Материал: Методические указания к выполнению лабораторной работы № 4 по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника». Новикова Е.И., Родионов О.В

Иногда вместо конденсатора, определяющего частоту колеба-

ний, включают варикап и, меняя приложенное к нему допол-

нительное постоянное напряжение, изменяют резонансную частоту контура. В этом случае перестройка частоты осущест-

вляется электрическим путем за счет изменения барьерной емкости варикапа. Относительная нестабильность частоты у автогенераторов 10 …10 .

3.8.Генераторы с кварцевыми резонаторами

иэлектромеханическими резонансными системами

Их обычно применяют на повышенных частотах, когда требуется получить колебания известной и стабильной частот.

В них роль цепи, обладающей резонансными свойствами, вы-

полняет или кварцевый резонатор, или электромеханический

фильтр.

Кварцевый резонатор является высокодобротным

фильтром, частотные свойства которого определяются гео-

метрическими размерами и типом колебаний его пластины.

В электромеханических фильтрах используют резо-

нансные свойства механической колебательной системы, вы-

полненной специальным образом.

Рассматриваемые генераторы значительно сложнее и дороже в изготовлении, чем LC- и RC-генераторы. Однако при создании прецизионных преобразовательных устройств обой-

тись без них часто не удается.

Применение кварцевых резонаторов позволяет обеспе-

чить относительное изменение частоты, не превышающее

10 …10 , что на несколько порядков лучше соответст-

19

вующих параметров LC- и RC-автогенераторов.

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 на-

стоящее время используют различные виды срезов. Благодаря этому удается удовлетворить многочисленные противоречи-

вые требования, предъявляемые к рассматриваемым резона-

торам.

В кристаллическом кварце существуют прямой и об-

ратный пьезоэлектрические эффекты. Прямой пьезоэффект

характеризуется тем, что при приложении к пластине механи-

ческого напряжения на обкладках появляется электрический заряд, пропорциональный приложенному напряжению. Об-

ратный пьезоэффект сводится к тому, что приложенное к пластине электрическое напряжение (созданное электриче-

ское поляризующее поле) приводит к возникновению механи-

ческих напряжений, изменяющих форму и размеры пластины.

Возможные виды механических колебаний кварцевой пластины представлены на рис. 5. Чаще всего используют ко-

лебания сжатия-растяжения (рис. 5 а), изгиба (рис. 5 б), кру-

чения (рис. 5 в, г), сдвига по контуру (рис. 5 д), сдвига по толщине (рис. 5 г). Эти колебания возможны как на основной резонансной частоте кварца, определяемой его геометриче-

скими размерами и видом среза, так и на различных гармони-

ках, кратных этой частоте.

20

Рис. 5. Виды колебаний кварцевых элементов:

а– сжатие-растяжение; б – изгиб; в, г – кручения;

д– сдвиг по конуру, е – сдвиг по толщине

Прежде чем вырезанная пластина кварца превратится в резонатор, она проходит ряд сложных технологических опе-

раций. Поэтому под кварцевым резонатором или просто

кварцем в дальнейшем будем подразумевать законченное уст-

ройство, способное совершать резонансные колебания под действием электрического поля соответствующей частоты и содержащее кварцевый элемент, электроды и кварцедержате-

ли.

Для проведения электрических расчетов кварцевый ре-

зонатор обычно представляют в виде эквивалентных схем, по-

казанных на рис. 6 а, б. Параметры элементов, входящих в эк-

вивалентную схему, зависят от вида колебаний, размеров электродов и пластин кварца. Конденсатор характеризует емкость пьезоэлемента и его держателей. L, С, R характери-

зуют параметры пьезоэлемента, которые обусловливают стро-

го определенную частоту его колебаний.

21

Следует заметить, что резонансная частота кварцевого резонатора зависит от температуры окружающей среды, что позволяет иногда использовать его для точного измерения температуры.

L

Хк

C C0

Z пол

Rк

R

а) б)

Рис. 6. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

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

22

определяющих генерируемую частоту при включении его в цепь автогенератора.

Типовые значения параметров кварцевого резонатора: L=100 мГн; R=100 Ом; С=0,015 пФ; Q=25000; =5 пФ. Пол-

ное сопротивление кварцевого резонатора

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

больших пределах. Для этого последовательно с ним включа-

23