Стабилизация параметров колебаний в генераторах
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 f значениями частоты:
Относительной нестабильностью (fотн) называется отношение абсолютной нестабильности к номинальной частоте:
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 С 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
и частоту параллельного резонанса (рисунок 23 в)
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=10 2 , а кварцевого резонатора Q=10 5 .
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.
Стабилизация частоты генераторов.
Частота колебаний автогенератора определяется его режимом работы и параметрами контура. В процессе работы генератор подвергается различным воздействиям (изменениям температуры и напряжения, влиянию других усилительных каскадов), вызывающим изменение частоты. Уменьшение влияния этих факторов достигается параметрической и кварцевой стабилизациями.
Параметрическая стабилизация частоты достигается подбором элементов схемы (конденсаторов, катушек индуктивности, резисторов, транзисторов и др.), параметры которых в процессе работы изменяются мало. Температурные влияния уменьшают, применяя термическую герметизацию контуров генераторов в специальных термостатах, используя конденсаторы с отрицательным ТКЕ, компенсирующие увеличение емкости других элементов схемы. Влияние колебаний питающих напряжений снижают, применяя стабилизаторы напряжения и тока. Электромагнитные влияния ослабляют, рационально размещая элементы схемы и экранируя их.
Кварцевая стабилизация является наиболее эффективным способом повышения устойчивости частоты генераторов. Она основана на применении в схемах кварцевых пластинок с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Если к пластине кварца приложить переменное напряжение (поместить ее в электрическое поле ВЧ), то она испытывает периодические механические деформации, т. е. сжимается и разжимается, что в свою очередь вызывает появление электрических зарядов на ее гранях. В результате в цепи (между входными зажимами) течет переменный ток. Этот ток имеет две составляющие IС и IКВ. Реактивный ток IС проходит через емкость, образованную металлическими пластинами кварцедержателя. Ток кварца IКВ обусловлен наличием пьезоэффекта и зависит от частоты приложенного напряжения. Когда частота подведенного переменного напряжения совпадает с собственной частотой механических колебаний кварца, наступает резонанс, при котором амплитуда колебаний будет максимальной. Пьезоэлектрический ток будет наибольшим, а его фаза совпадает с фазой приложенного напряжения. Поэтому вблизи резонансных частот кварцевую пластину можно представить в виде последовательного контура с сосредоточенными постоянными LKCKrK (рис. 22.14, а) и параллельно подключенной к нему статической емкости кварцедержателя С (рис. 22.14,б). Практически емкость кварцедержателя С в сотни раз больше эквивалентной емкости кварца СК, поэтому собственная резонансная частота кварца как последовательного контура ω1К=1/√LКCК близка к собственной частоте эквивалентного параллельного контура
.
Поскольку С>>СК, то частота параллельного резонанса ω2К отличается от частоты последовательного резонанса ω1К незначительно. Относительный разнос частот составляет
.
На рис. 22.14, вигизображена зависимость реактивного хКи полного zKсопротивлений кварца от частоты (без учета активных потерь в кварце). Из графиков следует, что при, ω2К > ω> ω1Ксопротивление кварца носит индуктивный, а при ω ω2К—емкостный характер.
Стабильность частоты автоколебаний в зависимости от изменений емкости СК и С характеризуется равенствами:
,
из которых следует, что изменение емкости Св С/СК раз меньше влияет на частоту, чем изменение емкости СК.Практически С/СК≈10 2 -10 4 , поэтому изменение внешней емкости схемы кварцевого автогенератора, подключенной параллельно С, слабо влияет на частоту автоколебаний.
Добротность кварцевого резонатора на частоте последовательного резонанса
Где
— характеристическое сопротивление кварца.
Благодаря большому значению LKи малому СК величины ρК и QK достигают значений, во много раз превышающих их величины в обычных электрических контурах, что обеспечивает малое затухание и очень высокую стабильность резонансной частоты кварцевого контура.
Автоколебания в кварцевом автогенераторе возможны только на частотах вблизи частоты ω1К или ω2К, где сопротивление кварца хКносит индуктивный характер (рис. 22.14, в).На частотах, соответствующих емкостному характеру сопротивления, кварц не возбуждается. Наибольшую добротность имеют кварцы, возбужденные на 5-й — 7-й механических гармониках.
Электрические параметры кварцевого резонатора (частота последовательного ω1К и параллельного ω2К резонансов, добротность QK, температурный коэффициент частоты ТКЧ, предельно допустимая мощность рассеивания РК) определяются геометрическими размерами, типом среза пластин и видом колебаний. Для различных видов среза значение собственной частоты кварца колеблется в пределах f=l,6/d÷3,6/d (МГц), где d — толщина пластины (мм). Например, для пластины х— среза и колебаний по толщине (вдоль оси_х) собственная частота равна 2,836/d
Рис. 22.14. Схемы и характеристики кварцевых резонаторов
Методы стабилизации частоты автогенераторов
Стабильность частоты автогенераторов является одним из важнейших параметров. Воздействие дестабилизирующих факторов проявляется в изменении емкостей конденсаторов, индуктивностей дросселей и сопротивлении резисторов.
Различают параметрическую и кварцевую стабилизацию.
Параметрическая стабилизация сводится к ослаблению влияния внешних факторов на частоту колебаний путем стабилизации температурных режимов и параметров источников питания.
