Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

кварцевый резонатор генератор

Базовыми элементами многих современных радиотехнических устройств, комплексов и систем являются генераторы гармонических колебаний. Основными требованиями, предъявляемыми к таким генераторам, являются все более жесткие требования по стабильности и эталонности частоты. В то же время в соответствии с тенденциями развития современной радиотехники и электроники генераторы должны иметь малые габариты и массу, быть высокочастотными, надежными, устойчивыми к механическим перегрузкам и вибрациям, технологичными в изготовлении,

Ответственность функций, выполняемых кварцевыми генераторами, и все большее их применение в различных радиотехнических устройствах выдвигают на первое место вопросы обеспечения высокой надежности работы кварцевых резонаторов в аппаратуре. Удовлетворение высоких требований по надежности связано с решением большого числа научно-технических задач в сфере разработки, производства и применения. Большое значение в этом плане имеют унификация конструкций и параметров кварцевых резонаторов, совершенствование технологии изготовления, механизация процессов производства, создание более совершенных комплексов контрольно-измерительной и испытательной техники.

Не менее важное значение для обеспечения надежности работы кварцевых резонаторов в аппаратуре имеют правильный выбор схемы и соблюдение условий и режимов применения, основанные на знании электрофизических свойств и особенностей работы резонаторов.

Помимо известных областей применения кварцевых резонаторов в генераторах (задающих, гетеродинах, калибраторах, эталонных частот и др.) и фильтрах (полосовых, режекторных, дискриминаторных) они находят применение в качестве высокоточных датчиков температуры, давления, ускорения и т.п.

Наиболее широко в качестве источников стабильных высокочастотных колебаний в современных радиотехнических системах и устройствах используются кварцевые генераторы. Высокая стабильность частоты здесь обеспечивается большой добротностью (5000-2000000) и эталонностью применяемых в них кварцевых резонаторов.

Применение кварцевых резонаторов позволяет получить сравнительно высокую стабильность частоты при простой конструкции возбудителей. Обычно кварцевые резонаторы используются на фиксированных частотах,, однако, в некоторых случаях (например, при непосредственной частотной модуляции кварцевых генераторов, при термокомпенсации частоты) производится в определенных пределах управление частотой кварцевых резонаторов.

1. Основная часть

Кварцевый генератор -- это генератор колебаний, синтезируемых кварцевым резонатором, входящим в состав генератора. Это самые распространенные источники тактовых импульсов, которые применяются повсеместно практически в любой схеме разнообразных приборов: в системах передачи информации, в вычислительной технике, телеметрии, бытовых радиоприборах, радиолокации, радионавигации, радиосвязи и средствах радиотехнических измерений. Наряду с традиционным применением, кварцевые генераторы также используют для измерения давления, деформации, температуры, ускорения, влажности и других физических параметров.

Такой выбор объясняется высокой стабильностью характеристик и простотой этих универсальных приборов в различных условиях работы, а также низкой ценой. Частота колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких килогерц до сотен мегагерц. Частота зависит от размеров резонатора, его упругости и пьезоэлектрической постоянной, а также от формы кристалла. Схема кварцевого генератора должна отличаться простотой настройки и регулировок.

Термин управляемые генераторы частот подразумевал управление его частотой. Управление частотой осуществляется в подавляющем большинстве КГ: это установка номинального значения частоты генератора в процессе изготовления и регулировки; коррекция изменения частоты из-за старения, а также после воздействия механических и климатических дестабилизирующих факторов, подстройка частоты в кольце ФАП; перестройка частоты при использовании одного резонатора для стабилизации нескольких частот; непосредственная частотная модуляция и частотная манипуляция; компенсация температурной нестабильности частоты.

Обычно необходимо изменять реактивное сопротивление, включенное последовательно с резонатором.

Как известно из [15], относительное изменение частоты КР при изменении реактивного сопротивления, включенного последовательно с резонатором.

