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

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

8.1.С АВТОМАТИЧЕСКИМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ АМПЛИТУДЫ КОЛЕБАНИЙ

(усилителей, смесителей, умножителей частоты). Малое изменение амплитуды напряжения на выходе частотномодулированного или частотпоманипулпровапного генератора позволяет получить малый уровень паразитной амплитудной модуляции;

2 ) поддержание напряжения постоянного уровня на кварце­ вом резонаторе. Напряжение постоянного уровня на кварцевом ре­ зонаторе позволяет уменьшить изменение тока через него и тем самым повысить стабильность частоты за счет уменьшения состав­ ляющей нестабильности частоты, обусловленной зависимостью ча­

Л.

(8. 1)

Аналогично может быть найдено значение UKэ 2 при величине управляющего сопротивления генератора Ду2. Относительное из­ менение выходного напряжения в этом случае может быть оценено следующим выражением:^

Екэ г

степень изменения выходного напряжения в этом случае при изме­ нении управляющего сопротивления генератора.

Рассмотрим изменение коллекторного тока при изменении уп­ равляющего сопротивления генератора. При кусочно-линейной ап­ проксимации и недонапряженном режиме транзистора первую гар­ монику коллекторного тока можно представить в виде

-131

Аналогично может быть найдено значение А 1 2 при величине управляющего сопротивления генератора Ry2.

Относительное изменение первой гармоники коллекторного то­ ка можно найти, используя выражение (8.3) для различных вели­

значительно меньшее изменение первой гармоники коллекторного тока от величины управляющего сопротивления генератора по сравнению с изменением величины напряжения U,„. Например, при изменении управляющего сопротивления генератора в четыре раза отношение Uкзг/LAai изменяется в пять раз, а величина пер­ вой гармоники коллекторного тока — на 15%. Следовательно, если выходное напряжение снимать с элементов схемы генератора, по которым протекает первая гармоника коллекторного тока, то воз­

ния генератора первой гармонике коллекторного тока достигается

сопротивлению R n, и поэтому стабильность выходного напряжения будет определяться стабильностью тока Ач. Стабильность выход­

Сопротивление У?„ следует выбирать из условия малого влия­ ния его на крутизну, изменение которой из-за включения R,,

Из выражения (8 .6 ) видно, что влияние сопротивления Ru на крутизну мало при условии, что АсС 1 /| У;з| •

132

В генераторах с применением высокочастотных маломощных транзисторов типов П416, КТ312, ГТ311 или им аналогичных вели­ чину сопротивления /?„ следует выбирать в пределах 150—500 Ом. Отметим, что данная схема имеет высокую стабильность частоты, из-за изменения сопротивления нагрузки, так как коэффициент

Рис. 8.2. Схемы кварцевого генератора с малыми изме­ нениями выходного напряжения:

а) эквивалентная; а) принципиальная

включения нагрузки в колебательный контур генератора мал. В ря­ де случаев это позволяет обойтись без буферных каскадов.

Повысить стабильность выходного напряжения и свести к ми­ нимуму влияние сопротивления Ru можно использованием предло-

Рнс. 8.3. Двухтраизнсторные схемы кварцевого генератора с малым изменением выходного напряжения:

а ) эквивалентная; б) принципиальная

жснпой нами схемы [34, 135]. В этой схеме (рис. 8.3а) вместо соп­ ротивления Rn в коллекторную цепь генератора включается малое входное сопротивление усилительного каскада с общей базой.

133

лекторную цепь усилительного каскада. Схема такого генератора показана на рис. 8.36. Нагрузка в цепи коллектора транзистора ПП2 выбирается из условия устойчивой работы усилительного кас­ када в педонапряженном режиме для исключения влияния изме­ нения ее на частоту генератора. Контур Ь2С3С4 может быть на­ строен на высшую гармонику коллекторного тока. В этом случае генератор будет работать в режиме умножения частоты.

Для поддержания постоянного уровня напряжения на кварце­ вом резонаторе и выходного напряжения применяются схемы с ав­ томатической регулировкой амплитуды. Одна из таких схем пока­ зана на рис. 8.4.

Генератор собран по емкостной трехточечиой схеме на транзи­ сторе Ти второй каскад буферный. Каскад на транзисторе Т3 вме­ сте с диодом Д, управляет смешением генератора. При изменении амплитуды генератора изменяется напряжение на выходе транзи­

7'ь таким образом уменьшая первоначальное изменение амплиту­ ды колебании кварцевого генератора.

