Кварцові генератори на гармоніках. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Радіоаматор-конструктор

 Коментарі до статті

Використовуючи схеми безконтурних кварцових генераторів (КГ) автора [1, 2], можна отримати генерацію не тільки на першій (основній) гармоніці кварцу, а й на його третій гармоніці. При цьому цікаво відзначити, що в цих схемах на третій гармоніці працюють спеціально призначені для генерації на гармоніках кварци (так звані гармонікові), так і звичайні.

Однак наведені схеми далеко не вичерпують схемотехніку безконтурних обертонних кварцових генераторів. Ще одна схема із сімейства таких генераторів на біполярному транзисторі наведена на рис. 1. Такий КГ простіше за схеми з [1, 2].

На перший погляд, ця схема схожа на добре відому схему ємнісної "трьохточки", проте вона відрізняється від "класичної" схеми. У генераторі відсутня один із конденсаторів зворотного зв'язку (між базою та емітером транзистора) порівняно з "класичною" схемою КГ.

Крім скорочення числа елементів, схема має інші переваги " Класичний " КГ генерує виключно першої гармоніці кварцу. Автору в численних дослідах ніколи не вдавалося здобути генерацію на третій (механічній) гармоніці. Схема, наведена на рис 1, при досить малій ємності С3 (зазвичай кілька десятків пикофарад) легко запускається на третій гармоніці кварцу. При цьому в міру збільшення ємності С3 рівень вихідного ВЧ-напруги КГ поступово зменшується (також незначно зменшується частота коливань, що генеруються, на десятки - сотні герц) При подальшому зростанні С3 відбувається перехід генератора в область двочастотних коливань, а далі - "перескок" коливань, що генеруються, першої гармоніки. Амплітуда коливань, що генеруються, при цьому знову зростає.

Рис. 1

При ще більшому збільшенні С3 відбувається поступове зменшення амплітуди коливань, що супроводжується незначним зменшенням частоти, і нарешті при досить великій ємності С3 (наприклад, кілька нанофарад для кварцу на частоту 27 МГц) коливання КГ зриваються. Картина явищ, що відбуваються в КГ у міру збільшення ємності С3 наведена на рис. 2.

Рис. 2

Амплітуда вихідної напруги КГ при генерації на першій гармоніці (для "гармонікових" кварців) виявляється більше, ніж при генерації на третій гармоніці (для тих же кварців). Отже, на рис. 2 представлений найбільш загальний випадок, коли для кварцу можлива генерація як першої, і третьої механічної гармоніці.

Іноді (дуже рідко) все ж таки зустрічаються кварці, що генерують тільки на першій гармоніці. І тут на рис. 2 залишається лише один пік (правий), а лівий пік та область двочастотних коливань зникають. Для спостереження "перескоків" частоти КГ при зміні ємності С3 необхідно приєднати до КГ через хороші буферні каскади (з вхідним опором більше 10 кОм та вхідною ємністю не більше кількох пикофарад) ВЧ-осцилограф та частотомір.

Як С3 використовується КПЕ (12...495 пФ), що включається до схеми КГ або безпосередньо, або через малі ємності (кілька десятків пикофарад). Підключення КПЕ до плати КГ виконують товстими неізольованими проводами мінімально можливої ​​довжини.

Проте з погляду практичного використання зручніша схема, представлена ​​на рис. 3. У цьому випадку вимоги до буферного каскаду значно знижуються. Тим не менш, і при роботі такої схеми КГ у складі приймача або трансівера буферний каскад (хоча б найпростіший) таки бажаний. Необхідно також стабілізувати харчування наведених схем КГ. Слід особливо звернути увагу до номінали резисторів у схемах (рис. 1 і 3): їх не можна змінювати у межах. Так, для схеми КГ за рис. 1 при напрузі живлення 9...12 має виконуватися умова:

R1 = R2 = 20 * R3;

R3 = 470...2000 Ом (1)

КГ згідно з рис. 3 при такому ж напрузі живлення вимагає виконання умов:

R1 = R2 = 20 * R4 (при R3 "R4);

R4 = 470.. 2000 Ом, (2)

або

R1 = 20 * R4;

R2 = 10 * R4 (при R3 ~ = R4);

R4 = 470...2000 Ом;

R3 <= 1000 Oм. (3)

Тільки при виконанні умов (1), (2) або (3) схеми КГ будуть поводитися як описано вище.

