Кварцевый генератор — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 16 августа 2018; проверки требуют 8 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 16 августа 2018; проверки требуют 8 правок. Кварцевый генератор внутри микросборки формата DIP-микросхемы. Внутри находится печатная плата, тонкий круглый кварцевый резонатор с металлизированными обкладками сверху и снизу (находится слева на фотографии), микросхема и обвязка.

Ква́рцевый генера́тор — автогенератор электромагнитных колебаний с колебательной системой, в состав которой входит кварцевый резонатор. Предназначен для получения колебаний постоянной частоты с высокой температурной и временно́й устойчивостью, низким уровнем фазовых шумов.

Частота[править | править код]

Частота собственных колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких кГц до сотен МГц. Она определяется физическими размерами резонатора, упругостью и пьезоэлектрической постоянной кварца, а также тем, как вырезан резонатор из кристалла. Так как кварцевый резонатор является законченным электронным компонентом, его частоту можно изменять внешними элементами и схемой включения в очень узком диапазоне выбором резонансной частоты (параллельный или последовательный) или понизить параллельно включённым конденсатором. Существуют, однако, кустарные методики подстройки резонатора. Это целесообразно в случаях, когда желательно иметь несколько резонаторов с очень близкими параметрами. Для уменьшения частоты на кристалл кратковременно воздействуют парами иода (это увеличивает массу серебряных обкладок), для увеличения частоты обкладки резонатора шлифуют.

В 1997 году компания Epson Toyocom выпустила в свет серию генераторов SG8002, в конструктиве которых присутствуют блок подстроечных конденсаторов и два делителя частоты. Это позволяет получить практически любую частоту в диапазоне от 1 до 125 МГц. Однако данное достоинство неизбежно влечёт за собой недостаток — повышенный джиттер (фазовый шум).

Цитата: Генератор с внутренними цепями фазовой автоподстройки частоты необходимо с предельной осторожностью применять в схемах, содержащих внешние цепи ФАПЧ.^[1]

Стабильность частоты[править | править код]

Колебания кварцевого генератора характеризуются высокой стабильностью частоты (10⁻⁵ ÷ 10⁻¹²), что обусловлено высокой добротностью кварцевого резонатора (10⁴ ÷ 10⁵).

Уровень фазовых шумов[править | править код]

У лучших генераторов спектральная плотность мощности фазовых шумов может быть менее −100 дБн/Гц на отстройке 1 Гц и менее −150 дБн/Гц на отстройке 1 кГц при выходной частоте 10 МГц.

Мощность[править | править код]

Мощность кварцевого генератора не превышает нескольких десятков милливатт

[источник не указан 2100 дней]. При более высокой мощности кристалл кварцевого резонатора может разрушиться из-за возникающих в нём сильных механических напряжений. На практике, при необходимости получения большей мощности от стабилизированного кварцевым резонатором генератора применяется усилитель.

Тип выходного сигнала[править | править код]

Генераторы могут изготавливаться как в модификации с синусоидальным выходным сигналом, так и с сигналом прямоугольной формы, совместимым по логическим уровням с одним из стандартов (TTL, CMOS, LVCMOS, LVDS и т. д.).

Наличие и тип термостабилизации[править | править код]

• термокомпенсированные (TCXO)
• термостатированные (OCXO, DOCXO)

Возможность перестройки частоты[править | править код]

• постоянной частоты
• частота управляется напряжением (VCXO)
• частота управляется цифровым кодом (NCXO)

Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению электрического заряда на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями заряда на её поверхности, и наоборот.

Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка помещается между обкладками конденсатора.

Для получения высокой добротности и стабильности резонатор помещают в вакуум и поддерживают постоянной его температуру.

Примеры схемотехнической реализации[править | править код]

Кварцевые генераторы используют для измерения времени (кварцевые часы, электронные часы), в качестве стандартов частоты. Кварцевые генераторы широко применяются в цифровой технике в качестве генераторов тактовых импульсов.

• Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. — М.: «Энергия», 1970. — 488 с. — 6000 экз.

• Шитиков Г. Т., Цыганков П. Я., Орлов О. М. Высокостабильные кварцевые автогенераторы / Под ред. Г. Т. Шитикова. — М.: «Советское радио», 1974. — 376 с. — 11 300 экз.

