Электротехника и электроника. Ч II. Электрические и электронные аппараты и устройства (стр. 15 )

Кварцевая стабилизация частоты основана на применении в электрических схемах вместо LC-контуров кварцевого резонатора, что позволяет снизить нестабильность частоты колебаний автогенератора до 10-7 (отклонение частоты на Df'=0,1 Гц при частоте генерируемых колебаний f=1 МГц). Кварцевый резонатор (сокращенно кварц) представляет собой помещенную в кварцедержатель тонкую пластинку минерала кварца, грани которой определенным образом ориентированы по отношению к осям кристалла и металлизированы тонким слоем серебра. Известно, что при воздействии на кварцевую пластинку переменного электрического поля в ней возникают упругие механические колебания (обратный пьезоэффект), приводящие, в свою очередь, к появлению электрических зарядов на гранях пластинки. Кварц можно рассматривать как электромеханическую колебательную систему, по эквивалентной схеме совпадающую с обычным колебательным LC-контуром (рис.6.9.а).

Рис.6.9.

Добротность кварцевого резонатора достигает сотен тысяч, тогда как у колебательного контура она не превышает 300...400. Механическая прочность и слабая зависимость частотных свойств от температуры обусловливают достаточно высокую стабильность частоты кварцевых резонаторов. При расчетах кварцевый резонатор представляют эквивалентной схемой, в которой элементы LQ, CQ и RQ характеризуют, соответственно, индуктивность, емкость и омические потери собственно кварца. Емкость Сок отражает наличие кварцедержателя. Зависимость реактивного сопротивления кварцевого резонатора от частоты x(f) приведена на рис.6.9.б). Она имеет два резонанса: последовательный на частоте f1 и параллельный на частоте f2. Последовательный резонанс обеспечивают элементы LQ и СQ отражающие резонансную частоту кварца . Параллельный резонанс в устройствах с кварцевым резонатором практически не используется.

6.5 Генераторы шумовых сигналов.

Генераторы шумовых сигналов (шумовые генераторы) вырабатывают флуктуационные напряжения с определенными (заданными) вероятностными характеристиками. Основным узлом схемы шумового генератора является задающий генератор. Его сигналы должны иметь равномерную спектральную плотность мощности по всей требуемой полосе частот (теоретически это белый шум). В задающем генераторе используются физические явления, при которых возникают достаточно интенсивные шумы со статическими характеристиками и параметрами, поддающимися достаточно несложному математическому анализу. В качестве образцового источника шума может служить нагретый проволочный резистор, действующее значение напряжения на котором рассчитывается по известной формуле:

U2 = 4kБTRDf (6.5),

где kБ - постоянная Больцмана; Т и R - температура и сопротивление резистора; Df - полоса пропускания регистрирующего прибора. Конструктивно резистор выполняется в виде вольфрамовой спирали, намотанной на керамический каркас, температура которой поддерживается постоянной.

Источники теплового шума используются в качестве образцовых генераторов шумовых напряжений, так как расчетные данные хорошо совпадают с практическими результатами. В шумовых генераторах также применяют фотоэлектронные умножители, газоразрядные трубки, шумовые диоды и т. п. В качестве преобразователей спектра в шумовых генераторах применяются усилители, фильтры, ограничители, генераторы перестраиваемой частоты — в зависимости от того, какое преобразование шума требуется. Так, применив в качестве преобразователя спектра фильтр с определенным коэффициентом передачи, можно получить из генератора белого шума генератор стационарного случайного процесса со спектральной плотностью мощности, изменяющейся по заданному закону в определенном диапазоне частот. Низкочастотные шумовые генераторы действуют в диапазоне от 20 Гц до 10 МГц и вырабатывают мощность до 5 Вт. Шумовые СВЧ-генераторы имеют высшую частоту рабочего диапазона до 1010Гц.

6.6. Генераторы релаксационных (импульсных) колебаний.

Если в автогенераторе гармонических колебаний глубину положительной ОС теоретически приблизить к 100% (b=1) и убрать узкополосную избирательную систему, то синусоидальное выходное напряжение должно превратиться в колебание прямоугольной формы. Поэтому в релаксационных автогенераторах вместо колебательных контуров применяется апериодическое электрическое звено с одним энергоемким (накопительным) элементом, например, RС-цепь. При этом баланс фаз и амплитуд выполняется в достаточно широкой полосе частот.

Мультивибраторы.

Автогенератор прямоугольных импульсов, длительность и частота следования которых определяется параметрами времязадающих RC-цепей, называют мультивибратором. Мультивибраторы имеют два временно устойчивых (квазиустойчивых) состояния. Классическая схема симметричного мультивибратора содержит два транзисторных ключа, взаимно охваченных с входов на выходы двумя петлями положительных ОС: одна из них образована резистивно-емкостной цепью R1C1, а другая — идентичной цепью R2C2 (рис.6.10.а).