где x_y = ДX_y / |X_co| - приведенное к модулю сопротивления статической емкости резонатора изменение реактивного сопротивления, включенного последовательно с резонатором;

x_П = ДX_П / |X_co| - приведенное к модулю сопротивления статической емкости резонатора реактивное сопротивление, параллельное резонатору.

Для перестройки частоты в заданных пределах в генераторе должно быть реактивное сопротивление X_н - (приведенное значение х_н), изменение которого на х_у обеспечивало бы изменение частоты на Дf/f. Но включение реактивного сопротивления последовательно с резонатором приведет к отстройке частоты генератора относительно частоты последовательного резонанса резонатора. Относительное изменение отстройки частоты генератора можно определить также из (1.1), подставив вместо x_y- значение x_п.

Если при перестройке частоты необходимо начальную отстройку е₀ сохранить неизменной, то одновременно с включением Х_н необходимо включить добавочное реактивное сопротивление, равное по модулю х_н и противоположное ему по знаку. Так, если перестраивать частоту предполагается изменением емкости конденсатора, то последовательно с ним необходимо включить катушку индуктивности с индуктивностью L = 1/щ²C. Из (1.1) видно, что в общем случае зависимость Дf/f от х_у носит нелинейный характер. Зависимость на рис. 1.1 приведена для случая работы генератора на частоте последовательного резонанса резонатора е₀ = 0, ниже (отрицательное значение е₀) и выше (положительное значение е₀) частоты последовательного резонанса резонатора (кривые 1, 2 и 3). Эта зависимость показана для X_П = ?, что характеризует собой отсутствие реактивного сопротивления, параллельного резонатору, m=4*10^-3 и C₀ = 5 пФ.

При X_П = ? (1.1) преобразуется:

Из рисунка видно, что для различных значений е₀ получаем разное значение крутизны характеристики управления и линейности.

Анализ (1.1) показывает, что зависимость Дf/fот X_у получается линейной лишь при

т.е. при X_П = 1 . Это означает, что параллельно резонатору для обеспечения линейной зависимости Дf/fот X_y должна быть включена катушка с индуктивностью:

L_П = 1/щ²C

Когда параллельно резонатору включена катушка индуктивности (кривая 4) определенная из (1.2), (1.1) преобразуется:

Дf/f = -0,5mx_y



Рисунок 1. Зависимость относительного изменения частоты КГ от x_y

Из (1.3) видно, что относительное изменение частоты не зависит от начальной отстройки е₀ и Дf/f зависит от X_у линейно.

Во многих случаях управление частотой КГ осуществляется изменением напряжения.

Наиболее широкое применение для управления частотой генераторов получили варикапы. Это наиболее экономичные, малогабаритные, надежные и стабильные из всех известных элементов, реактивное сопротивление которых зависит от приложенного напряжения. Как правило, для управления частотой используется барьерная емкость варикапов, т.е. емкость закрытого p - n-перехода.

Реактивное сопротивление варикапа . При начальном напряжении смещения E_н реактивное сопротивление варикапа . Изменение начального напряжения E_н на ДE приведет к изменению реактивного сопротивления варикапа , где - приведенное изменение напряжения смещения.

Приведенное к модулю реактивного сопротивления статической емкости С₀ резонатора изменение реактивного сопротивления варикапа . Относительное изменение частоты генератора при изменении напряжения смещения на варикапе:

где x_рН = ДX_Пв / |X_co| - приведенное к модулю сопротивления статической емкости резонатора значение реактивного сопротивления резонатора, включенного параллельно варикапу.

Зависимость Дf/f от u, в общем случае, нелинейна. Крутизна и линейность характеристики управления определяются значениями г, х_рН, е₀, х_ПВ и х_П.

На рис. 1.2 приведена зависимость Дf/f для u и трех значений г =1/2; х_рН = -0,5; -. х_ПВ и х_П = ? и трех значений е₀ .Видно, что крутизна характеристики управления и пределы перестройки по частоте увеличиваются при отстройке ниже частоты последовательного резонанса резонатора (отрицательное значение е₀) и уменьшаются при положительном значении е₀ отстройке выше частоты последовательного резонанса резонатора.

Рисунок 2. Зависимость относительного изменения частоты КГ от приведенного изменения напряжения на варикапе

При разработке управляемых по частоте КГ необходимо правильно выбрать частоту генератора, резонатора, элементы управления частотой, чтобы наиболее простыми схемными решениями обеспечить необходимые пределы перестройки при высокой стабильности частоты.

Наиболее широкое применение управляемые по частоте КГ получили в диапазоне 5 -30 МГц. Это обусловлено рядом обстоятельств. Выше уже говорилось, что для обеспечения необходимых пределов перестройки последовательно с резонатором должно быть включено определенное реактивное сопротивление, допустим варикап. Одновременно с ним для обеспечения работы вблизи частоты последовательного резонанса резонатора необходимо включить дополнительное реактивное сопротивление того же значения, но противоположное по знаку. Таким образом, в КГ должны включаться варикап и катушка индуктивности.

В то же время из (1.4) видно, что относительное изменение частоты при заданном u будет тем больше, чем больше х_рН т. е. чем меньше начальная емкость варикапа. Это приводит к тому, что на низких частотах последовательно с варикапом приходится включать катушку с большой индуктивностью, что создает определенные конструктивные трудности.

То же самое происходит и при управлении частотой КГ с помощью изменения емкости или индуктивности. При работе же с отстройкой от частоты последовательного резонанса увеличивается влияние элементов генератора, параллельных резонатору, на его частоту при положительных значениях е₀, уменьшается крутизна характеристики управления, а при отрицательных е₀ увеличивается к тому же возможность паразитного возбуждения генератора.

При выборе резонатора для управляемого по частоте генератора необходимо особое внимание обращать на значение емкостного отношения m, которому, как следует из (1.4), прямо пропорциональна относительная перестройка по частоте, и на значение C₀, также определяющее пределы перестройки частоты при заданных пределах изменения реактивного сопротивления или напряжения на варикапе. Резонаторы, имеющие большее значение m и C₀, наиболее предпочтительны для управляемых по частоте генераторов.

В диапазоне 5 - 30 МГц резонаторы работают, как правило, на основной частоте, пьезоэлементы представляют собой плоские пластины, m и C₀- позволяют получить перестройку по частоте порядка ±1000х10^-6 при высокой стабильности частоты.

На более низких частотах пьезоэлементы резонаторов среза АТ имеют форму двояковыпуклой линзы, что уменьшает m и затрудняет управление частотой и получение больших пределов перестройки по частоте, а резонаторы других срезов имеют более низкую стабильность частоты.

На частотах выше 30 МГц, как правило, уже используются резонаторы с колебаниями высших порядков, у которых емкостное отношение уменьшается пропорционально квадрату номера порядка колебания, что так же , как и на низких частотах, затрудняет управление частотой и не дает возможности получить большие пределы перестройки частоты.

Для получения больших пределов перестройки по частоте на частотах выше 30 МГц используется умножение частоты управляемого КГ диапазона 5- 30 МГц.

На низких частотах для получения больших пределов перестройки используется выделение разностей частоты двух КГ диапазона 5 - 30 МГц. При этом в зависимости от требуемой перестройки, возможны два варианта получения низкочастотного колебания с большими пределами перестройки по частоте.

В первом случае выделяется разностная частота, равная требуемой частоте низкочастотного колебания, двух КГ, один из них является управляемым по частоте.

Частота низкочастотного колебания f_нч ± Дf =f₁ - (f₂± Дf₂).В данном случае перестройка по частоте Дf низкочастотного колебания f_нч равна перестройке по частоте управляемого КГ Дf₂. Для увеличения пределов перестройки требуемая частота низкочастотного колебания получается как разность частот двух управляемых по частоте КГ: f_нч ± Дf =(f₁ + Дf₁)- (f₂± Дf₂).

Управлять частотой генераторов надо так, чтобы при увеличении частоты f₁ частота f₂ уменьшалась и , наоборот, при уменьшении f₁ частота f₂ увеличивалась.

Тогда изменение частоты низкочастотного колебания Дf =Дf₁+ Дf₂), т.е. будет определяться суммарной перестройкой по частоте управляемых генераторов.