Вибір номіналів резисторів усунення проводиться з використанням рекомендацій [3]. Вихідний опір КГ (рис. 3) практично дорівнює R3.

Рис. 3

Буферні каскади для таких КГ можна використовувати такі ж, як і [2]. Однак завжди слід пам'ятати, що буферний каскад може диференціювати (а в окремих випадках інтегрувати) вхідний сигнал, що призводить до спотворення форми коливань у разі синусоїдальних сигналів.

Наведені вище схеми КГ можуть бути рекомендовані для широкого використання у радіоаматорських конструкціях. Особливо вдалою, на думку автора, схема на рис. 3, що має 50-омний вихід по ВЧ (при номіналах R1=R2=10 кОм, R3=51 Ом).

Дані схеми КГ є за класифікацією [5] "двоточковими", здатними працювати як на першій, так і на третій гармоніці кварцу. Наприклад, кварц РК-169 у схемі за рис. 3 (R3=51 Ом) генерував з частотою 27411 кГц при С3=51 пФ, і частотою 9142,42 кГц при С3=330 пФ, в той час як на корпусі кварцу була вказана частота 27,41 МГц.

Тепер розглянемо генератори, сконструйовані автором на основі прототипу - генератора Пірса, який є генератором з ємнісним зв'язком через конденсатори С2 і С4 (рис. 4).

Рис. 4

Кварцовий резонатор при роботі в генераторі Пірса має індуктивний реактивний опір, тому такий генератор працює в області частот між частотою послідовного fs і паралельного fp резонансу кварцу. Згідно з [4], кварц у цьому генераторі генерує на частоті, близькій до fp, проте в [6] зазначається, що частота генерації ближче до fs, ніж fp. У цьому поділ таких КГ на генератори послідовного і паралельного резонансу не зовсім вдало внаслідок залежності частоти, що генерується, від значень реактивностей, що входять у схему (наприклад, на рис. 5 це С2 і С4).

Рис. 5

На рис. 4 резистори R1 і R2 утворюють дільник напруги для створення необхідної напруги зміщення бази транзистора VT1. Для отримання високої температурної стабільності робочої точки використовується ланцюг ООС постійного струму R3-C3.

Конденсатори С1 та С3 - блокувальні, вони за достатньої ємності не впливають на частоту КГ. У той самий час, конденсатори С2 і С4 безпосередньо беруть участь у генерації коливань, і його ємності залежить частота. Реактивне (індуктивне) опір дроселя L1 дуже велике (набагато більше реактивних опорів конденсаторів С2, С4 і кварцу ZQ1), тому роль дроселя L1 у схемі КГ Пірса зводиться виключно до поділу постійного та ВЧ-струмів. З цієї причини L1 можна замінити будь-яким іншим джерелом струму (навіть резистором). Особливо слід зазначити, що застосування подібних дроселів (особливо з високим значенням добротності Q) часом може призводити до збудження генератора зовсім не на частотах кварцу. Введення дроселя знижує надійність КГ, тому якомога краще відмовитися від нього.

Робоча схема КГ наведено на рис. 5. Вибираючи ємності конденсаторів С2=C3 досить малими, отримуємо генерацію третьої гармоніці кварцу. У міру збільшення зазначених ємностей починає повторюватися картина, що показана на рис. 2, і за досить великих величин цих ємностей отримуємо генерацію на першій гармоніці кварцу.

На транзисторах VT2 і VT3 виконаний буферний каскад, що є включені один за одним емітерні повторювачі. Резистори R3 і R7 - антипаразитні, служать підвищення стійкості роботи буферного каскаду. Якщо прийняти, що С2=С3, то при роботі КГ на третій гармоніці ці ємності можна визначити з виразу

С2 = С3 = L, (пФ)

де L – довжина хвилі для третьої гармоніки, м.м.

Для надійної роботи на першій гармоніці ці ємності треба вибирати у 3, а краще у 5 разів більшими.

На рис. 6 наведено схему ВЧ-приставки до вольтметра з високим вхідним опором, за допомогою якої і з використанням градуювального графіка визначалося ВЧ-напруга на колекторі VT1 (рис. 5). Приставку підключають до високоомного (RBX>1 МОм) вольтметра в режимі вимірювання постійної напруги.

