Главная Промышленная автоматика.


Таблица 1.3. Пара.кетры Стеклянных корпусов резонаторов


Рис. 1.4. Вакуумные корпуса резонаторов: a-L~\2: В-Ъ.Ъ; -14(КА); 1 = 20.5; В-11,0; -20(КБ); «-1.-15.7; В=5,3.; = 3,1 (все размеры в миллиметрах)

Существуют и нестандартные типы корпусов. Например, корпуса М н К имеют размеры 8,5 X 5 X 2,5 мм. Резонаторы с такими корпусами бывают герметизированные н вакуумные. Для резонаторов могут использоваться баллоны транзистора (напрнмр, ТО-5), корпуса микросхем (например, металлический корпус микросхемы К-151). Разработаны конструкции стеклянных корпусов диаметрами 4 н 3,6 мм н другие, которые позволяют создать резонаторы существенно меньших размеров, чем в стандартных корпусах.

1.2. Характеристики резонаторов

Кварцевый резонатор, включенный в электрическую цепь, ведет себя как колебательный контур третьего вида вблизи резонансных частот и как конденсатор, имеющий емкость, равную статической емкости резонатора С,, вдали от резонансных частот.

Эквивалентная электрическая схема резонатора изображена на рис. 1.5, а. Элементы !„, называют динамическими парамет-

рами: нндуктнвйостью, емкостью н сопротивлением резонатора. Со - статической параллельной емкостью резонатора. Динамические параметры резонатора зависят от частоты, размеров пьезоэлемента, вида среза, порядка колебаний и формы электродов. Как видно нз эквивалентной схемы, резонатор имеет частоты последова-

Обозначение

по ОСТ 11338.

002-75

Размеры, мм j

Обозпа-чеине

Размеры, мм

Н j

по ОСТ 11338.002- 75

КА. КБ

(см. рис. 1.4,а)

16,5 21,5 26,5 31,5 36,5 41,5 46,5 56.5 66.5 76,5 86,5 101,5

22 27 32 37 42 47 52 62 72 82 92 107

Рис. 1.4,5

CA. СН СБ. СП

CB. CP СГ. СС СЛ. СТ СЕ. СУ СЖ. СФ СИ, СХ СК. СЦ СП, СШ СМ, СЭ

22,3 27.3 34,3 40,4 47,3 56,3 67.3 78,5 91,2 103,9 116.9

29.0 34,0 41.0 47,6 54,0 63.5 74.0 85.7 98.4 111,1 123.8

Рис. 1.4.в

ДА, ДН

22.3

29.01

ДБ. ДП

27,3

34.0

Рис. 1.4, в

ДВ. ДР

30.9

38.1

ДГ, ДС

26,3

43.0

ДД, ДТ

42,0

49,2

ДЕ. ДУ

47.3

54,0

ДЖ.ДФ

.53,1

60,3

ДИ. ДХ

64,2

71,4

Рлс. 1.4,г

ДК, ДЦ

78,5

85,7

ДП.ДШ

92,8

100.0

ДМ. дэ

107.1

114.3

40 1

ЦБ ЦВ

5° 70

Рис. 1.4,а

ЖА .

28 ,

Рнс. 1.4,в

Кварцевый резонатор для электронных наручных часов (0,03- 0,035 МГц) (рнс. 1.4, ж)

Примечание. В обозначениях по ОСТ 11 338.002-75 первая буква - тип корпуса, вторая -его размер (см. рнс. 1.4). Обозначения резонаторов по ГОСТ 11509-67: Э2. С1. С2. Д1, Д2. Ц2, причем первая буква - тип корпуса, циф- Z В"°оДз, параметры - в соответствии с аналогичным корпусом по ост 11338.002-75; КА н КБ. СЛ-СМ. ДА-ДМ - имеют жесткие выводы, все остальные - гибкие.

тельного И параллельного резонансов:

/п= !/2я У L„ С„ Co/(C„-f Со) = /„Vl-l-C„/Co «/„(I+m/2).

