Конструкции генераторов. Примеры схем
Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор гармонических или каких-либо других колебаний.
Самые очевидные использования генераторов, например, в качестве источников синусоидальных сигналов, каких-либо функций, импульсов.
Источник регулярных колебаний необходим в любом периодически действующем измерительном приборе, в устройствах, инициирующих измерения или технологические процессы. Вообще в любом приборе, работа которого связана с периодическими состояниями или периодическими колебаниями. Они присутствуют практически везде. Так, например, генераторы колебаний специальной формы используются в цифровых мультиметрах, осциллографах, радиоприемниках, ЭВМ, в любом периферийном устройстве ЭВМ, почти в любом цифровом приборе (счетчики, таймеры, калькуляторы и любые приборы с «многократным отображением») и во множестве других устройств, слишком многочисленных, чтобы их здесь перечислять.
Устройство без генератора либо вообще ни на что не способно, либо предназначено для подключения к другому (которое скорее всего содержит генератор). Не будет преувеличением сказать, что генераторы являются таким же необходимым устройством в электронике, как регулируемый источник питания постоянного тока.
В зависимости от конкретного применения генератор может использоваться просто как источник регулярных импульсов («часы» в цифровой системе). От него может потребоваться стабильность и точность (например, опорный интервал времени в частотомере), регулируемость (гетеродин передатчика или приемника) или способность генерировать колебания в
точности заданной формы (как например, генератор горизонтальной развертки осциллографа).
Релаксационный генератор
Очень простой генератор можно получить несложными манипуляциями. Зарядим конденсатор через резистор (или источник тока), а затем, когда напряжение достигнет некоторого порогового значения, быстро его разрядим и начнем цикл сначала. Это можно сделать с помощью внешней цепи, обеспечивающей изменения полярности тока заряда при достижении некоторого порогового напряжения. Следовательно, будут генерироваться колебания треугольной формы, а не пилообразные. Генераторы, построенные на этом принципе, известны под названием «релаксационные генераторы». Они просты и недороги и при умелом проектировании могут обеспечивать удовлетворительную стабильность по частоте.
Раньше для создания релаксационных генераторов применялись устройства с отрицательным сопротивлением, такие, как однопереходные транзисторы или неоновые лампы. Теперь предпочитают ОУ или специальные интегральные схемы таймеров. На рисунке показан классический релаксационный RС-генератор.
Работает он просто. Допустим, что при начальном включении питания выходной сигнал ОУ выходит на положительное насыщение (каким образом это произойдет — неважно). Конденсатор начинает заряжаться до напряжения U + с постоянной времени, равной RC. Когда напряжение на конденсаторе достигнет половины напряжения источника питания, ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения (он включен как триггер Шмитта). Конденсатор начинает разряжаться до U- с той же самой постоянной времени. Этот цикл повторяется бесконечно, с периодом 2,2 RС. Цикл не зависит от напряжения источника питания.
Применяя для заряда конденсатора источники тока, можно получить колебания хорошей треугольной формы. Пример удачной схемы (datasheet СА3160):
Иногда необходим генератор с очень низким уровнем шума (так называемый «низкий внеполосный шум»). В этом отношении хороша простая схема, показанная на рисунке:
В схеме используется пара КМОП-инверторов (в виде цифровых логических схем). Соединение инверторов между собой образует некоторую разновидность RC релаксационного генератора с выходным сигналом в виде прямоугольного колебания. Измерения, проведенные для этой схемы, работающей на частоте 100 кГц, показали, что плотность мощности шума в ближайшей боковой полосе ниже, по крайней мере, на 85 дБ уровня основного колебания. Иногда встречается аналогичная схема, в которой заменяют местами элементы R2 и С. Хотя это и превосходный генератор, но он уже имеет крайне зашумленный выходной сигнал.
Представленная на рисунке ниже схема имеет даже более низкий уровень шума.
