Кварцевый генератор, частота которого стабилизирована кварцевым

Кварцевый генератор, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, является обязательным узлом для большинства современных приемников и трансиверов, а также для измерительных приборов. В этом обзоре приведены варианты возможного исполнения подобных генераторов па частоты от единиц до десятков мегагерц.

Прежде чем переходить к практическим схемам, отметим, что для широко распространенных кварцев основная рабочая частота обычно не превышает 10…15 МГц. Обусловлено это трудностями в изготовлении (при серийном производстве) очень тонких кварцевых пластин с высокой степенью параллельности рабочих сторон. Последнее, в частности, сильно влияет на моночастотность резонатора (отсутствие паразитных резонансов, особенно вблизи основной рабочей частоты).

Применительно кварцевый генератор наличие таких резонансов может привести к возбуждению резонатора не на той частоте, что указана на его корпусе, или к скачку частоты генератора при изменении внешних условий (температура, сопротивление нагрузки и т.п.). Если частота, указанная на корпусе кварцевого резонатора, выше 15 МГц, то с высокой степенью вероятности этот резонатор гармониковый, и его основная частота в три или даже в пять раз ниже “номинала”.

В кварцевый генератор, схема которого показана на рисунке, кварцевый резонатор возбуждается на основной частоте. Для его устойчивой работы сопротивление нагрузки (входное сопротивление следующего каскада) должно быть не менее 1 кОм. При этом высокочастотное напряжение на выходе генератора будет не менее 0,5 В (здесь и далее – эффективное значение). Номиналы конденсаторов С3, С4 и резистора R4 зависят от рабочей частоты кварцевого резонатора. Для полосы частот 1…3 МГц они должны быть соответственно 270 пФ, 180 пФ и 3,3 кОм; для 3…6 МГц – 180 пФ, 120 пФ и 3,3 кОм; для 6…10 МГц – 180 пФ, 120 пФ и 2,2 кОм; для 10…18 МГц – 150 пФ, 68 пФ и 1,2 кОм; для 18…21 МГц – 68 пФ, 33 пФ и 680 Ом.

Как принято говорить в таких случаях, при исправных деталях и безошибочном монтаже генератор настройки не требует (за исключением, быть может, некоторой коррекции рабочей частоты подстройкой конденсатора С2). Если при выполнении двух названных выше условий генератор все же не заработал, то единственной причиной этого может быть невысокая активность кварцевого резонатора. В этом случает его следует либо заменить на другой, либо попытаться “поиграться” с номиналами конденсаторов С3 и С4. В частности, может помочь изменение в ту или иную сторону отношения их емкостей.

На втором рисунке приведена схема кварцевый генератор, в котором кварцевый резонатор возбуждается на нечетных гармониках его основной рабочей частоты.

Как и в предыдущем варианте, входное сопротивление следующего каскада должно быть не менее 1 кОм. Выходное напряжение – примерно 0,5 В. Для полосы частот 15…25 МГц емкости конденсаторов С2, С3 и С4 должны быть соответственно 100, 100 и 68 пФ; для 25…55 МГц – 100, 68 и 47 пФ; для 50…65 МГц – 68, 33 и 15 пФ. Катушку L1 наматывают проводом диаметром 0,3 мм на каркасе диаметром 5 мм. Она имеет подстроечник из карбонильного железа (диаметр – 4 мм). Для трех указанных выше полос рабочих частот число витков должно быть соответственно 15, 10 и 7.

Налаживают кварцевый генератор подстройкой катушки L1 по устойчивой генерации на третьей гармонике основной частоты кварцевого резонатора. Если этого не происходит при любом положении подстроечника, то следует подобрать число витков катушки или попробовать провести эту операцию, установив конденсатор С2 с большим или меньшим номиналом. Если же и эта операция не поможет, то скорее всего причиной является низкая активность кварцевого резонатора (см. выше). Следует заметить, что далеко не все резонаторы, устойчиво генерирующие на основной частоте, также устойчиво работают и на гармониках.

Подобный кварцевый генератор может обеспечить напряжение около 2В на высокоомной нагрузке (например, смесительный каскад на транзисторе с изолированным затвором) на более высокой частоте, если в цепь коллектора транзистора VT1 ввести полосовой фильтр, настроенный, например, на вторую гармонику рабочей частоты генератора (т.е. это будет генератор – удвоитель частоты на одном транзисторе). Катушки индуктивности L2 и L3 такого фильтра наматывают проводом диаметром 0,6 мм на каркасе диаметром 5 мм с двумя подстроечниками из карбонильного железа (диаметр 4 мм). Расстояние между катушками – 5 мм. Для полосы частот 60…90 МГц число витков должно быть 9, а для 90…130 МГц – 6. Номиналы конденсаторов С6, С7 фильтра – 33 и 22 пФ соответственно.

Кварцевый генератор, схема которого показана на рисунке, чуть посложнее – он содержит колебательный контур.

Это даст сразу два преимущества. Во-первых, он имеет более высокую спектральную чистоту выходного сигнала. Во-вторых, он обеспечивает более высокий уровень выходного сигнала (около 1В на нагрузке 100 Ом). Для полосы частот 1…3МГц емкости конденсаторов С2, С5 и С6 соответственно равняются 470, 270 и 2000 пФ; для 3… 10 МГц – 330, 150 и 1500 пФ; для 10…30 МГц – 180. 47 и 330 пФ. Катушка L1 должна иметь при среднем положении подстроечника такую индуктивность, чтобы обеспечить с конденсатором С5 резонанс па рабочей частоте. Налаживают этот генератор по устойчивой генерации на основной частоте кварцевого резонатора или на ее третьей гармонике.

Кварцевый генератор с перестраиваемой частотой

Иногда возникает необходимость построить стабильный генератор, который можно перестраивать по частоте в небольших пределах. Это, к примеру, может понадобиться при создании простых передатчиков с частотной модуляцией либо генераторов плавного диапазона аппаратуры связи, а также в других случаях, где требуется стабильный генератор с перестройкой частоты. Построение высокостабильных генераторов с LC-контуром сопряжено с необходимостью принятия ряда известных конструктивных мер, ведущих в конечном итоге к громоздкости конструкции. Поэтому гораздо удобнее в качестве высокостабильного резонансного контура генератора использовать кварцевый резонатор. Вопрос в том, как достичь перестройки такого генератора в заданных пределах?
     При построении кварцевых генераторов, как правило, используется последовательный резонанс кварца [1], так как на него не оказывает влияния конструктивная емкость и частота получается более стабильной. Резонансные частоты кварцевого резонатора можно сдвигать, подключая параллельно ему или последовательно с ним внешние реактивные элементы. Проще всего перестраивать генератор, включив последовательно с кварцевым резонатором варикап. Но диапазон перестройки в таком варианте невелик, и чтобы его увеличить, следует последовательно с резонатором, кроме варикапа, включить ещё и катушку индуктивности. При этом частота последовательного резонанса снизится, резонансный интервал увеличится и при том же изменении ёмкости варикапа существенно увеличится диапазон перестройки. Однако необходимо учесть, что центральная частота генератора, относительно которой будет осуществляться перестройка, снизится.

     Как показала практика, самым надежным способом расширения диапазона перестройки является комбинированное включение реактивностей, при котором частоты последовательного и параллельного резонанса сдвигаются в противоположные стороны. Это позволяет существенно расширить резонансный интервал и увеличить диапазон перестройки при сохранении номинального значения частоты генерации и высокой стабильности [2].

     На рисунке показана схема генератора — ёмкостная трёхточка с общей базой и комбинированным подключением реактивных элементов к кварцевому резонатору. Положительная обратная связь (ПОС) образована за счет подачи части сигнала с коллектора на эмиттер транзистора VT1 через ёмкостный делитель С4С5. Контур L4C3 настроен на рабочую частоту 27 МГц, третью гармонику кварцевого резонатора ZQ1.