Схемные решения получения низкочастотного колебания как разности двух высокочастотных колебаний могут быть различными. Это могут быть два отдельных КГ, работающих на смеситель, или же два резонатора, которые могут возбуждаться в одном генераторе, и при этом выделяется их разностная частота.

При управлении частотой КГ изменяется стабильность центральной частоты. Управление частотой, как уже говорилось выше, осуществляется изменением реактивного сопротивления, включенного последовательно с резонатором в схеме генератора. Таким реактивным сопротивлением обычно служат перестраиваемая катушка индуктивности, конденсатор с переменной емкостью или варикап.

При воздействии дестабилизирующих факторов (температуры, влаги, ударных и вибрационных нагрузок, линейных ускорений и т.д.) изменяется реактивное сопротивление элемента и, как следствие, частота генератора. Изменение частоты может быть также определено из (1.1), только вместо х_у необходимо подставить приведенное значение изменения реактивного сопротивления соответствующего элемента от воздействия дестабилизирующих факторов. Например, приведенное изменение реактивного сопротивления в интервале температур

где X - реактивное сопротивление;

- температурный коэффициент реактивного сопротивления;

Дt - интервал рабочих температур.

Подставив Дx из (1.5) в (1.1), можно определить дополнительную составляющую нестабильности частоты, обусловленную изменением X в интервале температур.

Кроме того, при управлении частотой изменяется ТЧХ резонатора. Зависимость ТЧХ от отстройки относительно частоты последовательного резонанса резонатора обусловлена изменением емкостного отношения резонатора в интервале температур. Изменение ТЧХ резонатора при отстройке от частоты последовательного резонанса

Дf/f= 0,5mб_mе_y(t-t₀),

где б_m - температурный коэффициент емкостного отношения(для резонаторов АТ б_m ? 3x10^-4, для резонаторов БТ б_m ? -3,5x10^-4);

t - текущее значение температуры;

t₀ - температура, относительно которой определяется изменение ТЧХ.

Отстройка выше частоты последовательного резонанса приводит к развороту ТЧХ против часовой стрелки, а ниже по часовой стрелке.

Изменение ТЧХ (изменение стабильности частоты), вызванное температурным коэффициентом емкостного отношения, также необходимо учитывать при разработке управляемых по частоте КГ.

При настройке и монтаже высокочастотных кварцевых резонаторов с креплением прямоугольных пластин при помощи пружинок, сжимающих пластину по торцам, была замечена зависимость частоты от степени зажатия пластин.

Рисунок 3. Зависимость изменения частоты от давления на пластину

Изменение частоты кварцевых резонаторов от давления на кварцевую пластину обусловлено, очевидно, зависимостью действующего модуля упругости кварцевой пластины от давления. Пластины круглой формы имели в центре электроды. Кварцедержатель обеспечивал электрическое соединение электродов с генераторной схемой и одновременно служил средством приложения давления в кварцевой пластине. Была снята зависимость изменения частоты кварцевого резонатора (частота -10 Мгц, срез - АТ, диаметр пластины - около 14 мм) от направления давления (рис.1.2.). Приложенная сила была равна 100.

Как видно из рисунка, изменение частоты от давления зависит от направления приложенного давления и максимально при углах 0 ⁰ или 180 ⁰ . В зависимости от направления приложения силы меняется уход частоты по величине и знаку, а при определенном направлении частота не зависит от величины давления (угол 60 ⁰ и 120 ⁰). В этом направлении целесообразно крепить пластину для уменьшения влияния системы крепления на ее частоту. При приложении давления к пластинам прямоугольной или квадратной формы получается подобный эффект.

При исследовании пластин БТ среза было замечено, что изменение частоты от приложенного давления не меняет знака от направления давления и всегда отрицательно.

Интересно отметить, что изменение частоты кварцевого резонатора от давления на пластину не зависит от того, на основной частоте или механической гармонике колеблется пластина, и не зависит от номера механической гармоники. Этот способ имеет пределы управления частотой.

