В этой статье мы попросили мастера ответить на вопрос: «Что такое кварцевый стабилизатор в часах?», а также дать полезные рекомендации для наших читателей. Что из этого получилось, читайте далее.
Кварцевая стабилизация частоты применяется обычно в автогенераторах, работающих на фиксированных частотах. Если же частота автогенератора должна плавно изменяться в широком диапазоне, то в этом случае применяют параметрическую стабилизацию. [1]
Кварцевая стабилизация частоты состоит в использовании в задающем генераторе вместо контура пластинки кварца. Пластинку кристаллического кварца помещают между двумя металлическими пластинками-электродами и включают в схему возбудителя. К электродам подводят переменное синусоидальное напряжение. Кварцевая пластинка, обладающая пьезоэлектрическими свойствами, начинает колебаться в такт с приложенным напряжением. Механические колебания вызывают переменное напряжение на электродах. [2]
Кварцевую стабилизацию частоты обычно применяют в автогенераторах, работающих на фиксированных частотах ( низкой и высокой), что является ее недостатком. Для получения стабильных колебаний звуковой и инфранизкой частот служат камертонные и магнитострикционные вибраторы, выполненные из специальных сплавов. [3]
Кварцевую стабилизацию частоты обычно применяют в автогенераторах, работающих на фиксированных частотах, что является ее недостатком. Кроме кварца для стабилизации частоты служат пластинки турмалина, однако этот минерал дороже кварца и поэтому применяется редко. [5]
Наличие кварцевой стабилизации частоты ЗГ исключает необходимость проведения операции временной нестабильности. [6]
Предусматривается ли кварцевая стабилизация частоты . Оптимально ли выбрана схема умножителя. [7]
Как осуществляется кварцевая стабилизация частоты . [8]
При использовании кварцевой стабилизации частоты контроль осуществляется с помощью электронно-счетных частотомеров ( см. гл. [9]
Рассмотренный метод кварцевой стабилизации частоты электромагнитных колебаний нашел широкое применение, так как кварцевые меры частоты по сравнению с другими мерами являются самыми простыми, обладают наименьшими массой, габаритами, стоимостью, высокой экономичностью, надежностью и большим сроком службы. [11]
Извещатель имеет кварцевую стабилизацию частоты излучения , позволяющую устанавливать несколько блоков в одном помещении. [12]
Генератор с кварцевой стабилизацией частоты , выполненный на одном ЛЭ НЕ с открытым коллекторным выходом, изображен на рис. 5.138 а. [13]
Мультивибраторы с кварцевой стабилизацией частоты колебаний выполняются обычно путем включения кварцевого резонатора на место времязадающей емкости мультивибратора. Однако стабилизация частоты возможна и при замене резонатором одной из двух емкостей мультивибратора. Так, например, на рис. 60, в приведена схема генератора на двух инверторах типа ТТЛ [44], в которой выход первого инвертора соединен со входом второго через конденсатор, а выход второго со входом первого через кварцевый резонатор. Входящие в устройство резисторы обеспечивают смещение инверторов по постоянному току. При использовании относительно низкочастотного кварцевого резонатора ( 10 — 100 кгц) рекомендуется между входом первого инвертора и землей включать небольшую емкость, устраняющую паразитное высокочастотное самовозбуждение генератора. [14]
Для повышения стабильности частоты генераторов в качестве колебательного контура используют кварцевые пластины. ТКЧ хорошего колебательного контура без термокомпенсации составляет (0,5. 1) 10 -4 , а кварцевого — 10 -7 . 10 -6 .
Кварцевые пластины вырезают из монокристалла кварца под определенным углом к; его оптическим осям. Кварцевая пластинка, введенная в кварцедержатель, замыкаетэлектрическую цепь переменного тока, так как обладает пьезоэлектрическим эффектом: электрические колебания преобразуются в ней в механические, и наоборот. Эквивалентная электрическая схема кварцевой пластины представлена на рис. 3.50, а.