Рассмотрим работу классической схемы мультивибратора, полагая, что транзисторы практически неинерционные (т. е. достаточно высокочастотны) и переключаются мгновенно. Упрощенные временные диаграммы напряжений на базах и коллекторах обоих транзисторов показаны на рис.6.10.б. Пусть в момент времени t =0 анализируемый мультивибратор находится в квазиустойчивом состоянии, при котором транзистор VT1 открыт и насыщен, а транзистор VT2 закрыт.

Рис.6.10.

В схеме в этом случае имеет место следующее состояние — напряжение на коллекторе транзистора VT1 Uk1»0; напряжение на коллекторе транзистора VT2 составляет Uk2»E; конденсатор С1 заряжен отрицательно и напряжение на базе VT2 минус относительно эмиттеров. Конденсатор С2 также заряжен, но напряжение на базе транзистора VT1 положительно и равно произведению базового тока на сопротивление перехода эмиттер-база. Такое состояние мультивибратора не является устойчивым т. к. происходит разряд конденсатора С1 по цепи: источник +Е, резистор R2, конденсатор С1, цепь коллектор-эмиттер открытого транзистора VT1. Как только напряжение на базе транзистора VT2 станет больше нуля (конденсатор С1 практически разряжен, а напряжение на переходе коллектор-эмиттер VT1 небольшое положительное) транзистор VT2 начнёт открываться. Этот транзистор откроется, через него потечет коллекторный ток, вызывая уменьшение напряжения Uk2. Отрицательный скачок данного напряжения через конденсатор С2 передастся на базу транзистора VT1, приводя последний к закрыванию и увеличению его коллекторного напряжения Uk1. Положительный скачок напряжения Ukl через конденсатор С2 поступит на базу транзистора VT2, что еще больше откроет этот транзистор. В схеме начинается лавинообразный процесс, заканчивающийся переключением мультивибратора в другое квазиустойчивое состояние, когда транзистор VТ2 открыт и насыщен, а транзистор VT1 закрыт. Однако напряжение на транзисторе VT1 нарастает не скачком, а экспоненциально с характерным временем заряда конденсатора C1 через резистор Rk1 и сопротивление перехода база-эмиттер VT2 ( tз1= (Rk1+rэб1)C1 ). Этот процесс также вызывает характерный небольшой положительный импульс напряжения на базе VT2. Конденсатор С1 заряжается практически до напряжения питания Е. На интервале t1...t2 происходит разряд конденсатора С2 и в момент времени t2 произойдет новое переключение мультивибратора. Далее процессы в схеме начнут периодически повторяться, а на коллекторах транзисторов будут формироваться импульсы выходного напряжения. Поскольку в мультивибраторе всегда сопротивления R1 > Rk2 (соответственно и R2 > Rk1), то постоянная времени разряда конденсаторов С1 tр1=R2C1 и С2 tр2=R1C2 больше постоянной времени заряда конденсаторов С1 и С2 tз1 = Rk1C1, tз2 = Rk2C2. Длительность импульсов напряжения на коллекторах транзисторов соответствует времени перезаряда соответствующего конденсатора. Можно показать, что для симметричного мультивибратора, у которого C1=C2=С, R1=R2=R и Rk1=Rk2=Rk, длительность импульса определяется формулой:

tи=RCln2=0,7RC (6.6).

Очевидно, что период повторения импульсов

Т=2tи»1,4RC (6.7).

Ждущий мультивибратор.

Для получения одиночных прямоугольных импульсов требуемой длительности синхронизованных с импульсом запуска применяют схему ждущего мультивибратора или одновибратора. Одновибратор в отличие от мультивибратора имеет одно устойчивое состояние. Этого можно достичь заменой одной коллекторно-базовой связи по переменному току на связь по постоянному току. Схема ждущего мультивибратора и эпюры напряжения приведены на рис.6.11. Устойчивым является состояние, когда транзистор VT1 насыщен током через базовый резистор Rб1 . Транзистор VT2 заперт отрицательным напряжением смещения - Uсм. Конденсатор C2 практически заряжен до напряжения питания. Такое состояние может сохраняться сколь угодно долго. При воздействии на вход одновибратора достаточно коротких импульсов запуска на его выходе формируются одиночные прямоугольные импульсы фиксированной длительности. Запускающий импульс положительной полярности открывает транзистор VT2 , отрицательное напряжение UС2 прикладывается к базе транзистора VT1 закрывая последний. Повышение напряжения на коллекторе VT1 переводит транзистор VT2 в режим насыщения. Данное состояние не является устойчивым, и поддерживается до тех пор, пока на базе транзистора VT1 присутствует отрицательное напряжение, т. е. пока не разрядится конденсатор С2 током через резистор Rб2. Как только напряжение на базе VT1 станет небольшим положительным он открывается и переходит в насыщение, закрывая транзистор VT2. Длительность сформированного импульса на коллекторе VT1 можно записать