     В цепь базы транзистора включен частотный модулятор на варикапе VD1, который образует цепь отрицательной обратной связи (ООС). Условие баланса амплитуд для возникновения генерации соблюдается тогда, когда глубина ООС становиться меньше глубины ПОС, а это возможно только на частоте последовательного резонанса ZQ1 или вблизи неё, где возникает баланс фаз. Небольшая входная ёмкость транзистора VT1 слабо влияет на частотный модулятор, что является преимуществом данной схемы.
     Сопротивление резистора R1 в 10 раз превышает импеданс реактивных элементов схемы. Импеданс конденсатора С2 на рабочей частоте намного ниже импеданса катушки L2. Резисторы R2- R4 устанавливают режим работы транзистора, от которого зависит мощность генератора. Следует иметь в виду, что увеличение мощности приводит, во-первых, к ухудшению стабильности, во-вторых, к увеличению ВЧ напряжения на варикапе, что может приводить к такому неприятному явлению, как детектирование варикапом.
     Катушки индуктивности L1-L4 намотаны на каркасах диаметром 5 мм с подстроечниками из карбонильного железа Р-100. L1 содержит 13 витков провода ПЭВ-2 0,15, L2 и L3 — по 20 витков ПЭВ-2 0,12, L4 — 5 витков ПЭВ-2 0,4. Налаживание генератора осуществляется в следующей последовательности.
     К выходу генератора подключают осциллограф и частотомер, на резистор R1 подают управляющее напряжение 3 В. Подстроечники катушек L1, L3 полностью выводят, a L2, L4 — полностью вводят. Включают питание генератора (при этом он не должен возбудиться) и проверяют режимы транзистора по постоянному току. Медленно подстраивая катушку L4, наблюдают скачкообразное появление генерации на экране осциллографа и устанавливают частоту генерации на 2…3 кГц выше номинальной. Подстроечник катушки L4 фиксируют и больше не трогают. Подстройкой катушки L1 устанавливают номинальную частоту генератора — 27000 кГц. Управляющее напряжение увеличивают до 4 В и подстроен ни ком L2 устанавливают частоту 27005 кГц. Затем управляющее напряжение снижают до 2 В и подстройкой катушки L3 устанавливают частоту 26995 кГц. Повторяя несколько раз все описанные операции, добиваются симметричности и линейности модуляционной характеристики при изменении управляющего напряжения в заданных пределах.
     В процессе настройки нужно следить по осциллографу, чтобы не появлялась паразитная амплитудная модуляция, которая будет свидетельствовать о возникновении низкочастотной паразитной генерации. Последняя может возникать вследствие плохого монтажа, некачественных деталей или детектирования на варикапе из-за большой амплитуды сигнала на нем.
     Схема показала очень хорошую повторяемость и простоту настройки.

Кварцевый генератор с плавной перестройкой частоты

В радиолюбительской литературе неоднократно публиковались конструкции кварцевых генераторов с плавной перестройкой частоты, основанные в одном случае на «затягивании» резонансной частоты введением LC-элементов, в другом — на использовании биений сигналов двух генераторов, один из которых с параметрической стабилизацией. И те, и другие широкого распространения не получили, и проблема оставалась открытой.

      Автором были испытаны различные генераторы, в которых включенный последовательно с кварцевым резонатором конденсатор переменной емкости сдвигает частоту последовательного резонанса. Оптимальным оказался классический генератор с формой колебаний, близкой к меандру, на логических элементах структуры ТТЛ с низким входным сопротивлением. При сведенных к минимуму начальной ёмкости конденсатора и паразитной ёмкости монтажа частоту генерации удавалось изменять в пределах до ±0,1 %, а для некоторых резонаторов — до ±0,15 %. На микросхемах КМОП-структуры диапазон перестройки меньше и стабильность хуже. Указанного выше интервала перестройки оказалось явно недостаточно для задающего генератора (возбудителя) коротковолнового любительского передатчика. Автор в изготовленном им устройстве использовал биения сигналов двух генераторов, перестраиваемых по частоте переменными конденсаторами так, что частота их колебаний изменяется в разные стороны, благодаря чему диапазон перестройки частоты биений удвоен. Определенный выбор частоты кварцевых резонаторов (приблизительно 10,7 и 12,5 МГц) обеспечил изменение частоты биений при перестройке от 1748 до 1802 кГц, что позволило, после удвоения частоты, полностью перекрыть телеграфный участок 80-метрового любительского диапазона. Диапазон перестройки одного генератора — около 10750… 10775 кГц, другого — 12523… 12552 кГц.
      Схема возбудителя показана на рисунке. Каждый генератор выполнен на двух логических элементах микросхемы DD1. Для перестройки возбудителя применен трёхсекционный блок конденсаторов переменной ёмкости от радиостанции Р-105М. Ротор в одной из секций конденсатора повернут на 180° относительно других. Эта секция и одна из оставшихся перестраивают генераторы. Третья секция перестраивает резонансный контур на выходе смесителя микросхемы DA1 [1]. Микросхема DA2 — удвоитель частоты. Генераторы работают в непрерывном режиме. Манипуляцию можно производить по цепи питания смесителя.

     Возбудитель собран на плате из фольгированного стеклотекстолита, установленной непосредственно на конденсаторе. Монтаж — навесной, фольга используется только как общий провод. Микросхемы приклеены к фольге клеем «Момент». Паразитные ёмкости цепи выход микросхемы — конденсатор — резонатор — вход микросхемы сведены к минимуму. Чтобы повернуть в одной из секций ротор, следует установить конденсатор в положение максимальной ёмкости и с помощью прокладок из плотной бумаги зафиксировать положение этого ротора в статоре. Место пайки этого ротора с керамической осью прогреть мощным паяльником до расплавления припоя и повернуть ось конденсатора на 180° так, чтобы фиксированная секция сохранила свое положение. Восстановить место пайки.
      Возбудитель налаживания не требует, за исключением настройки контура L1 смесителя (должен перестраиваться в полосе частот 1748… 1802 кГц) и контура L3 удвоителя (3496…3604 кГц).
      Так как общая стабильность генераторов определяется в основном изменением параметров микросхемы, питать возбудитель желательно от аккумуляторной батареи. Микросхему К1531ЛН1 следует подобрать по наибольшей стабильности частоты. Так как генераторы собраны на одной и той же микросхеме, «выбег» частоты обоих генераторов имеет одинаковый знак и частота биений изменяется незначительно. У изготовленного автором возбудителя нестабильность частоты была равна 2…4 Гц/мин после 15-минутного прогрева. Ширина полосы излучения не измерялась, тон оценивается корреспондентами как «чистый, кварцевый». В генераторах следует использовать высокочастотные кварцы, работающие только на первой гармонике. Гармониковые кварцы могут оказаться непригодными из-за неточности шлифовки, наличия дислокаций или двойников в кристалле, что приводит к появлению «микрорезонансов», приводящим к нарушениям непрерывности перестройки. Частота кварцев не имеет значения, необходимо лишь, чтобы частота биений перестраивалась в необходимых пределах. Полосу перестройки необходимо определять с тем генератором, с которым они будут работать.

      Подбор необходимой пары кварцев затруднен, из-за чего может возникнуть необходимость подгонки частоты одного из них. Неоднократно описанные в журнале «Радио» [2-4] способы не позволяют изменить резонансную частоту в достаточных пределах. Уменьшение размеров или утончение контактных покрытий часто приводят к срыву генерации. Обработка йодом не обеспечивает необходимую точность подгонки.
      В достаточных пределах частоту кварцевых резонаторов можно изменить предлагаемым ниже способом. Для подгонки необходимо использовать кварц с несколько большей резонансной частотой, чем необходимо. Металлический корпус резонатора (М1 или Б1) необходимо вскрыть. Вначале прокалываем толстой иглой отверстие, предназначенное для откачки воздуха. Затем, держа кварцевый резонатор плоскогубцами за ножки, нагреваем паяльником верхнюю часть крышки до расплавления припоя в месте стыка крышки с держателем. После расплавления припоя крышку осторожно снимают. Затем паяльником убирают излишки припоя с места пайки. Если корпусы резонаторов стеклянные, их спиливают у основания алмазным надфилем, кристалл извлекают и переносят в заранее подготовленный металлический держатель.
     

Необходимо учесть, что руками кристалл можно брать только за ребра.

      Понижение резонансной частоты достигается нанесением электролитическим способом на обкладки резонатора слоя меди. Источником питания служит один сухой элемент, отрицательный электрод которого подключен через резистор сопротивлением 1 кОм к обкладкам кристалла. Положительный электрод (из чистой электролитической меди) — хорошо зачищенный обмоточный провод ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,55 мм, согнутый пополам и, чтобы не царапать кристалл, обмотанный ватой до размера спичечной головки. Электролит готовим на дистиллированной воде (можно использовать конденсат из холодильника), растворив в нескольких миллилитрах воды около 50 миллиграмм чистого медного купороса. К раствору добавляем 3…4 капли чистой концентрированной серной кислоты. Положительный электрод, завернутый в вату, обмакиваем в электролит и с легким касанием круговыми движениями водим по электродам кристалла. Толщина покрытия определяется визуально по степени покраснения поверхности (предварительно следует экспериментально подобрать ток и концентрацию серной кислоты на металлической поверхности подобной обкладки до получения почти блестящего покрытия).
      При нанесении медного слоя следует периодически измерять частоту резонатора. Перед измерением кристалл ополаскиваем дистиллированной водой и протираем ватным тампоном, смоченным спиртом, желательно изопропиловым. Процесс наращивания следует прекратить, как только частота генерации станет ниже необходимой.
      После точной подгонки кристалл протираем спиртом, надеваем крышку и пропаиваем шов. Затем крышку следует равномерно прогреть на газовой горелке до температуры 80…100°С и при этой температуре запаять отверстие в крышке. Это исключает конденсацию оставшихся паров воды на поверхность кристалла.

