4.1.10 Стабилизация частоты и уровня сигналов ГО

Материал по данному вопросу изложен в [5, стр.233…241; 7, стр.180…185].

Реализация задающих генераторов отличается большим разнообразием, связанным с типом усилительного элемента (ламповые, транзисторные, интегральные), количеством усилительных элементов (1- и 2-х каскадные), типом цепи обратной связи (RC-, LC-, кварцевые и электромеханические), схемой подключения ОС (2-х и 3-х точечные). В любом случае ЗГ – это усилитель, охваченный положительной ОС.

В настоящее время широкое распространение получили трехточечные схемы, а именно:

индуктивная (рис.4.68,а)   или автотрансформаторная (рис.4.68,б)  трехточка

 

 

Рис.4.68 Индуктивная и автотрансформаторная трехточки

и емкостная трехточка (рис.4.69,а).

 

Рис.4.69 Емкостная трехточка

 

Построение автогенераторов по схемам индуктивной и автотрансформаторной трехточки с учетом элементов, задающих режим по постоянному току и включением транзистора VT по схеме с общим эмиттером показано на рис.4.70 (а,б). Аналогичная схема емкостной трехточки – на рис.4.69,б.

 

 

Рис.4.70 Индуктивная и автотрансформаторная трехточки

 

Основными дестабилизирующими факторами, влияющими на изменение частоты генератора, являются изменения следующих параметров:

- температуры;

- напряжения источников питания;

- сопротивления нагрузки;

- влажности воздуха;

- «старение» элементов схемы.

Эффективным способом обеспечения высокой стабильности частоты ЗГ является применение кварцевых резонаторов.

Кварцевый резонатор представляет собой электромеханическую колебательную систему, состоящую из кварцевой пластины, электродов и держателя.

Если пластину поместить между электродами и приложить к ним переменное напряжение, то благодаря обратному пьезоэффекту в ней возбудятся механические колебания. И наоборот, механическая сила, приложенная к определенным граням кристалла, вызывает появление электрических зарядов на этих гранях, причем количество электричества пропорционально приложенной силе; с изменением знака последней (растяжение или сжатие) меняется знак заряда (прямой пьезоэффект).

При отсутствии колебаний пластина кварца может рассматриваться как обычный конденсатор, емкость которого определяется площадью электродов, расстоянием между ними и диэлектрической постоянной кварца.

Как всякое упругое тело, пластина кварца обладает собственной (резонансной) частотой, которая зависит от геометрических размеров пластины, типа среза и способа крепления. Если частота внешнего переменного напряжения совпадает с собственной частотой пластины, возникает резонанс. Поэтому кварцевый резонатор эквивалентен последовательному колебательному контуру, зашунтированному статической емкостью электродов, кварцедержателя и монтажа. Эквивалентная схема показана на рис.4.71.

             

 

Рис.4.71 Эквивалентная схема кварцевого резонатора

 

В этой схеме C_к и L_к -индуктивность и емкость, определяемые геометрическими размерами и физическими свойствами кварца; R_к – активное сопротивление, характеризующее рассеяние энергии, С₀ – статическая емкость кварцевого резонатора.

Потери энергии в кварцевом резонаторе весьма малы, поэтому добротность достигает сотен тысяч, в то время, как контуры выполненные на индуктивностях, обладают добротностью порядка нескольких сотен.

 

Кварцевый резонатор используется в автогенераторных схемах либо как непосредственный элемент трехточки, либо как частотно-избирательный элемент в цепи ОС. В первом случае кварц является эквивалентом индуктивности и включается в схему индуктивной трехточки вместо L₂ (рис.4.72,а), а в схему емкостной  - вместо L₁ (рис.4.72,б)

 

   

 

Рис.4.72 Включение кварцевого резонатора в схему ЗГ

 

Включение кварцевого резонатора в цепь ОС показана на рис. 4.73, где используется неинвертирующий усилитель. В качестве такого усилителя обычно применяют несколько (не менее 2-х) резистивных каскадов с общим эмиттером или операционный усилитель на ИС [5].

 

                            

 

Рис.4.73 Включение кварцевого резонатора в цепь ОС

 

Таким образом, применение в схеме ЗГ в качестве колебательной системы кварцевого резонатора обеспечивает высокую стабильность частоты. Однако при этом предполагается постоянство собственной резонансной частоты колебательной системы. Для этого резонаторы помещают в специальные термостаты, которые обеспечивают постоянство температуры с высокой точностью.

Основными факторами, приводящими к изменению выходного уровня (мощности) ЗГ, являются изменение температуры и питающих напряжений, изменение сопротивления нагрузки, старение элементов. Для уменьшения температурных отклонений используют термостатирование ЗГ; влияние изменений напряжения питания ослабляют путем стабилизации источников  питания. Нестабильность сопротивления нагрузки устраняется с помощью следующих мер.

Применение буферного усилителя (БУ, рис.4.74,а). БУ не только стабилизирует сопротивление нагрузки для ЗГ, но и, работая в нелинейном режиме (рис.4.74,б), не передает на генератор гармоник изменений выходного напряжения ЗГ.

 

 

Рис.4.74 Применение буферного усилителя

БУ можно рассматривать как двухсторонний ограничитель амплитуд с полосовым фильтром. Из его амплитудной характеристики (рис.4.74,б) видно, что амплитуда сигнала на выходе БУ изменяется значительно меньше, нежели на входе.

Применение систем АРУ. Стабилизация уровня (мощности), отдаваемой в нагрузку, за счет регулируемой цепи ОС может выполняться как непосредственно в ЗГ, так и в БУ. В первом случае стабилизация осуществляется, например, с помощью моста с терморезисторами R_т1R_т2 (рис.4.75,а).

 

 

Рис.4.75 Применение схем АРУ

 

В исходном состоянии мост разбалансирован, иначе не было бы передачи напряжения по цепи ОС. С увеличением U_зг растет ток через R_т, изменяется сопротивление терморезисторов, и мост стремится к балансному состянию.Передача по цепи ОС уменьшается, на вход усилителя поступает меньший сигнал, уменьшается и выходное напряжение. Основной недостаток данного способа стабилизации – большая инерционность.

Во втором случае в цепь ООС линейного БУ (рис.4.75,б) включается регулирующий элемент (РЭ) – диод VD, управляемый медленно изменяющимся напряжением U_упр. При увеличении U_упр сопротивление РЭ растет, соответственно увеличивается коэффициент передачи в цепи ОС и уменьшается коэффициент усиления БУ. Напряжение U_упр регулируется в зависимости от уровня на выходе БУ. Для этого используется цепь управления, включающая выпрямитель, ФНЧ, схему сравнения (СС) и усилитель сигнала ошибки. Схема обеспечивает постоянство уровня при действии различных дестабилизирующих факторов как в ЗГ, так и в БУ.