Кроме того, имеется возможность модулировать выходную частоту с помощью внешнего тока, прикладываемого к базе транзистора Т1. В этой схеме транзистор Т1 функционирует как интегратор. На коллекторе Т1 вырабатывается сигнал асимметричной треугольной формы. Сами же инверторы работают в качестве неинвертирующего компаратора. Изменяют полярность возбуждения на базе каждые полпериода. Эта схема имеет плотность шума — 90 дБД/Гц, измеренную на частоте 100Гц смещения от несущего колебания 150 кГц, и —100 дБД/Гц, измеренную при смещении 300 Гц. Эти схемы превосходны в отношении уровня бокового шума. Но генерируемая частота имеет большую чувствительность к колебаниям напряжения источника питания.
Генераторы, управляемые напряжением
Интегральные схемы (ИС) генераторов выпускаются обычно в виде генераторов, управляемых напряжением (ГУН), у которых выходной сигнал изменяется в некотором диапазоне в соответствии с управляющим входным напряжением. Некоторые из этих схем имеют частотные диапазоны, превосходящие 1000:1. Примерами таких схем являются исходная ИС NE566 и более новые ИС: LM331, 8038, 2206 и серии 74LS624-9.
Схемы серии 74LS624, например, способны работать на высоких частотах вплоть до 20 МГц. Также требуют внешние RC-цепи для установления номинальной частоты и формируют выходные сигналы с обычными логическими уровнями. Более быстродействующие схемы ГУН, такие как 1648, могут функционировать в диапазоне до 200 МГц.
Схема LM331 фактически представляет собой пример преобразователя напряжение — частота (U/F-преобразователь) с хорошей линейностью. В тех же случаях, когда линейность является определяющим фактором, предпочтительны U/F преобразователи типа AD650, обеспечивающие линейность 0,005%. В большинстве схем ГУН используются внутренние источники тока для формирования треугольных импульсов, а схемы 8038 и 2206 даже имеют набор «мягких» клемм для преобразования с помощью ограничителя треугольных импульсов в гармонические колебания.
Иногда в ИС ГУН используются неудобные значения опорного напряжения в качестве сигнала управления (например, положительный источник питания) и усложненные симметрированные схемы для получения синусоидального сигнала. Ко многим из этих ИС могут подключаться внешние кварцевые резонаторы для повышения их точности и стабильности. В таких случаях кварцевый резонатор просто устанавливается вместо конденсатора. На рисунке ниже показана схема ГУН с диапазоном выходного сигнала от 10 Гц до 10 кГц, построенная на основе схемы LM331.
При обзоре интегральных схем ГУН нельзя не обратить внимание на ИС фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), в состав которых входят ГУН и фазовый детектор. Например, популярная КМОП-схема 4046 (и ее более быстродействующий аналог 74НС4046).
Квадратурные генераторы
Время от времени возникает потребность в генераторах, которые формируют одновременно пару одинаковых по амплитуде колебаний синусоидальной формы, но сдвинутых по фазе на 90°. Эту пару сигналов можно рассматривать как синусоидальное и косинусоидальное колебания. Будем придерживаться термина квадратурная пара сигналов (сигналы «в квадратуре»). Наиболее важны такие сигналы в радиосвязи (квадратурные смесители, схемы формирования однополосных сигналов). Кроме того, такая квадратурная пара сигналов всегда необходима для формирования сигнала с любой произвольной фазой.
Первая мысль, которая сразу возникает,- это как подавать сигнал синусоидальной формы на интегратор (или дифференциатор), чтобы на его выходе появился сдвинутый на 90° сигнал косинусоидальной формы. При этом сигнал имеет правильный фазовый сдвиг, но его амплитуда испорчена. Далее предлагаются некоторые способы решения этой задачи.
Резонатор на переключаемых конденсаторах.
На рисунке ниже показан способ использования ИС фильтра на переключаемых конденсаторах MF5 в режиме самовозбуждающегося полосового фильтра.
Этот способ формирует пару квадратурных сигналов синусоидальной формы. Наиболее простой способ понять ее работу — это предположить, что на выходе уже присутствует сигнал синусоидальной формы. Далее компаратор преобразует его в прямоугольное колебание с небольшой амплитудой (падение напряжения на одном диоде), которое снова подается на вход фильтра. Фильтр обладает узкой полосой пропускания (Q = 10). Он преобразует это прямоугольное колебание в выходной синусоидальный сигнал и таким образом поддерживается генерация. Входное прямоугольное колебание тактовой частоты (такт) задает центральную частоту полосы пропускания. Следовательно, сама частота генерации в этом случае составит fтакт/100.
Эта схема пригодна для работы в диапазоне частот от нескольких герц до приблизительно 10 кГц. Формирует квадратурную пару синусоидальных сигналов с равными амплитудами. Следует отметить, что эта схема дает «ступенчатую» аппроксимацию синусоидальной формы выходного сигнала вследствие того, что переключаемый фильтр дает квантованный выходной сигнал.
Генератор колебаний специальной формы
Существует интересная нелинейная «функциональная ИС» AD639, которая преобразует входное напряжение в выходной сигнал, пропорциональный sin(AUвх). Коэффициент усиления А имеет фиксированное значение, равное 50°/В. Как правило, этот кристалл может на самом деле выполнять гораздо больше функций. Он вырабатывает четыре выходных сигнала, называемые Х1, Х2, Y1 и Y2, и формирует выходной сигнал, напряжение которого определяется следующим образом:
Uвых = sin(X1 — X2)/sin (Y1 — Y2). Таким образом, если, например, установить Х1 = Y1 = 90° (т. е. + 1,8 В), Y2 = 0 (короткое на «землю»), а входное напряжение подавать на вход Х2, то вырабатывается сигнал вида cos(X2).
У схемы AD639 имеется также выход прецизионного опорного напряжения +1,8 В, что существенно облегчает ее применение. Следовательно, если на пару ИС AD639 подать треугольное колебание с амплитудой 1,8 В, то можно получить пару квадратурных сигналов синусоидальной формы, как это показано на рисунке:
Рабочий диапазон частот этой ИС лежит в пределах от постоянного тока до приблизительно 1 МГц.
Просмотровая таблица
Здесь основная идея состоит в том, чтобы запрограммировать цифровую память большого объема цифровыми значениями (выборками) синуса и косинуса. Аргументы синуса и косинуса выбираются через равноотстоящие угловые промежутки (скажем, через 1°). Тогда, быстро последовательно перебирая адреса этой памяти, можно получить колебание синусоидальной формы. Для этого считанные из памяти по каждому адресу цифровые значения подаются на пару цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).
Этот метод имеет следующие недостатки. Как и в случае резонатора на переключаемых конденсаторах, выходной сигнал имеет ступенчатую форму, поскольку он формируется из набора дискретных напряжений, по одному на содержимое каждой ячейки памяти. Можно, конечно, для сглаживания выходного сигнала поставить фильтр нижних частот. Но, при этом, нельзя перекрыть широкий диапазон частот, поскольку нужно выбирать такой фильтр нижних частот, чтобы он пропускал само синусоидальное колебание и в то же время подавлял более высокую частоту выборки.
Такая же проблема характерна и для резонатора на переключаемых конденсаторах. В этом случае помогает сокращение углового интервала между соседними значениями. Правда, тогда соответственно снижается максимальная частота вырабатываемого выходного колебания. При использовании стандартных ЦАП с временем преобразования не более одной микросекунды, можно получить синусоидальные сигналы с частотами вплоть до нескольких десятков килогерц, полагая, что шаг углового аргумента составляет порядка одного градуса.
Для самих же ЦАП характерно наличие в момент переключения больших остроконечных выбросов напряжения («кратковременная импульсная помеха»). Эти полноразрядные кратковременные импульсные помехи возникают даже, если переключение происходит между смежными (ближайшими) уровнями выходного напряжения! Разрядность имеющихся в распоряжении ЦАП достигает 16 (в этом случае разрешающая способность составляет единицу из 65536 значений).