• Альтшуллер Г. Б. Управление частотой кварцевых автогенераторов. — Изд. 2-е, перераб. и доп.. —
  М.: «Связь», 1975. — 304 с. — 7000 экз.

• Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984. — 232 с. — 27 000 экз.

Высокостабильный кварцевый генератор

Виктор Кабанчук RZ9AE. rz9ae (at) mail.ru Памяти брата Александра — RV9BB посвящается. Как-то, в середине 90-ых, ко мне обратился  земляк, работающий на “Севере”, с просьбой отремонтировать ГСС  Г4-151. Уважив его просьбу, я взялся за эту работу. Не могу судить в общем об этой конструкции ( у меня был один экземпляр ), но впечатления после проверки работы генератора остались только отрицательные. Острая реакция на изменение напряжения сетевого питания, довольно низкая стабильность частоты  на выходе и побудили меня к некоторым изменениям в его конструкции. Суть их состояла в установке дополнительных стабилизаторов на + 12 и  -12 вольт в цепях питания ГУН, и изменении схемы опорного кварцевого генератора ( далее ОКГ ). Стабилизаторы были выполнены на ОУ, и с “ коллекторным выходом”, включенные последовательно в цепь питания за штатными. Как известно, схема стабилизатора с коллекторным выходом  обеспечивает устойчивую работу при минимальном перепаде напряжения на регулирующем  транзисторе. Использование этого варианта стабилизаторов и выбор оптимальных величин напряжения стабилизации “ штатных” и дополнительных стабилизаторов полностью решило проблему по реакции генератора на изменение напряжения сети. Вопрос по повышению стабильности частоты (примерно на 3 порядка) был решён применением вместо “родного” опорного генератора другой схемы, на которой я и хочу остановиться. За основу схемы был взят прототип, опубликованный в журнале “ Приборы и техника эксперимента” за 1979-й год. К сожалению, после трёх переездов много литературы не могу найти, приношу свои извинения за отсутствие  точных данных об источниках информации!…  В качестве основного элемента стабилизации частоты я использовал резонатор- термостат ГК-180 от радиостанции “ Маяк” с частотой 2 МГц. Оригинальное схемное решение генератора и применение высококачественного резонатора привели к результирующей стабильности, претендующей на (как  минимум) девятый порядок. К такому выводу я пришёл после его испытаний в сравнении с ОКГ частотомера Ч3-34. По паспортным данным, у последнего  кратковременная стабильность после прогрева за 2 часа не хуже ±2х10E-8. Реальная картинка по фигурам Лиссажу, после совмещения частот, представляла собой неподвижную фигуру в паузе между моментами включения  подогрева термостата в опорном генераторе Ч3-34. На основании этого  я сделал вывод, что данный генератор по стабильности “ переплёвывает” ОКГ Ч3-34. Причём это при пассивном термостатировании схемы генератора и резонатора  в небольшой коробке из твёрдого пенопласта. Для достижения указанных параметров желательно следовать следующим рекомендациям: Транзисторы VT1, VT2 должны быть  с близкими значениями бета ст. Транзистор VT3 использовать с малым напряжением отсечки, и необходимо подобрать такой экземпляр, у которого ток в термостабильной точке будет около 0,5 Ма ( Выбор термостабильной точки можно осуществить подбором резистора в цепи истока (R4) по минимуму изменения тока стока транзистора при его принудительном нагреве, или воспользоваться информацией по адресу: ftp://ftp.qrz.ru/pub/hamradio/calc/rz9ae-quartz.zip ). При этом удобно использовать отдельную измерительную схему, включающую в себя панельку под транзистор, контрольный цифровой вольтметр и резистор в цепи истока, представляющий собой комбинацию из постоянного сопротивления и многооборотного проволочного. Измерительная схема (R1 показано условно.) Добившись требуемого, измерить напряжение  на истоке  и записать его значение. Напряжение на стоке транзистора при этом  должно быть стабильным. (около 5V ). 3. Следующая мера направлена  на компенсацию приращения тока стока  полевого транзистора при изменении напряжения на стоке. Крутизна этого приращения имеет положительный знак Крутизна же приращения тока стока  от изменения  напряжения исток – затвор, в схеме с общим затвором имеет отрицательный знак. На этом и основан принцип компенсации. С хорошим  блоком  питания, может это лишнее. Но, как говорится, маслом каши не испортишь!.. И тогда, в измерительную схему, (после выполнения пункта 2 ) в цепь стока транзистора ставим дополнительный резистор 13 Ком и цифровой миллиамперметр ( из серии М8ХХ), запитав при этом схему от регулируемого стабилизированного источника номинальным напряжением = 12,0V. Записываем показания прибора( это ток в термостабильной точке в статическом режиме Jst. ). Теперь увеличиваем напряжение питания до14,0V и записываем новое значение тока ( оно будет больше первого на несколько микроампер). Вновь установив питание = 12,0V, подключаем компенсирующий резистор между шиной питания и истоком транзистора. Это может быть комбинация из 200 ком постоянного сопротивления и 1??  