Электронное управление частотой генератора

Генераторы

В среде начинающих радиолюбителей -конструкторов часто возникают проблемы с управлением частотой различных генераторов, в том числе и задающих генераторов (ЗГ) радиопередающих устройств. В этой статье предлагаю вашему вниманию несколько вариантов простых схем управления частотой генераторов, которые, на мой взгляд, недостаточно широко описывались в радиолюбительской литературе.

 

Простая схема электронной настройки

Перестройка частоты задающего генератора передатчика с параметрической стабилизацией частоты обычно выполняется при помощи конденсатора переменной емкости с воздушным диэлектриком. Иногда применяется перестройка частоты изменением индуктивности контурной катушки ЗГ.Очень удобно перестраивать частоту задающих генераторов электронным способом — с помощью варикапа или, что лучше, варикапной матрицы. Одна из распространенных схем электронной перестройки показана на рис. 1.

В качестве матрицы здесь используются два отдельных варикапа, включенные навстречу друг другу В итоге такая схема эквивалентна схеме варикапной матрицы. Благодаря встречному включению варикапов для переменного тока уменьшается зависимость частоты от амплитуды высокочастотного напряжения.

Если используется собственно варикапная матрица, то параметры контура для неё не сложно рассчитать. Например, у КВС111Б емкость изменяется от 20 до 40 пФ при изменении смещения от +9 до +2 В. Изменение емкости составляет 20 пФ Если перекрытие по частоте должно быть, скажем, 6%, то необходимое изменение емкости составит 12 % (вдвое больше, так как индуктивность контура не изменяется). Отсюда находим полную емкость контура С = 20 пФ/0,12 =167 пФ. Индуктивность контура рассчитывается по известной Формуле Томсона:

Чтобы не ухудшилась стабильность частоты, напряжение смещения варикапов должно быть очень хорошо стабилизировано и отфильтровано, Это очень важно. Для небольшой перестройки контура вместо варикапов можно использовать обычные кремниевые диоды. Но в этом случае диоды должны подбираться под нужную величину перекрытия по частоте. Дело в том, что не у всех однотипных диодов собственная емкость при изменении запирающего напряжения изменяется на одну и ту же величину.

На рис 2 показана схема электронного сдвига частоты, что очень часто используется при переходе с приема на передачу. Например, при приеме генератор должен выдавать частоту 133,3 МГц, а при передаче — 144 МГц.

Варикап в этом случае подключается через конденсатор небольшой емкости, поскольку требуемый сдвиг частоты невелик. В верхнем положении переключателя S1 (передача) на

варикап подается фиксированное напряжение смещения с делителя R3R4 При переходе на прием (нижнее положение) смещение изменяется переменным резистором R5, сдвигая частоту. Пределы перестройки можно подобрать, изменяя емкость конденсатора С5 или соотношение сопротивлений делителя R2.. R6.

На рис. 3 в качестве иллюстрации к теме об электронной перестройке частоты показана действующая схема генератора с одним из возможных вариантов электронной перестройкой частоты. Электронная перестройка частоты выполняется переменным резистором R4. В качестве варикапов используются диоды VD2 и VD3 типа Д220. Вместо этих диодов можно использовать также диоды многих других типов.

Кварцевый генератор с изменением частоты

Далее я хочу рассказать о том, как можно выполнить стабилизированный кварцем генератор с плавным изменением частоты. Подобные генераторы стали применяться радиолюбителями с 70-х годов прошлого столетия, но достаточно подробного описания методов построения и настройки подобных генераторов я нигде в любительской литературе не встречал. Ниже мною будут приведено описание экспериментов с одним из вариантов подобного генератора, затем будут даны рекомендации по разработке кварцевого генератора с плавным изменением частоты.

Чтобы выявить роль и влияние катушки индуктивности в процессе плавного изменения генерируемых кварцевым генератором частот электромагнитных колебаний, мною был построен небольшой стенд, основу которого представлял экспериментальный кварцевый генератор (КГ).

Генератор выполнен по схеме индуктивной трехточки. Схема генератора представлена на рис. 4.

Генератор выполнен по схеме емкостной трехточки и не имеет каких либо особенностей. Транзистор VT1 выполняет функцию собственно генератора, частота генерируемой энергии которого стабилизирована кварцем Z1, а каскад на VT2 является эмиттерным повторителем, который служит для уменьшения влияний цепи измерительного прибора А1 на частоту генератора. Катушка индуктивности L1 и конденсатор С1 служат для изменения частоты генерируемых электромагнитных колебаний. Питается генератор от стабилизированного источника напряжения +9 Вольт.

Конденсатор С1 имеет величину 75 пкФ, катушка L1 состоит из 45 витков провода ПЭЛ-0,3, намотана на каркасе диаметром 9 мм, между щечками с расстоянием 5 мм. Катушка имеет подстроечный сердечник серого цвета (по-видимому из альсифера) с резьбой Мб х 0,75. Число витков катушки L1 выбрано по результатам проведенных ранее других подобных экспериментов.

 

В схеме использовался кварц А523 (7,692 МГц) от старинной УКВ радиостанции РСИУ. корпус которого представляет собой пластмассовый цилиндр коричневого цвета, диаметром 20 мм и длиной 40 мм с двумя выводами от держателей кварцевой пластины. Все остальные радиодетали каких либо особенностей не имеют, обычный «ширпотреб».

В качестве прибора для измерения излучаемой генератором частоты использовался связной коротковолновый радиоприемник Р-250М. Контроль за наличием генерации электромагнитных колебаний осуществлялся вольтметром переменного тока А1 Рассмотрим подробно процесс проведения эксперимента.

   Сначала следует убедиться в работоспособности генератора. Для этого нижний по схеме вывод от кварца подключаем непосредственно к земле, включаем питание и по приемнику находим излучаемый генератором сигнал При этом радиоприемник должен находиться в режиме приема телеграфных сигналов, чтобы можно было наиболее точно настраиваться на частоту излучаемых колебаний по нулевым биениям Нулевые биения соответствуют такой настройке приемника, когда на выходе радиоприемника никаких звуковых сигналов не прослушивается, но стоит только хотя бы немного повернуть ручку настройки приемника в ту или иную сторону, то тут же на выходе приемника появляется гармонический звуковой сигнал. Вольтметр А1 должен показывать какую-то величину, подтверждающую работу генератора. Записываем величину излучаемой частоты.

   Восстанавливаем подключение катушки L1 к нижнему выводу кварца. При этом подстроечный сердечник должен быть полностью выведен из катушки, те. катушка должна иметь минимально возможную для нее величину индуктивности Включаем питание. При этом вольтметр А1 должен сразу же подтвердить работу генератора. Частота излучаемых генератором колебаний при этом включении несколько (незначительно) должна измениться по сравнению с предыдущим включением. Настраиваем радиоприемник на новую частоту по нулевым биениям, записываем величину этой частоты и присваиваем ей номер 1. Вводим в корпус катушки подстроечный сердечник. Делать это следует очень осторожно и медленно, чтобы не пропустить момент возникновения на выходе радиоприемника гармонического звукового сигнала, подтверждающего факт начала влияния сердечника на индуктивность катушки. Как только появится сигнал, следует повернуть сердечник в обратную сторону, до момента отсутствия сигнала.

*    Далее начинается основной этап проведения эксперимента. Для этого вводим подстроечный сердечник в катушку ровно на один оборот сердечника. При этом изменится индуктивность катушки, что повлечет за собой изменение частоты излучаемых генератором электромагнитных колебаний. Записываем новую величину частоты под номером 2.

*    Вводим подстроечный сердечник в катушку еще ровно на один оборот и записываем новую величину частоты по номером 3.

*    Точно таким же образом вводим сердечник в катушку еще на один оборот и записываем новую величину частоты под следующим порядковым номером. Такую процедуру следует проводить несколько раз При этом постоянно необходимо контролировать наличие показаний вольтметра А1. Если стрелка вольтметра упала до нуля, значит генератор перестал работать и эксперимент считаем законченным.

В моем случае удалось до прекращения генерации ввести сердечник внутрь катушки на 10 оборотов. Результаты проведенного мною эксперимента приведены в таб 1. Каждое из полученных значений частоты соответствует определенной величине индуктивности катушки, заданной положением подстроечного сердечника, и определенной величиной емкости конденсатора С1. Если вместо постоянного конденсатора величиной 75пФ установить конденсатор переменной емкости 4- 75 пФ, то при минимальной емкости этого переменного конденсатора (4 пФ) излучаемая генератором частота будет равна максимально возможной частоте, т.е. очень близкой к частоте в шаге 1 (7,962 МГц для данного случая).

При максимальной частоте переменного конденсатора (75 пФ) частота генерируемых колебаний будет определяться положением подстроечного сердечника внутри катушки. Например, если индуктивность катушки соответствует положению шага 5, то при максимальном емкости переменного конденсатора генерируемые колебания будут иметь частоту 7.957 МГц. При изменении емкости переменного конденсатора от минимума (4 пФ) до максимума (75 пФ) частота генерируемых кварцевым генератором электромагнитных колебаний будет плавно изменяться от 7,962 до 7.957 МГц, те диапазон изменения частоты составляет 7,962 — 7,957 = 0,005 МГц = 5 кГц.

Максимально возможный диапазон перестройки частоты для данного кварца будет иметь место при максимально допустимой индуктивности катушки L1. В данном случае максимально допустимая индуктивность получается в шаге 10. При этом максимально возможный диапазон перестройки частоты получается 7,961 — 7,771 = 0,090 МГц = 90 кГц. Это довольно большой диапазон перестройки, но следует помнить, что с увеличением диапазона перестройки ухудшается стабильность частоты кварцевого генератора. В каждом отдельном случае нужно находить какую то оптимальную величину диапазона перестройки исходя из допустимой для создаваемого аппарата стабильности генерируемой частоты. Как правило, радиолюбитель использует только какой-то узкий диапазон частот Например, любитель дальних связей телеграфом постоянно работает только на DX-участке диапазона, владелец пакетной радиостанции станции, работающей постоянно в составе любительской пакетной сети, использует практически одну фиксированную частоту. Если учесть, что коротковолновый любительский диапазон имеет ширину 100 кГц, то иметь исключительно простой в изготовлении и наладке кварцевый генератор с плавным изменением частоты в пределах 50 кГц это находка для радиолюбителя, не желающего возиться со сложнейшими схемами синтезаторов.

Большие возможности дает принцип плавного изменения частоты кварцевых генераторов при построении УКВ гетеродинов. Дело в том, что в этих гетеродинах используются каскады умножения частоты. При этом диапазон перестройки частоты при переходе от одного каскада к другому увеличивается пропорционально увеличению частоты. Например, после

Таблица 1.

Шаг	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Частота, МГц	7,962	7,961	7,960	7,959	7,957	7,953	7,944	7,924	7,843	7,771

удвоения частоты диапазон перестройки увеличивается в два раза, после утроения частоты — в три раза и т.д..

Дальнейшее расширение диапазона плавной перестройки частоты кварцевого генератора можно получить путем подключения параллельно кварцу Z1 еще нескольких аналогичных кварцев. Один из вариантов построенного по этому принципу генератора описан В. Артеменко (UT5UDJ) в статье «ГПД на основе перестраиваемого кварцевого генератора», опубликованной в журнале «Радиомир. КВ и УКВ» №3 за 2003 год.

Мною проведен ряд экспериментов, в которых использовалось параллельное подключение нескольких кварцев. При этом использовалась экспериментальная установка, схема которой приведена на рис 4. Несколько изменена была только цепочка, состоящая из Z1, L1 и С1.

На рис. 5 показано, что параллельно кварцу Z1 могут быть подключены точно такие же по номиналу кварцы (Z1а, Z16 и Z1b), изготовленные одним и тем же предприятием. Катушка L1 должна быть подобрана именно для примененного в данный момент кварца Z1. К нижнему по схеме выводу катушки L1 подсоединены четыре конденсатора постоянной емкости (С1а, С1б и С1в), которые переключателем S1 могут поочередно подключаться на землю. Это как бы своеобразный имитатор конденсатора переменной емкости, созданный их элементов с фиксированной емкостью

Продолжим далее описанный выше эксперимент с целью определить влияние числа подключенных параллельно одинаковых кварцев на ширину диапазона плавной перестройки кварцевого генератора.

Мною было проведено много экспериментов с различными кварцами. Не все кварцы

«с распростертыми объятиями» принимали подключаемого к нему соседа, но большинство из них прилично работали с одним или двумя параллельными кварцами. Лучше других допускали параллельное подключение высокочастотные кварцы (13,5 . 22,5 МГц), конструктивно выполненные в малогабаритных металлических корпусах. Кварцы от радиостанции РСИУ (в цилиндрических карболитовых корпусах) работали не более чем с двумя параллельно подключенными такими же кварцами. Высокочастотные кварцы в малогабаритных металлических корпусах хорошо работали даже с тремя параллельно подключенными кварцами, но при этом тон биений становился дребезжащим и ухудшалась стабильность генерируемой частоты.

На рис. 6 приведены графические зависимости частоты генерируемых колебаний от количества подключенных параллельно одинаковых кварцевых резонаторов на частоту 22,5 МГц.
Кривая 1 на рис. 6 получена при единственном кварце, кривая 2 — при двух параллельно подключенных кварцах, кривая 3 — при трех кварцах и кривая 4 — при четырех кварцах.

Ширина диапазона генерируемых частот при четырех подключенных кварцах впечатляет, но сигнал становится дребезжащим и стабильность резко ухудшается. Однако в некоторых случаях подобными явлениями стоит пренебречь, уделив побольше внимания жесткости конструкции генератора, жесткому креплению самого кварца и катушки L1.

Тяпичев Г А.

Новое о терменвоксе. В. Нечаев. Журнал В помощь радиолюбителю, №44, 1974

В. Нечаев. Журнал: «В помощь радиолюбителю», №44, 1974 год, стр. 36-46

Терменвокс – первый электронный музыкальный инструмент, созданный у нас в стране более 50 лет назад, в 1921 году, конструктором Львом Сергеевичем Терменом. Год создания терменвокса принято считать годом рождения электронной музыки. За прошедшие с тех пор годы творческими усилиями советских конструкторов и энтузиастов ЭМИ, таких, как А. А. Володин, И. Д. Симонов, С. Г. Корсунский, А. А. Иванов, Е. А. Прохоров, В. И. Волошин и многих других, был создан не один десяток отечественных образцов разнообразных одноголосных и многоголосных ЭМИ. Но, несмотря на столь быстрое развитие электромузыки, терменвокс не потерял своего значения и в наши дни, а по красоте звучания и исключительной художественной выразительности мог бы поспорить со многими современными ЭМИ. Будучи одним из самых простых, а значит, и одним из самых дешевых инструментов, терменвокс мог бы получить самое широкое распространение. Этого, однако, не случилось отчасти из-за тех недостатков, которыми обладает инструмент и которые заложены в самом принципе построения его электрической схемы – принципе биений высокочастотных колебаний. Как известно, задающий генератор терменвокса состоит из двух высокочастотных генераторов: опорного с неизменной частотой и перестраиваемого, частота которого меняется рукой исполнителя. Сигналы обоих ге­нераторов поступают на смеситель, где выделяется сигнал разностной звуковой частоты. Временная нестабильность частоты высокочастотных LC генераторов терменвокса вполне допустима для задающих генераторов ЭМИ. Однако в результате биений эта абсолютная нестабильность частоты переносится в масштабе 1:1 на устойчивость результирующей звуковой частоты. Таким образом, чем выше частота высокочастотных генераторов и чем ниже частота биений, тем больше относительная нестабильность высоты тона в низкочастотном регистре терменвокса.

Произведем количественную оценку этой нестабильности. Пусть частота опорного высокочастотного генератора согласно рекомендациям, приведенным в литературе (1,4), составляет 130 кГц, а частота другого высокочастотного генератора перестраивается рукой в пределах 130,1–134 кГц. Пусть далее временная нестабильность частоты этих генераторов при комнатной температуре будет ±10^-4, что в абсолютных единицах составит ±13 Гц.

Тогда относительная частотная нестабильность строя терменвокса определится величинами, приведенными в табл. 1.

Таблица 1

Частота терменвокса, Гц	Относительная нестабильность строя терменвокса, %
65	20
260	5
650	2
1300	1
3900	0,33

Если учесть, что минимальное изменение высоты тона, воспринимаемое человеческим ухом, составляет приблизительно 6 центов или ±0,36%, становится очевидным, что использовать терменвокс на частотах ниже 1300 Гц не представляется возможным, так как рука исполнителя не успеет отреагировать на такое большое изменение высоты тона. Понижение частоты высокочастотных генераторов до 65 кГц понижает граничную частоту в два раза, но при этом значительно ухудшаются условия фильтрации низких частот.

Заметный выигрыш в стабилизации строя терменвокса дает применение высокочастотных кварцевых генераторов. Действительно стабильность частоты таких генераторов равна ±10^-6. Допустимая перестройка частоты для обычных схем кварцевых генераторов составляет ±0,1%, а при полной компенсации емкости кварцедержателя (6) может доходить до ±1%. При этом стабильность частоты генератора понижается на порядок и составляет уже ±10^-5. Очевидно, что в обоих случаях абсолютная неста­бильность частоты кварцевых генераторов будет одинакова, так как для перекрытия того же звукового диапазона частота кварцевого резонатора для первого случая должна быть выбрана в 10 раз большей. Пусть нужно перекрыть звуковой диапазон в 4 кГц. Легко определить, что при перестройке частоты кварцевого генератора в пределах ±1% его резонансная частота должна составлять 400 кГц.

