис. 16.2, б .

Подробности

Конденсаторы С1 и С2 в схеме на рис. 16.4, а рассчитывают, исходя из номинальной емкости нагрузки Сн , которая указывается для каждого кварцевого резонатора. Если она неизвестна, то можно ориентироваться на значение 12,5 пФ для «часовых» кварцев и на значение 16–32 пФ для кварцев частотой 1‑16 МГц. Номинал С каждого из конденсаторов (при условии их равенства) можно рассчитать по приблизительной формуле С = 2Сн – 10 пФ, где 10 пФ – «среднепотолочное» значение емкости монтажа плюс емкость входа/выхода инвертора. Таким образом, для «часовых» кварцев эти емкости должны быть порядка 15 пФ, а для более высокочастотных – 22–56 пФ. Для микросхем вроде часов реального времени, где конденсаторы уже имеются в составе микросхемы, указывается номинальная нагрузочная емкость внешнего кварцевого резонатора. Правильно подобранное значение емкости гарантирует более точное соответствие частоты генератора номинальной, но это не значит, что при других значениях емкости генератор не заработает, – чем больше значение емкостей, тем больше и потребляет схема, но и тем быстрее она «заводится». Указанные на схеме значения 22 пФ оптимальны, если использовать резонатор «не глядя».

Кварцевые резонаторы имеют предельно допустимую мощность рассеяния, которая невелика: от 1–3 мкВт для «часовых» кварцев в цилиндрических корпусах 6×2 или 8×3 мм до 30–50 мкВт в низких прямоугольных корпусах (HC‑49S) и 1–2 мВт для кварцев в стандартных прямоугольных корпусах типа HC‑49U. Превышение допустимой мощности еще не означает выхода резонатора из строя (хотя может случиться и такое – смотря, насколько превысить), но стабильность генератора снижается. Значение рассеиваемой мощности на кристалле W можно грубо прикинуть, исходя из падения напряжения на резонаторе: W = Uк ·Iк , где Iк – ток через резонатор, который определяется в основном резистором R2. Его величина подсчитывается, исходя из напряжения на выходе инвертораUвых : Iк = Uвых /R2 = Uпит /2R2 (делитель 2 появляется, т. к. на выходе мы имеем меандр, а не постоянное напряжение). Рассчитать Uк , форма которого близка к синусоидальной, непросто, но его можно измерить экспериментально, – для «часового» кварца в схеме по рис. 16.4, а действующее значение UK равно примерно 0,05 от напряжения питания. Итого при номиналах резисторов и конденсаторов, близких к указанным на схеме, мощность на «часовом» резонаторе составляет около 1 мкВт при напряжении питания 5 В и линейно растет с напряжением питания, поэтому при 15 В самые миниатюрные кварцы лучше не ставить.

Недостатком схемы на рис. 16.4, а является то, что на низких частотах она достаточно долго «заводится» при включении – установление режима для «часового» кварца 32 768 Гц может занимать секунды, в зависимости от значения емкостей, и в это время схема потребляет довольно большой ток – до 15 мА. Этого недостатка лишена более сложная схема на рис. 16.4, б , которая, однако, работает только при частотах в десятки килогерц, т. е. ориентирована на «часовые» кварцы. Потребление такой схемы при напряжении питания 3,3 В и использовании указанных на схеме элементах серии 74НС составляет 180 мкА (3 мА в момент включения), а время выхода на режим при включении питания или подаче разрешающего высокого уровня на вход «Пуск/Стоп» не превышает 0,2–0,3 с. При отключении подачей низкого уровня на вход «Пуск/Стоп» схема потребляет меньше 1 мкА. В этой схеме резонатор работает в более щадящем режиме, чем в схеме на рис. 16.4, а .

Специально для измерения температуры производятся термочувствительные кварцы, обладающие чувствительностью порядка 50–90 ррт изменения частоты на каждый градус изменения температуры. Кварцы эти выпускают на разные частоты: 30–40 кГц, 5 МГц, 10–40 МГц и пр. Если заменить в схеме на рис. 16.4, б «часовой» кварц аналогичным термочувствительным (например, отечественным РКТ‑206 с частотой 32,7 кГц), то получится отличный малопотребляющий датчик температуры с частотным выходом и отрицательным наклоном зависимости частоты от температуры. Зависимость эту для бытовых применений можно считать линейной, однако для прецизионных измерений температуры (для чего, собственно, такие кварцы и существуют) приходится ее аппроксимировать полиномом 2‑й и даже 3‑й степени.

Заметки на полях

Кстати, мало кто знает, но в случае, если под рукой нет подходящего кварца, схему на рис. 16.4, а вполне можно «завести», просто заменив резонатор малогабаритной индуктивностью. То же относится и к встроенным генераторам микроконтроллеров, которые организуются по аналогичной схеме. Частоту можно грубо прикинуть, если учесть, что постоянная времени LC‑контура равна √LC, где в качестве величины С нужно подставить сумму емкостей обоих конденсаторов. Тогда частота будет примерно равна единице, деленной на удвоенную величину этой постоянной. Естественно, главное преимущество кварца – высокая стабильность – при этом пропадет, зато можно менять частоту, в том числе и плавно.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector