Главная Промышленная автоматика.

довательно соединенные звенья: усилитель частоты генерации, детектор, фильтр нижних частот н усилитель постоянного тока.

Применение АРА позволяет также резко уменьшить режимную нестабильность частоты и является одним из путей повышения долговременной стабильности частоты резонатора, обеспечивая его работу при стабилизированной мощности рассеяння Я„в в единицы микроватт.

Примером реализации активной части прецизионного ТСКГ с АРА является устройство на базе прецизионного резонатора иа частоту 5 МГц с колебаниями пятого порядка (рнс. 9.5).

Кварцевый автогенератор выполнен на транзисторе Т1 по схеме емкостной трехточкн. Емкости обратной связи представлены конден-

R6ZZD


Рас. 9.5. Схема прецизионного КГ с АРА

сатором С4 и расстроенным в сторону емкостной реакции контуром L2C6, обеспечииающим работу резонатора Пэ1 иа нужной частоте. Элементы СЗ, L1 и Д2, включенные последовательно с резонатором Пэ1, входят в состав корректора частоты. Корректор обеспечивает настройку Пэ1 в номинальное значение частоты вблизи частоты его последовательного резонанса и периодическую коррекцию частоты путем измеиенни смещения иа варикапе Д2 с помощью подстроечиого резистора R1. Регулирующее устройство системы АРА выполнено иа транзисторе Т2 и детекторе с удвоением напряжения иа диодах ДЗ, Д4. В качестве источника питания Е (см. рис. 9.4) базовой цепи транзистора генератора TI используется падение напряжении иа резисторе RI2 (см. рис. 9.5), которое через фильтр R16 CI2 и развязывающий резистор R17 подается на базу транзистора TI. Управляющее иапрнжеиие £у выделяется на конденсаторе CII и через фильтры R15 и RI6 С12 также поступает на базу транзистора TI в противоположной полярности. В результате при увеличении выходной амплитуды генератора f/p результирующее напряжение на базе транзистора Т1 уменьшается, уменьшая его ток и крутизну, а значит, и иапрнжеиие [/кв на резонаторе. Система АРА позволяет обеспечить мощность рассеяння резонатора 4-6 мкВт и уменьшить составляющую нестабильность за счет неизохронностн резонатора до значении менее ±1-Ю-. Для обеспечения необходимой стабильности коэф-

фицнеита усиления регулирующего устройства в интервале температур окружающей среды в цепи смещения транзистора Т2 включен термозависимый резнстивный двухполюсник на резисторах R8, R9.

Особенностью приведенной схемы является выделение колеба-НИИ второго порядка генерируемой частоты для обеспечения выходного напряжения с частотой 10 МГц. Это осуществляется с помощью контура L4C15CI6, являющегося нагрузкой эмиттериого повторителя на транзисторе ТЗ, и буферного резонансного усилителя на транзисторе Т4 с выходным контуром L5 CI9 С20. Связь с нагрузкой емкостная, что обеспечивает удобство согласования с сопротивлением нагрузки 50 Ом, на котором выделяется напряжение (300±100) нВ частоты 10 МГц.

Работает такое устройство в широком интервале температур окружающей среды от -60 до + 80°С прн термостатировании только резонатора Пэ1 и варикапа Д2, что позволяет обеспечить температурную нестабильность ±(0,5-I)- Ю-. Для получения такой температурной нестабильности частоты к термостатирующему устройству предъявляются повышенные требования к минимизации статической и динамической ошибок термостатироваиня. Меры, принимаемые для минимизации статической ошибки прецизионного ТСКГ, аналогичны соответствующим мерам для обычного ТСКГ.

Ограничение предельной положительной температуры рабочег» диапазона прецизионного ТСКГ связано с необходимостью ограничения верхнего значения температуры термостатироваиня.