При относительной нестабильности частоты генератора, равной ±10^-5, ее абсолютное значение составит 4 Гц, что на звуковой частоте 400 Гц будет соответствовать нестабильности строя терменвокса ±1%. Как видим, применение высокочастотных кварцевых генераторов дает выигрыш в 3,3 раза по отношению к частоте LC генераторов, равной 130 кГц, и в 1,65 раза – по отношению к частоте 65 кГц. Более существенного выигрыша от применения высокочастотных кварцевых генераторов получить не удается.

Рис. 1. Высокочастотный кварцевый генератор,
а – принципиальная схема; б – эквивалентная схема кварца

Перестраиваемый высокочастотный кварцевый генератор может быть построен по схеме, приведенной на рис. 1, а. Эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на рис. 1, б. Он представляет собой последовательный колебательный контур, образованный эквивалентной индуктивностью кварца L_кв, эквивалентной емкостью кварца C_кв, эквивалентным сопротивлением потерь r_кв и зашунтированный паразитной емкостью кварцедержателя С₀. Поскольку отношение С₀/С_кв выражается десятками, а то и сотнями единиц, становится понятным, почему так трудно перестроить частоту кварцевого генератора. Расширить диапазон перестройки можно только в случае компенсации емкости С₀. Это достигается подключением параллельно емкости С₀ дополнительной катушки индуктивности L₀. Контур L₀C₀ настраивают точно на частоту кварцевого резонатора. Тогда емкость кварце-держателя компенсируется и параллельно контуру L_квC_квr_кв остается подключенным только сопротивление потерь r₀ контура L₀C₀. Для определения индуктивности катушки L₀ необходимо предварительно измерить емкость С₀.

Катушка L₀ должна иметь подстроечный сердечник, с помощью которого контур L₀C₀ настраивается точно на частоту кварцевого резонатора. Момент резонанса характеризуется наибольшим расширением диапазона перестройки кварцевого генератора. Отклонение частоты в процессе настройки контролируется цифровым частотомером.

Частота кварцевого генератора во время игры на инструменте перестраивается рукой исполнителя, вносящей в антенный контур дополнительную емкость. При этом перестраивается контур L3C2, а значит, и частота генератора.

Катушки антенного контура L1 – L3 конструктивно могут быть выполнены согласно рекомендациям соответствующей литературы (1, 4, 8). Индуктивность катушки L₀ зависит от емкости кварцедержателя С₀. На рис. 1, а указана индуктивность L₀ для емкости С₀=10 пФ. В случае другого значения С₀ необходимо пересчитать число витков катушки L₀. Намоточные данные катушек L₀, L4, L5 приведены в табл. 2.

При изготовлении катушек наматывают на 5% больше витков, чем указано в табл. 2, а точную подгонку индуктивности производят на RLC мосте, отматывая лишние витки.

Таблица 2

Обозначение по схеме	Число витков	Провод	Индуктивность, мкГ	Сердечник
L0	585	ПЭВ-1 0,1	16 000	СБ-5а
L4	31	ПЭВ-1 0,2	50	СБ-3а
L5	94	ПЭВ-1 0,2	460	СБ-3а

Поскольку метод биений не может обеспечить нужной стабильности строя терменвокса, пришлось искать другие пути реализации его схемы. После длительных поисков автору статьи, являющемуся поклонником этого замеча­тельного инструмента, по его мнению, удалось найти ме тод и технические средства для построения схемы терменвокса, свободного от перечисленных выше недостатков. Суть метода наглядно иллюстрируется структурной схемой, приведенной на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема терменвокса.

1 – кварцевый ВЧ генератор; 2 – буферный каскад; 3 – антенный контур;
4 – выпрямитель; 5 – широкодиапазонный преобразователь; 6 – темброблок;
7 – манипулятор; 8 – педаль управления громкостью; 9 – усилитель НЧ;
10 – ревербератор; 11 – акустическая система

Поскольку все низкочастотные узлы терменвокса детально разработаны и описаны в литературе (1–5), здесь будет рассмотрена только частотозадающая часть инструмента, включая широкодиапазонный преобразователь (см. рис. 3).

Рис. 3. Принципиальная схема частотозадающих узлов терменвокса

Функции задающего генератора может выполнить любой кварцевый генератор. В построенном автором инструменте кварцевый генератор собран на транзисторе T1, включенном по схеме с общей базой. Режим транзистора T1 по постоянному току задается базовым делителем напряжения R1, R2. Конденсаторы C1, С2 фильтруют высокую частоту, а СЗ, С4 входят в контур L1C3C4, настроенный на первую гармонику кварцевого резонатора Пэ1. Для устранения влияния нагрузки на частоту и амплитуду кварцевого генератора служит буферный усилитель, выполненный на транзисторах Т2, ТЗ. Для увеличения входного сопротивления буферного усилителя в его первом каскаде используется полевой транзистор Т2. Нагрузкой усилителя служит последовательный колебательный контур L3C10, настроенный на первую гармонику кварцевого резонатора. Конденсатор С5 – разделительный, С6 устраняет отрицательную обратную связь по току в первом каскаде усилителя, а конденсаторы С7, С8 образуют емкостной делитель, через который с коллектора на эмиттер транзистора Т3 поступает напряжение положительной обратной связи, повышающей усиление второго каскада и улучшающей добротность контура L3C10. При сильной положительной обратной связи может возникнуть генерация. В этом случае необходимо уменьшить отношение емкостей конденсаторов C8/C7.

Режим усилителя по постоянному току задается делителем R4, R5. Чтобы напряжение высокой частоты не попадало на источник питания, в коллекторные цепи транзисторов Т2 и Т3 включен фильтр L2C1C9C11.

Чтобы способ игры на терменвоксе остался обычным, в схему введен антенный колебательный контур L4C12C13C14. В этот контур входит и емкость антенны, величина которой изменяется в зависимости от положения руки исполнителя. Для уменьшения влияния нагрузки на последовательный колебательный контур L3C10 отвод от катушки L3, к которому присоединяется антенный контур, делается от 1/5 части витков, считая от нижнего по схеме конца, а коэффициент трансформации (отношение W5/W4) выбран равным 0,2. Антенный контур настраивается таким образом, чтобы при максимальном удалении руки от антенны он был расстроен относительно частоты кварца. В этом случае амплитуда сигнала на катушке L5 близка к нулю. При приближении руки к антенне (или касании ее) антенный контур с помощью подстроечного конденсатора С13 должен быть точно настроен на частоту кварца. Амплитуда сигнала, снимаемого с катушки L5, должна быть при этом максимальной и рав­ной 10 В. Такая величина сигнала устанавливается выбором соответствующей добротности последовательного колебательного контура L3C10. При данной выходной амплитуде сигнала на катушку L4 надо подавать напряжение 50 В, а на катушке L3 при настройке в резонанс должно быть 250 В переменного напряжения высокой частоты. Получить такую амплитуду можно, имея добротность последовательного контура, равную 50. В этом случае на коллекторе транзистора Т3 должно быть напряжение 5 В, что вполне можно получить от двухкаскадного усилителя на транзисторах Т2 и Т3.

Таким образом, при воздействии руки исполнителя на антенну терменвокса частота высокочастотного задающего кварцевого генератора остается стабильной и неизменной, а перестраивается только антенный контур, в результате чего изменяется лишь амплитуда высокочастотного сигнала на катушке L5 от минимума, близкого к нулю, до 10 В. Стабильность этой амплитуды зависит от стабильности частоты и амплитуды кварцевого генератора и от стабильности параметров колебательных контуров.

Стабильность частоты кварца настолько высока, что этим фактором можно пренебречь. Параметры контуров также легко стабилизировать выбором соответствующего типа магнитопроводов катушек и стабильных конденсаторов. Для стабилизации амплитуды ВЧ сигнала задающий генератор терменвокса необходимо питать от стабилизированного источника питания напряжением 16 В или от малогабаритных аккумуляторов. Еще одним дестабилизирующим фактором является емкость антенны, зависящая от состояния атмосферы. Но этот фактор не является существенным, так как температура, давление и влажность воздуха в концертном зале не меняется мгновенно, и исполнитель в процессе игры всегда может внести рукой соответствующую коррекцию, а перед началом игры подстроить инструмент.

Для практического использования высокочастотного сигнала изменения его амплитуды на катушке L5 необходимо преобразовать в соответствующие изменения частоты. Для этой цели используется управляемый широкодиапазонный генератор звуковой частоты. Предварительно высокочастотный сигнал выпрямляется двухполупериодным выпрямителем, выполненным на диодах Д1, Д2. Нагрузкой выпрямителя служит резистор R10. Конденсаторы С15, С16 совместно с резистором R11 образуют фильтр низких частот.

