Главная Промышленная автоматика.


размерам пьезоэлемента (с диаметром 20-30 мм), нижняя - меньшим размерам (с диаметром 12-15 мм). Из рассмотрения этого рисунка видна целесообразность выбора частоты.в пределах 2-6 МГц.

В основном прецизионные резонаторы разработаны и выпускаются иа частоты 2,5; 5 и 10 МГй- Добротность нрецнзноииых резонаторов ЛТ частот 2,5 и 5 МГц находится в пределах ±(1,5-4)- 10. Резонаторы БТ и РТ имеют большую добротность, чем резонаторы AT Наибольшее распространение нашли прецизионные резонаторы AT с колебаииямц пятого порядка и иоминальион частотой 5 МГц в корпусах С. Весьма перспективным для. прецизионных резонаторов является корпус КБ. Трецнзионные резонаторы имеют точность настройки-до ±5-10- н малое максимальное отклонение частоты в рабочем интервале температур (илн малое значение температурного коэффициента частоты), достигающего 1-10-. У лучших резонаторов температурный коэффициент < 0,5-10-. Для уменьшения целесообразно работать вблизи температуры, соответствующей экстремуму ТЧХ.

Высокая температурная стабильность характерна также для резонаторов ИТ. Резонаторы БТ имеют большой ТКЧ. Следует отметить, что ТЧХ н ТКЧ характеризуют резонатор при медленных изменениях температуры, в то время как при больших быстрых изменениях температуры (прн динамическом тепловом режиме) измеиеине частоты резонатора увеличивается. Температурио-дииамическне нз-менення частоты резонаторов обусловлены неравномерностью прогрева пьезоэлемента по поверхности и толщине. Прн быстрых изменениях температуры неравномерность прогрева пьезоэлемента вызывает термонапряжения, определяющие температурно-дкнамические изменения частоты. Это приводит к тому, что прн одной н той же амплитуде изменения температуры (вызванной, например, работой схемы терморегулирования) изменение частоты термостатированного резонатора будет неодинаково.

При медленных изменениях температуры частота меняется по ТЧХ При уменьшении периода колебаний температуры происходит динамическое изменение частоты, значит(сльно превышающее изменения частоты, обусловленные ТЧХ резонатора. Прн дальнейшем уменьшении периода изменения температуры температурная волна затухает и температурно-динамическое изменение частоты уменьшается. Охарактеризовать динамический тепловой режим при изменении температуры можно темпсрлтурно-дннамическим коэффициентом частоты «д [7G] (рис. 9.2).

Рис. 9.1. Зависимости добротности прецизионных кварцевых резонаторов AT от частоты

0,2.

Динамический тепловой режим оказывает также влияние на время установления частоты при включении термостатированных генераторов. Следует отметить, что резонаторы ТД имеют малый термодинамической коэффициент частоты. Применение этих резонаторов в прецизионных генератора? перспективно нз-за возможности уменьшении кратковременной нестабильности частоты, обуслов- " ленной работой термостатнрующнх устройств, н уменьшения времени готовности прецн-зноиных ТСКГ [148]. Частота резонаторов зависит от пьезо-тока, протекающего через резонатор. Относительное изменение частоты различных резонаторов от тока через резонатор показано на рис. 9.3. Из рисунка видно, что резонаторы РТ имеют более сильную зависимость частоты от тока по сравнению с другими резонаторами. Резонаторы БТ имеют наименьшую зависимость частоты от тока. Максимально допустимая мощность рассеяния прецизионных резонаторов 10 мкВт [56, 61]. Рекомендуется значение этой мощности ограничивать до 1 мкВт. Малый уровень мощности рассеяния является одним нз условий получения высокой долговременной стабильности частоты. Для повышения стабильности частоты целесообразно работать при постоянном токе через резонатор, используя схемы автоматической pet-улировки амплитуды. Значения рабочих интервалов н температур настройки резонаторов приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1, Интервалы рабочих температур и температуры настройки резонаторов для ТСКГ

0,05 0,1

0,5 1

s 10

Рис. 9.2. Зависимость относительного изменения температурно-дннамнческо-го коэффициента частоты резонатора AT от периода изменения температуры

1 20-30

45-55

55-65

65-75

75-85

Драб. °С

\ 24-26

49-51

59-61

69-71

79-81

настр, °С

Точность поддержания температуры настройки в соответствии с [56] может быть ±0,1 и ±1 °С. При этом допустимое отклонение может иметь ряд значений для точностей:

