1.5Стабілізація частоти

Вимоги до точності та стабільності частоти сучасних електронних приладів достатньо великі. Для виконання цих вимог використовують комплекс схемотехнічних, конструктивних та технологічних засобів стабілізації частоти.

Найбільший вплив на частоту генератора має змінення індуктивності та ємності. Опір навантаження та вхідний опір підсилювача впливають тим слабше, чим вища добротність контура.

Основний вплив на змінення ємності та індуктивності має температура.

Вплив температури на частоту генерованих коливань буде тим менший, чим менший температурний коефіцієнт ємності (ТКЄ) та індуктивності (ТКІ). Мінімальні значення ТКІ мають порядок (7..25)∙10^-4 1/ºС, а ТКЄ може бути як додатнім, так і від’ємним (від 10^-4 до –7∙10^-6 1/ºС)

Використання конденсаторів з від’ємним значенням ТКЄ дозволяє зменшити вплив змінення температури на частоту генерованих коливань (завдяки компенсації ТКІ).

Реально можливим є досягнення нестабільності частоти LC-генератора порядку 10^-4, що не задовольняє вимог більшості радіотехнічних засобів.

Підвищення стабільності частоти генераторів досягається за рахунок використання кварцевих п’єзоелектричних резонаторів замість LC-елементів.

Основу кварцевого резонатора складає п’єзоелектричний вібратор, що кріпиться в [держателях] та розміщується у захисному корпусі. Вібратор являє собою пластину, що належним чином вирізана з монокристалу кварца.

При надходженні на електроди кристалічного елемента змінного струму в ньому виникають пружні механічні коливання. Якщо частота прикладеного струму співпадає з однією з власних механічних частот п’єзоелектричного вібратора, то в ньому виникає явище резонансу. Власна частота резонатора визначається розмірами та фізичними властивостями кристалічного елементу.

До переваг кварцевих резонаторів відносять високу добротність (10⁶..10⁷), малу чутливість до змінення температури, низьку довгочасну нестабільність частоти (10^-6..10^-8).

Для зменшення впливу зовнішніх факторів та для стабільності частоти резонатори розміщують у вакуумованих скляних корпусах, а також термостатують. Совокупність цих засобів поряд з точною технологією виготовлення кварцевих резонаторів дозволяє виготовити кварцеві генератори, що за стабільністю частоти наближаються до атомних (Δf(τ)≤10^-13).

Діапазон робочих частот п’єзоелектричних кварцевих резонаторів – від сотен герц до 1 ГГц.

П’єзоелектричні резонатори використовуються в якості частотозадаючих елементів в генераторах опорних частот та у керованих по частоті генераторах.

Мініатюрні кварцеві п’єзоелектричні резонатори використовуються в задаючих генераторах наручних годинників.

2Підготовка до роботи

Користуючись рекомендованою літературою та даними методичними вказівками вивчити різновиди RC- та LC-генераторів. Ознайомитись із загальними принципами побудови генераторів.

Відповісти на контрольні запитання.

У відповідності з заданим варіантом підготувати протокол дослідження.

3Порядок виконання роботи

3.1Моделювання LC-генератора

3.1.1Зберіть на робочому столі схему автогенератора Колпітца та установіть потрібні (тестові) параметри елементів (рис. 3 .6).

Рисунок 3.6 – Автогенератор Колпітца

3.1.2Виберіть пункт Analysis options… в меню Analysis та переконайтесь, що на вкладці Global знято прапорець RSHUNT. Якщо це не так, зніміть його.

3.1.3Отримайте на екрані осцилографа стійке зображення сигналу. Оскільки зв’язок коливального контуру з підсилювальним каскадом занадто великий, форма коливань не гармонічна (рис. 3 .7).

3.1.4Для виправлення форми коливань введемо конденсатор С3, що має ємність згідно варіанту (рис. 3 .8).