Для изменения частоты может быть использована зависимость частоты кварцевого резонатора от температуры. Изменять температуру кварцевого резонатора можно при помощи термостатирующего устройства, в котором расположен кварцевый резонатор. Для расширения предела управления частотой целесообразно применять температурный коэффициент частоты порядка (65-70)х10 ^{-6 .}Изменением температуры, например, на 45 ⁰С, можно вызвать изменение частоты кварцевого резонатора порядка 3 х 10 ^-3 Однако этому способу управления частотой кварцевых резонаторов свойственны недостатки, основными из которых являются большая мощность потребления, большие габариты и малая стабильность частоты. Большая инерционность такого способа управления частотой делает невозможным применение его в большинстве случаев.

Изменять температуру кварцевой пластины можно без сложных термостатирующих устройств. Это можно достигнуть изменением мощности, рассеиваемой в кварцевой пластине резонатора. Для расширения пределов изменения частоты необходимо применять кварцевые резонаторы с большим температурным коэффициентом частоты б_t и большой мощностью рассеивания. На рис.1.4 показана экспериментально снятая зависимость изменения температуры кварцевой пластины от рассеиваемой в ней мощности. Как видно из этого рисунка, изменением мощности рассеивания можно изменить температуру кварцевой пластины почти на 30⁰С и вызвать изменение частоты порядка 2х10^-3.Основным недостатком этого способа является малая стабильность частоты и сравнительно большая инерционность.

Рисунок 4. Зависимость изменения температуры от рассеиваемой мощности

Частотой кварцевого резонатора можно управлять изменением постоянного напряжения на его электродах. Причиной изменения частоты в этом случае является, очевидно, изменение действующего модуля упругости под действием постоянного напряжения. На рис.1.5. показана экспериментально снятая зависимость частоты кварцевого резонатора с пластиной АТ среза от приложенного к электродам постоянного напряжения. Как видно из этого рисунка, пределы изменения частоты очень малы и составляют 0,4х10^-7при изменении напряжения от 0 до 300 В. Этот способ изменения частоты может применяться только в прецизионных кварцевых генераторах.

Рисунок 5. Зависимость изменения частоты от напряжения

В случае использования кварцевых резонаторов с зазором можно изменять частоту их изменением величины зазора. Такой резонатор состоит из неметаллизированной кварцевой пластины и кварцедержателя с двумя металлическими пластинами, которые служат электродами (рис.1.6а). Эквивалентная схема кварцевого резонатора с зазором между пластиной и электродами была показана на рис. 1.6б.



Рисунок 6. Изображение и эквивалентная схема КР с зазором

Резонансную частоту кварцевого резонатора с зазором можно найти из следующего выражения [14]:

где щ_г - резонансная частота при отсутствии зазора;

б_заз - полная ширина зазора, равная сумме зазоров б₁ и б₂. При определенных критических размерах зазоров (б_зазкр) возникают стоячие волны в слое воздуха, заполняющего зазор, которые резко увеличивают сопротивление кварцевого резонатора и уменьшают его добротность; при этом нарушается плавность зависимости частоты от величины зазора.

Критический зазор может быть найден из соотношения

б_зазкр = К_воздл_возд/2,

где л_возд - длина волны в воздухе;

К_возд - порядок гармоник стоячих волн в воздухе (1,2,3-й и т.д.).

Трудность выполнения стабильных кварцедержателей с зазором, малая механическая прочность и устойчивость таких кварцевых резонаторов, снижение добротности и увеличение эквивалентного сопротивления кварцевых резонаторов при возникновении стоячих волн резко затрудняют использование управления частотой кварцевых резонаторов с регулируемым зазором.

С помощью силового воздействия можно эффективно управлять частотой кварцевых резонаторов, что нашло отражение в большом количестве радиотехнических устройств и публикаций [6]. Однако из-за отсутствия оптимальных, миниатюрных, экономичных устройств силового воздействия на резонатор до сих пор не нашло широкого распространения управления частотой кварцевых автогенераторов с помощью силового воздействия на резонатор.