Коэффициент m. входящий в последнюю формулу, однозначно характеризует полосу частот между последовательным и параллельным резонансамн. Это -• важный параметр резонатора, называют его емкостным отношением т - Иногда пользуются обрат-



ным отношением емкостей, называемым емкостным коэффициентом г = Со/С„ = 1/т.

Емкостное отношение зависит от среза, размеров и формы пье-эоэлемеита и электродов, от порядка колебаний и других параметров резонатора. В некоторых случаих пользуются понятиями характерных резонансной/г н антирезонаисной/а частот, при которых полное электрическое сопротивление носит активный характер и минимально и максимально соответственно:

/г=/ку 1+0.5т(1 -VTi) /к (1 + О.Sm/-) = /к (1 + О, Sz-K/ Q); fa = /K]/l+0,5m(l -Ь/1-4г)==/к11-1-0,5т(1-г=)1 «/n(l-.0,5mr«) = /n(l-0,5r„/Q).

В генераторе резонатор может возбуждаться на частотах, отличных от fa> /к> fr и /а- Реальное значение частоты колебаний резонатора в генераторе называют рабочей частотой /.

Для рабочей частоты приведенная Х"" У 1 расстройка е= (/-/„)/ (/п - к) = (/ -1/7, П/?к5 -/к)/Д/п.к = (ш-«к)/0.5тт„. Следует

J U отметить, что значение приведенной

» I расстройки е (в дальнейшем для про-

стоты будем называть просто расстройкой) дли частоты последовательного резонанса равно нулю, для частоты параллельного резонанса - 1.

Одной из важных характеристик резонаторов является температурная стабильность частоты. Наиболее полно она характеризуется тем-пературио-частотной характеристикой - кривой, пoкaзывaюueй изменение частоты резонатора в зависимости от температуры


Рис. 1.5 Эквиввлеитпые схемы кварцевого резонатора

рис.

1.6:


Рис, 1.6, Температурно-частотная характеристик» кварцевого резонатора

где Tf "Щ [~дрг)(1 -температурный коэффициент частоты

, л-го порядка резонатора; /р - начальная температура; /о - частота, соответствующая температуре t„.

Для широко используемых рабочих интервалов можно ограничиться значением л = 3, тогда (1.1) примет вид б/ = ацд (/ - tg) + + 09 " о) + Cqq (/ - /о), где а, Ь, с-температурные коэффициенты частоты первого порядка. Температурные коэффициенты зависят от выбора начальной температуры (формулы зависимости этих коэффициентов от температуры приведены в [40], [35]) и от угла ориентации 6.

Если известны значения температурных коэффициентов Ооо, «00 для угла 6(,, то их значении для угла 6 могут быть найдены из следующих соотношений:

аов = аоо (е-е„) = аоо + *а дЬ

&09=*оо (e-Oo)=froo+*b (б-ео):

=оьсао+- (е-ео)=соо+*с(9-ео).

Температурные коэффициенты, а следовательно, ТЧХ и температурная стабильность зависят от расстройки резонатора (см. разд. 4).

В общем случае ТЧХ имеет одну точку перегиба н два экстремума (см. рнс. 1.6):

i = o- 09/09» inln = o+j4; tmax =

= 1о-Л, где Л.= (-6о9 -1/09-309 Со9)ЗСо9 .

Следует отметить, что при выборе = коэффициент второго порядка frj.g = 0. Температурная стабильность частоты сильно зависит от ориентации пьезоэлемента относительно кристаллографических осей. Максимальное ее значение для выбранного среза пьезоэлемента и данного интервала температур

аго+0.75с,-о (<-/,.)2

где ta(b) - крайние значения интервала рабочих температур резонатора.

При расчете генераторов эквивалентную электрическую схему резонатора представляют в виде последовательного соединения реактивного Х,(в н активного сопротивлений и пользуются приведенными к модулю реактивного сопротивления емкости Со значениями Хка и Гкв.