±0,1 °С.......±0,5-10-8 ±1 • 10-8 ±1,5-10-6

±1°С.........±2-10-«, ±2,5-10-«,

±3-10-«

Максимальное отклонение частоты резонаторов в интервале температур для ТСКГ прн ширине рабочего интервала 10°С задается



рядом: ±0,5-i0-«;-±M0-«: ±1.5-10-«; ±2-10-«; ±2,5- 10-"; ± 3-10-. При ширине рабочего интервала 2°С этот ряд дополняется значениями ±;0,1-Ю- и ±0,2-10-.

Допустимые отклонения частоты резонаторов на 5 МГц при колебаниях пятого порядка зависит от времени эксплуатации.

За первый год За второй год За 11 лет .

±(2,5-4)-10- ±(1,5-2).10- ±(10-15)-10-

Для повышения стабильности частоты целесообразно использовать крепление в точках минимального влияния держателя с помощью термокомпрессиониой сварки [130]. Такими точками являются точки, расположенные на краях пьезоэлемента на линии, про-

о,г о -о.г

-0,6 -0,5

3 а

« г;

Т-о,е-С)

А

Рис. 9.3. Завнсямость относительного изменения частоты кпарцепых резопато-роп различных срезов от изменения тока через резонаторы

ходящей под углом 60° к оси г. Термокомпресснониая сварка надежно соединяет никелевую леиту толщиной 50 мкм с гальванически осажденным золотом толщиной 4-5 мкм с пастой коллоидного серебра, нанесенного на торец пьезоэлемента. Сварка осуществляется импульсным нагревом дО 500°С с одновременным сжатием с удельным давлением 60 Н/мм. Конструкция резонаторов с термокомпрессиониой сваркой допускает повышение температуры прогрева прн их откачке в 2-3 раза по сравнению с конструкцией, использующей крепление пьезоэлемента с помощью панкл. Это позволяет значительно повысить качество очистки и обезгаживаиия в!1утренией полости резонатора, а следовательно, и стабильность частоты. Для стабилизации физических свойств электрода пьезоэлемент перед монтажом в держатель/юдверГается отжигу прн те.мпературе 450 °С в течение 2 ч с последующим медленным охлаждением в течение 8-10 ч. После вакуумироваипя и окончательной настройки резонаторов их целесообразно подвергнуть воздействию нескольких температурных циклов и термотреннровке прн крайней пОложнтельпой температуре в течение 10 суток. Такие резонаторы обладают высокой временной стабильностью в течение длительного срока хранения и эксплуатации.

Характеристики прецизионного резонатора, изготовленного по указанной" технологии, приведены в табл. 9.2. В этой же таблице

га

OJ Ef О.

г( о

п. (-о S

о а-

СЧ +1

ю о"

о Ю о"

" -н

о ♦

СЧ о

о"

10 О!

1Л 1Л о

о"

СЧ

о"

о о"

- . ю

со J. о

о I •

• СЧ Я

о"

й 3 й

2 = -

- к Й с;

? 1- ч = -

si ён

» о.

S " "

о.»

g о S

8. Is

S 3 ою- р

и Н « г] Г) с > о с Q.

° Г .S



приведены характеристики прецизионных резонаторов на частоты 2,5; 5 и 10 МГц по данным [148].

следует отметить, что прецизионные резонаторы, работающие в мобильной аппаратуре, должны обладать высокой устойчивостью к механическим воздействиям, а также к климатическим воздействиям, включающим тепло- и холодоустойчивость, действие влаги и циклическое изменение температуры. У современных резонаторов относительное изменение частоты в процессе и после воздействия указанных факторов не превышает ±(2-3)10-. Существенно повысить стабильность частоты можно применением технологических термотренировок прн повышенной температуре и применением многократных термоциклов.

Прецизионные резонаторы, предназначенные для использования в ТККГ, имеют ряд особенностей. Одним из них является требование относительно большого емкостного отношении, что приводит к невозможности использования колебаний выше третьего порядка. Прецизионные резонаторы, предназначенные для термокомпенсацни, используют на частотах 2,5 и 5 МГц основное колебание с т > (2-2,5)-10-*, а на частотах 10 МГц- колебание третьего порядка с т> (0,35-0,4)-10-».

