Главная Промышленная автоматика.

Эти резонаторы имеют минимальные изменения частоты в интервале температур, достаточную устойчивость ТЧХ при изготовлении и большое емкостное отношение. Учитывая эти достоинства, приходится мириться со сложной формой ТЧХ этих резонаторов, которая имеет вид параболы третьего порядка.

При осуществлении современных способов термокомпеисации результирующая температурная стабильность ТККГ может стать равной илн даже меньше изменений частоты резонатора при воздействии остальных дестабилизирующих факторов. При этом стабильность частюты ТККГ в условиях эксплуатации будут определять эти ухо1Ы частоты резонатора. Поэтому резонаторы, предназначенные для термокомпеисации, должны иметь малые уходы частоты от воздействия механических и климатических факторов и от старения. Это ограничивает диапазон частот резонаторов, применяемых в стабильных ТККГ, снизу. Кроме того, на ограничение диапазона частот снизу оказывают влияние падение управляемости по частоте и возрастание габаритов органов управления частотой с уменьшением частоты. Чаще всего в стабильных ТККГ применяют резонаторы на частоты выше 5 МГц.

Сверху диапазон частот резонаторов, предназначенных для применения в ТККГ, ограничивается уменьшением крутизны управления частотой с возрастанием порядка используемых колебаний. Необходимые для компенсации температурных уходов частоты пределы управления частотой можно получить при использовании резонаторов с колебаниями первого и третьего порядков, т. е. иа частотах до 90-100 МГц, Однако с увеличением частоты резонаторов с колебаниями первого порядка выше 20-25 МГц и с колебаниями третьего порядка выше 60-70 МГц возрастают нестабильность резонатора и разброс ТЧХ, что связано с уменьшением толщины пьезоэлемента. Поэтбму на практике диапазон частот резонаторов для ТККГ ограничивается-сверху частотой 60-70 МГц.

Сохранение эффекта, полученного в результате термокомпенсации, связано с устойчиаостью ТЧХ резонатора во всем рабочем интервале температур к воздействию дестабилизирующих факторов, т. е. отсутствию деформации ТЧХ типа разворота или гистерезиса. Поэтому устойчивость частоты резонаторов к воздействию механических и климатических факторов необходимо задавать, по крайней мере, при двух значениях внутри интервала рабочих температур.

При использовании большинства способов термокомпенсации отсутствует возможность компенсации выбросов и разрывов иаТЧХ резонатора. Так как эти аномалии ТЧХ могут быть локализованы на узких (до 2-5 °С) участках температур, ТЧХ резонаторов в интервале температур при изготовлении необходимо проверять либо непрерывно, либо при дискретных значениях температуры с шагом, гарантирующим фиксацию локальных аномалий ТЧХ.

Для обеспечения высокой режимной стабильности ТККГ резонаторы, используемые в ТККГ, должны обладать достаточно высокой добротностью. Это требование в некоторых случаях вступает в противоречие с необходимостью обеспечения достаточной управляемости при увеличении емкостного отношения m и может быть выполнено снижением динамического сопротивления. Кроме того, к уменьшению сопротивления потерь в резонаторе, предназиачен-иом для термокомпенсации, необходимо стремиться для обеспечения необходимых пределов управления частотой, так как при управле-

РВ-11

РВ-59

5-20

5-60

5-10

50-60

от-60 до -80

±20

±25

±10

±5

±2

±2

±1,5

±3

+7,5

±10

4.S-5.5

НИИ вверх происходит срыв теиерацни из-за увеличения пеоесчи-тайных потерь {17].

Параметры резонаторов AT в корпусах Э и КА, предназначенных для применения в ТККГ, даны ниже.

Диапазон частот. МГц . . .

Точность настройки, 10-

Интервал рабочих температур, °С-

Размах ТЧХ, 10-«

Разброс ТЧХ, 10-«

Изменение частоты: от дестабилизирующих факторов, 10-«.....

от старения, 10-: за год . . за И лет

Емкостное отношение, 10"

Сопротивление Лк, Ом, не более

Параметры резонаторов определены для всего диапазона частот. В узком диапазоне они более высокие. Так, для резонаторов в корпусе КА на частоту 10-12 МГц можно обеспечить максимальное изменение частоты при воздействии дестабилизирующих факторов и от старения за год эксплуатации меньше 0,5 • 10-.

После выбора резонатора выбирают один из способов термокомпенсации.

7.2. Особенности построения ТККГ

В большинстве схем ТККГ термокомпенсация осуществляется с помощью устройств с термозавиеимым реактивным сопротивлением. В простейшем случае в качестве такого устройства служит реактивный элемент с достаточно большим температурным коэффициентом [11]. В общем случае используется сложная цепь термокомпеисации, преобразующая изменение температуры окружающей среды, воздействующей иа термочувствительные элементы этой цепи, в изменение реактивного сопротивления. Из всего многообразия схем, которое предлагалось в различное время, в настоящее время прошла проверку иа практике и наиболее широко применяется компенсация с помощью варикапа, напряжение на котором в интервале температур изменяется с помощью цепи постоянного токае термочувствительными элементами [13, 17, 23, 112]. Варикап включается по высокой частоте в контур генератора. В общем случае в генератор может быть включено несколько варикапов с отдельными источниками термозависимого напряжения, но наибольшее распространение получила схема с одним варикапом.