Выпрямленное напряжение постоянного тока поступает на вход широкодиапазонного звукового генератора, частота которого изменяется пропорционально величине управляющего напряжения U_у. При изменении U_у в пределах от 0 до 10 В генератор перекрывает весь звуковой диапазон от 15 Гц до 15 кГц.

Зависимость частоты генератора от управляющего напряжения линейна, поэтому и воздушный «гриф» терменвокса имеет почти линейный характер. Некоторая нелинейность обусловлена амплитудной характеристикой антенного контура. Управляемый генератор собран на транзисторах Т4—Т6. Он представляет собой автоколебательный блокинг-генератор, в котором управление частотой осуществляется изменением постоянной времени разряда хронирующей емкости С17 с помощью транзистора Т4. Под воздействием меняющегося управляющего напряжения постоянного тока, приложенного к базе транзистора Т4, изменяется его проходное сопротивление, что влечет за собой соответствующее изменение частоты повторения импульсов. Так, при напряжении U_у, близком к нулю, транзистор Т4 почти закрыт и звуковая частота сигнала на выходе генератора равна 15 Гц. Когда напряжение U_у=U_{у макс}=10 В, частота генерато­ра становится максимальной и равной 15 кГц. Диоды Д5 и Д6 устраняют обратный выброс импульсов, а диод Д4 – отключает емкость С17 от входа блокинг-генератора на все время формирования периода повторения импульсов. Транзистор Т5 повышает чувствительность и стабильность генератора. Для стабилизации выходной амплитуды импульсов блокинг-генератора и ограничения тока транзистора Т6 использован параметрический стабилизатор, на резисторе R13 и стабилитроне Д3.

Звуковой генератор имеет два выхода. На выходе «Вых. 1» формируется короткий (6 мкс) импульс отрицательной полярности с амплитудой 2,7 В, а на выходе «Вых. 2» – импульс такой же длительности, но положительной полярности с амплитудой 7,5 В. Оба импульса могут быть использованы в темброблоке с целью получения противофазных сигналов, например, прямоугольной и треугольной формы, нужных для формирования тембра человеческого голоса. Сопротивление нагрузки для обоих выходов должно быть не менее 1 кОм.

В терменвоксе использованы резисторы МЛТ, конденсаторы C1, С2, С5, С6, С9, С15, С16, С19 – МБМ; С11, С18 – К50-6; С3, С4, С7, С8, С10, С14 – КСО группы Г; С12 – КД и С13 – подстроечный с воздушным диэлектриком. Диоды Д1, Д2 – Д9Е; Д3 – Д814А; Д4 – Д223Б; Д5, Д6 – Д220. Транзисторы Т1, Т3, Т5, Т6 – ГТ308Б со статическим коэффициентом усиления по току В_ст = 50, транзистор Т2 – полевой, КП103М с крутизной характеристики не менее 2 мА/В, транзистор Т4 – КТ315Г со статическим коэффициентом усиления по току B_ст = 70. Импульсный трансформатор – унифицированный И-87. Полярность включения его обмоток показана на принципиальной схеме (рис. 3). Намоточные данные контурных катушек приведены в табл. 3.

Таблица 3

Обозначение по схеме	Число витков	Провод	Индуктивность, мГ	Сердечник	Тип намотки
L1	248	ПЭЛШО 0,25	3,1	К32 × 20 × 6 М90НН-2	Рядовая
L2	1100	ПЭВ-2 0,1	103	К32 × 20 × 9 М1000НМЗ	Внавал
L3	248	ПЭЛШО 0,25	3,1	К32 × 20 × 6 М90НН-2	Рядовая
L4	3 × 735	ПЭЛШО 0,2	260	Стержень марки 150ВЧ-1	Универсаль
L5	2 × 220	ПЭЛШО 0,2	10,4	10 × 200 мм	Универсаль

Геометрические размеры катушек L4 и L5 и их взаимное расположение показаны на рис. 4. Индуктивность катушки L4 изменяется с помощью подстроечного сердечника. Для исключения влияния радиостанций длинноволнового диапазона на стабильность строя терменвокса частота кварцевого резонатора выбрана равной 90 кГц.

Низшая частота басового регистра инструмента с учетом допустимой относительной нестабильности строя, равной ±0,36%, и нестабильности кварцевого генератора равной ± 10^-6, равна:

F_н = f_кв × 10^-6 / 0,36 % ,

где

F_н – низшая частота терменвокса, Гц;

f_кв – частота кварцевого генератора, Гц.

Рис. 4. Конструкция катушек L4 и L5

Частота F_н согласно расчету равна 25 Гц. При нестабильности строя, равной ± 1 %, F_н=9 Гц. Таким образом, по сравнению с терменвоксом, построенным по принципу биений двух высокочастотных колебаний, содержащим LC генераторы с частотой возбуждения 130 кГц, предлагаемый инструмент дает выигрыш в стабильности строя терменвокса на нижнем регистре в 145 раз, а по сравнению с терменвоксом, содержащим кварцевые генераторы с резонансной частотой 400 кГц,– в 45 раз. Реальная стабильность строя будет несколько хуже за счет нестабильности амплитуды ВЧ сигнала при изменении температуры. Перед началом игры инструмент можно подстроить, внеся коррекцию на изменение температуры.

Литература:

1. Корсунский С. Г., Симонов И. Д. «Электромузыкальные инструменты», М., Госэнергоиздат, 1957.
2. Соломин В. К. «Конструирование электромузыкальных инструментов», М., Госэнергоиздат, 1958.
   скачать в DJVU
3. Волошин В. И., Федорчук Л. И. «Электромузыкальные инструменты», М., «Энергия», 1971.
   скачать в DJVU
4. Симонов И. Д., Шиванов А. Н. «Терменвокс», ж-л «Радио», 1964, № 10.
5. Термен Л. С. «Физика и музыкальное искусство» М., «Знание», 1966.
6. Априков Г. В. «Регулируемые усилители», М., «Энергия», 1969.
   скачать в DJVU
7. Королев Л. «И снова терменвокс», ж-л «Радио», 1972, № 9.

Выбор правильного генератора для вашего микроконтроллера

Добавлено 22 сентября 2019 в 12:23

Сохранить или поделиться

Внутренний или внешний? Кварц или керамика? Кварцевый генератор или кремниевый генератор? Так много вариантов тактовой синхронизации… какой из них подойдет для вашего проекта?

Варианты генерирования тактового сигнала

Каждому микроконтроллеру нужен источник тактового сигнала. Процессор, шина памяти, периферия – тактовые сигналы находятся внутри микроконтроллера. Они определяют скорость, с которой процессор выполняет инструкции, скорость передачи сигналов по последовательной связи, количество времени, необходимое для выполнения аналого-цифрового преобразования, и многое другое.

Всё это тактирующее действие приводит к источнику тактового сигнала, а именно к генератору. Поэтому вам необходимо убедиться, что ваш генератор сможет поддерживать любую производительность, которую вы ожидаете от своего микроконтроллера. Однако, в то же время некоторые варианты генераторов более сложны или дороги, по сравнению с другими. Поэтому ваш выбор генератора должен также основываться на важности снижения затрат и сложности, когда это возможно.

Существует довольно много способов формирования тактового сигнала для микроконтроллера. Техническое описание для вашего конкретного устройства должно содержать достаточно много информации о том, какие типы генераторов вы можете использовать, и как реализовать их таким образом, чтобы это было совместимо с аппаратным обеспечением устройства. В данной статье основное внимание будет уделено преимуществам и недостаткам различных источников тактовых импульсов, чтобы вы могли осмысленнее сделать выбор среди вариантов генераторов, описанных в техническом описании на ваш микроконтроллер.

Итак, давайте начнем со списка, а затем обсудим каждый вариант:

• внутренний:
  • обычно (насколько я знаю, всегда) схема резистор-конденсатор;
  • петля фазовой автоподстройки частоты с дальнейшим умножением частоты;
• внешний:
  • генератор на CMOS логике;
  • кварцевый резонатор;
  • керамический резонатор;
  • резистор-конденсатор;
  • только конденсатор.

Внутренние генераторы: принцип KIS

Я сторонник принципа KIS («Keep it simple», «не усложняй»), следовательно, я высоко ценю внутренние генераторы и призываю вас использовать внутренний генератор, когда это возможно. Внешние компоненты не требуются. Вы можете смело предположить, что частота соответствует выбранной, поскольку генератор был разработан теми же людьми, что всё остальное в микроконтроллере. Кроме того, основные технические характеристики – например, начальная точность, коэффициент заполнения (скважность), зависимость от температуры – (будем надеяться) указаны непосредственно в техническом описании.

