Кварцевая стабилизация частоты

Для удовлетворения более жестким требованиям по стабильности частоты колебаний применяют кварцевую колебательную (резонансную) систему. Кварцевая стабилизация частоты автогенератора в совокупности с мерами параметрической стабилизации позволяет снизить относительную нестабильность частоты до 10 ^-7.

Кварцевый резонатор (кварц) представляет собой тонкую прямоугольную пластину минерала кварца, помещенную в кварцедержатель, грани которой определенным образом ориентированы по отношению к осям кристалла. Для стабилизации частоты используется явления прямого или обратного пьезоэлектрического эффекта: при воздействии на кварцевую пластину переменного электрического поля в ней возникают упругие механические колебания (обратный пъезоэффект), приводящие в свою очередь к появлению электрических зарядов на гранях пластины (прямой пъезоэффект). Пьезоэффект наиболее выражен в узких полосах частот, когда частота гармонических колебаний близка к одной из собственных (механических) частот кварца.

Кварц в этом режиме можно рассматривать как электромеханическую колебательную систему. Здесь уместно отметить, что, будучи механической колебательной системой с распределенными параметрами, кварц, подобно, например, электрической длинной линии обладает множеством собственных частот.

Характеристики кварцевого резонатора иллюстрируются эквивалентной схемой и графиками зависимости реактивного сопротивления от частоты (рис.3.6). На рис. 3.6, а: R _КВ , L _КВ, С _КВ – эквивалентные оммическое сопротивление, индуктивность и емкость кварцевого резонатора, С _КД – паразитная емкость кварцедержателя.

Порядок указанных величин составляет: R _КВ - от единиц до ста Ом;  L _КВ - десятые доли Гн, С _КВ – сотые доли пФ; С _КД  - единицы пФ.

Кварц, как колебательная система, может резонировать на частоте последовательного резонанса f _К1, определяемого параметрами собственно кварца L _КВ и С _КВ, и параллельного резонанса f _К2 (колебательной системы с учетом паразитной емкости кварцедержателя).

Эталонность кварца достаточно высока. Его добротность может достигать нескольких тысяч, тогда как для дискретных колебательных контуров не удается превысить значения 300.. 400. Кроме того, благодаря малым размерам кварцевой пластины, ее легко термостатировать.

Различают два класса схем кварцевых автогенераторов.

К первому относят так называемые осцилляторные схемы в которых генератор работает на частотах, очень близких к частоте параллельного резонанса, а его реактивное сопротивление имеет индуктивный характер (рис.3.7, а). В схемах индуктивной или емкостной трехточки кварц включается в соответствующую ветвь схемы (вместо индуктивности или как дополнение к индуктивности). Во всех осцилляторных схемах самовозбуждение возможно только в том случае, если происходят механические колебания кварца, то есть проявляется пьезоэлектрический эффект. Срыв механических колебаний незамедлительно приводит к срыву колебаний в автогенераторе, так как невозбужденный кварц является емкостью, а при этом условие баланса фаз нарушаются.

В схемах, относящихся ко второму классу, кварц работает на частоте последовательного резонанса (рис.3.7, б, в), на которой он обладает очень маленьким активным сопротивлением. Эти схемы обладают большей стабильностью и применяются наиболее часто.

Кроме представленных вариантов применяют более сложные схемы кварцевых автогенераторов. К ним относят, например, схемы с затягиванием частоты и мостовые схемы (в данном материале не рассматриваются).

В LС – генераторах на ОУ кварц чаще всего применяют в качестве индуктивности (аналогично транзисторным схемам), а в RС – генераторах в качестве активного сопротивления, при этом используется явление последовательного резонанса.

На рис.3.8 приведены примеры кварцевых автогенераторов на ОУ. Величину сопротивления R подбирают таким, чтобы оно было равно резонансному (активному) сопротивлению кварца.

Одним из существенных недостатков кварцевых генераторов является невозможность работы с плавным изменением частоты генерируемых колебаний, так как любое изменение частоты колебаний приводит к их срыву.

Поэтому кварцевые генераторы используются часто в качестве генераторов опорных частот, по сигналам которых производится подстройка частоты рабочих генераторов.