Приведенные реактивные, активное и полное сопротивления равны соответственно:

Отношение реактивных сопротивленин динамической индуктивности или динамической емкости резонатора на частоте последовательного резонанса к его динамическому сопротивлению называют добротностью: = Х ?„ = Х. = I/m„C„/?„ = m„i„/;?„.

Добротность резонатора определяет стабильность частоты кварцевого генератора и зависит от вида и порядка колебаний, среза, размеров и конфигурации кристаллического элемента и электродов, конструкции и крепления пьезоэлемента. Добротность резонатора изменяется при изменении температуры вследствие изменения динамического сопротивления. Она увеличивается с повышением температуры, однако в некоторых температурных интервалах могут наблюдаться нерегулярные (скачкообразные) нзмеиеиия, обусловленные влиянием побоч!!ых колебаний; особенно это проявляется при больших мощностях рассеяния [142., 16].

Для сравнения резонаторов используется такая качественная характеристика, как активность. Активность резонатора в схеме генератора оценивается по уровню выходного напряжения на нагрузке. Следует отметить, что активность резонатора может быть различной в интервале температур, что в некоторых случаях приводит к скачкообразному изменению выходного напряжения вследствие изменения взаимосвязи побочных видов колебаний с основным. В схемах последовательного резонанса активность резонатора оценивается по динамическому сопротивлению R„. Резонаторы с меньшим значен!!ем /?„ характеризуются большей активностью. В схемах параллельного резонатора активность оценивается эквивалентным параллелышм сопротивлением резонатора с учетом эквивалентной емкости генератора. При этом R = 1/шк (Со + Сг)?к = = Xh.elRA - e).

Качественной характеристикой резонатора является также его старение. Оно характеризуется измерением частоты резонатора во времени при эксплуатации и хранении. Это изменение частоты во времени тем больше, чем больше рассеиваемая резонатором мощность. Мощность рассеяния Р = 1Р,в = t/кв/квкв. При работе на частоте последовательного резонанса Р = Ukb/Ri,. На частоте параллельного резонанса с учетом Ср Р = Укв/Rm = = (/„0, (С„+ С,)=/?„ = С, (I - e)RjXl е.

Еще одной качественной характеристикой является моночастотность. Она оценивается по отсутствию в заданной полосе частот иежелатель)1ых резонансов с уровнем возбуждения выше устаиои-ленногр в технической докумемтацм.и, а также соотношением д!!на-мического сопротивления резонатора на нежелательных резонансах и на основной частоте.

Условия эксплуатации определяют изменения частоты резонатора, вызванные механическими и климатическими воздействиями. По условиям эксплуатации резонаторы подразделяют иа четыре группы [61], характеристики которых приведены в табл. 1.4.

Таблица 1.4. Характеристики групп условий эксплуатации резонаторов

Группы

Характеристика

1 "

Диапазон частот. Гц

5-2500

5-1000

5-80

5-80

Ускорение, g

Многократные удары с

кореннем, g

Одиночные удары с

корением, g

Линейные нагрузки, g

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

2.1. Классификация КГ

Кварцевые генераторы можно классифицировать по различным признакам.

По способам повышения стабильности частоты:

простой без дополнительных элементов, предназначенных для улучшения каких-либо его параметров;

термокомпенсироваиный кварцевый генератор (ТККГ), отклонение частоты которого в интервале температур уменьшается с помощью специальной электрической цепи:

термостатированный кварцевый генератор (ТСКГ), элементы электрической цепи которого полиостью или частично помещены в Термостат для уменьшения влияния окружающей температуры.

По функциональной особенности:

с частотной модуляцией;

частотно-мамипулироваиные (с частотной телеграфией); управляемые изменением индуктивности или емкости; управляемые напряжением; высокостабильные (прецизионные);

миогочастотные, в которых используется коммутация нескольких резонаторов (или одного) для стабилизации ряда близкорасположенных частот;

измерительные, в которых резонатор используется для преобразования изменения какой-либо физической величины в изменение частоты.

По допустимой нестабильности частоты КГ можно разделить на семь групп: менее 0,001 -Ю"»; (0,001 -





0 [1] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

0.0034