Стабилизация частоты и формы колебаний
Под стабильностью частоты понимают способность автогенератора сохранять частоту выходных колебаний постоянной в течении определенного времени при воздействии дестабилизирующих факторов.
Стабильность частоты генерируемых колебаний количественно характеризуется абсолютной и относительной нестабильностями.
Абсолютной нестабильностью (?f) называется разность между текущим f и номинальным f0 значениями частоты:
?f=f — f0 (31)
Относительной нестабильностью (fотн) называется отношение абсолютной нестабильности к номинальной частоте:
fотн=?f/f0 (32)
Требование по стабильности частоты является одним из основных требований предъявляемых к автогенераторам. Это объясняется тем, что стабильность частоты определяет электромагнитную совместимость радиоэлектронных средств систем радиосвязи, устойчивость работы многоканальных систем электросвязи, искажение сигналов при модуляции и детектировании.
В системах, где требуется очень низкая нестабильность частоты, аппаратура работает от одного задающего генератора с последующим умножением, делением и преобразованием частоты.
Как отмечалось выше, стабильность частоты генерируемых колебаний зависит от воздействия дестабилизирующих факторов, которые и влияют на колебательную систему автогенератора. Такими дестабилизирующими факторами являются: температура, давление, влажность, вибрация.
Изменение температуры автогенератора может происходить из-за изменения температуры окружающей среды, и нагревания элементов самого генератора. Это приводит к изменению размеров деталей колебательного контура, диэлектрической проницаемости изоляторов, магнитной проницаемости сердечников катушек. Для уменьшения нестабильности частоты за счет изменения температуры колебательную систему или весь автогенератор помещают в устройство термостат, в котором поддерживается постоянная температура. Выполняют автогенераторы небольшой мощности, чтобы избежать сильного нагрева деталей генератора. Для уменьшения нагрева усилительного элемента его устанавливают на радиаторах, используют стабилизированные источники питания, применяют эмиттерно-коллекторную стабилизацию рабочей точки.
Изменение давления и влажности воздуха приводит к изменению диэлектрической проницаемости воздуха, емкости конденсатора с воздушным диэлектриком и емкости монтажа. Кроме того, изменение влажности увеличивает активную проводимость поверхностей изолирующих материалов. Для устранения влияния влажности и давления воздуха на частоту генерируемых колебаний применяют герметизацию колебательной системы, используют специальные реактивы осушители.
Вибрация элементов автогенератора возникает вследствие механических сотрясений и ударов. Это приводит к изменению расстояния между пластинами конденсатора, а это в свою очередь приведет к изменению частоты колебаний. Для устранения влияния вибрации на частоту колебаний применяют жесткое крепление элементов колебательной системы, автогенераторы устанавливают на амортизаторы.
Форма колебаний, как и частота, зависит от колебательной системы, от ее избирательности. Колебательная система должна выделять только одну гармоническую составляющую, находящуюся на частоте генерации и подавлять остальные составляющие. Избирательность определяется добротностью колебательного контура. Таким образом, для получения стабильных колебаний гармонической формы необходимо увеличивать добротность колебательной системы.
Кварцевая стабилизация частоты
Для увеличения добротности, а следовательно для большей стабильности частоты и формы колебаний колебательные системы строят с использованием кварцевых резонаторов (пьезоэлектрических элементов). Кварцевый резонатор представляет собой пластину минерала кварца закрепленную между двумя пластинами кварцедержателями. Условное графическое изображение кварцевого резонатора или пьезоэлектрического элемента приведено на рисунке 23, а. Кварцевый резонатор обладает прямым и обратным пъезоэффектами. Прямой пъезоэффект заключается в появлении на гранях кварцевой пластины электрических зарядов при ее механической деформации. Обратный пьезоэффект заключается в механической деформации кварцевой пластины под воздействием электрического поля.
Если к кварцевому резонатору подвести переменную ЭДС, то в результате обратного пьезоэффекта возникнет механическая деформация кварцевой пластины (механические колебания). В результате этих колебаний возникнет прямой пьезоэффект. С изменением частоты внешнего переменного напряжения и приближением ее к собственной резонансной частоте кварцевой пластины резко усиливается обратный пьезоэффект, а увеличение амплитуды механических колебаний приводит к возрастанию прямого пьезоэффекта и, соответственно к возрастанию тока. Таким образом, кварцевая пластина аналогична последовательному колебательному контуру. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора представлена на рисунке 23, б. В этой схеме элементы Lк, Cк, Rк являются эквивалентными индуктивностью, емкостью и сопротивлением кварцевой пластины, а элемент С0 является эквивалентной емкостью образованной пластинами кварцедержателями (кварцевый резонатор можно представить как конденсатор, обкладками которого являются пластины кварцедержателя, а диэлектриком ? кварцевая пластина). Из эквивалентной схемы следует, что кварцевый резонатор имеет две резонансные частоты: частоту последовательного резонанса
wР1=1/?(LкCк)
и частоту параллельного резонанса (рисунок 23 в)
wР2=1/?(LкCкС0 )/(Ск+С0) (33)
В полосе частот между wР1 и wР2 реактивное сопротивление имеет индуктивный характер. За пределами этой полосы реактивное сопротивление является емкостным.
Рисунок 23 Кварцевый резонатор: а) условное графическое обозначение; б) эквивалентная электрическая схема; в) частотная характеристика реактивного сопротивления
Включение кварцевого резонатора в колебательную систему автогенератора позволяет значительно повысить добротность колебательного контура, так добротность колебательного контура составляет Q=102, а кварцевого резонатора Q=105.
Кварцевые автогенераторы
Все используемые на практике схемы автогенераторов можно разделить на две группы: осцилляторные и мостовые. В осцилляторных схемах используются схемы трехточечных LC автогенераторов, в колебательную систему которых включается кварцевый резонатор. При этом используется полоса частот кварцевого резонатора имеющая индуктивное реактивное сопротивление, поэтому резонатор включается в качестве индуктивности. В мостовых схемах кварцевый резонатор включается в одно из плеч моста в цепи обратной связи автогенератора. На частоте генерации мост неуравновешен и напряжение, снимаемое с диагонали моста, обеспечивает выполнение баланса амплитуд и фаз.
Осцилляторные схемы кварцевых автогенераторов приведены на рисунке 24. На рисунке 24, а приведена принципиальная электрическая схема эквивалентная индуктивной трехточечной схеме LC автогенератора, а на рисунке 24, б ? емкостной трехточечной схеме.
Рисунок 24 - Принципиальные электрические схемы кварцевых автогенераторов
С помощью кварцевых генераторов можно получить стабильные колебания с частотой до 40 МГц.