Описание лабораторного макета

Принципиальная схема макета изображена на рис.1а. генератор прямоугольных импульсов собран на элементах D1.1 и D1.2. D1.3 используется как буферный каскад. Переключатель S1 позволяет использовать в качестве времязадающего элемента генератора либо кварцевый резонатор Z1, либо конденсатор С1. Резисторы R3, R2 задают режимы работы элементов D1.1 и D1.2.

На элементах VD, C2, R1, C3 собран параметрический стабилизатор для питания микросхемы.

Генератор синусоидальных импульсов (рис.1.б) содержит усилительный элемент на полевом транзисторе VT1, кварцевый резонатор Z2, ёмкости связи С6, С8. Резисторы R5, R6, R7определяют рабочее смещение усилительного элемента. Переключатель S3 и конденсатор С9 позволяют изменять глубину обратной связи. Схема представляет собой емкостную трехточку. Возбуждение кварца производится на частоте параллельного резонанса.

3. Теоретическая часть.

Различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект (ПЭ). Когда под действием

приложенной силы происходит электрическая поляризация, то это ППЭ. Если

прикладывается электрическое поле, а происходит деформация (изгиб, сжатие, кручение,

сдвиг), то данное явление носит название ОПЭ. Пьезоэлектрические явления обратимы. ПЭ

линеен - как прямой, так и обратный. Вещества, в которых наблюдается ПЭ, называются

пьезоэлектрика­ми: виннокислый калий, танталлат лития, кварц. Кварц обеспечивает наибо­лее

стабильную частоту.

ППЭ: микрофоны, датчики ускорений, звукосниматели, зажигалки и др.

ОПЭ: реле, ультразвуковые излучатели, телефоны, громкоговорители, звонки, системы автотрекинга в видеомагнитофонах и др.

ППЭ - механический вход, электрический выход.

ОПЭ - электрический вход, механический выход.

Пьезоэлектрический резонатор (ПЭР) имеет только электрические вход и выход.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора:

С₀ – статическая или параллельная емкость;

L1, C1, R1 – динамические или эквивалентные L, C, R;

L1=r·M1 – эквивалентная масса;

– эквивалентная жесткость;

R1=r·R_M – эквивалентный коэффициент трения.

В общем случае количество резонансов равно n.

Из эквивалентной схемы:

– ёмкостной коэффициент характеризует соотношение электрической и механической энергии при колебаниях резонатора.

– добротность;

– частота последовательного резонанса;

– частота параллельного резонанса.

Т.к. , то .

Кварц эквивалентен контуру с очень малым коэффициентом включения ~10³, поэтому изменения параметров внешней схемы слабо влияют на стабильность.

Внутри интервала кварцевый резонатор имеет индуктивный характер, за его пределами – емкостной.

Схемы с кварцевыми резонаторами подобны схемам LC – генераторов. Здесь также необходимо соблюдение баланса фаз, амплитуд и условий самовозбуждения.

Отличительная особенность схем в том, что возможно возбуждение кварца на двух частотах: последовательного и параллельного резонанса.

Рис.1.а Генератор прямоугольных импульсов

Рис.1.б КАГ sin-импульсов

Емкостная трехточка с параллельным резонансом.

Схема, использующая последовательный резонанс.

4. Лабораторное задание.

1. Заземлить стенд. Воткнуть сетевую вилку в розетку ~ 220 В. Включить сетевой тумблер на стенде.

2. На осциллографе с клеммы Y2 синусоидального генератора получить сигнал, зарисовать. Сделать десять последовательных замеров частоты частотомером, занести показания в таблицу. Засечь текущее время.

3. Выключить тумблер S3, зарисовать осциллограмму.

4. Подключить осциллограф к клеммам Y1. Зарисовать осциллограмму при включенном кварцевом резонаторе. Сделать десять последовательных замеров частоты частотомером и занести показания в таблицу.

5. Переключатель S1 перевести в положение конденсатора С1. Повторить п.4 при подключенном С1.

6. Переключателем S2 включить нагреватель. Засечь время. Периодически делать замеры частоты при обоих положениях переключателя S1, делая по 5 замеров и усредняя. Замеры отмечать по времени. Замеры закончить тогда, когда t^o_c ≥ 40 ^оС.

7. Подключить частотомер к клемме Y1. После охлаждения системы замерить частоту в обоих положениях S1 и сделать отметку текущего времени.

5. Домашнее задание.

1. Изобразить схемы обоих кварцевых генераторов.

2. Найти среднеквадратичное отклонение частоты по пункту 2 лабораторного задания.

3. Объяснить различия осциллограмм п.п. 2 и 3 лабораторного задания.

4. Рассчитать баланс амплитуд для обоих положений тумблера S3.

5. Найти среднеквадратичное отклонение частоты по пункту 4 лабораторного задания.

6. Найти среднеквадратичное отклонение частоты по пункту 5 лабораторного задания.

7. Построить график относительного изменения частоты во времени при нагреве для кварца и емкости (пункту 6 лабораторного задания).

8. Вычислить уход частоты кварцевого генератора без нагрева за 1 час, используя п.п. 2 и 7.

6. контрольные вопросы.

1. Что такое прямой и обратный пьезоэффект?

2. Привести примеры использования пьезоэффекта и материалы им обладающие.

3. Эквивалентная схема кварцевого резонатора.

4. Параллельный и последовательный резонанс. Относительная величина резонансного промежутка.

5. Причина высокой стабильности генераторов с использованием кварцевого резонатора.

6. Привести схемы с параллельным и последовательным резонансом.

7. Перспектива повышения стабильности частоты задающих генераторов.

7. Список литературы.

1. «Радиопередающие устройства» Под ред. Шахгильдяна В.В. М.: Радио и связь, 1996г.– 560 с.

2. Белов Л.А. «Радиопередающие устройства» М.: Радио и связь, 1982г., с.166.

3. «Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет.» Под ред. Валитова Р.А. и Попова И.А. М.: Советское радио, 1973г., с.194.

4. Справочник по кварцевым резонаторам. Под ред. Позднякова П.Г. М.: Связь, 1978г.