Рис. 6

Дані, отримані одного з гармонікових кварців (46,516 МГц), представлені в табл.1. Як видно з таблиці, для кварців на частоту близько 50 МГц цілком вистачає ємностей, які мають монтажна плата і сам транзистор. Для кварцу на 27 МГц генерації на третій гармоніці без С2 і С3 немає.

Біполярні транзистори (БТ), що використовуються для побудови кварцових генераторів (КГ), характеризуються досить великими ємностями між електродами (Сбе, CKg, Ске), властивими власне транзистору. Будемо називати їх внутрішніми ємностями транзистора Через значні внутрішні ємності БТ робота КГ на цих транзисторах визначається вже не тільки ємностями конденсаторів, а й внутрішніми ємностями БТ. НВЧ-польові транзистори (ПТ) з одним або двома ізольованими затворами мають малі внутрішні ємності, які на порядок (або навіть більше) менше, ніж внутрішні ємності ВЧ БТ. Тому робота КГ на НВЧ ПТ визначатиметься переважно лише ємностями конденсаторів, а також паразитними ємностями монтажу.

Пропонована схема КГ на ПТ (рис. 7) виконана на основі повторювача. Оскільки в даний час найбільшого поширення набули НВЧ ПТ із двома ізольованими затворами, а для порівняння роботи КГ на біполярних і польових транзисторах потрібен однозатворний ПТ, такий ПТ виходить із двозатворного при з'єднанні його затворів разом. Враховуючи, що використовувані НВЧ ПТ працюють в області частот до одиниць гігагерц, вони схильні до самозбудження (друковані доріжки на платі "працюють" як своєрідні НВЧ-контуру).

Рис. 7

Для усунення самозбудження автор використовував антипаразитні SMD-резистори з невеликим опором, номінал яких підбирався дослідним шляхом (рис. 7 це R3 і R4). Такі SMD-резистори припаюються до укорочених до мінімально можливої ​​для монтажу довжини висновків ПТ Для усунення догляду частоти КГ в ході вимірювань, до нього підключається буферний каскад з послідовно включених повторювачів і емітерного повторювачів. Повна схема досліджуваного КГ на НВЧ ПТ представлена ​​на рис. 8. Даний буферний каскад має значно кращі властивості, ніж буферний каскад на ВЧ БТ (рис. 5).

Рис. 8 (натисніть , щоб збільшити)

На перший погляд, схеми КГ на БТ і ПТ за принципом дії однакові (обидві схеми виконані на основі широкосмугових повторювачів напруги), але експерименти показали, що поводяться вони по-різному. У КГ на БТ (рис. 1), за деякої (малої) ємності конденсатора в ланцюзі емітера транзистора, виникає генерація на третій гармоніці. У міру збільшення ємності конденсатора, генерація, як і раніше, відбувається на тій же гармоніці кварцу. І лише за подальшого збільшення ємності зазначеного конденсатора генератор перетворюється на область складних коливань. Зона складних коливань зазвичай спостерігається в досить вузькому діапазоні зміни ємності конденсатора (частки одиниці пікофарад). У цій області спостерігається пік (максимум) вихідної напруги. Подальше збільшення ємності конденсатора призводить до генерації першої механічної гармоніці кварцу.

У КГ на НВЧ ПТ при використанні досить низькочастотного кварцу (наприклад, з першою механічною гармонікою близько 9 МГц), описана вище зміна станів взагалі не спостерігається, що можна в першому наближенні пояснити дуже малими внутрішніми ємностями ПТ.

Для перевірки цього припущення за допомогою конденсатора (6,8 пФ), що спеціально включається, позначеного на рис. 7 і 8 як СЗІ, штучно збільшувалася відповідна ємність транзистора, що робить роботу КГ на БТ і ПТ порівнянної. Дані для КГ на ПТ (частота та вихідна напруга) без конденсатора представлені в табл.2. У табл. 3 наведено дані для випадку, коли встановлювався додатковий конденсатор із ємністю 6,8 пФ. При цьому використовувався той самий кварц (27668 кГц), а також резистори R1=R2=20 кОм. Після встановлення додаткового конденсатора Сзі аналізований КГ став поводитися аналогічно КГ на БТ.