В процессе поиска аналога проектируемого устройства был проведен обзор патентной литературы, в результате которого было обнаружено описание изобретения к авторскому свидетельству термокомпенсированного пьезоэлектрического резонатора, содержащего пьезоэлектрическую пластину с электродами, закрепленную в держателе, и устройство термокомпенсации, включающее термодатчик, термокомпенсирующий и управляющий элементы, отличающегося тем, что, с целью повышения температурной стабильности частоты и расширения диапазона рабочих температур, держатель выполнен в виде пьезокерамического цилиндра с равноудаленной от его торцов кольцевой проточкой, образованной на внутренней поверхности цилиндра, на торцах которого нанесены управляющие электроды, подключенные к выходу устройства термокомпенсации, при этом пьезоэлектрическая пластина установлена в кольцевой проточке цилиндра (рис.2.1).



Рисунок 7. Термокомпенсированный пьезоэлектрический резонатор

Известен термокомпенсированный пьезоэлектрический резонатор, в котором для создания термозависимого давления используют два специальных вкладыша, расположенных в пропилах кварцевого элемента.

Вкладыши, имеющие большие коэффициенты линейного расширения, чем кварцевая пластина, при повышении температуры увеличивают давление на боковые стенки пропилов, что приводит к изменению частоты. Вкладыши, имеющие меньшие, чем кварцевая пластина, коэффициенты линейного расширения, увеличивают давление на боковые стенки пропилов при понижении температуры рис.2.2. Коэффициенты линейного расширения, их размеры и форма выбираются таким образом, чтобы скомпенсировать температурную нестабильность частоты кварцевого резонатора [16].



Рисунок 8. Кварцевый резонатор с компенсирующими вкладышами

Недостатками этого резонатора являются нетехнологичность изготовления, сложность его настройки и относительно невысокая точность термокомпенсации.

Наиболее близким к предлагаемому по техническому решению является термокомпенсированный пьезоэлектрический резонатор, содержащий пьезоэлектрическую пластину с электродами, закрепленную в держателе, и устройство термокомпенсации, включающее термодатчик, термокомпенсирующий и управляющий элементы, которые выполнены в виде термозависимой пластины, создающий давление на пьезоэлектрическую пластину при изменении температуры таким образом, чтобы скомпенсировать уходы частоты кварцевого резонатора [15].

Однако это устройство не позволяет осуществлять термокомпенсацию резонаторов в широких пределах изменения температуры и не обеспечивает высокой температурной стабильности частоты.

Повышение температурной стабильности частоты и расширение диапазона рабочих температур достигается тем, что в термокомпенсированном пьезоэлектрическом резонаторе, содержащем пьезоэлектрическую пластину с электродами, закрепленную в держателе, и усройство термокомпенсации, включающее термодатчик, термокомпенсирующий и управляющий элементы, держатель выполнен в виде пьезокерамического цилиндра с равноудаленной от его торцов кольцевой проточкой, образованной на внутренней поверхности цилиндра, на торцах которого нанесены управляющие электроды, подключенные к выходу устройства термокомпенсации, при этом пьезоэлектрическая пластина установлена в кольцевой проточке цилиндра.

На рис. 2.1 схематически показана конструкция термокомпенсированного резонатора.

Устройство содержит пьезоэлектрическую пластину (ПП), вставленную в кольцевую проточку (КП) пьезокерамического цилиндра (ПЦ), склеенного из нескольких частей, на его торцевые поверхности нанесены управляющие электроды (УЭ1) и(УЭ2), подключенные к выходу устройства термокомпенсации (УТ), которое содержит термодатчик (ТД), компенсирующий элемент(КЭ) и управляющий элемент (УЭЛ).

Влияние зазоров между пьезопластиной ПП и цилиндром ПЦ, а также индивидуальные особенности ТЧХ пьезопластины ПП могут быть учтены и записаны в память элемента КЭ. Форма ТЧХ резонатора может быть любой.