Жесткие требования предъявляют к температурно-частотным характеристикам прецизионных резонаторов, предназначенных для ТККГ. Из-за снижения управляемости этих резонаторов по частоте необходимо стремиться к уменьшению максимального отклонения частоты в интервале рабочих температур. К этому же приводит и стремление к уменьшению влияния цепи термокомпенсации на стабильность частоты генератора. Как и для резонаторов, предназначенных для широкого применения, прецизионные резонаторы для ТККГ должны иметьмалый разброс ТЧХ.

Чтобы аномалии ТЧХ (разрывы, локальные выбросы) не влияли на результат компенсации, изменение частоты на участках этих аномалий не должно превышать изменения частоты резонатора от действия отдельных стабилизирующих факторов. Это же требование предъявляется к амплитудно-частотной характеристике резонатора, которая определяет характеристику управления частотой генератора с помощью реактивного сопротивления.

Появление аномалий на амплитудно-частотной характеристике резонатора связано с наличием нежелательных резонансов вблизи рабочей частоты. Особенно большое влияние оказывают оии в полосе управления частотой при термокомпенсацни, т. е. в полосе частот, определяемой размахом ТЧХ в рабочем интервале температур, неточностью иастройкн частоты резонатора на номинальное значение и отклонением его частоты при воздействии дестабилизирующих факторов и в результате старения. В этой полосе должны быть обеспечены наиболее жесткие требования по ослаблению нежелательных резонансов.

Высокие требования предъявляются к гистерезису температур-ио-частотиых характеристик прецизимшых резонаторов для ТККГ. Его значение должно лежать в пределах, определяемых отклонением частоты от воздействия на резонатор других дестабилизирующих факторов.

Прецизионные резонаторы для ТККГ выполняются в корпусах С, Э и КБ

9.2. Термостатированные юарцевые генераторы

Прецизионные термостатированные кварцевые генераторы выделяют в отдельный класс ТСКГ, характеризующийся температурной нестабильностью частоты менее ±1-10-- Оии выполняются на отдельные частоты 2,5;5 или 10 МГц. На этих частотах резонаторы имеют добротности, близкие к максимальным (см. рис. 9.1), а использование резонаторов с колебаниями высших порядков позволяет обеспечить высокую стабильность частоты при воздействии дестабилизирующих факторов и во времени.

Для обеспечения повышенной стабильности частоты ТСКГ наряду с рекомендациями, рассмотренными в предыдущем разделе в отношении обычных ТСКГ, необходимо принимать во внимание следующие дополнительные факторы: неизохрриность (161] резонаторов, т- е. зависимость частоты их последовательного резонанса от мощности, рассеиваемой иа пьезоэлементе;

температурно - динамический коэффициент частоты Од резонаторов 175, 76], т. е. зависимость относительного изменения нх частоты от амплитуды At„ и периода г изменения температуры термостатировання;

зависимость изменения частоты резонаторов во времени (старение) от температуры термостатировання [1];

влияние шумовых процессов

Регу/гир1/>0-щее устройство

Рис. 9.4. активной

Функциональная схема части схемы КГ с АРА

генератора и буферного усилителя на кратковременную стабильность частоты [138, 153, 146];

повышенные требования к стабильности параметров элементов схемы (и прежде всего резонатора) и функциональных узлов [72].

Дли уменьшения нестабильности частоты необходимо снижать мощность рассеяния Яа (уровень возбуждения) резонатора. Однако простое снижение коэффициента запаса по самовозбуждению не решает задачи, так как по [91] в этом случае возрастает крутизна изменения мощности рассеяния из-за изменения параметров схемы, а возможность уменьшения Р„в ограничена необходимостью обеспечения условий самовозбуждения с учетом возможного разброса как параметров схемы, так и резонатора.

Таким образом, в прецизионных ТСКГ для ослабления дестабилизирующего влияния нензохронности резонатора необходимо стабилизировать уровень возбуждения прн минимально возможном с учетом других ограничений его значений. Это приводит к необходимости введения в активную часть схемы генератора автоматической регулировки амплитуды (АРА).

Наиболее широко применяют схемы АРА, основанные на управ-ении крутизной транзистора генератора с помощью управляющего-воздействия, зависящего от амплитуды генерируемого напряжения. В активную часть генератора с АРА (рнс. 9.4) входит регулирующее устройство, которое в общем случае включает в себя после-





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

0.0035