Основным недостатком внутренних генераторов является малые точность и стабильность частоты. Частота зависит от значений пассивных компонентов, составляющих схему генератора, а допуски для значений этих пассивных компонентов не особенно жесткие. Кроме того, на емкость и сопротивление влияет температура окружающей среды, поэтому внутренние RC-генераторы подвержены температурному дрейфу, то есть изменения температуры приводят к изменениям частоты.

По моему опыту, многие приложения могут терпеть недостатки внутреннего генератора, особенно когда частота была откалибрована на заводе. В старых микроконтроллерах частота внутреннего генератора может иметь допуск до ±20%. Однако более новое устройство может дать вам точность ±1,5% (или лучше), что достаточно точно для связи по RS-232 и даже (в сочетании со схемой восстановления тактового сигнала) для USB.

Другим способом расширения возможностей внутреннего генератора является ручная «подстройка» – если у вашего микроконтроллера есть регистр подстройки/калибровки, вы можете регулировать частоту, изменяя значение в этом регистре. Это очень практичный метод для небольших проектов: просто измерьте тактовую частоту с помощью осциллографа или частотомера, а затем, соответствующим образом, подстройте генератор.

Разновидностью внутреннего генератора является использование петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL). ФАПЧ позволяет низкокачественному высокочастотному внутреннему генератору извлекать выгоду из стабильности и точности внешнего генератора. В целом, ФАПЧ не помогает вам избежать внешних компонентов, поскольку для нее требуется эталонный тактовый сигнал, который обычно получают с помощью кварцевого резонатора. Тем не менее, если у вас где-то на плате есть высококачественный тактовый сигнал, но вы не хотите использовать его для микроконтроллера, потому что он слишком медленный, вы можете использовать PLL, чтобы умножить этот тактовый сигнал до приемлемой частоты.

Генератор на CMOS логике

Другой простой способ синхронизации – это так называемый «генератор CMOS логике», который подпадает под категорию «из-за отсутствия лучшего термина». «Генератор CMOS логике» – расплывчатый (хотя и удобный) способ обращения к любому тактовому сигналу, создаваемому каким-либо другим компонентом на плате. Генератор CMOS логике – это отличный вариант, если в вашем проекте уже есть генератор тактового сигнала с 1) подходящей частотой и 2) электрическими характеристиками, совместимыми с входной CMOS схемой тактового сигнала микроконтроллера. Однако часто это не так, поэтому давайте рассмотрим два варианта формирования тактовых импульсов на CMOS логике.

Во-первых, это «кварцевый генератор». Сейчас самое время указать, что кварцевый резонатор – это не генератор; скорее, это центральный компонент схемы кварцевого генератора, который может выглядеть примерно так:

Кварцевый генератор

Кварцевые генераторы – это удобные устройства, которые состоят из кварцевого резонатора и дополнительной схемы, необходимой для генерирования стандартного цифрового тактового сигнала. Таким образом, вы получаете стабильность и точность кварца, не беспокоясь о нагрузочной емкости и тщательности компоновки печатной платы, необходимой для обеспечения надежной работы микроконтроллера с отдельным кварцевым резонатором.

Второй вариант – «кремниевый генератор». Этот термин относится к микросхемам генераторов, которые не основаны на кварцевых или керамических резонаторах. Эти устройства универсальны и просты в использовании, и они могут быть довольно точными. Например, для серии LTC6930 от Linear Tech требуется только один блокировочный конденсатор, а подавляющее большинство моделей таких микросхем обеспечивают точность номинальной частоты в пределах 0,05%:

Генератор тактового сигнала на микросхеме LTC6930-8.00График распределения типового отклонения частоты

Кремниевые генераторы более надежны, чем кварцевые и керамические резонаторы, особенно в суровых условиях, подверженных ударам или вибрации. Но они дороже.

Кварцевые и керамические резонаторы

Если вам нужна действительно высокая точность и стабильность без дополнительных затрат на микросхему генератора на основе кварцевого резонатора, выбирайте вариант с одиночным кварцевым резонатором. На рынке широко доступны компоненты с допуском менее 20 миллионных долей (т.е. 0,002%). Схема генератора, показанная выше, частично интегрирована в микроконтроллеры, которые поддерживают конфигурацию с отдельным кварцем; вам нужно будет только обеспечить правильные нагрузочные конденсаторы. Общая емкость нагрузки (C_{нагр.общ.}) указывается в техническом описании на кварцевый резонатор, а нагрузочные конденсаторы выбираются следующим образом:

\[C_{нагр.общ.} = {C_{нагр.1} \cdot C_{нагр.2} \over C_{нагр.1} + C_{нагр.2}} + C_{пар.}\]

где C_пар. представляет любую паразитную емкость. Этот расчет на практике довольно прост: выберите разумное значение для C_пар. (скажем, 5 пФ), вычтите его из C_{нагр.общ.}, и затем умножьте результат на два. Таким образом, если техническое описание указывает нагрузочную емкость 18 пФ, мы имеем

\[C_{нагр.1} = C_{нагр.2} = (18пФ — 5пФ) \cdot 2 = 26 пФ\]

Керамические резонаторы менее точны, чем кварцевые; допуски обычно составляют от 1000 до 5000 милилонных долей. Они могут сэкономить вам несколько центов, если вам не нужна точность кварца. Но, на мой взгляд, главное преимущество заключается в том, что вы можете получить керамические резонаторы со встроенными нагрузочными конденсаторами.

Последний и наименее распространенный…

Существует не так много ситуаций, когда требуется генератор на внешних резисторе-конденсаторе или только на конденсаторе. Если по какой-то причине вам не подходят варианты внешних генераторов, рассмотренные выше, выбирайте микроконтроллер с внутренним генератором и используйте его. Однако, если вы полны решимости откопать один или два пассивных компонента из своей коробки запчастей, обратитесь к техническому описанию микроконтроллера за инструкциями по подключению и проектированию схемы генератора. Ниже показаны примеры подключения компонентов, взятые из технического описания на микроконтроллеры C8051F12x – 13x от Silicon Labs:

Варианты использования внешних резисторов и конденсаторов для создания схемы тактового генератора микроконтроллера

И вы можете обратиться к странице 190 этого же технического описания для получения информации о выборе значений компонентов.

Заключение

Надеюсь, что теперь вы знаете достаточно, чтобы в следующий раз, когда вам нужно будет выбрать генератор для микроконтроллера, принять обоснованное и уверенное решение. Вот мои рекомендации в двух словах:

• используйте внутренний генератор, когда это возможно;
• используйте кремниевый генератор, если его точность адекватна, а стоимость приемлема – в противном случае, используйте кварцевый резонатор.

Оригинал статьи:

Теги

MCUВнутренний генераторКварцевый генераторКварцевый резонаторКерамический резонаторКремниевый генераторМикроконтроллерТактирование микроконтроллера

Сохранить или поделиться

Современная методика анализа и расчета кварцевых генераторов

Скачать: 

С.В. Богуславский, В.П. Литвинов

ООО «БМГ-Кварц», Московский государственный открытый университет

 

 

ВВЕДЕНИЕ

     В настоящее время существует значительное количество учебников, методических пособий и научных статей для расчета кварцевых генераторов. Однако им присущ один серьезный недостаток: все они в той или иной мере оторваны от практического применения за счет наличия большого числа математических выражений, изобилующих комплексными выражениями, дифференциальными уравнениями и системами и т.д.
     Но самое главное, решение все равно требует дополнительной коррекции при практической реализации, т.к. при расчете нелегко учесть разброс параметров элементов схемы, да и в справочниках приведены далеко не все необходимые параметры. В результате усилия, затраченные на расчет схемы, зачастую бывают сведены «на нет» при практической реализации.
     Целью настоящей и последующих работ является создание такой инженерной методики расчета кварцевых генераторов различных типов схем, при которой можно в короткие сроки произвести расчет генератора, имея под рукой всего лишь инженерный калькулятор.
     Предлагаемая методика предназначена для разработчиков радиоаппаратуры, имеющих некоторый практический опыт разработки аналоговых электронных схем, в частности автогенераторов или кварцевых генераторов, поэтому расчетные формулы приведены без выводов.
     Кроме того, в другой статье предложена методика более углубленного анализа кварцевых генераторов после ее инженерного расчета с использованием САПР Micro Cap.

1. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора.

     Основным элементом схемы генератора, определяющим его стабильность является кварцевый резонатор, эквивалентная электрическая схема которого приведена на рис.1.

 

Рис.1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Поясним физический смысл электрических параметров эквивалентной схемы кварцевого резонатора:

— Lq – эквивалентная динамическая индуктивность – эквивалент колеблющейся массы под электродами резонатора, величина которой определяет величину добротности Q;

— Cq – эквивалентная динамическая емкость – эквивалент механической жесткости кварцевой пластины;

— Rq – эквивалентное динамическое сопротивление – величина, характеризующая активные потери в кристаллической решетке, демпфирование колебаний молекулами окружающего газа и электрические потери в подводящих электродах;

— C0 – статическая емкость кварцедержателя.