Рисунок 3.7 – Осцилограма негармонічних коливань

Рисунок 3.8 – Автогенератор Колпітца з послабленим зв’язком

3.1.5Введений конденсатор надає можливість управління взаємодією коливального контуру з транзисторним каскадом і називається конденсатором зв’язку.

Осцилограма сигналу тепер значно поліпшилась (рис. 3 .9). Це підтверджує те, що спочатку підсилювальний каскад було перевантажено.

Рисунок 3.9 – Осцилограма генератора Колпітца після введення конденсатора зв’язку

3.1.6Як бачимо з рисунку, період коливань дорівнює 6,1 мс, тобто він майже співпадає з теоретично розрахованим (за формулою 1 .0), який дорівнює приблизно 6,28 мс.

3.1.7Установіть параметри елементів L1, C1 та C2 згідно варіанту (табл. 3 .1).

3.1.8Запустіть генератор та зніміть осцилографічні показники. За формулами 1 .0 та 1 .0 розрахуйте теоретичне значення частоти та періоду коливань.

3.1.9Порівняйте результати моделювання та розрахунків, всі дані занесіть до таблиці спостережень (на зразок таблиці 3 .2):

Таблиця 3.1 – Варіанти вихідних даних

№ варіанту	LC-генератор			RC-генератор
	L1, Гн	C1, мкФ	C2, мкФ	R, кОм	C, мкФ
1	0,2	5	5	0,5	10
2	0,2	10	10	0,5	20
3	0,5	3	3	0,5	30
4	0,5	4	4	1,5	5
5	0,5	5,5	5,5	1,5	10
6	0,5	7	7	1,5	20
7	1	2,5	2,5	1,5	30
8	1	3	3	1,5	50
9	1	4	4	3	10
10	2	1,5	1,5	3	20

Таблиця 3.2 – Результати розрахунків та моделювання

LC-генератор			RC-генератор
fРОЗРАХ	TРОЗРАХ	ТМОДЕЛ	fРОЗРАХ	fМОДЕЛ

3.2Моделювання RC-генератора

3.2.1Зберіть на робочому столі схему RC-генератора (рис. 3 .10) та установіть необхідні за варіантом (див табл. 3 .1) параметри елементів.

Рисунок 3.10 – Схема ланкового RC-генератора

3.2.2Отримайте на екрані осцилографа зображення сигналу генератора (рис. 3 .11):

3.2.3Розрахуйте теоретичну частоту коливань за формулою 1 .0, звідси знайдіть період коливань та порівняйте його з результатом моделювання. Результати занесіть до таблиці 3 .2.

Рисунок 3.11 – Осцилограма вихідного сигналу RC-генератора

4Зміст звіту

Мета роботи

Схеми LC- та RC-генераторів зі встановленими параметрами згідно варіанту (табл. 3 .1)

Протокол досліджень, включаючи формули та зразки розрахунків, а також таблицю результатів (за зразком табл. 3 .2)

Висновки щодо роботи.

5Контрольні запитання

Призначення, склад та основні параметри генераторів гармонічних коливань.

Нарисувати структурну схему генератора гармонічних коливань із зовнішнім зв’язком.

При яких умовах підсилювач, охвачений ЗЗ може перетворитися на генератор гармонічних коливань?

Що таке умови балансу фаз та амплітуд?

Що таке умова самозбудження генератора та умова стаціонарності?

Чому RC-генератори використовуються в низькочастотній частині диапазону, а LC – у високочастотній?

Якими факторами обмежується частота коливань LC- та RC-генераторів на низьких та високих частотах?

Перелічіть основні фактори, що впливають на нестабільність частоти коливань генераторів.

Від чого залежить похибка частоти генератора гармонічних коливань?

Якими конструктивними засобами можна підвищити стабільність частоти генератора?

Чому нестабільність частоти кварцевих генераторів менша, ніж у LC- та RC- генераторів?

Чи доречно в конструкції РЕА розміщувати генератор поблизу підсилювачів потужності та джерел живлення?