Генератор на основе метода переменных состояния
В свое время, сотрудники фирмы Burr-Brown вышли на рынок с моделью 4423, которая представляет собой «прецизионный квадратурный генератор». В нем используется стандартная схема полосового фильтра на основе метода переменных состояния, выполненная на трех операционных усилителях.
Выходной сигнал через диодный ограничитель подается на вход.
Интегральная схема 4423 предназначена для работы в диапазоне частот от 0,002 Гц до 20 кГц. При этом она демонстрирует высокую стабильность фазового сдвига, амплитуды и частоты (максимально 10-4 1/°С). Схема 4432 является модульной (а не монолитной ИС) и выпускается в 14-выводном стандартном DIP- корпусе.
Фильтры на схеме с упорядоченными фазовыми сдвигами
Известны изощренные схемы ЛС-фильтров. Эти схемы обладают способностью при подаче на их вход сигнала синусоидальной формы формировать на выходе пару синусоидальных сигналов, имеющих разность фаз приблизительно 90°. В радиотехнике это называется «фазовым» методом формирования однополосного сигнала, где предназначенный для передачи входной сигнал состоит из сигналов речевого диапазона.
К сожалению, этот метод работает удовлетворительно только в ограниченном диапазоне частот и требует точного подбора номиналов резисторов и конденсаторов. Более приемлемый способ формирования широкополосных квадратурных сигналов основан на использовании «цепи с упорядоченными фазовыми сдвигами» Эта цепь представляет собой регулярную структуру, состоящую из резисторов с равными номиналами, а номиналы конденсаторов уменьшаются в геометрической прогрессии, как это указано на рисунке.
На вход этой цепи подаются два сигнала, а именно прямой и сдвинутый на 180°. Это легко сделать с помощью инвертора с единичным коэффициентом передачи. Выходной сигнал представляет собой набор из четырех квадратурных сигналов и при использовании 6-секционной цепи их погрешность составляет ±0,5° в диапазоне частот 100:1.
Квадратурные колебания прямоугольной формы
В некоторых случаях формирование квадратурных сигналов прямоугольной формы является несложной задачей.
Основная идея заключается в том, чтобы сформировать сигнал удвоенной частоты, затем поделить его в два раза с помощью цифрового триггера и декодировать на вентилях. Это наиболее совершенный способ формирования квадратурных прямоугольных колебаний в диапазоне частот от постоянного тока до по крайней мере 100 МГц.
Квадратурные сигналы диапазона радиочастот
В диапазоне радиочастот (выше нескольких мегагерц) формирование пары квадратурных сигналов синусоидальной формы снова достаточно тривиальная задача. В этом случае используются приборы, которые называются квадратурными гибридными схемами (или квадратурные расщепитель/объединитель). На низкочастотной границе радиочастотного диапазона (от нескольких мегагерц до, может быть, 1 ГГц) они принимают форму небольших трансформаторов с магнитным сердечником. В то время как на более высоких частотах нужно найти их воплощение в форме полосковых линий передачи (полоски и печатные проводники, изолированные от заземленной подложки) или световодов (полая прямоугольная трубка). Методика достаточно узкополосная, типовая ширина рабочей частоты не превышает октаву (т. е. соотношение частот 2:1).
Формирование синусоидального колебания с произвольной фазой
Поскольку у нас уже имеется пара квадратурных сигналов, достаточно просто сформировать синусоидальное колебание с произвольной фазой. В этом случае требуется просто объединить синфазный (I) и квадратурные сигналы (Q) на резистивном сумматоре. Это наиболее просто реализуется с помощью потенциометра, включенного между I и Q сигналами. При вращении движка потенциометра эти сигналы (I и Q) суммируются в различных соотношениях. При этом удается получить плавное изменение фазы в диапазоне от 0 до 90°.