переменного. Установив переменный резистор примерно в среднее положение, записываем новое значение тока при12,0V, оно будет несколько меньше тока Jst. Снова повысим питание до14,0V и фиксируем изменение тока, (оно будет несколько меньше dJst). Манипулируя переменным резистором и попеременно меняя питание с 12 на  14 вольт, добиваемся полного отсутствия изменения тока стока при изменении напряжения  питания. Последней стадией регулировки является установка режима транзистора в термостабильный, путём изменения сопротивления ( R1 в измерительной схеме) в цепи истока, до получения значения тока стока, равного первоначальному (Jst) без компенсирующего резистора. После отключения от схемы, измеряем сопротивления цифровым прибором  и получаем рабочие номиналы   резисторов R4, R5 в схеме генератора. Схема кварцевого генератора — щелкните мышью для получения большого изображения При налаживании схемы, после работ в пунктах 2 и 3, предварительно настроить в резонанс выходной усилитель на  VT4, при этом напряжение на его истоке должно быть в пределах 1,5 — 2V. В зависимости от типа используемого транзистора ( можно любой 2-х затворный), может потребоваться подача положительного смещения на первый затвор через дополнительный делитель напряжения. Также перед настройкой рекомендуется установить в среднее положение движок резистора VR1 и ротор подстроечного конденсатора С3. Вместо конденсатора С7 подключить КПЕ 12-495 пкф и, контролируя амплитуду  и частоту на выходе, установить максимальный размах колебаний изменением ёмкости КПЕ. Измерить полученную ёмкость КПЕ и установить конденсатор с требуемой емкостью на место С7. После этого откорректировать частоту, грубо — путём подбора С2 и подстройки С3, и точно изменением напряжения на варикапе VD1 с помощью резистора VR1. Конденсаторы С2, С4, С7  должны быть из группы МП0,  с минимальным ТКЕ. Рекомендую использовать комбинацию из П33 и М47. На этом настройку генератора можно считать законченной. Для питания данного генератора необходим источник стабильного напряжения на 12-12,6 вольт с максимальным током нагрузки не более 200 мА. ГК-180 после выхода на рабочий режим, при комнатной температуре потребляет ток около 18 мА. То есть, в установившемся режиме, общий ток потребления  генератора не превышает 30мА. Сфера применения этого изделия у радиолюбителей может быть самой разнообразной, главное достоинство же, как я считаю, в соотношении: цена затрат / качество. Более быстрый и эффективный способ подобрать оптимальные режимы источника стабильного тока на полевом транзисторе Идея использования милливольтметра переменного тока (осциллографа)  в качестве индикатора, при компенсации зависимости тока стока от изменения  напряжения питания,  возникла на основе следующих рассуждений : При полной компенсации данной зависимости ток в цепи стока транзистора, в идеале величина постоянная, и не зависит от изменения напряжения  питания. Значит, при изменении питания в некоторых пределах, (путём введения переменной составляющей с помощью трансформатора ), согласно представленной схеме, переменная составляющая на нагрузке (R1) будет иметь минимальное значение, или полностью отсутствовать. В таком случае процесс подбора  резистора  в истоке, и компенсирующего резистора удобно выполнить на макете, по приведённой ниже схеме, в два этапа: Отключить нижний вывод R3 от схемы и провести подбором VR1 установку  режима ТСТ (см. статью), зафиксировать вольтметром напряжение Uзи(ТСТ) в термостабильной точке. Восстановить соединение R3 с истоком, изменением VR2 добиться минимума показаний милливольтметра. Изменением VR1 установить прежнее значение Uзи(ТСТ). При разбалансировке повторить регулировки VR2 и VR1 повторно.        Критерии: Минимум показаний милливольтметра (осциллографа), и соответствие Uзи(ТСТ). Для избежания наводок, при поиске минимума, вольтметр от истока VT1 отключать! Добившись требуемого, отключить R2 и R3 от схемы, измерить суммарное сопротивление в каждой цепи и записать их значение.  При установке в схему генератора эквивалентов резисторов R4, R5  предпочтительно применение  сочетаний резисторов типа С2-29 и подобных. В остальном схема пояснений не требует. В качестве примера приведу результаты эксперимента с произвольно попавшимся под руку транзистором КП 303В, параметры которого были определены по методике, указанной на http://www.qrz.ru/shareware/detail/93 : Были взяты резисторы с номиналами 1,5 к  и  2,15к, и поочерёдно установлены в цепь истока; при напряжении на стоке +9в,  падения напряжения на них составили соответственно 0,996 в и 1,075 в. Согласно данным из таблицы расчёта, напряжение в термостабильной точке Uтст= 0,960955 в, при расчётном номинале резистора Rst = 1,29128k и токе Jst = 0,744187mA Ближайший к расчётному Rst я нашёл резистор 1,295k, падение на нём составило 0,961 в… Кстати! Все измерения проводились прибором  M890G фирмы ALDA, 1996 года выпуска, который прекрасно зарекомендовал себя за 9 лет эксплуатации ( один раз чистил контакты спиртом и натёр их посеребренной пластинкой). По погрешности на =U и R он “тянет” на класс 0,2!… Далее была собрана тестовая схема по вышеприведённому рисунку 1(без подстроечного VR1), и подобран компенсирующий резистор (по пункту 2). Эффект компенсации составил для данного транзистора -26 dB (20раз). Значение резистора составило 96,2k. Прирост Uзи от подключения компенсирующего резистора составил 15mV, и манипуляции с подгонкой Uзи под Uтст я проводить не стал, из-за отсутствия необходимости таковой… Этот эксперимент показал, что смысл в подключении и подборе компенсирующего резистора есть однозначно, а предлагаемый метод значительно упрощает эту процедуру. Очень наглядно это при использовании осциллографа!… Для распечатки, имеющим интерес радиолюбителям, прилагаю схемы в формате Splan5_0. При возникновении вопросов — пишите на мой E-mail Виктор, RZ9AE rz9ae [at] mail.ru