По данным (I] с ростом температуры пьезоэлемента нитенсив-иость изменения его частоты из-за старения резко увеличивается. Для оценки изменения интенсивности старения при нзмененнн температуры резонатора относительно нормальной температуры 25°С можно использовать эмпирическую зависимость: bfflbff =9,!-10* X Хехр(-2730/Т), тд,е bfi, 6fj-соответственно изменения частоты из-за старения прн температурах 1 и /о = 25С; Т - абсолютная температура резонатора.

Наряду с требоваииимн по долговременной стабильности частоты к прецизионным ТСКГ предъявляют повышенные требования по кратковременной стабильности, определяемой за время измерения от нескольких секунд и менее. Кратковременную нестабильность частоты оценивают по относительной среднеквадратической вариации частоты УКы за интервал измерения г : а (т) = VAwVco. Дисперсия вариаций частоты Дсо определнется [153] спектральной плотностью флуктуации частоты S (F):

(0,5/т)2

где F - модулирующая частота шумового процесса в контуре генератора.

Спектральная плотность флуктуации частоты [138) NkT

S {П = -р(Е„, FflF-Ff+F F+ Я), (9,1)

где N - коэффициент шума транзистора генератора; Яр - мощ иость генератора; F - модулирующая частота, па которой уровень



фликкер-шума равен уровню белого шума; Fj - fJ2Q - полоса пропускания цепи обратной связи в генераторе: k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Анализ (9.1) показывает, что каждый нз его членов связан с определенным шумовым процессом. Первый член обусловлен действием фликкер-шума активного элемента, причем средиеквадра-тнческое значение этого шума на частоте составляет (10-6 - 10-*)В/Гц. Второй член обусловлен действием теплового и дробового шумов в самом генераторе.Зти шумовые процессы воздействуют непосредственно иа частоту генератора, поэтому нх называют частотными шумами.

Третий и четвертый члены обусловлены воздействием на сигнал соответственно фликкер-шума, теплового и дробового шумов буферного усилителя. Поскольку эти шумы влияют на фазу колебания, нх называют фазовыми.

Эффективное средство сокращения энергетического спектра - увеличение мощности, рассеиваемой на резонаторе, однако учитывая влияние ее уровня на стабильность частоты, в прецизионных ТСКГ обычно NkT/Pj. ж - 150 дБ. Величина F„ < 1кГц, а величина Fj на частотах 2,5; 5 н 10 МГц составляет единицы герц. Следовательно, в составе шумов прецизионного ТСКГ преобладают аддитивные шумы, представленные четвертым слагаемым (9.1). Для борьбы с этими шумовыми составляющими эффективны кварцевые фильтры, применение которых позво.тяет уменьшить паразитные отклонения частоты (ПОЧ), определяемые составляющими спектра (9.1), почти в 5 раз при модулирующих частотах менее 2-3 кГц. Значительно улучшаются [146] спектральные характеристики и кратковременная стабильность частоты, обусловленные шумами элементов схемы, при использовании АРА, которая уменьшает также влияние флуктуации питающего напряжения и особенно низкочастотных составляющих, находящихся в полосе пропускания фильтра системы АРА.

Рассмотрев особенности прецизионных ТСКГ, кратко охарактеризуем их габаритно-энергетические характеристики. Современные прецизионные ТСКГ в зависимости от требуемой стабильности частоты выполняют в объемах от 5 до 0,5 дм при энергопотреблении соответственно от 20 до 1,5 Вт. Резкое сокращение объема н энергопотребления прецизионного ТСКГ связано с отказом от традиционного размещения резонатора в объемном термостате. Необходимо термостатировать только пьезоэлемент резонатора, для чего можно разместить мнкротер;.;остат в объеме резонатора либо напылить резнстивные нагреватели на пьезоэлемент, т. е. обеспечить его прямое термоста-тирование [74].

Вариант с размещением термостата в баллоне резонатора приведен на рнс. 9.6, а.