Значения L, R, С и Со определяются геометрическими размерами кварцевой пластины и типом механических (продольных и поперечных) колебаний. Добротность кварца Q = 500. 10 000 превышает добротность обычного контура на три порядка.
Кварцы имеют две резонансные частоты: частоту последовательного резонанса f01 и частоту параллельного резонанса f02. Реактивное сопротивление кварца χпри f f02 имеет емкостный характер (отрицательную мнимую часть), а при f01
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2019 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.001 с) . 
Несмотря на все перечисленные в предыдущей главе меры увеличения стабильности гетеродинов трудно получить относительную стабильность частоты выше значения 10 -3 . 10 -4 . Эта нестабильность приводит к уходу частоты настройки радиоприемного устройства на частоте 100 МГц на 100 . 10 кГц. Это значение превышает ширину частотного канала современных систем мобильной связи. На более высоких частотах положение с абсолютным уходом частоты в зависимости от температуры еще больше ухудшается.
Поэтому велись работы по увеличению стабильности частотозадающих элементов. В результате удалось получить стабильность на два порядка выше при применении в качестве частотозадающих элементов генераторы кварцевых резонаторов. При этом можно обеспечить относительную стабильность частоты генератора от 10 -5 до 10 -8 .
Кварцевый резонатор применяется в гетеродинах радиоприемников в качестве частотозадающего колебательного резонансного LC контура. Благодаря малым потерям энергии в данном резонаторе удается достигнуть добротности порядка нескольких тысяч.
Рассмотрим, как устроены кварцевые резонаторы, и на каких принципах они работают. Кварцевые кристаллы известны в природе как горный хрусталь, аметист или раухтопаз. В качестве примера на рисунке 1 приведена фотография друзы кристаллов раухтопаза.
Рисунок 1. Внешний вид кварцевых кристаллов
Добываются природные кристаллы кварца в основном на рудниках Бразилии. Природные кристаллы кварца содержат в себе большое число неоднородностей. Кроме того, они дороги, поэтому в настоящее время в основном применяются искусственно выращенные кристаллы кварца. Кварцевые кристаллы выращиваются из щелочных растворов в автоклавах при температуре 400 C° и давлении около 2000 атм. Процесс выращивания кристалла длится от 30 до 45 дней.
Особенностью кристалла кварца является то, что он обладает пьезоэффектом. Пьезоэффект обуславливается особым строением кристалла кварца. Он представляет собой правильную шестиугольную призму. Схематически расположение ионов кислорода и кремния в кристалле кварца изображено на рисунке 2.
Рисунок 2. Расположение ионов кислорода и кремния в кристалле кварца
В кристалле явным образом наблюдается электрическая ось x и механическая ось y. При сжатии кристалла вдоль механической оси y ионы отрицательные кислорода вытесняются с одной стороны, а положительные ионы кремния с другой. В результате возникает разность потенциалов. Сжатие или растяжение по оси Z не вызывает появления зарядов на гранях. Поэтому ось Z называется оптической.
Благодаря симметричности кристалла кварца механическую и электрическую оси можно провести тремя разными способами. Эффект при этом не изменится. На рисунке 3 показано, как нужно вырезать пластинку из кристалла кварца для того, чтобы на ее краях возникала разность потенциалов.
Рисунок 3. Как вырезается пьезоэлектрическая пластинка из кварцевого кристалла
Срез, показанный на рисунке 3, получил название XT-срез. Изменение размеров XT среза кварцевой пластинки при прикладывании разности потенциалов к ее поверхности приведен на рисунке 4.
Рисунок 4. Изменение размеров XT-среза кварцевой пластинки при прикладывании разности потенциалов к ее поверхности
XT-срез применяется для изготовления низкочастотных кварцевых резонаторов. Например, часовых резонаторов на частоту 32768 кГц. Чертеж часового кварцевого резонатора приведен на рисунке 5. Он выполнен в виде вилки камертона. Эта форма, как и в музыкальной технике, позволяет получить очень высокую добротность резонатора
Рисунок 5. Чертеж камертонной вилки часового кварцевого резонатора
Форма колебаний плеч камертона часового кварцевого резонатора приведена на рисунке 6.
