Генераторы с кварцевыми резонаторами и электромеханическими резонансными системами.

Их обычно применяют на повышенных частотах, когда требуется получить колебания известной и стабильной частот. В них роль цепи, обладающей резонансными свойствами, выполняет или кварцевый резонатор, или электромеханический фильтр.

Кварцевый резонатор является высокодобротным фильтром, частотные свойства которого определяются геометрическими размерами и типом колебаний его пластины.

В электромеханических фильтрах используют резонансные свойства механической колебательной системы, выполненной специальным образом.

Рассматриваемые генераторы значительно сложнее и дороже в изготовлении, чем LC- и -генераторы. Однако при создании прецизионных преобразовательных устройств обойтись без них часто не удается.

Применение кварцевых резонаторов позволяет обеспечить относительное изменение частоты, не превышающее 10 , что на несколько порядков лучше соответствующих параметров LC- и -автогенераторов.

Рис. 8.41. Виды колебаний кварцевых элементов: а — сжатие — растяжение; б — изгиб; в, г — кручения; д — сдвиг по контуру; е - сдвиг но толщине

Для изготовления кварцевых резонаторов используют природный или искусственный монокристаллический кварц. Так как монокристалл кварца является анизотропным телом, то свойства резонатора зависят от ориентации вырезанной пластины относительно его кристаллографических осей. В настоящее время используют различные виды срезов. Благодаря этому удается удовлетворить многочисленные противоречивые требования, предъявляемые к рассматриваемым резонаторам.

В кристаллическом кварце существуют прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты. Прямой пьезоэффект характеризуется тем, что при приложении к пластине механического напряжения на обкладках появляется электрический заряд, пропорциональный приложенному напряжению. Обратный пьезоэффект сводится к тому, что приложенное к пластине электрическое напряжение (созданное электрическое поляризующее поля) приводит к возникновению механических напряжений, изменяющих форму и размеры пластины. Возможные виды механических колебаний кварцевой пластины представлены на рис. 8.41. Чаще всего используют колебания сжатия — растяжения (рис. 8.41, а), изгиба (рис. ), кручения (рис. 8.41, в, г), сдвига по контуру (рис. 8.41, д), сдвига по толщине (рис. 8.41, г). Эти колебания возможны как на основной резонансной частоте кварца, определяемой его геометрическими размерами и видом среза, так и на различных гармониках, кратных этой частоте.

Прежде чем вырезанная пластина кварца превратится в резонатор, она проходит ряд сложных технологических операций. Поэтому под кварцевым резонатором или просто кварцем в дальнейшем будем подразумевать законченное устройство, способное совершать резонансные колебания под действием электрического поля соответствующей частоты и содержащее кварцевый элемент, электроды и кварцедержатели.

Для проведения электрических расчетов кварцевый резонатор обычно представляют в виде эквивалентных схем, показанных на рис. 8.42, а, б.

Параметры элементов, входящих в эквивалентную схему, зависят от вида колебаний, размеров электродов и пластин кварца. Конденсатор характеризует емкость пьезоэлемента и его держателей. характеризует параметры пьезоэлемента, которые обусловливают строго определенную частоту его колебаний.

Следует заметить, что резонансная частота кварцевого резонатора зависит от температуры окружающей среды, что позволяет иногда использовать его для точного измерения температуры. В прецизионных автогенераторах, работающих на определенной частоте, это явление относится к числу вредных и для уменьшения его влияния кварц термостабилизируют или вакуумируют.

Таким образом, кварцевый резонатор имеет стабильные параметры элементов, входящих в эквивалентную схему и определяюмцих генерируемую частоту при включении его в цепь автогенератора.

Типовые значения параметров кварцевого резонатора: .

Полное сопротивление кварцевого резонатора

Преобразовав значения , получим

Если считать, что значение R достаточно мало и им можно пренебречь, то

Из этого уравнения видно, что существуют одна частота, на которой , и частота, на которой . Условие определяет последовательный резонанс, а условие параллельный. Частота последовательного резонанса зависит только от определенных параметров резонатора — L и С, а частота параллельного — также от менее стабильной межэлектродной емкости .

Частоту кварцевого резонатора можно менять в небольших пределах.

Рис. 8.42. Эквивалентные схемы кварцевого резонатора

Рис. 8.43. Кварцевый генератор на микросхемах (а); генераторы на ОУ, использующие последовательный (б) и параллельный (в) резонансы

Для этого последовательно с ним включают конденсатор емкость которого значительно больше емкости . Изменение частоты можно оценить с помощью уравнения

Принципы, положенные в основу создания кварцевых автогенераторов, остаются теми же, что и для -генераторов. Их можно выполнять по схемам, использующим как последовательный, так и параллельный резонансы в электрической цепи. На практике используются оба вида резонансов.

Возможно также регулировать частоту, на которой возбуждается кварцевый резонатор, включением последовательно или параллельно с ним реактивных сопротивлений. Некоторые из возможных схем генераторов с кварцевой стабилизацией частоты приведены на рис. 8.43, а, б, в. В автогенераторе (рис. 8.43, а) использован последовательный резонанс. Микросхемы типа выполняют функции усилителей. Для вывода их в активную область, в которой возможно «мягкое» возбуждение, они охвачены отрицательной ОС, введенной с помощью резисторов . Паразитное возбуждение микросхем устранено с помощью конденсаторов . Так как ЛЭ имеют открытый коллектор (см. § 8.1), то в цепи выходов микросхем включены резисторы . Конденсатор введен для гальванической развязки выхода и выхода . По существу микросхемы представляют собой усилитель переменного тока, который не инвертирует входной сигнал. Положительная обратная связь, наблюдаемая на частоте последовательного резонанса кварцевого резонатора, приводит к появлению автоколебаний. Так как добротное . резонатора очень велика, при , существенно большем единицы, автоколебания имеют синусоидальную форму (см. рис. 8.37, а).

При очень большом , как это имело место в случае, показанном на рис. 8.34, в, форма выходного напряжения отличается от синусоидальной, что не сказывается на стабильности частоты.

Автогенератор (рис. 8.43, б) отличается от генератора (рис. 8.43, а) только тем, что в нем в качестве усилителя применен ОУ. Верхняя частота, на которой возможно устойчивое самовозбуждение такого генератора, обычно не превышает нескольких сотен .

В генераторе (рис. 8.43, в) используется параллельный резонанс. Кварцевый резонатор включен в цепь отрицательной ОС. На частоте параллельного резонанса кварцевого резонатора резко возрастет. Глубина отрицательной ОС уменьшается, а положительной — остается неизменной. Если результирующее значение обратной связи окажется положительным и , то автогенератор возбудится. Ограничение амплитуды автоколебаний осуществляется за счет выхода ОУ в нелинейную область.

Кварцевые генераторы широко используются в ленных цифровых устройствах измерительной техники, автоматики и радиотехники, когда нужно получить повышенную точность и стабильность частоты.

Кварцевые резонаторы успешно работают в полосе частот от 73 Гц до многих десятков МГц.