Кварцевые генераторы: схема, принцип работы, резонатор

Основу кварцевых генераторов составляют кварцевые резонаторы.

 Кварцевый резонатор

— это пластинка кварца, закрепленная определенным образом в кварцедержателе и представляющая собой электромеханическую колебательную систему. Эти резонаторы относятся к пьезоэлектрическим элементам, принцип действия которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта.

 

Прямой пьезоэффект

состоит в том, что механическая нагрузка на материал элемента вызывает появление электрического напряжения между соответствующими поверхностями элемента.

 Обратный пьезоэффект

состоит в том, что электрическое напряжение между соответствующими поверхностями элемента, создаваемое с помощью внешнего источника напряжения, вызывает появление механических напряжений, которые могут изменять форму и размеры элемента.

Кварцевые резонаторы изготавливают из природного и искусственного монокристаллического кварца. Из заготовки вырезают пластины, грани которых определенным образом ориентированы относительно кристаллографических осей монокристалла. В рабочем режиме на обкладках пластины имеется переменное напряжение, и имеют место механические колебания пластины. Используются колебания сжатия-растяжения, изгиба, кручения и другие.

При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис. 2.69, а) его удобно заменять эквивалентной схемой, представленной на рис 2.69, б.

Необходимо отметить, что именно эта эквивалентная схема кварцевого резонатора используется в пакете программ «PSpice» для моделирования электронных схем. В эквивалентной схеме могут иметь место и параллельный, и последовательный резонанс. На практике используют оба вида резонанса.

На частоте последовательного резонанса ωk= 1/(Lk·Ck)^1/2резонатор имеет минимальное сопротивление Rk.Частота параллельного резонанса ω₀ ≈ 1/ [ Lk · Ck· C₀ / ( Ck+ C₀ ) ]1/2.

В диапазоне частот между ωk и ω₀ резонатор ведет себя как некоторая индуктивность.

Кварцевые резонаторы характеризуются высокой стабильностью и добротностью (Qk= 10⁴ − 10⁵). Использование кварцевых резонаторов позволяет снизить относительное изменение частоты генераторов до очень малых значений (10⁻⁶ − 10⁻⁹).

