Кварцевые автогенераторы

Кварцевая пластина обладает пьезоэлектрическим эффектом, суть которого заключается в следующем.

Если на кварцевую пластину воздействовать электрическими колебаниями, то на гранях пластины возникают механические напряжения, приводящие к механическим колебаниям пластины. И, наоборот, переменные механические деформации пластины кварца приводят к появлению на гранях пластины переменных электрических напряжений.

Так как кварцевая пластина является упругим телом, то возникающие в ней колебания имеют собственные частоты. Если частота ЭДС, приложенной к пластине кварца, равна собственной частоте кварца, то наступит электрический и механический резонанс, и ток во внешней цепи будет максимальным.

Механическая система в радиотехнике заменяется эквивалентной колебательной (рис. 3.20).

С₀–(5 ¸ 50) пф – емкость кварцедержателя;

L_К–(3Гн ¸ 15мкГн) – характеризует инерционные свойства пластины;

С_К–(0,01 ¸ 0,05) пф – характеризует упругие свойства;

r_К–(3 ¸ 200) Ом – сопротивление, определяющее потери в пластине на трение.

а)

б)

Рис. 3.20. Условное обозначение кварцевого резонатора (а), эквивалентная схема его замещения (б)

Такой порядок параметров приводит к высокой добротности эквивалентного контура Q_К = (3 ¸ 30) × 10⁴.

Кварцевую пластину в кварцедержателе называют кварцевым резонатором. Так как кварцевый резонатор эквивалентен сложному параллельному контуру (III вида), то существуют 2 резонансные частоты (рис. 3.21)

f _{посл.рез.} f_k1 = 1 / 2p(L_kC_k)^1/2,

f_{пар.рез.} f_k2=1/[2p(L_kC_kC₀ / (C_k+C₀))^1/2]

= f_k1(1+q_k)^1/2 = f_k1(1+q_k/2),

где q_k = C_k / C₀ – параметр управляемости кварца.

Частота параллельного резонанса выше частоты последовательного резонанса. В интервале f_k1 ¸ f_k2 кварц эквивалентен индуктивности. Так на частоте f_k1 выполняется условие последовательного резонанса (реактивные сопротивления равны)

wL_k = 1 / wC_k,

т.е. wL_k – 1 / wC_k = 0. При увеличении частоты индуктивное сопротивление растет, емкостное сопротивление уменьшается, значит, цепь носит индуктивный характер.

На частоте f_k2 выполняется условие параллельного резонанса (проводимости ветвей равны) 1/wL_k = wC_Э, т.е. 1/wL_k–wC_Э =0. При уменьшении частоты индуктивная проводимость растет, а емкостная проводимость уменьшается, поэтому цепь носит индуктивный характер.

Рис. 3.21. Зависимость реактивного сопротивления кварцевого резонатора от частоты

Некоторые схемы кварцевых автогенераторов приведены на рис. 3.22 – 3.24.

Рис. 3.22. Схема кварцевого автогенератора

с кварцем в цепи коллектор-база

В автогенераторах кварц необходимо использовать как индуктивность, т.е. между частотами f_k1 ¸ f_k2, по следующим причинам. Если использовать кварц как емкость, то в случае пробоя кварца он может сохранить электрические свойства, но с другим значением емкости, т.е. АГ будет вырабатывать автоколебания, но с другой частотой.

Рис. 4.23. Схема кварцевого автогенератора с кварцем в цепи коллектор-эмиттер

Основная причина в том, что только в интервале f_k1 ¸ f_k2 наблюдается механический и электрический резонанс кварца, и амплитуды электрических и механических колебаний имеют максимальные значения.

Рис. 3.24. Схема кварцевого автогенератора

с кварцем в цепи база-эмиттер

Схемы кварцевых генераторов классифицируются в зависимости от того, между какими электродами включается кварц. Напомним, кварц используется в качестве индуктивности.

Возможно подключение кварца к полупроводниковому триоду: между коллектором (стоком) и базой (затвором), коллектором (стоком ) и эмиттером (истоком), эмиттером (истоком) и базой (затвором).

Наиболее распространенной является схема автогенератора с кварцем в цепи коллектор-база. Реже используется автогенератор с кварцем в цепи коллектор-эмиттер. Недостаток заключается в том, что кварц шунтируется выходным сопротивлением транзистора, которое в общем случае комплексно, а также кварц шунтируется резистором R_k. Кварцевый автогенератор с кварцем в цепи база-эмиттер используется редко из-за сильного шунтирования кварца малым входным сопротивлением транзистора, что приводит к уменьшению эквивалентной добротности колебательной системы, к снижению ее эквивалентного сопротивления.

3.2.Состав курсовой работы.

Техническое задание на проектирование LC-автогенераторов. Содержание

пояснительной записки

Состав курсовой работы. Курсовая работа состоит из одного графического листа формата А1 (59 840 мм) и пояснительной записки объёмом до 20 листов формата А4 (210 296 мм).

На листе чертежа приводятся:

-техническое задание на проектирование;

-схема измерения LC-автогенератора гармонических колебаний;

-зависимости выходного сигнала автогенератора;

-спектральный состав генерируемого колебания;

-любые другие результаты, иллюстрирующие итоги проектирования.

Техническое задание на проектирование

Номер варианта (N) задать согласно подразделу 2.2

1. Тип LC-автогенератора задать следующим образом: при 00 ≤ М ≤ 33 проектировать LC-автогенератор с ёмкостной обратной связью; при 34 ≤ М ≤ 66 - LC-автогенератор с автотрансформаторной обратной связью; при 67≤ М ≤ 99 - LC-автогенератор с трансформаторной обратной связью.

2. Тип усилительного элемента выбрать из приложения А согласно номеру варианта с учётом последней цифры (L) числа, обозначающего порядковый номер текущего года. Если L –чётная цифра, то при 00 ≤ М ≤ 49 задать транзистор биполярный, а при 50 ≤ М ≤ 99 – транзистор полевой; если L – нечётная цифра, то при 00 ≤ М ≤ 49 задать транзистор полевой, а при 50 ≤ М ≤ 99 – транзистор биполярный.

3. Частота генерации f _г=[5.005^.К +0.525^.N+0.025^.L] МГц,

где К – последняя цифра индекса учебной группы.

4. Температура окружающей среды от (-25 - N)⁰С до (+30 + N) ⁰С. Провести анализ влияния температуры на фор-

му и спектральный состав генерируемых колебаний.

5. Напряжение источника питания – ≤ 5 В. Исследовать влияние напряжения питания на частоту генерации колебаний.

6. Исследовать влияние напряжения положительной обратной связи на генерацию колебаний.

Содержание пояснительной записки

Рукопись текста пояснительной

записки должна содержать:

-титульный лист;

-техническое задание на курсовое проектирование;

-содержание;

-введение;

-принципиальную схему автогенератора высокочастотных гармонических колебаний, пояснения назначения каждого элемента;

а также следующие разделы:

-получение гармонических колебаний;

-определение спектрального состава генерируемых колебаний;

-исследование влияния температуры на частоту генерируемых колебаний;

-исследование влияния напряжения питания на частоту генерации колебаний;

-исследование влияния положения рабочей точки на частоту генерации колебаний;

-исследование влияния напряжения положительной обратной связи на генерацию колебаний;

-заключение;

-библиографический список.

В содержании приводится перечень разделов и подразделов пояснительной записки с указанием страниц, на которых размещается начало матери

ала разделов, подразделов и пунктов, если они имеют наименование.