Якщо КГ на ПТ працюють з високочастотними кварцами (наприклад, кварцем з першою механічною гармонікою близько 15 МГц), то внутрішньої ємності ПТ (Сзі) вже цілком вистачає для нормальної роботи КГ. Дані для КГ із високочастотними кварцами представлені в табл. 4 (на 46,516 МГц). У цьому R1=R2=20 кОм.

Залежність частоти та вихідної напруги від величини С3 з табл. 2 та 3 представлені у графічному вигляді на рис. 9 та 10, а з табл. 4 – на рис. 11.

Рис. 9

Рис. 10

Рис. 11

Примітки:

1 При C3=20 пф існує зона двочастотних коливань.

2 Якщо R1=R2=1 МОм, генерація відбувається лише на частоті 15,52 МГц

Транзистори генератора та буферного каскаду всіх розглянутих схем КГ працюють за значних рівнів ВЧ-сигналів, і тому вносять суттєві нелінійні спотворення. На виході КГ присутні зі значним рівнем також електричні гармоніки сигналу. Частота цих гармонік в ціле число разів більша за основну частоту (тобто першу гармоніку). При роботі кварцу, наприклад, на частоті 9 МГц, на виході КГ також будуть присутні і частоти 18, 27, 36, 45 МГц і т.д. Однак, як правило, ці вищі гармоніки на порядок або слабші, ніж перша гармоніка. Механічні гармоніки кварцу не точно в ціле число разів більше одна за одну. Тому перша і третя механічні гармоніки кварцу відрізнятимуться за частотою в число разів, що не дорівнює трьом.

Використовуючи цю особливість механічних гармонік кварців, можна розрізняти власне механічні гармоніки та електричні гармоніки. Наприклад, використовуючи дані з табл 1, отримаємо відношення частот

f3/f1 = (46518,46+46518,15)*2/(2*(15516,82+15513,54))=46518,3/15515,18=2,998 (4)

Частота резонаторів на механічних гармоніках визначається, згідно [9], виразом

fn = n(1-Yn)*f1, (5)

де fn – частота n-ї механічної гармоніки кварцу, n – номер відповідної гармоніки (в даному випадку ціле непарне число), f1 – частота першої механічної гармоніки кварцу, Yn – поправочний коефіцієнт, що залежить від номера гармоніки. Наприклад, Y3=0,001 [9] Таким чином, вираз (5) для третьої механічної гармоніки набуває вигляду:

f3=3*(1-0,001)*f1, (6)

звідки

f3/f1 = 3 * (1 -0,001) = 2,997 (7)

Оскільки чисельні значення виразів (4) і (7) практично збігаються, можна говорити, що в генераторі можлива генерація як на першій, так і на третій механічній гармоніці кварцу.

Область складних коливань (рис. 2) існує у всіх розглянутих вище схемах КГ. Її можна виявити, підключивши до виходу КГ осцилограф. На екрані спостерігається складна картина, далека від звичайної синусоїди. У зоні складних коливань співіснують коливання і першої, і третьої механічних гармонік. Збільшення ємності відповідного конденсатора (С3) веде до зменшення амплітуди третьої гармоніки та зростання амплітуди першої.

У всіх розглянутих КГ при генерації на першій механічній гармоніці вихідна напруга виявляється дещо більшою, ніж при генерації на третій. Коливання з частотою першої механічної гармоніки завжди "сильніше", ніж коливання з частотою третьої, тому відбувається збільшення вихідної напруги КГ в області двочастотних коливань зі збільшенням ємності "керуючого" конденсатора (С3). Збільшення ємності "керуючого" конденсатора поза зоною двочастотних коливань призводить, навпаки, до зменшення вихідної напруги генератора.

Відмінності в роботі КГ на БТ і ПТ, а також аномальна робота КГ на ПТ у разі використання досить низькочастотних кварців, обумовлена ​​різницею значень Сбе для БТ і Сзі для ПТ (Сбе"Сзі) Якщо порівняти Cбе та Сзі шляхом підключення додаткової ємності Сдоп (Сдоп ~= Сзи) між затвором і витоком ПТ, КГ на БТ і ПТ починають поводитись приблизно однаково, оскільки всі розглянуті вище схеми КГ працюють як на першій, так і на третій механічній гармоніці кварцу, для аналізу можна використовувати еквівалентну схему кварцу, показану на рис.12.