Если же рассматривать эту проблему с точки зрения векторов, то можно показать, что фаза результирующего колебания совершенно не зависит от частоты. Однако амплитуда колебания при регулировке фазы меняется, спадая на 3 дБ при фазе 45°. Метод достаточно просто можно распространить и на случай формирования колебания, фаза которого должна лежать в диапазоне от 0 до 360°. При этом используются противоположные сигналы (фазовый сдвиг 180°) I’ и Q’, которые получаются с помощью инвертирующих усилителей с коэффициентом передачи -1.
Мостовые генераторы Вина
Для получения сигнала синусоидальной формы сигнала с малыми искажениями ни одна из описанных ранее схем, вообще говоря, не подходит. Хотя в большинстве функциональных генераторов на широкий диапазон частот используется «размывание» колебаний треугольной формы с помощью диодных ограничителей, в конце концов уровень искажений редко удается снизить до значений, меньших 1%. Для сравнения: большинство высококачественных звуковых колонок требуют усилителей с уровнем искажений не больше 0,1 %. Для испытаний подобной звуковоспроизводящей аппаратуры требуются источники чистого синусоидального сигнала с остаточным искажением не больше 0,05%.
На низких и средних частотах хорошим источником синусоидальных колебаний с малым уровнем искажений служит мостовой генератор Вина.
Идея его состоит в том, чтобы создать усилитель с обратной связью, имеющий сдвиг фазы 180° на нужной частоте. Затем отрегулировать петлевое усиление таким образом, чтобы возникли автоколебания. Для одинаковых значений R и C коэффициент усиления по напряжению выходного сигнала по отношению к сигналу на неинвертирующем входе ОУ должен быть точно равен +3,0.
При меньшем усилении колебания затухают, при большем — выходной сигнал будет достигать насыщения. Искажение будет малым, пока амплитуда колебаний не выходит за пределы линейного участка характеристики усилителя, т. е. не следует допускать колебаний полного размаха. Если не применить некоторых приемов для управления усилением, то именно это и произойдет. Выходной сигнал усилителя будет возрастать до уровня, при котором эффективный коэффициент усиления вследствие насыщения упадет до 3,0. Эти приемы включают в себя некую управляющую усилением обратную связь с большой постоянной времени.
В схеме ниже в качестве элемента обратной связи с переменным сопротивлением используется лампа накаливания.
При повышении уровня выходного сигнала нагревается нить лампы, уменьшая коэффициент неинвертирующего усиления. Искажения гармонического сигнала в показанной схеме для диапазона звуковых частот (выше 1 кГц) не превышают 0,003%. Выходная частота f=1/2πRC.
Во второй схеме:
амплитудный детектор, состоящий из диодов и RС-цепи, регулирует усиление по переменному току, меняя сопротивление полевого транзистора, который при малых напряжениях ведет себя как нелинейное сопротивление. Следует отметить, что используется большая постоянная времени (2 с). Для исключения искажений это существенно, поскольку быстродействующая обратная связь исказила бы генерируемую синусоидальную волну, пытаясь регулировать ее амплитуду в пределах одного периода.
Пример мостового генератора Вина с регулировкой уровня выходного сигнала подробно описан в статье «Генератор для проверки линий связи на LM358 и мосте Вина»
LC-генераторы
Наиболее распространенный способ получения высокочастотных синусоидальных колебаний — это применение генератора, стабилизированного LC-контуром. В этом генераторе LC-контур, настроенный на определенную частоту, подключен к усилительной схеме, чтобы обеспечить необходимое усиление на его резонансной частоте. Охватывающая схему петля положительной обратной связи применяется для поддержания колебаний на резонансной частоте LC-контура. Такая схема будет самозапускающейся.
На рисунке показаны две популярные схемы:
Первая — это генератор Колпитца. Параллельный настроенный LC-контур на входе и петля положительной обратной связи с выхода на вход. По имеющимся сведениям, эта схема обеспечивает искажения меньше — 60 дБ.
Вторая схема — это генератор Хартли, построенный на n-р-n-транзисторе. Переменный конденсатор предназначен для регулировки частоты. В обеих схемах используется катушка связи, т. е. просто несколько витков провода, действующих как понижающий трансформатор.
