Кварцевый резонатор

В. 4. Пример топологии гибридно-пленочной микросхемы (четырехчастотный кварцевый генератор)

а — функциональная схема; б — переходная характеристика логического элемента и схеиа включения в режиме усиления; в — кварцевый генератор на логических элементах И *- НЕ; ? — эквивалентная схема кварцевого резонатора

Конструктивно кварцевый генератор или селективный усилитель с кварцевым резонатором можно выполнить на базе 'бескорпусных логических микросхем (аналогичных упомянутым выше логическим микросхемам) и миниатюрных кварцевых пластинок. Соединения выполняются с помощью тонкопленочной коммутирующей платы. Такой вариант конструкции является, по-видимому, одним из наиболее компактных. Топология кварцевого генератора на четыре частоты была приведена на В,4.

/ — кварцевый генератор; 2 — делители частоты; 3, 4 — счетчики минутных

Микропроцессор ВМ86 представляет собой синхронную цифровую схему, все процессы в которой синхронизируются последовательностью тактовых импульсов. В отличие от ВМ80 в рассматриваемом МП для синхронизации используется не две, а одна тактовая последовательность. В комплекте с ВМ86 применяется микросхема генератора тактовых импульсов (ГТИ) типа К1810ГФ84. Схема ГТИ представлена на 1.8. В качестве задающего генератора обычно используется внутренний кварцевый генератор КГ, работающий с кристаллом кварца, подключенным ко входам XI и Х2. Вместо кварца возможно подключе-

Для обеспечения высокой стабильности частоты /о, требуемой при синхронном детектировании, генераторный блок 6 строится по схеме 6.16. Блок содержит высокостабильный термостатированный кварцевый генератор 3 частоты /о и менее стабильный кварце-

временной селектор; формирователь нормированных по величине и временным параметрам сигналов; устройство формирования времени счета, в состав которого входят декадные делители частоты, источник сигнала образцовой частоты (кварцевый генератор); устройство синхронизации Т работы всех элементов ЭСЧ.

Для особо точных измерений частоты высокостабильных источников сигнала (например, кварцевых генераторов, синтезаторов), частота которых совпадает с выходной частотой квантового стандарта частоты, последний используется как индикатор сравнения. Намерение выполняется так. Кварцевый генератор стандарта отключается, а вместо него включается источник измеряемой частоты. В соответствии с процессами, происходящими в стандарте, измеряемая частота синтезируется до частоты квантового перехода данного стандарта, сравнивается с ней в смесителе, на выходе которого получается разностная частота, измеряемая с помощью электронно-счетного частотомера. По его показанию вычисляется искомая частота. Таким способом поверяются рубидиевые и цезиевые стандарты частоты по водородному стандарту. Например, стандарт типа 41-46 в режиме сравнения (измерения) частоты внешнего источника обеспечивает погрешность измерения ±7-10~и за 1 с, ±7-Ю-12 за 10 с и ± 7-Ю-13 за 100 с.

/ — испытуемый двигатель; 2 — диск; 3 — прозрачная шкала; 4 — фотоприемник; 5 — лампа накаливания; 6 — импульсная лампа; 7 — кварцевый генератор; 8 — усилитель импульсов; 9-—отпирающий ключ; 10 — триггер; // — пересчетная схема; 12 — усилитель

Существует большое количество схем получения переключаемых фиксированных стабильных частот. Рассмотрим вариант схемы переключаемых стабильных фиксированных частот с делителем частоты и фазов-ой автоподстройкой частоты, изображенный на 8.9. В схеме используются следующие блоки: кварцевый генератор КГ, генерирующий напряжение ик стабильной частоты то; перестраиваемый генератор ПГ, генерирующий напряжение и\ с частотой «mo в n раз более высокой, чем частота кварцевого генератора. Контур генератора ПГ скачком перестраивается и генерируемая частота дискретно изменяется на величину со о. Последнее может осуществляться, например, изменением смещения на варикапе. При этом коэффициент n изменяется скачком. Например, n может принимать значения: п\ = \5, п2~16. Частота сигнала при этом будет принимать значения 15соо,

На 18-13 изображена блок-схема такого прибора. Напряжение измеряемой частоты/* подается в блок-формирователь. Так же, как и в блок-схеме на 18-10, формирователь выдает импульсы определенной амплитуды и формы. Частота следования этих импульсов равна частоте fx поданного на вход напряжения. Импульсы с выхода формирователя поступают на ключ (селектор) и далее на триггерный счетчик импульсов, состоящий из п декад (где п — число разрядов данного прибора). Счетчик связан с дешифратором, на выходе которого включено отсчетное цифровое устройство. Импульсы от формирователя непрерывно идут к селектору. Но селектор пропускает импульсы к счетчику только в течение определенного строго заданного интервала времени Т. Функцию формирователя интервалов времени измерения выполняют цепи управления селектором, состоящие из кварцевого генератора, делителя частоты и схемы узла селектора, формирующей строб-импульсы длительностью Т. Кварцевый генератор является источником высокостабильных колебаний. Так как время заполнения счетчика зависит от частоты fx, то при измерении разных частот требуется получать строб-импульсы различной длительности. Это требование выпол-