Кварцевая стабилизация частоты, заключается в применении кварцевых резонаторов, что дает очень низкую нестабильность частоты, обычно порядка 10 -8 .
Кварцевый резонатор представляет собой тонкую пластину минерала (кварца или турмалина) прямоугольной либо круглой формы, установленную в кварцедержателе. Как известно, кварц обладает пьезоэффектом. При сжатии кварцевой пластины на противоположных ее гранях появляются разноименные электрические заряды, при растяжении пластины знаки зарядов на тех же гранях изменяются на обратные (прямой пьезоэффект). При воздействии на кварцевую пластину переменного электрического поля в ней возникают механические упругие колебания (обратный пьезоэффект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на ее гранях. Кристалл кварца (пластина) представляет собой электромеханическую систему, обладающую резонансными свойствами. В зависимости от геометрических размеров и ориентации среза резонансные свойства (резонансная частота f) каждой пластины строго фиксированы и лежат в пределах от нескольких единиц килогерц до 1000 МГц.
Кварцевый резонатор эквивалентен электрическому колебательному контуру. Эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на рис. 8.4, а. Как видно, кварц эквивалентен включенным смешанно элементам L, R, С. В такой цепи может быть резонанс напряжения с частотой
. Индуктивность кварца Lкв может быть значительной — от десятков микрогенри до нескольких миллигенри. Емкость кварца Скв мала (сотые доли пикофарад). Кварцевый резонатор обладает острым резонансом, что свидетельствует о небольшом сопротивлении R, порядка единиц ом. Поэтому добротность кварца достигает 10 5 -10 6 , т. е. она на два-три порядка больше добротности контуров, выполненных на дискретных элементах — индуктивной катушке и конденсаторе.
|
|
На частотах ниже wн и выше wТ (wТ – частота резонанса токов) эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора носит емкостный характер (рис. 8.4, б), а на частотах выше wн и ниже wТ — индуктивный характер. Частотные свойства кварцевого резонатора обусловливаю его различное включение в автогенератор. Кварцевый резонатор можно включить в цепь положительной обратной связи как последовательный (колебательный) контур (рис. 8.5, а) или в трехточечный автогенератор как индуктивный элемент ветви колебательного контура (рис. 8.5, б).
Вопросы для самопроверки:
1. Опишите принцип построения генераторов синусоидальных колебаний.
2. Какие методы стабилизации частоты автогенераторов вы знаете.
3. Что такое кварцевый резонатор.
Нелинейный режим работы операционного усилителя
Компараторы
Широкое применение для построения релейных (пороговых) усилителей нашли операционные усилители (ОУ), которые в этих устройствах работает на нелинейных участках характеристики (участках насыщения). Выходное напряжение ОУ может принимать одно из двух значений: U + вых.max или U — вых.max. Это связано с тем, что уровни входных напряжений релейных усилителей намного превышают максимальное входное напряжение, при котором ОУ может работать в режиме усиления.
Напомним, что максимальное входное напряжение (разность между напряжением на прямом входе Uпр и на инвертирующем входе Uинв), при котором ОУ может работать в режиме усиления, составляет сотые доли милливольт, поэтому при анализе схем, построенных на ОУ, работающем в линейном режиме, входное напряжение ОУ считают равным нулю.
Если напряжение на входе ОУ выходит за пределы максимального (которое можно считать равным нулю), то ОУ переходит в режим насыщения и выходное напряжение принимает одно из двух значений: U + вых.max или U — вых.max, — величина которых определяется величиной напряжений источников питания +Еп и –Еп. Таким образом, напряжение на выходе ОУ будет равно U + вых.max, если Uпр — Uинв > 0 и U — вых.max, если Uпр — Uинв 0), на выходе ОУ сохраняется максимальное положительное напряжение U + вых.max. Когда напряжение на инвертирующем входе Uвх сравняется с опорным и станет чуть больше (Uпр — Uинв — вых.max. Дальнейшее увеличение входного напряжения не изменит состояния ОУ. Таким образом, состояние ОУ зависит от соотношения входного и опорного напряжений. Изменяя опорное напряжение можно менять порог срабатывания компаратора.
На рис. 9.1, б показаны схема и передаточная характеристика неинвертирующего компаратора. Здесь соотношению Uвх – Uоп — вых.max. При увеличении входного напряжения сверх Uоп соотношение между Uпр и Uинв ОУ меняется на противоположное Uпр — Uинв > 0 и выходное напряжение становится равным U + вых.max.
Широкое применение получили также компараторы, в которых ОУ охвачен положительной обратной связью (рис. 9.2, а). Такой компаратор обладает характеристикой с гистерезисом (рис. 9.2, б). Схема известна под названием триггер Шмитта.
Переключение схемы в состояние U — вых.max происходит при достижении входным напряжениемUвх напряжения порога срабатывания Uср, а возвращается в исходное состояние U + вых.max – при снижении Uвх до напряжения порога отпускания Uотп.
Значения пороговых напряжений найдем, учитывая, что переключение схемы происходит, когда Uпр — Uинв = 0
откуда ширина зоны гистерезиса
.
Важнейшим показателем операционных усилителей, работающих в импульсном режиме, является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ общего применения составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения – доли микросекунды.
Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные непосредственно для импульсного режима работы и получившие общее название “компараторы”.
Дата добавления: 2018-02-18 ; просмотров: 1170 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Источник