В баллоие 4 лампы серии «дробь» в кзарцедержателе 5 крепится пьезоэлемент 8. Кварцедержатель формируется между стеклянными ножками-осровакнями б, 7, 10. На двух нз них фиксируется дюра-люминиевь1н стакан микротермостата. Свободные концы держателя проходят через отверстия в дне термостата, и к ним присоединяются выводы транзистора Т1, датчика-терморезистора 12 и обмотки подогрева У.

Для равномерного и быстрого прогрева объем резонатора заполняется гелием до давления 40 мм рт. ст. Такой РТ помещается в сло-

истую экранную теплоизоляцию /, например алюминированную по-лиэтилеи-терефталатную плепку со стеклосеткой, которая фиксирует его положение в колбе лампы пальчиковой серии- Для лучшей теплоизоляции выводы 3 резонатора изготавливаются нз тонкой кон-стантановон проволоки диаметром 0,15 мм, а в объеме теплоизоляции создается высокий вакуум с параллельным обезгаживаннем отражательной изоляции. Такая конструкция позволяет прн объеме 14 см обеспечить мощность стационарного режима не более 80 мВт в нормальных условиях прн температуре термостатировдиня-f70°C. Схема соединения элементов внутри РТ приведена иа рис. 9.6, о.



Рис 9.е. Термостатирующне устройства с термостатнрованнем пьезоэлемента: о с мвкротермостатом в объеме; б - с напылением резнстнвных нагревателей «а пьезоэлемент; ~°J экранная теплоизоляция: 2 - баллон наружный- 3 - вывод резо-.r„„S i внутренний: 5 - кварцедержатель; 6. 7. W-ножкн осно-

вання. в - пьезоэлемент; 9 - обмотка подогрева; - камера мнкротермо-стата; -датчик; /3 - транзистор



Иа рнс. 9.6, 6 показано возможное размещение плеисчных нагревателей R,i н термодатчика иа пьезоэлементе Пэ1 прямоугольной формы; Пэ1 возбуждается электродами прямоугольной формы. Для лучшей теплоизоляции элементы кварцедержателя изготовлены нз нихрома (опорные стойки) и константана (иесущие струны и выводы). Кроме того, в баллоне резонатора создается высокий вакуум. При габаритах РТ = 32 мм, D = 10,2 мм потребляемая мощность в стационарном режиме (нормальные условия) не превышает 140 мВт (при = + 70°С). Схема соединения элементов в РТ приведена иа рис. 9.6, б.

Термостатироваиие только пьезоэлемента было проверено, экспериментально [74]. Результаты испытаний позволяют сделать заключение, что имеется реальная возможность создания прецизионного ТСКГ с эксплуатационной нестабильностью порядка (0,5-1)Х ХЮ-г и объемом 20-30 см*.

9.3. Прецизионные термокомпенсированные кварцевые генераторы

К прецизионным ТККГ можно отнести генераторы, имеющие в условиях эксплуатации стабильность частоты лучше ±5-10-. Уступая прецизионным термостатированным генераторам по стабильности частоты, прецизионные ТКДГ незаменимы в тех случаях, ког» да требуется обеспечить малую потребляемую мощность и малое время готовности аппаратуры к работе.

Для создания прецизионных ТККГ необходимо выбрать резонатор, имеющий малые уходы частоты от воздействия дестабилизирующих факторов и старения, обеспечить малое влияние на стабильность частоты цепи термок&мпенсации и выбрать схему формирования термозавнсимого напряжения, обеспечивающую соответствующую точность термокомпеисации.

Прецизионные резонаторы, предназначенные для термокомпеисации, обычно работают иа колебаниях третьего порядка на частоте 5 или 10 Мгц и имеют поэтому малое емкостное отношение т. Малое значение т имеют и прецизионные резонаторы для термокомпеисации, работающие на основной частоте 5 МГц и ниже, из-за сферической поверхности пьезоэлемеитов. При реализации ТККГ с прецизионными резонаторами возникают трудности обеспечения крутизны управления, необходимой для термокомпенсации. Кроме этого, уменьшение емкостного отношения т при сохранении максимальных изменений частоты резонатора в интервале температур приводит к увеличению относительной расстройки по частоте при компенсации. При этом возрастают потерирезоиатора, пересчитанные в контур генератора [17], что может привести к недопустимому уменьшению амплитуды напряжения высокой частоты п даже срыву генерации, что необходимо учитывать при проектировании прецизионных ТККГ.