Предлагаемый резонатор более технологичен в настройке, так как для обеспечения заданной стабильности не требуется осуществлять механической подготовки и многократного снятия ТЧХ. Кроме того, использование предлагаемого резонатора в схеме генераторов позволяет увеличить их технические характеристики, в частности температурную стабильность частоты.

2. Выбор и расчет конструкции кварцевого резонатора

Из приведенного в п.1,2 анализа способов управления частотой кварцевых генераторов наиболее выгодным с точки зрения технических параметров, таких как: точность перестройки, малая инерционность, линейность и экономических: невысокая стоимость, высокая технологичность и др., является перестройка частоты с помощью пакетного пьезоэлектрического двигателя линейных перемещений, который осуществляет давление на кварцевую пластину.

Пьезодвигатель линейных перемещений состоит из пьезостолба, набранного из пьезокерамических шайб ЦТС-19 или ЦТС-23 (например, 20…50 шт., в зависимости от величины давления на кварцевую пластину). Ход пьезодвигателя выбирается исходя из того, что на 1мм пьезостолба приходится 1 мкм перемещения. Исходя из этого, ход пьезодвигателя может варьироваться в пределах 0…50 мкм.(11). Контролировать линейные перемещения с высокой точностью можно по методике изложенной в [11].

Достоинства пьезоэлектрического двигателя линейных перемещений: высокое быстродействие и точность; жесткость конструкции, обусловленная механическими свойствами пьезоэлектриков и простотой схемы; широкий температурный диапазон использования от 3К до точки Кюри пьезокерамики 950-550 К; возможность реверсирования; использование в вакууме и при воздействии радиации; отсутствие электромагнитных и незначительные тепловые излучения; сравнительно малые габариты; высокая надежность и экономичность; высокая нагрузочная способность и мощностные характеристики [21].

Элемент давления используется для создания давления на кварцевую пластину посредством пьезодвигателя. Элемент давления представляет собой металлический каркас (см. сборочный чертеж) и его действие основано на принципе упругого растяжения металлов и их сплавов.

На рис.3.1 показана типичная диаграмма растяжения металлов, которую можно разбить на несколько зон.



Рисунок 9. Диаграмма растяжения металлов

Диаграмма растяжения характеризует поведение металла при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации - до нагрузки Р_упр; равномерной пластической деформации от Р_упр до Р_mах и сосредоточенной пластической деформации от Р_mах до Р_к . Если образец нагрузить в пределах Р_упр , а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится. Такой характер деформирования образца называется упругим. При нагружении образца более Р_упр появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца. После достижения максимального значения нагрузки Р_mах в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца - шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В это время между деформированными зернами, а иногда и внутри самих зерен могут зарождаться трещины. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается от Р_mах до Р_к , и при нагрузке Р_к происходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца (?l_упр) исчезает, а пластическая (?l_ост) остается [11].

Таким образом, варьируя материалом, можно создать любое требуемое давление на кварцевую пластину, с любыми свойствами упругости управляющего элемента. Кроме того, правильный выбор металла или сплава позволяет стабилизировать работу самого пьезодвигателя и использовать его в широком диапазоне температур, с высокой термостабильностью.

Управление пьезодвигателем осуществляется блоком управления напряжением питания (БУНП), управляющий сигнал к которому поступает с формирователя сигнала управления (ФСУ). Блок управления напряжением питания представляет собой двуполярный регулируемый источник питания (см.схему электрическую принципиальную).

Структурная схема перестраиваемого кварцевого генератора представлена на рис. 10.

Рисунок 10. Структурная схема перестраиваемого кварцевого генератора: РУ - регулятор упругости; ПД - пьезодвигатель; УЗ - упругое звено; ЭД - элемент давления; КП - кварцевая пластина; УКР - управляемый кварцевый резонатор; Сх.У - схема усиления; БУНП - блок управления напряжением питания; ФСУ - формирователь управления питания; ИН - источник напряжения; ИИ - источник информации для перестройки f_пр.

Из п.2 известно, что для перемещения исполнительного органа (ИО) пьезодвигателя (ПД) на Дh_пд = 1 мкм требуется подать напряжение U_пд --на пьезокерамический элемент толщиной h_пд =1 мм, величиной 1000В.