/ — корпус; 2 — микросборка; 3 — гермо-ввод; 4 — передняя панель; 5 — СВЧ-гер-мопереход; 6 — штенгель; 7 — штырь заземления; 8 — гермошов; 9 — зона монтажа- Ю — индуктивный элемент; // — кварцевый резонатор; 12 — печатная пла-

Простейшую схему генератора синусоидальных колебаний можно рассматривать как сочетание усилителя, включающего в себя нелинейные элементы (транзисторы) и частотно-задающего элемента. В качестве последнего могут использоваться колебательный контур, полосовой /?С-фильтр, кварцевый резонатор и т. д. ( 3.34, а). Устойчивое самовозбуждение генератора синусоидальных колебаний обеспечивается в том случае, если коэффициенты передачи усилителя /С = /Се/* и частотно-задающей схемы р = Ре/'1!' удовлетворяют условиям:

Классическим примером функционального прибора является широко используемый в радиотехнике и системах связи кварцевый резонатор. В теле однородной кварцевой пластины нельзя обнаружить области, соответствующие индуктивности, емкости или сопротивлению. Тем не менее, кварцевая пластина выполняет функцию резонатора, т. е. заменяет несколько реактид-ных элементов и резисторов. При этом не только сокращается число элементов, но и достигается новое качество— высокая добротность, которая не может быть реализована при использовании сложных цепей, составленных из традиционных радиоэлементов.

Кварцевый резонатор представляет собой тонкую пластину минерала (кварца или турмалина) прямоугольной либо круглой формы, установленную в кварцедер-жателе. Как известно, кварц обладает пьезоэффектом. При сжатии кварцевой пластины на противоположных ее гранях появляются разноименные электрические заряды, при растяжении пластины знаки зарядов на тех же гранях изменяются на обратные (прямой пьезоэффект). При воздействии на кварцевую пластину у переменного электрического поля в ней возникают механические упругие колебания (обратный пьезоэффект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на ее гранях. Таким образом, кристалл кварца (пластина) представляет собой электромеханическую систему, обладающую резонансными свойствами. В зависимости от геометрических размеров и ориентации среза резонансные свойства (резонансная частота /о) каждой пластины строго фиксированы и лежат в пределах от нескольких единиц килогерц до 1000 МГц.

Кварцевый резонатор эквивалентен электрическому колебательному контуру. Эквивалентная схема кварцевого резонатора изображена на 7.15, а. Как видно, кварц эквивалентен последова-

ность кварца LKB может быть значительной — от десятков микрогенри до нескольких миллигенри. Емкость кварца Скв мала (сотые доли пикофарад). Кварцевый резонатор обладает острым резонансом, что свидетельствует о небольшом сопротивлении У?кв, порядка единиц ом. Поэтому добротность кварца достигает 103—106, т. е. она на два-три порядка больше добротности контуров, выполненных на дискретных элементах —• индуктивной катушке и конденсаторе.

На частотах ниже сон и выше сот эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора носит емкостный характер ( 7.15, б), а на частотах выше сон и ниже сот— индуктивный характер. Частотные свойства кварцевого резонатора обусловливают его различног включение в автогенератор. Кварцевый резонатор можно включать в цепь положительной обратной связи как последовательный (колебательный) контур ( 7.16, а) или в трехточечный автогенератор как индуктивный элемент ветви колебательного контура ( 7.16, б).

кварцевый резонатор, работающий в режиме резонанса напряжений. Такой автогенератор является эталонным генератором и применяется в прецизионных измерительных системах.

представляет собой релаксатор на транзисторах Т1 и Т2, в цепь положительной , обратной связи которого включен кварцевый резонатор ПЭ. Прямоугольные импульсы генератора управляют работой ключа (буферный каскад) на транзисторе ТЗ. Генераторы, используемые в аппаратуре ТВУ и ЧВТ, представляют собой обыч-

Кварцевый резонатор представляет собой однородную пластину монокристалла кварца. Чаще всего в кварцевом резонаторе возбуждаются продольные колебания (объемные акустические волны) по типу сжатие — растяжение. Основным электрическим параметром кварцевых резонаторов является резонансная частота, которая жестко фиксирована. Основной размер, определяющий частоту колебаний кварцевого резонатора,—длина пластины. Кварцевые резонаторы обладают наибольшей стабильностью частоты.

Отметим, что определенные отклонения частоты генерации могут происходить за счет изменения режимов работы и параметров элементов схемы, в частности под действием температуры. Нестабильность частоты генерации обратно пропорциональна добротности контура. Поэтому в качестве высокостабильных генераторов используются устройства с частотно-избирательными элементами высокой добротности, которой обладает кварцевый резонатор.