В небольшом диапазоне частот можно настраивать LC-генераторы электрическим способом. Этот прием заключается в использовании регулируемого напряжением конденсатора («варикапа») в частотозадающей LC-цепи. Физическая природа диодных р-n-переходов обеспечивает требуемое решение, в виде простого смещенного в обратном направлении диода. Емкость этого р-n-перехода уменьшается с увеличением обратного напряжения. Хотя любой диод может работать как варикап, необходимо использовать специально разработанные варикапные диоды.
На рисунке ниже изображен простой генератор Колпитца на полевом транзисторе с р-n-переходом (сигнал обратной связи снимается с истока) и настройкой частоты ±1%.
В этой схеме диапазон настройки был преднамеренно сделан меньше, с тем чтобы добиться хорошей стабильности. При этом используется относительно большой конденсатор фиксированной емкости (100 пФ), который шунтируется небольшим регулировочным конденсатором (максимальное значение 15 пФ). Следует отметить большой номинал резистора смещения (так что ток смещения диода не будет влиять на колебания), а также наличие блокировочного конденсатора по постоянному току.
В типовом случае варикапы имеют максимальное значение емкости от нескольких пикофарад до нескольких сотен пикофарад с диапазоном регулировки приблизительно 3:1. Хотя имеются варикапы с более широким диапазоном до 15:1. Поскольку резонансная частота LC-контура обратно пропорциональна корню квадратному из емкости, возможно добиться диапазона настройки по частоте вплоть до 4:1. Но обычно говорят о диапазоне регулировки ±25% или около того.
В настраиваемых варикапами схемах самогенерируемое колебание (и вдобавок прикладываемое внешнее регулирующее смещение постоянного тока) появляется на варикапе. Это приводит к изменению его емкости в зависимости от частоты сигнала. Вызывает искажения формы вырабатываемого колебания и, что более важно, приводит к зависимости амплитуды его колебаний от частоты. Для того чтобы минимизировать эти эффекты, необходимо ограничить амплитуду колебаний (при необходимости усиление производится в следующих каскадах). Также лучше сохранять напряжение постоянного смещения на варикапе выше одного вольта или около того, с тем чтобы сделать напряжение генерации малым по сравнению с ним.
Электрически настраиваемые генераторы широко используются для формирования частотно-модулированных сигналов. Вдобавок используются как радиочастотные системы фазовой автоматической подстройки частоты.
По историческим соображениям следовало бы упомянуть о камертонных генераторах, которые являются близкими «родственниками» LC-генераторов. В этих генераторах высокодобротные колебания камертона определяют частоту генератора в низкочастотном диапазоне. Стабильность несколько миллионных долей при постоянной температуре. Это соответствует стабильности наручных часов.
Паразитные колебания
Предположим, что вы собрали славный усилитель и испытали его, подавая на вход синусоидальный сигнал. Затем подключили ко входу усилителя генератор прямоугольных импульсов и увидели на выходе по-прежнему синусоидальный сигнал! У вас не усилитель, а сплошные хлопоты.
Но паразитные колебания не всегда проявляются так явно. Обычно они заметны в виде размытия части сигнала, «гуляющего» источника тока, необъяснимых сдвигов у ОУ. Или схема, нормально ведущая себя, пока за ней наблюдают на осциллографе, вдруг «дичает», стоит лишь перестать за ней следить. Все это — разнообразные проявления неподавленных высокочастотных паразитных колебаний. Они порождаются непреднамеренно получившимся генератором Хартли или Колпитца, возникшим на основе индуктивности вводов и межэлектродных емкостей. На схеме показан осциллирующий источник тока, где с помощью вольтметра измерялся рабочий диапазон обычного транзисторного источника тока.
Оказалось, что ток меняется слишком сильно (от 5 до 10%) при изменениях напряжения на нагрузке в пределах ожидаемого рабочего диапазона. Симптом, который снимается прикосновением пальца к выводу коллектора! Емкость транзистора между коллектором и базой плюс емкость измерительного прибора в сочетании с его индуктивностью образовала классический генератор Хартли. Обратная связь обеспечивалась емкостью между коллектором и эмиттером. Добавление небольшого резистора в цепь базы подавило эти колебания за счет уменьшения коэффициента усиления на высоких частотах в схеме с общей базой. Это один из приемов, часто бывающий полезным.