Варикап может быть включен последовательно или параллельно любому элементу, образующему контур генератора. При использовании получившей широкое распространение благодаря своей простоте и другим преимуществам схемы генератора с резонатором в контуре предпочтительнее включать варикап последовательно, с резонатором (рис. 7.1).

Формирователь термозависнмого напряжения ФТЗН преобразует температуру Т, воздействующую на термочувствительные дат-



ФТЗН

чики, в зависимое ot температуры няпряжен1;е U (Т), которое с выхода формирователя подается на варикап Д. Иногда параллельно варикапу включают реактивный элемент с сопротивлением Х„,, служащим для обеспечения необходимой крутизны характеристики управлении частотой. В некоторых случаях для ее формирования параллельно резонатору включают реактивный элемент с сопротивлением Хп.„. Питание формирователя тёрмозавнсимого напряжения и активной части генератора осуществляется от источника стабнлн-зироваииого напряжения £оп. Для обеспечеиян независимости рабочей точки характеристики варякапа по иапряжеиню от начального напряжения на выходе формирователя, па второй конец варякапа может подаваться на-

f-----------------1 пряжеияе смещения £см

Реактивное сопротивление Хд служит для обеспечения заданной расстройки ТККГ и может использоваться для настройки частоты генератора на номинальное значение прн изготовлении и в процессе эксплуатации.

Обозначим сопротивление двулполюспн-ка, состоящего нз параллельного соединения сопротивлений варикапа Хр и Х„ через Ху. Частота ТККГ/, = /„ (Г„) {I + бГ, (Т - Г„) + б/„ [х (Г»)] + + о/с 1*у (Т) - Ху (Го)]}, где /к (Го) - частота последовательного резонанса резонатора прн температуре Го; fi/к (Г - Го) - изменение частоты последовательного резонанса резонатора прн изменении его температуры с учетом изменения частоты прн воздействии температуры па все элементы генератора, кроме формирователя термозавясямого иаприженяя; б/о 1*у (То) - начальная расстройка генератора по частоте относительно ч.астоты последовательного резонанса резонатора при температуре Г„; 6/ [Ху (Г) - Ху (Г„)] - компенсирующее язмеяеияе частоты от действия цепн термокомпенсацни при язмеиеняи температуры ее датчиков.

Учитывая, что обычно элементы генератора мало вляяют на нзменеияе частоты резонатора, пря анализе часто принимают

б/к (Т - То) «/„ (Г - То), где 6/„ (Г - Го) - ТЧХ резонато-ра.

Для ТККГ, собранного по схеме ряс. 7.1, начальная расстрой-

Рис. 7.1. Функциональная схема ТККГ с использованием варикапа

I --

Ап.к 1хн + х[ + хрц xa.J(.xp!t-[-xn.s)]

(7.1)

где лгп.„, лг„, лгг, дгрц, Ха.в - приведенные сопротивления Х.к, Х„, Хг, Хр„, Хц.в-

Изменеияе частоты из-за действия цепн термокомпенсацни для

б/с=-у «Ду [>-«о(1-1/лгп.н)]{1-Длгу<1-1/.п.н)Х

X [1-ео(1-1/.п.к)]>. 82

(7.2)

где «о = б/о/о,5т, а изменение реактивного сопротивления Лху = ху{Т)-Ху{Т) =

Хря)/{Хи.л + Хра)

(7.3)

где Хр, Хра - реактивные сопротивления варикапа при напряжениях, подаваемых с выхода формирователя при температурах Т я Т соответственно.

Приведенное сопротивление варикапа Хр = Хр„ (1 + и)", где и - д£/ (фр + £н) - приведенное изменение напряжения иа варикапе. При изменении температуры датчиков формирова+еля от То до Т

и=[(Т)- (Г„)]£оп/ (фр + Е„), (7.4)

где i]) (Г) = и {Т)/Еои - коэффициент передачи формирователя термозавнсимого напряжения; £« - начальное напряжение на варикапе.

Из рис. 7.1 находим начальное напряжение = ЕоиФ (То) -

- см-

Для нахождения ддгу (7.3) изменение реактивного сопротивления варикапа Ддгр = дгр - Хра = ХрЛ (1 + и)" - 1]. Если сопротивление, параллельное резонатору, не исиользуется (а:п.к - °°)> то (7.1), (7.2) преобразуются:

6/о=-0.5т {\ - [ха + Хг+Хра а:п.в/(а;рн+*п.в)]~*}

6/c=-0,5mAA:y(l-eo)V[l-AA:y(l-eo)]-

В некоторых случаях, например прн расчете элементов цепи управления по требуемой крутизне, анализе влияния элементов цепи компенсации на стабильность, частоту генератора в пределах се изменения прн термокомпенсации можно в первом приближении считать линейно зависимой от напряжения на варикапе. В этом случае для ТККГ, выполненного по схеме рис. 7.1, изменение частоты из-за действия цепи термокомпенсации 6/с = S (Т) -

- (То)] = S,y£on[i {Т)-- (То)], где S,. = 6 Ai) - крутизна управления частотой генератора по изменению коэффициента передачи; Sjy = bfltU - крутизна управления частотой по напряжению на выходе формирователя;

* 2 L \ Xu.k )\ \ д:п.в+ Xpri I

X - - Еоа = 8,ц Eon - Sfx SxxP xpU on. (7.5)

Входящие в (7.5) крутизны могут быть использованы при анализе влияния элементов ТККГ на результирующую крутизну. Крутизна управления частотой по изменению сопротивления Ху двухполюсника, включенного последовательно с резонатором,

Sfx=-0,5mll-eo(l-\/xn.„)V- (7.6)

Крутизна изменения управляющего сопротивления Ху, состоящего из параллельного соедяяения варикапа и сопротивления д;п.в>



при изменении сопротивления варикапа

8ххр=1хп.в/(хп.в+хра)\. (7.7)

При изменении абсолютного значения напряжелия иа варикапе U крутизна изменения сопротивления варикапа

5;,рУ = 7Ри/(фр + £н)- (7.8)

При достижении термокомпеисации отклонение частоты из-за действия цепи термакомпенсаций 6/ (Г) равно отклонению частоты при воздействии температуры иа резонатор и другие его элементы 6/к (Г) с противоположным знаком о ошибкой, равной значению температурной стабильности генератора после термокомпеисации:

6/с(7-) = -6/Л7-) + 6/.г(Л- (7.9)

Так как 6д( < 6/ (Г), то при анализе характеристик цепи термокомпенсации можно пользоваться равенством

6/, (Г) «-6/ (Г). (7.10)

При допущении линейности характеристики управления частотой по напряжению зависимость напряжения на выходе формирователя от температуры

U(T) = U(T,) + 6f;(T)/S,u. (7.11)

Формулы (7.1)-(7.11) позволяют рассчитать параметры элементов цепи управления с помощью варикапа для получения заданных характеристик ТККГ. Одной из основных характеристик генератора является стабильность его частоты.

Стабильность частоты ТККГ в условиях эксплуатации можно рассматривать как сумму отклонений: неточности установки частоты генератора при изготовлении б/ц.у, температурной нестабильности частоты б/г, нестабильности частоты резонатора при воздействии на пего дестабилизирующих факторов (клн\1атических и механических факторов окружающей среды, естественного, старения) 6/„.g, нестабильности частоты при воздействии дестабилизирующих факторов иа активную часть генератора 6/г.н и нестабильности частоты генератора при воздействии дестабилизирующих факторов на элементы цепи термокомпеисации 6/ . Обычно значения указанных составляющих, кроме температурной нестабильности, распределены по нормальному закону с математическим ожиданием, равным нулю, и максимальное отклонение частоты

У max г. н max

9 9 9 9

где k ж У2, если ТЧХ генератора после термокомпеисации приближается к косинусоиде, что получается при нелинейной компенсации, и fe « 1/3, если ТЧХ после компенсации можно аппроксимировать отрезкам« прямых (при дискретной компенсации); изменяется от 1/2 {Уз - прн дискретной компенсации) и температурной

нестабильности, значительно большей остальных составляющих, до А; = 3 при температурной нестабильности, соизмеримой с нестабильностью от остальных дестабилизирующих факторов. Во многих случаях для расчета максимального отклонения частоты ТККГ можно пользоваться упрощенной формулой:

н.у щах

c + fi/cH шадг"Ьб/к.н max-

Влияние активной части ТККГ я точность установки его частоты такие же, что п у КГ без термокомпеисации, и в правильно спроектированном генераторе меньше остальных составляющих. Поэтому стабильность частоты ТККГ в основном определяется тремя составляющими: температурной стабильностью частоты, влиянием цепи термокомпеисации и нестабильностью частоты резонатора.

Нестабильность частоты резонатора задается в технических условиях на резонатор. Для наиболее широко распространенной схемы генератора рис. 7.1 при Хп.к = Ха.в=°° влияние цепи термокомпеисации 6/(.g = 6/р + 6/£ + 6/ + б/у + б/ц. Отклонение частоты генератора из-за

изменения емкости варикапа

6/р=-Г-(£н + фр) «р.

(7.12)

опорного напряжения на формирователе термозависимого напряжения

Коэффициента передачи формирователя

амплитуды напряжения высокой частоты на варикапе

V-1 / Umf

(7.13) (7.14)

fu = SfU (Фр+£н)

2 \фр + £н J L Y-3

фр + н /

"и,

(7.15)

сопротивления Хц 1

«/и =

2 me(i(I-е„)+-m (I-е„)2лгг-

(фр+ Еп)

(7.16)

В (7.12)-(7.16) б,-.- относительное изменение соответствующего параметра.

Получение высокой температурной стабильности частоты ТККГ обеспечивается применением соответствующих формирователей термозависнмого напряжения.





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

0.0041