Приведем для примера упрощенную схему кварцевого генератора на основе операционного усилителя при использовании последовательного резонанса (рис. 2.70).

На частоте последовательного резонанса в схеме имеет место сильная положительная обратная связь, что и поддерживает автоколебания.

Кварцевый генератор — это… Что такое Кварцевый генератор?

Обозначение пьезоэлектрического кварцевого резонатора на электрических принципиальных схемах.

Ква́рцевый генера́тор — автогенератор электромагнитных колебаний с колебательной системой, в состав которой входит кварцевый резонатор. Предназначен для получения колебаний фиксированной частоты с высокой температурной и временно́й стабильностью, низким уровнем фазовых шумов.

Характеристики

Миниатюрный 4 МГц кварцевый резонатор, закрытый в герметичный корпус HC-49.

Частота

Пассивная эквивалентная схема кварцевого резонатора.

Частота собственных колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких кГц до сотен МГц. Она определяется физическими размерами резонатора, упругостью и пьезоэлектрической постоянной кварца, а также тем, как вырезан резонатор из кристалла. Так как кварцевый резонатор является законченным электронным компонентом, его частоту можно изменять внешними элементами и схемой включения в очень узком диапазоне выбором резонансной частоты (параллельный или последовательный) или понизить параллельно включённым конденсатором. Существуют, однако, кустарные методики подстройки резонатора. Это целесообразно в случаях, когда желательно иметь несколько резонаторов с очень близкими параметрами. Для уменьшения частоты на кристалл кратковременно воздействуют парами йода (это увеличивает массу серебряных обкладок), для увеличения частоты обкладки резонатора шлифуют.

В 1997 году компания Epson Toyocom выпустила в свет серию генераторов SG8002, в конструктиве которых присутствуют блок подстроечных конденсаторов и два делителя частоты. Это позволяет получить практически любую частоту в диапазоне от 1 до 125 МГц. Однако, данное достоинство неизбежно влечёт за собой недостаток — повышенный джиттер (фазовый шум). Цитата: Генератор с внутренними цепями фазовой автоподстройки частоты необходимо с предельной осторожностью применять в схемах, содержащих внешние цепи ФАПЧ.^[1]

Стабильность частоты

Колебания кварцевого генератора характеризуются высокой стабильностью частоты (10⁻⁵ ÷ 10⁻¹²), что обусловлено высокой добротностью кварцевого резонатора (10⁴ ÷ 10⁵).

Уровень фазовых шумов

У лучших генераторов спектральная плотность мощности фазовых шумов может быть менее −100 дБн/Гц на отстройке 1 Гц и менее −150 дБн/Гц на отстройке 1 кГц при выходной частоте 10 МГц.

Тип выходного сигнала

Генераторы могут изготавливаться как в модификации с синусоидальным выходным сигналом, так и с сигналом прямоугольной формы, совместимым по логическим уровням с одним из стандартов (TTL, CMOS, LVCMOS, LVDS и т. д.).

Наличие и тип термостабилизации

• термокомпенсированные (TCXO)
• термостатированные (OCXO, DOCXO)

Возможность перестройки частоты

• фиксированной частоты
• частота управляется напряжением (VCXO)
• частота управляется цифровым кодом (NCXO)

Принцип работы

Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению зарядов на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями электрического заряда на её поверхности и наоборот.

Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка помещается между обкладками конденсатора.

Для получения высокой добротности и стабильности резонатор помещают в вакуум и поддерживают постоянной его температуру.

Использование

Кварцевые генераторы используют для измерения времени (кварцевые часы), в качестве стандартов частоты. Кварцевые генераторы широко применяются в цифровой технике в качестве тактовых генераторов.

См. также

Примечания

Литература

• Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. — М.: «Энергия», 1970. — 488 с. — 6000 экз.

• Шитиков Г. Т., Цыганков П. Я., Орлов О. М. Высокостабильные кварцевые автогенераторы / Под ред. Г. Т. Шитикова. — М.: «Советское радио», 1974. — 376 с. — 11 300 экз.

• Альтшуллер Г. Б. Управление частотой кварцевых автогенераторов. — Изд. 2-е, перераб. и доп.. — М.: «Связь», 1975. — 304 с. — 7000 экз.

• Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984. — 232 с. — 27 000 экз.