Рисунок 6. Колебания плеч часового кварцевого резонатора
Фотография часового кварцевого резонатора со снятым защитным корпусом приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. Внешний вид часового кварцевого резонатора
Следует заметить, что подобный срез кварцевой пластинки не позволяет получить высокую стабильность частоты колебаний. На рисунке 8 приведена типовая зависимость отклонения частоты кварцевого резонатора XT-среза от температуры окружающей среды.
Рисунок 8. Зависимость ухода резонансной частоты от температуры для XT-среза кварцевой пластинки
Как видно из этого графика, при изменении температуры от –25°С до +75°С, частота уходит на 80 миллионных (ppm). Это соответствует стабильности частоты 10 –4 , что вполне достаточно для работы наручных часов, синхронизации микропроцессоров, но слишком мало для стабилизации несущей частоты приемопередатчиков.
Намного лучшими характеристиками обладает AT-срез кристалла кварца. В отличие от XT-среза, в AT-срезе пластинка вырезается под углом к механической оси Z. Его значение составляет 35°15′ (на частотах выше 10 МГц угол среза будет уже 35°18′). Поэтому в пластинке при прикладывании переменного напряжения формируется сдвиг по толщине, как это показано на рисунке 9.
Рисунок 9. Сдвиг поверхностей AT-среза кварцевой пластинки при прикладывании к ним разности потенциалов
В AT резонаторе его резонансная частота зависит от толщины пластинки. Толщина кварцевой пластинки определяется как 1,661 мм/(частота в МГц) . Пластинку можно вырезать в виде полоски и разместить в таком же корпусе, как и часовой кварц.
Рисунок 10. Внешний вид малогабаритного кварцевого резонатора с AT-срезом
Однако для уменьшения потерь и исключения паразитных колебаний на нежелательных частотах (а именно это и требуется в гетеродинах радиоприемников и возбудителях передатчиков), форму пластинки делают в виде диска или линзы. Внешний вид кварцевого резонатора с AT-срезом пластинки приведен на рисунке 11.
Рисунок 11. Внешний вид кварцевого резонатора с AT-срезом
На рисунке 12 приведены типовые зависимости отклонения частоты кварцевого резонатора AT-среза от температуры окружающей среды при различных отклонениях угла среза от оптимального значения 35°15′.
Рисунок 12. Типовые температурные зависимости ухода частоты кварцевого резонатора AT-среза
Как видно из графика, при точном соблюдении угла среза кварцевого кристалла, в том же диапазоне температур уход частоты кварцевого резонатора не превышает ±10ppm. Это соответствует нестабильности частоты 10 –5 .
Эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена на рисунке 13, а характеристика зависимости его сопротивления от частоты — на рисунке 14.
Рисунок 13 — эквивалентная схема кварцевого резонатора
Последовательные контура в данной эквивалентной схеме отображают основную частоту колебания пластинки, третью и, если нужно, то пятую гармонику основного колебания. Конденсатор C1 отображает емкость кварцедержателя.
Рисунок 14 — Зависимость сопротивления кварцевого резонатора от частоты
В диапазоне частот от последовательного резонанса (минимум сопротивления) до параллельного резонанса (максимум сопротивления) кварцевый резонатор обладает индуктивным сопротивлением. Одна из наиболее распространенных схем кварцевых генераторов, выполненная на биполярном транзисторе, приведена на рисунке 15.
Рисунок 15 — Схема кварцевого генератора на биполярном транзисторе
Это типичная схема Колпитца, в которой кварцевый резонатор Z1 применяется вместо катушки индуктивности.
Вместе со статьей «Особенности кварцевой стабилизации частоты генераторов» читают:
Возможно у Вас есть свои мнения на тему «Что такое кварцевый стабилизатор в часах»? Напишите об этом в комментариях.
Загрузка...