Генераторы с кварцевыми резонаторами
От RC-генератора можно легко добиться стабильности порядка 0,1% при начальной точности установки частоты от 5 до 10%. Это вполне удовлетворительно для многих применений. Например, мультиплексный индикатор карманного калькулятора. Здесь цифры многозначного числа подсвечиваются одна за другой с быстрым чередованием (обычная частота-1 кГц). В каждый, момент времени горит только одна цифра, но глаз видит все число. Ясно, что точность здесь не очень важна. Несколько лучше стабильность LC-генераторов — порядка 0,01% в течение разумного промежутка времени. Этого вполне достаточно для гетеродинов радиоприемников и телевизоров.
Для получения по-настоящему стабильных колебаний незаменимы кварцевые генераторы. В них используется кусочек кварца или искусственного-двуокись кремния. Кварц вырезают и отшлифовывают таким образом, что он имеет определенную частоту колебаний. Кварц представляет собой пьезоэлектрик. Его деформация вызывает появление электрического потенциала, и наоборот.
Упругие колебания кристалла могут быть вызваны приложением электрического поля, а эти колебания в свою очередь генерируют напряжение на гранях кристалла. Помещая на поверхность кристалла контакты, можно превратить его в истинный схемный элемент. Получится эквивалентный некоторой ЛЕС-схеме, заранее настроенной на определенную частоту. В самом деле, эквивалентная схема этого элемента содержит два конденсатора, дающих пару близко расположенных резонансных частот — последовательного и параллельного резонанса, отличающихся друг от друга не более чем на 1%.
Результат этого эффекта — резкое изменение реактивного сопротивления с частотой. Высокая добротность Q кварцевого резонатора (обычно около 10000) и хорошая стабильность делают естественным его применение как задающего элемента в генераторах и фильтрах с улучшенными параметрами. В схемах с кварцевыми резонаторами, как и в LC- генераторах, вводят положительную обратную связь. Затем обеспечивают надлежащее усиление на резонансной частоте, что ведет к автоколебаниям.
Ниже показаны некоторые схемы кварцевых генераторов.
На рисунке а показан классический генератор Пирса, в котором используется обычный полевой транзистор. На рисунке б изображен генератор Колпитца с кварцевым резонатором вместо LC-контура.
В схеме на рисунке в в качестве обратной связи используется сочетание биполярного n-р-n-транзистора и кварцевого резонатора. Схема на рисунке г генерирует выходной сигнал с логическими уровнями при использовании цифровых логических функций.
Когда достаточно иметь выходное колебание только прямоугольной формы и не предъявляются предельные требования по стабильности, можно применять законченные модули кварцевых генераторов, которые обычно выпускаются в металлических DIP-корпусах. Они предлагают стандартный набор частот (например, 1, 2, 4, 5, 6, 8, 10, 16 и 20 МГц), а также «странные» частоты, которые обычно используются в микропроцессорных системах. Эти «кварцевые модули тактовой частоты», как правило, обеспечивают точность только 0,01% (10-4) (в диапазоне температур, напряжений источника питания и времени). Однако они дешевы и нет необходимости строить схему. Кроме того, они всегда дают устойчивые колебания, тогда как при создании собственного генератора этого не всегда удается добиться.
Функционирование схем генераторов на кварцевых резонаторах зависит от электрических свойств самого кристалла. Таких, как последовательный или параллельный режим колебаний, эффективное последовательное сопротивление и емкость монтажа. При этом свойства кристалла не всегда полностью известны. Может случиться, что самодельный кварцевый генератор и возбуждается, но на частоте, которая не соответствует заявленной на кварцевом резонаторе.