Рис. 12

Використовуючи таку схему кварцу, можна подати еквівалентну схему генератора на ПТ згідно з рис. 13.

Рис. 13

Усі розглянуті схеми КГ містять ніяких коливальних (резонансних) контурів, крім самого кварцу. Це значно спрощує виготовлення та налаштування таких гармонікових КГ шляхом підбору в основному лише ємності "керуючого" конденсатора.

література

1. Артеменко В. Безконтурний генератор кварцовий. - Радіоаматор, 2000 №8, с.27.
2. Артеменко В. Кварцовий безконтурний обертонний генератор. - Радіомір KB І УКХ, 2002 №1, с.27-29.
3. Хоровіц П., Хілл У. Мистецтво схемотехніки. Том 1. - М: Світ, 1984.
4. Хабловскій І., Скулімовскій В. Електроніка в питаннях і відповідях. - М: Радіо і зв'язок, 1984.
5. Білоусов О. Двоточковий кварцовий генератор. - Радіомір, 2001, N7, С.33.
6. Мезон У. П'єзоелектричні кристали та їх застосування в ультраакустиці. - М.: ІЛ, 1952.
7. Білоусов О. Кварцовий генератор - Радіоаматор, 2002 №6, с.25.
8. Артеменко В. Бар'єрні генератори ВЧ на біполярних транзисторах. - Радіохоббі, 2000 №2, с.35.
9. Лабутін Л. Кварцові резонатори - Радіо. 1975, N3, с.13-16.

Автор: В.Артеменко, UT5UDJ, м.Київ

Дивіться інші статті розділу Радіоаматор-конструктор.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих ​​для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву руйнівне паливо із зелені 25.09.2005 Американський учений підрахував, що, роблячи рідке паливо з рослин, витратиш більше енергії, ніж отримаєш при спалюванні цього палива. "Немає жодного виграшу енергії при перетворенні сої, кукурудзи чи соняшнику на рідке біопаливо. Рослини не можуть бути відновлюваним джерелом енергії", - вважає професор університету Корнелл Давид Піментель. При виробництві біопалива, тобто етилового спирту, з кукурудзи, деревини чи проса, а також солярки із сої чи соняшника енергію витрачають насамперед на посівну та збиральну муку, виробництво добрив, пестицидів, обробку ними полів та меліорацію. Потім слідує зброджування біомаси, відгін чистого спирту від води і переробка відходів, що погано пахнуть. Результат повного розрахунку витрат енергії вбивчий для ідеї заміни палива з нафти паливом, зібраним на полях. Виявляється, етанол із кукурудзи при спалюванні дасть на 29% менше енергії, ніж потрібно витратити на його виготовлення, із проса – на 45%, із деревини – на 57%; солярка із сої – на 27%, а із соняшника – на 118%. "Наш уряд витрачає 3 млрд. доларів на субсидії компаніям, які женуть спирт на паливо. Це зовсім нерозумно: ми бачимо, що ці технології збільшують залежність країни від постачання нафти і газу, а зовсім не зменшать її. Насправді потрібно вкладати гроші в технології отримання електрики за рахунок спалювання біомаси, за рахунок сонця та вітру, а також у водневу енергетику", - вважає вчений.

Інші цікаві новини:

▪ Новий Mini Cooper EV 2024

▪ Вовняна тканина з пам'яттю форми

▪ Плаваюче місто Freedom Ship

▪ Собаки розуміють слова та інтонації так само, як людина

▪ Монітор Asus ROG Swift PG278Q з підтримкою технології Nvidia G-Sync

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Вузли радіоаматорської техніки. Добірка статей

▪ стаття Аксіома про потенційну небезпеку. Основи безпечної життєдіяльності

▪ стаття Як обробляють алмаз? Детальна відповідь

▪ стаття Вероніка. Легенди, вирощування, способи застосування

▪ стаття Приставка октан-коректор. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Пристрій для автоматичного заряджання акумуляторів 12 вольт в системі аварійного живлення. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024