Прн включении варикапа, осуществляющего термокомпенсацию последовательно с резонатором (см. рис. 7.1), увеличение крутизны управления частотой достигается выбором варикапов с большим значением показателя вольт-фарадной характеристики у, уменьшением начальной емкости варикапа Ср„, уменьшением начальной расстройки генератора по частоте и включением параллельно варикапу индуктивного сопротивления с учетом ограничений, рассмотренных ниже.

В настоящее время разработаны варикапы с у > 1. Однако при Y > 1 растет влияние напряжения высокой частоты па варикапе иа стабильность частоты (7.15). Поэтому при выборе варикапа необходимо сравнить влияние элементов цепн управления по (7.12) - (7.16). Уменьшение начальной емкости варикапа для получения необходимой крутизны управления частотой ограничивается влиянием емкости монтажа С„ на стабильность частоты генератора. Учитывая это влияние, необходимо стремиться к уменьшению емкости монтажа и выбирать начальную емкость варикапа нз соотношения

Срн > (5-10) С„.

При снижении начальной расстройки генератора по частоте ни же частоты последовательного резонанса резонатора {вц < 0) увеличивается вероятность возбуждения генератора на паразитной частоте. Учитывая целесообразность изготовления резонаторов без использования нагрузочной емкости, имитирующей эквивалентную емкость генератора, чаще всего выбирают работу генератора иа частоте последовательного резонанса резонатора, т. е. когда = 0. Включение индуктивного сопротивления параллельно варикапу влечет за собой увеличение потерь генератора из-за потерь контура, образованного этой индуктивностью и емкостью варикапа. Для уменьшения этих потерь необходимо, чтобы сопротивление индуктивности было больше сопротивления е.чкости варикапа, т. е. следует обеспечить емкостную реакцию указанного контура [23]. Появля--ется также дополнительная составляющая - нестабильность частоты из-за влияния вводимой индуктивности, для уменьшения которой необходимо уменьшать нестабильность этой индуктивности.

Чтобы получить необходимые пределы управления частотой генератора, работающего с прецизиоииы.м резонатором иа колебаниях третьего порядка, необходимо увеличивать запас по возбуждению генератора илн вводить АРА по схе.мам, аналогичным используемым в прецизионных ТСКГ. В остальном выбор активной части генератора для прецизионного ТККГ ие отличается от выбора его для других генераторов (см. разд. 4).

Для уменьшения влияния цепи термокомпеисации иа стабильность частоты ТККГ необходимо в ней использовать элементы, обладающие максимальной стабильностью параметров. Для увеличения стабильности параметров элементов в некоторых случаях целесообразно нх термотренировать либо отдельно, либо в составе генератора. Расчеты по формулам, приведенным в разд. 7, подтвержденные экспериментально [172], показывают, что при соответствующем выборе элементов цепи термокомпенсации можно обеспечить нх влияние, не превышающее (1-3)-10-.

Для получения высокой температурной стабильности частоты в прецизионных ТККГ можно использовать аналоговые формирователи термозависнмого напряжения на варикапе, описанные в разд. 7. В ограниченных участках рабочих температур необходимый эффект термокомпеисации может быть получен с помощью сложных резис-торно-терморезисторных потенциометров и мостовых схем с привлечением для определения значений параметров этих цепей на стадии проектирования и регулировки ЭВМ. Как в узких, так и в широких интервалах температур можно применить кусочно-нелинейные диодные и транзисторные функциональные преобразователи и схемы, реализующие методы непрерывной логики. Необходимая для прецизионных ТККГ температурная стабильность в этом случае обеспечивается выбором соответствующего количества подынтервалов тем-





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