8.2.С ИМПУЛЬСНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Одним из способов повышения стабильности частоты генера­ торов являются ослабление связи кварцевого резонатора с генера­ торной схемой и получение колебаний постоянной формы. Одной из таких схем является схема кварцевого генератора с ударным возбуждением колебаний и обратной связью по субгармомнкс. Эта схема кварцевого i оператора описана Плопским А. Ф. [154, 155]. Принцип действия схемы с импульсным возбуждением состоит в следующем: кольцо самовозбуждения генератора состоит из квар-

134

цевого резонатора, резонансного усилителя и импульсного гене­ ратора (мультивибратора), настроенного на субгармонику кварце­ вого резонатора. Субгармонические импульсы воздействуют на кварцевый резонатор и возбуждают его. Колебания кварцевого резонатора усиливаются в резонансном усилителе и синхронизи­ руют генератор импульсов. Одна из схем генератора с импульс­ ным возбуждением показана на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Схема кварцевого генератора с импульсным воз­ буждением

Первый каскад представляет резонансный усилитель с общим эмиттером. На двух последующих транзисторах собран мультиви­ братор, настроенный па 3—5-ю субгармоники кварцевого резона­ тора и синхронизируемый колебаниями, поступающими с усилите­ ля. С выхода мультивибратора импульсы поступают на кварцевый резонатор, возбуждая в нем колебания. Кварцевый резонатор включен между выходом мультивибратора и входом усилителя.

Условия самовозбуждения генератора с импульсным возбуж­ дением включают в себя условия автономного режима самовоз­ буждения мультивибратора п необходимость получения напряже­ ния с кварцевого резонатора после усилителя, достаточного для синхронизации мультивибратора. Для синхронизации мультиви­ братор должен быть предварительно настроен на частоту, не­ сколько ниже частоты кварцевого резонатора или его субгармоникп. При работе на субгармониках уменьшается влияние режима транзисторов на форму импульсов и на относительное изменение высших гармоник генератора.

Следует отметить, что при ударном возбуждении в кварцевом резонаторе возбуждается не только основное колебание, но и по­ бочные колебания. Они несколько ослабляются резонансным уси­ лителем. В генераторах с импульсным возбуждением следует при­ менять кварцевые резонаторы с повышенной моночастотностью.

Значительно повысить режимную стабильность частоты можно использованием сверхнизких субгармоник. На рис. 8 . 6 приведена схема с импульсным возбуждением колебаний с использованием

135

4.Постоянство начальной фазы высокочастотных колебаний в импульсе по отношению к синхронизирующему импульсу.

5.Быстрое затухание колебаний.

усилителя пли каскада, на который подаются затухающие колеба­ ния кварцевого резонатора для их формирования в короткие им­ пульсы.

Параметры схем с ударным возбуждением кварцевых резона­ торов существенно зависят от параметров кварцевых резонаторов, особенно от их мопочастотностп. При ударном возбуждении квар­ цевых резонаторов, в отличие от возбуждения резонаторов в гене­ раторе, па выходе появляется не только основное, но и побочные колебания резонатора. Побочные паразитные колебания наклады­ ваются па основное колебание и вызывают амплитудные и фазо­ вые искажения колебаний кварцевых резонаторов при ударном возбуждении. Как показано в [231], максимальное фазовое иска­ жение для некоторого отдельно взятого /-го периода выходных ко­ лебаний составит

где , 1 ,,;, — амплитуда к-й побочной гармоники; Лп — амплитуда ос­ новной гармоники; т — общее число рассматриваемых побочных гармоник па /-м периоде основных колебаний.

При этом максимальное искажение Кто периода выходных ко­ лебаний

*=i

Как видно из выражения (8 .8 ), для того чтобы получить мак­ симальную нестабильность периодов колебаний кварцевых резона­ торов при ударном возбуждении менее 1 % от значения периода

138

колебаний кварцевого резонатора необходимо, чтобы максималь­ ная амплитуда любой из побочных гармоник, а также величина их суммы в произвольно выбранный момент времени составляла ме­ нее 2% от амплитуды основного колебания. Несколько уменьшить влияние побочных колебаний можно введением резонансного уси­ лителя. Для ударного возбуждения целесообразно использовать кварцевые резонаторы с малыми побочными колебаниями, кото­ рые далеко отстоят от основной частоты.

Возбуждение побочных колебаний одновременно с основным колебанием приводит к тому, что побочные колебания взаимодей­ ствуют с основным колебанием, вследствие чего основное колеба­ ние модулируется по амплитуде частотамипобочных колебаний. Величина взаимодействия побочных и основного колебаний может

где /1„шл'А.>т1 — максимальное и минимальное значения ампли­ туды свободных колебаний кварцевого резонатора соответственно.

На рис-. 8.9 показаны свободные колебания кварцевых резона­ торов при ударном возбуждении при различных побочных коле­ баниях.

Рис. 8.9. Свободные колебания кварцевых резонаторов при ударном воз­ буждении с побочными колебаниями:

а) малой интенсивности; б) большой интенсивности

Основные параметры схемы с ударным возбуждением кварце­ вого резонатора при подаче на вход единичного перепада напря­ жений могут быть получены из переходных характеристик [231]

139