Кварцевые резонаторы выпускаются на диапазон от 10 кГц до 10 МГц, а у некоторых образцов высокие обертоны доходят до 250 МГц. Для каждой частоты нужен свой резонатор, но для наиболее употребительных частот резонаторы выпускаются серийно. Всегда легко достать резонаторы на частоты 100 кГц, 1, 2, 4, 5 и 10 МГц. Для электронных наручных часов нужна частота 32,768 кГц (или 215 Гц), и вообще, часто нужны частоты, равные 2 какой-то степени Гц. Кварцевый генератор можно регулировать в небольшом диапазоне с помощью последовательно или параллельно включенных конденсаторов переменной емкости (как на схеме рисунка г выше). Благодаря дешевизне кварцевых резонаторов всегда имеет смысл рассмотреть возможность их применения в тех случаях, когда RC-релаксационные генераторы работают на пределе своих возможностей.
При необходимости стабильную частоту кварцевого генератора можно «подгонять» электрическим способом в небольших пределах с помощью варикапа. Такая схема называется УНКГ (управляемый напряжением кварцевый генератор). В этом случае удается соединить прекрасную стабильность кварцевых генераторов с регулируемостью LC-генераторов. Покупка коммерческого УНКГ, вероятно, является наилучшим решением проблем, возникающих при собственном проектировании. Стандартные УНКГ обеспечивают максимальные отклонения центральной частоты от номинала порядка ±10-5 — ± 10-4, хотя имеются образцы с более широким диапазоном (вплоть до ± 10-3).
Без особых усилий можно с помощью кварцевого резонатора обеспечить стабильность частоты порядка нескольких миллионных долей в нормальном температурном диапазоне. Применяя схемы температурной компенсации, можно построить температурно-компенсированный кварцевый генератор (ТККГ) с несколько улучшенными параметрами. Как ТККГ, так и некомпенсированный генератор выпускаются в виде готовых модулей разными фирмами. Они бывают разных габаритов, иногда не больше корпуса DIP или стандартного корпуса для транзисторов ТО-5. Дешевые модели обеспечивают стабильность порядка 10-6 в диапазоне от 0 до 50 °C, дорогие — порядка 10-7 в том же диапазоне.
Температурно-компенсированные генераторы
Чтобы получить сверхвысокую стабильность, может понадобиться кварцевый генератор, работающий в условиях постоянной температуры. Обычно для этих целей используется кристалл с практически нулевым температурным коэффициентом при несколько повышенной температуре (от 80° до 90 °C). Также используется термостат, который эту температуру поддерживает. Выполненные подобным образом генераторы выпускаются в виде небольших законченных модулей, пригодных для монтажа и включаемых в приборы, на все стандартные частоты. Типичным модулем генератора с улучшенными характеристиками служит схема hp10811. Она обеспечивает стабильность порядка 10-11 в течение времени от нескольких секунд до нескольких часов при частоте 10 МГц.
Если температурная нестабильность снижена до очень малых значений, то начинают доминировать другие эффекты:
— «старение» кристалла — тенденция частоты к уменьшению с течением времени.
— отклонения питания от номинала.
— внешние влияния, например удары или вибрации (последнее представляет собой наиболее серьезные проблемы в производстве кварцевых наручных часов).
В паспортных данных генератора указывается скорость снижения частоты — не более 5-10-10 в день. Эффект старения возникает частично из-за постепенного снятия деформаций. Через несколько месяцев с момента изготовления этот эффект имеет тенденцию к устойчивому снижению, по крайней мере для хорошо сделанных кристаллов. Взятый нами за образец генератор hp10811 имеет величину эффекта старения не более 10-11 в день.
В тех случаях, когда стабильность термостатированных кристаллов уже недостаточна, применяются атомные стандарты частоты. В них используются микроволновые линии поглощения в рубидиевом газонаполненном элементе или частоты атомных переходов в пучках атомов цезия в качестве эталонов, по которым стабилизируется кварцевый резонатор. Таким образом, можно получить точность и стабильность порядка 10-12. Цезиевый стандарт является официальным эталоном времени в США.
