Кварцевая стабилизация частоты

Данный способ стабилизации основан на применении в электрических схемах вместо LC-контуров кварцевого резонатора, что позволяет снизить нестабильность частоты колебаний автогенератора до 10^-7 (отклонение частоты на ∆f=0,1 Гц от генерируемой в f_p=1 МГц).

Кварцевый резонатор представляет собой помещенную в кварцедержатель тонкую прямоугольную пластинку минерала кварца, грани которой определенным образом ориентированы по отношению к осям кристалла. Из физики известно, что кварц обладает прямым и обратным пьезоэлектрическим эффектом. Прямой пьезоэффект возникает при механическом сжатии или растяжении кварцевой пластинки и сопровождается появлением на ее противоположных гранях электрических зарядов.

При воздействии на кварцевую пластинку переменного электрического поля в ней возникают упругие механические колебания (обратный пьезоэффект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на гранях пластинки. Кварц можно рассматривать как электромеханическую колебательную систему и сравнивать ее свойства с обычным колебательным LC-контуром (рис.5.9). Добротность кварцевого резонатора достигает сотен тысяч, тогда как у колебательного контура она не превышает 300…400. Механическая прочность и слабая зависимость частотных свойств от температуры обусловливают достаточно высокую эталонность частоты кварцевых резонаторов.

При расчетах кварцевый резонатор представляют эквивалентной схемой (рис.5.9, а), в которой элементы L_кв, C_кв b R_кв характеризуют, соответственно, индуктивность, емкость и омические потери собственно кварца. Емкость С_ок отражает наличие кварцедержателя. Зависимость реактивного сопротивления кварцевого резонатора от частоты x(f) приведена на рис. 5.9, б. Она имеет два резонанса: последовательный на частоте f_k1 и параллельный на частоте f_k2. Последовательный резонанс обеспечивают элементы L_кв, и C_кв, отражающие резонансную частоту кварца

f_k1= . (5.23)

Параллельный резонанс в устройствах с кварцевым резонатором практически не используется.

Схемы кварцевых генераторов. Чаще всего кварц в LC-генераторах применяют в качестве индуктивности (рис. 5.10, а), что упрощает конструкцию, а также уменьшает мощность, рассеиваемую в резонаторе. Условия возникновения гармонических колебаний можно проанализировать, заменив кварцевый резонатор (Кв) его эквивалентной схемой и применив общие уравнения, характеризующие самовозбуждение автогенератора.

На рис. 5.10, б изображена упрощенная схема RC-генератора с мотом Вина, в котором вместо одного из резисторов включен кварцевый резонатор, работающий в режиме резонанса напряжений. Для того чтобы резонансная частота кварца совпадала с квазирезонансной частотой моста Вина, сопротивление резистора R подбирают равным резонансному активному сопротивлению кварца R_кв. Цепь отрицательной ОС с терморезистором R₂, включенная между выходом и инвертирующим входом ОУ, компенсирует температурные изменения резонансного сопротивления кварца и тем самым стабилизирует амплитуду выходных колебаний.

Отметим, что подстройку частоты в принципиальной электрической схеме данного автогенератора осуществляют с помощью конденсаторов. Для этого обычно используется полупроводниковая емкость – варикап.

СРОП-9.