     Для диапазона частот от 5 до 30 МГц типовые значения элементов эквивалентной схемы следующие: Cq=0.008…0.02 пФ; Lq=5…30 мГн; Rq=5…50 Ом; C0=1,5…6 пФ.

     При проектировании генераторов, работающих на частотах выше 30 МГц применяют кварцевые резонаторы, работающие на нечетных механических гармониках (3-я, 5-я, 7-я и т.д.). При этом значения Cq уменьшаются пропорционально квадрату номера гармоники, т.е. на 3-ей механической гармонике резонатор будет иметь Cq порядка 0,01/3²≈0,001 пФ. При этом эквивалентное сопротивление возрастает приблизительно прямо пропорционально номеру гармоники, т.е. 3xRq.

     Как видно из рис. 1, эквивалентная схема представляет собой сложный колебательный контур, имеющий последовательный и параллельный резонанс, причем частота последовательного резонанса определяется параметрами Lq и Cq, а параллельного – Lq и последовательно соединенных Cq и C0. Наличие резонансов иллюстрирует рис. 2, на котором приведены амплитудно-частотная (АЧХ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики полного сопротивления Zq кварцевого резонатора частотой 10 МГц по 1-ой механической гармонике.

 

Рис.2. Характеристики полного сопротивления резонатора.

 

Из рисунка видно, что частотная характеристика имеет два экстремума, соответствующих последовательному (минимум) и параллельному (максимум) резонансу.

Разность частот между ними называется резонансным промежутком, который можно определить как

 

Особый интерес представляет область АЧХ между последовательным и параллельным резонансом, характеризующаяся увеличением полного сопротивления с ростом частоты, что соответствует индуктивному характеру сопротивления резонатора, величина которого зависит от отстройки от частоты последовательного резонанса.

 

2. Условие самовозбуждения генератора

В самом общем виде структурную схему автогенератора (рис. 3) можно представить состоящей из двух четырехполюсников – усилителя с коэффициентом усиления K и цепи положительной обратной связи с коэффициентом обратной связи β.

 

Рис. 3. Структурная схема автогенератора.

     Условие стационарного режима генератора можно представить в следующем виде:

     Выражение (2) состоит из двух уравнений – баланса фаз и баланса амплитуд.

     Баланс фаз – алгебраическая сумма сдвигов фаз по замкнутому колебательному контуру равна 0 или 2πn.

     Баланс амплитуд – условие, при котором в установившемся режиме произведение коэффициента усиления активной части схемы (усилителя) на коэффициент обратной связи, называемое фактором регенерации G, равно 1. Для уверенного возбуждения генератора начальное значение G выбирается в пределах от 2 до 4. При установлении колебаний величина G снижается до 1 – выполнения условия баланса амплитуд, за счет уменьшения средней крутизны при росте амплитуды колебаний.

 

3. Осцилляторные схемы кварцевых генераторов.

В технике стабилизации частоты, наиболее часто используют так называемые осцилляторные схемы, т.е. схемы, в которых кварцевый резонатор является элементом колебательного контура генератора – как правило, индуктивностью. Эти генераторы выполняются обычно по схеме «емкостной трехточки» (Рис.3.),

 

Рис.3.1. Обобщенная схема емкостной трехточки.

     В зависимости от того, какой электрод транзистора VT1 будет заземлен, схема будет называться с общей базой, с общим эмиттером или с общим коллектором. Как было уже сказано выше, индуктивность в этой схеме можно заменить кварцевым резонатором. При этом рабочая частота генератора будет выше частоты последовательного резонанса кварцевого резонатора. Схема кварцевого генератора, построенного по схеме емкостной трехточки, будет иметь вид, показанный на рис.4.

 

Рис.4. Обобщенная схема кварцевого генератора

 

4. Методика расчета кварцевого генератора

В качестве примера проведем анализ и расчет, наиболее распространенной схемы управляемого напряжением кварцевого генератора (рис.5.), которая практически применяется в большей части радиотехнических устройств,. В ней RB1 и RB2 — сопротивления базового делителя, RC – коллекторная нагрузка, RE – резистор в цепи эмиттера, C1, C2, BQ1 и VD1 – элементы контура генератора и RV – резистор цепи управления варикапа. Варикап RV может использоваться также для подстройки частоты в неуправляемом генераторе, расчет которого производится аналогичным образом.

 

Рис.5. Принципиальная схема управляемого кварцевого генератора.

 

Анализ и расчет работы генератора целесообразно начать с расчета режима работы по постоянному току. Для этого совсем необязательно иметь весь набор параметров и характеристик транзистора. Дело в том, что современные кремниевые транзисторы, используемые в качестве активного элемента кварцевых генераторов, как правило, имеют коэффициент усиления по току β≥100, а частоту единичного усиления ft ≥ 1500…2000 МГц, что позволяет пренебречь инерционными свойствами транзистора вплоть до частот порядка 100 МГц.

Прежде всего, найдем значение тока коллектора в рабочей точке. Так как напряжение перехода база-эмиттер транзистора в открытом состоянии составляет 0,6…0,75 В, ток коллектора (без учета тока базы) определяется по формуле:

Далее, находим крутизну вольтамперной характеристики:

где   — температурный потенциал;

k – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура;

q – заряд электрона.

Затем, определяем управляющее сопротивление Ry, равное произведению сопротивления нагрузки на коэффициент обратной связи резонансной цепи генератора:

где

 

Для проверки условия баланса амплитуд определяем фактор регенерации G:

Определение значения рабочей частоты генерации включает в себя:

— определение емкости варикапа при среднем значении напряжения перестройки;

— определение емкости генератора;

— расчет частоты генерации при различных напряжениях перестройки.

В перестраиваемых генераторах для получения больших пределов перестройки частоты и хорошей линейности ее характеристики обычно применяют варикапы со сверхрезким переходом. Аналитическая зависимость емкости варикапа от напряжения обратного смещения аппроксимируется следующим образом:

где Cv0- емкость варикапа при напряжении управления Ey=0.

Относительная отстройка от частоты последовательного резонанса

где 1/ =1/С1+1/С2+1/ .

Рабочая частота генератора 

После этого приступаем к анализу энергетических характеристик генератора.

Из анализа спектральной характеристики коллекторного тока известно, что амплитуда первой гармоники коллекторного тока Icm при G≥3 равна 2lc. Поэтому амплитуда переменного напряжения база-эмиттер Ube=Icm x Ry .

Ток, протекающий в контуре генератора, а также через кварцевый резонатор можно определить из следующего выражения:

Мощность, рассеиваемая на кварцевом резонаторе определяется как

Амплитуда первой гармоники выходного напряжения генератора равна

5. Пример расчета кварцевого генератора

В качестве примера рассчитаем кварцевый генератор, управляемый напряжением со следующими параметрами:

• Номинальная частота ,ƒ0                                                                                                 10 МГц;

• Перестройка частоты, δ                                                                                                   ±100×10^-10;

• Диапазон изменения напряжения управления,                                                          Ey 0…5 В;

• Амплитуда 1-ой гармоники выходного напряжения,                                                Ucm≥250мВ;

• Сопротивление коллекторной нагрузки,                                                                      Rc 200 Ом;

• Напряжение питания,                                                                                                       Ep 5В≥10%.

Кварцевый резонатор берем со следующими типовыми параметрами:

Номинальная частота                                                                                                           10 МГц;

Динамическое сопротивление                                                                                            10 Ом;

Динамическая емкость                                                                                                         10 фФ;

Статическая емкость                                                                                                             3 пФ.

 

1. По формуле (3) определяем ток коллектора в рабочей точке

2. Крутизна коллекторного тока согласно формуле (4) будет равна

3. Для обеспечения широкого диапазона перестройки частоты генератора задаемся фактором регенерации G=5 и определяем управляющее сопротивление Ry

4. Определяем эквивалентную емкость генератора

Если С1=С2 то С1=С2=347х2=794 пФ. Из ряда Е24 выбираем ближайшие значения емкостей конденсаторов С1=С2=750 пФ

5. Определяем элементы схемы генератора, задающие режим по постоянному току.

Выбираем 

6. Определяем элементы цепи базового смещения

Выбираем ток делителя . 

Напряжение на базе транзистора , 

7. Для определения перестройки частоты из выражения (8) находим

тогда общая перестройка будет равна

Умножая левую и правую части равенства на получаем

где Kp – коэффициент перекрытия варикапа по емкости.

Выбрав Kp=3 определим .

При этом    

Выбираем варикап BB659, у которого =55 pF, а =18 pF.

8. В заключение определим также мощность рассеяния на кварцевом резонаторе

Подставляя в данное выражение значения параметров, получаем:

 

Допустимая мощность для данного типа резонаторов составляет 1 mW или 1000μW .

 

_______________________________________________________________________________________

Скачать: