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

ПР Е Д И С Л О В И Е

Всовременной радиоаппаратуре широко применяются генерато­ ры. Их попользуют в качестве возбудителей в радиотерсдающих устройствах и гетеродинов в радиоприемных устройствах.

Основным требованием, предъявляемым к генераторам, являет­ ся обеспечение высокой стабильности частоты. Требования к ста­ бильности частоты генераторов непрерывно возрастают в связи с совершенствованием радиоаппаратуры.

Высокая стабильность частоты возбудителей радиопередающих

устройств и гетеродинов ;радишр.иемых устройств позволяет умень­ шить полосу пропускания радиоприемных устройств и улучшить помехоустойчивость. С повышением стабильности частоты радио­ аппаратуры можно увеличивать число радиоканалов в заданном диапазоне частоты. Еще более высокая стабильность частоты не­ обходима в однополосной радиосвязи для уменьшения искажений при радиоприеме. Высокая стабильность частоты позволяет обес­ печить беспоисковую и бесподстроечную радиосвязь^

Высокая стабильность частоты генераторов обеспечивается кварцевыми резонаторами. Кварцевая стабилизация частоты поз­ воляет создать высокостабильные малогабаритные генераторы. Радиоаппаратура с кварцевой стабилизацией широко применяется для связи в промышленности и сельском хозяйстве, на транспорте, в строительстве и в других отраслях народного хозяйства.

Большой вклад в развитие кварцевой стабилизации частоты внесли советские ученые Б. К- Шембель, С. И. Евтянов, М. С. Ней­ ман, А. Ф. Плонский, А. А. Магазаник, Б. К. Солнцев, П. Я. Цыган­ ков, И. А. Народицкий,

Использование кварцевой стабилизации частоты было бы невоз­ можным без разработки высокостабильных кварцевых резонаторов. Необходимо отметить академика А. В. Шубникова, который первый в Советском Союзе изготовил и исследовал кварцевые резонаторы, был инициатором организации промышленного производства квар­ цевых резонаторов и систематических научных исследований по пьезоэлектричеству. Большой вклад в разработку кварцевых резо­ наторов внесли Ф. М. Ильин, П. Г. Поздняков, И. Г. Васин, И. Г. Козулин, Н. Г. Коваленок, А. А. Никологорский, Т. М. Ми­ хайлов, А. Н. Дйкиджи, М. И. Ярославский, И. С. Трошин, А. Г. Смагин.

Назовем имена зарубежных ученых, внесших вклад в развитие кварцевой стабилизации частоты: У. Кэди, У. Мэзон, Р. Бехман,

3

В В Е Д Е Н И Е

Важнейшей характеристикой генераторов является стабиль­ ность частоты. Под стабильностью частоты понимается способность генератора сохранять частоту неизмененной при воздействии де­ стабилизирующих факторов и в течение определенного времени. Однако понятие стабильности частоты не получило самостоятель­ ного количественного определения, и поэтому широко используется понятие нестабильности частоты, под которым понимается измене­ ние частоты генератора при воздействии дестабилизирующих фак­ торов и в течение определенного времени. Нестабильность частоты может быть абсолютной или относительной.

Под абсолютной нестабильностью понимается абсолютное из­ менение частоты генератора. Если до воздействия дестабилизирую­

Абсолютная нестабильность не позволяет сравнивать генерато­ ры различных частот и целесообразнее пользоваться понятием относительной нестабильности частоты

А/7/= ( fz - fo /l-

В зависимости от длительности измерения нестабильность ча­ стоты может быть разделена на:

1) кратковременную, т. е. нестабильность частоты за очень ма­ лые интервалы времени (обычно 0,001 — 1 с). Эта нестабильность обусловлена флуктуацпонпыми процессами в кварцевом генерато­ ре. Кратковременная нестабильность частоты и методы ее измере­ ния будут рассмотрены в гл. 13;

2) долговременную, т. е. нестабильность частоты за длительное время. Обычно пользуются понятиями часовая, суточная, месяч­ ная, годовая нестабильности частоты.

В общем случае долговременная нестабильность частоты зави­ сит от воздействия различных дестабилизирующих факторов, в том числе от:

—изменения температуры окружающей среды;

—длительного действия тепла и холода и циклического 'воздей­ ствия предельных положительных и отрицательных температур;

—изменения напряжения питания;

—действия повышенной влажности;

—изменения атмосферного давления;

6

—изменения нагрузки генератора;

—механических воздействий i(ik « им относятся вибрационные

иударные нагрузки, линейные и центробежные ускорения);

—времени (под действием времени происходит старение эле­ ментов схемы, вследствие 'чего изменяется частота.

Учитывая, что измерения частоты длятся конечное время, для определения нестабильности частоты при воздействии различных дестабилизирующих факторов пользуются средним значением час­ тоты, т. е. усредненным за какое-то время т. Выбор времени усред­ нения— измерения частоты — зависит от необходимой мощности измеренного сигнала и будет рассмотрен ниже.

В дальнейшем при рассмотрении различных видов нестабильно­ сти будем пользоваться значениями усредненных частот, специаль­ но это не оговаривая.

Как правило, дестабилизирующие факторы не действуют одно­ временно, а их сочетание носит вероятностный характер, поэтому наибольшее распространение получило среднеквадратичное сум-

ты под действием дестабилизирующего фактора.

Часто временную нестабильность не включают в суммарную нестабильность, а задают ее отдельно за определенный период времени. В некоторых случаях суммарную нестабильность часто­ ты определяют как сумму абсолютных значений изменений частоты под действием дестабилизирующих факторов.

Интересно рассмотреть отклонение частоты генератора в нор­

значения является основным показателем, характеризующим ка­

где Zy~|Zy|e1<py — управляющее сопротивление генератора; <ру — фазовый угол управляющего сопротивления генератора; |Zy|—мо­

дуль управляющего сопротивления генератора; 5 Ср= |«SCP]е1'фs — средняя (приведенная) крутизна; <ps — фаза крутизны транзистора.

*) Стабильность частоты радиопередающего устройства определяется ста­ бильностью его возбудителя.

7

Подставляя выражения для комплексных величин Zy и S Cp в выражение (В.2), получаем два уравнения:

для баланса амплитуд

возбуждение генератора и амплитуду колебаний в установившемся режиме, является модуль управляющего сопротивления генерато-

ра |Zy |= 1/1Sep |•

14ногда в качестве критерия, характеризующего амплитуду ко­ лебаний генератора, рассматривают действительную часть управля­ ющего сопротивления генератора Ry действ-'

Ryдейств — |Zy |COS фу — COS фу/| Scp | COS ф5/| Scp

В некоторых случаях в качестве величины, характеризующей амплитуду колебаний, рассматривают резонансное управляющее сопротивление генератора RyVej [98]:

где Аф — малая положительная величина.

Нарушение баланса фаз изменяет частоту так, чтобы на новой

8

Рассмотрим знаменатель выражения (В.9). Он не зависит от факторов, определяющих условия самовозбуждения, и является величиной, характеризующей сам генератор. Эту величину назы­ вают фиксирующей способностью генератора:

Понятие фиксирующей способности генератора впервые введено для характеристики Стабильности генераторов советским ученым Б. К. Шембелем. Элементы с высокой фиксирующей способностью обладают свойством резко изменять фазу с изменением частоты колебаний. Чем больше фиксирующая способность генератора, тем меньше изменяется частота колебаний при нарушении баланса фаз, т. е. тем выше стабильность частоты генератора. Фиксирующая способность генератора определяется суммой фиксирующих способ­ ностей всех его элементов. Обычно фиксирующая способность опре­ деляется фиксирующей способностью контура, включенного в гене­ раторную схему.

Рассмотрим контур второго вида. Для этого контура

Из этого выражения получаем для фиксирующей способности кон­ тура

Учитывая работу генератора вблизи резонансной частоты кон­ тура со = соо и cos2cp^; 1,

о = 2Q.

Фиксирующая способность вблизи резонансной частоты про­ порциональна добротности контура. При удалении частоты коле­ баний от резонансной частоты контура фиксирующая способность уменьшается.

Важнейшее условие получения высокой стабильности частоты генератора — наличие в его схеме элемента с высокой фиксирую­ щей способностью, т. е. с большой добротностью.

Однако наличие в генераторе контура с высокой фиксирующей способностью обеспечивает высокую стабильность не при всех де­ стабилизирующих факторах. Среди лих есть и такие, которые воз­ действуют непосредственно на параметры контура и его частоту. К таким факторам относится, например, влияние температуры. Тем­ пературная стабильность частоты зависит от температурного коэф­ фициента частоты, и увеличение фиксирующей способности не ослабляет влияния температуры. Так же проявляются уходы часто-

9