Исходя из этих данных, рассчитываем ПД, который бы имел максимальное перемещение Дh_пд = 5мкм, достаточное для воздействия на кварцевую пластину [11].

Зададимся габаритами ПД. Пусть высота пьезостолба h_пд = 15 мм, толщина одного пьезоэлемента h = 0,05 мм, тогда величина требуемого напряжения U_пд для перемещения Дh_пд на 5 мкм будет равна:

Подставляя известные значения в (4.1) получим

U_пд = 15 В

Таким образом, для рассчитанного пьезодвигателя требуется 300 шт. пьезокерамических дисковых элементов из пьезокерамики ЦТС-19.

Для создания давлении на кварцевую пластину с помощью пьезодвигателя 1 требуется элемент давления (ЭД) (см. структурную схему), который бы воздействовал на кварцевую пластину посредством пьезодвигателя. Таким элементом давления может служить каркас из упругого материала с высокой температурной стабильностью в диапазоне температур от минус 30 до плюс 40 градусов С.

Наиболее подходящими материалами для изготовления такого каркаса могут служить, например такие материалы как инвары и элинвары.

Для проведения экспериментальных исследований был использован каркас из латуни Л62, характеристики упругости которой приведены в наиболее полно удовлетворяют требованиям работы [13].

Исходя из длины пьезостолба h_пд и диаметра кварцевой пластины зададимся длиной упругих стенок l_k - равной 36 мм. Ширина упругих стенок выбирается исходя из габаритных размеров кварцевого резонатора и жесткости конструкции. Примем ширину упругих стенок каркаса b_k равное 3,6, которая обеспечит достаточную жесткость конструкции.

Толщина упругих стенок каркаса b_k выбирается исходя из того, что при воздействии пьезодвигателя на упругие стенки была линейная зависимость удлинения стенок от предела упругости металла (рис. 2.1). Для того, чтобы вывести упругость упругих стенок каркаса в зону абсолютно упругих деформаций может использоваться регулировочный винт.

Расчет упругих стенок ведется исходя изданных приведенных в [11], где используется уже рассчитанный каркас из латуни Л62, сечение которого 6х1,5 мм.

Из приведенных выше соображений толщину упругих стенок каркаса найдем по формуле

где C_kn =1,5 мм - толщина упругой стенки исходного образца;

b_kn =6 мм - ширина упругой стенки исходного образца;

b_k - ширина упругих стенок каркаса.

Подставляя численные значения, получим

С_k = 1,25 мм

Каркас с пьезодвигателем, удерживают две стойки, выполненных также как и каркас из термостабильного сплава инвара 35НКТ.

Конструктивное исполнение арматуры (кварцедержателей) использовано от уже имеющейся готовой конструкции прецизионного кварцевого резонатора на частоту 5 МГц с АТ - срезом, которое обеспечивает достаточную жесткость и малые воздействия на кварцевую пластину.

Сжимающее воздействие на кварцевую пластину оказывают упоры, выполненные из инвара 35НКТ. Кварцевую пластину ориентируют таким образом, чтобы упоры оказывали давление по оси максимального изменения частоты.

3. Разработка принципов изменения частоты

При проведении экспериментальных исследованиий была использована схема.

На пьезодвигатель подавалось напряжение от прибора УПУ-1М в пределах от 0 до 1500 В.

Контроль частоты обеспечивался электронносчетным частотомером ЧЗ-30. Кварцевый резонатор АТ-среза на частоту 5 МГц возбуждался с помощью генератора, схема которого представлена на рис. 5.1.

Рисунок 11. Схема кварцевого генератора

Давление на кварцевую пластину производилось с помощью регулировочного винта в трех положениях, которым соответствуют точки 1,2 и 3 на диаграмме растяжения металлов.

Измерения проводились при пяти положениях кварцевой пластины относительно направления давления (рис.5.2) . Угол между положениями составлял 15⁰.

Эксперимент проводился в лабораторных условиях при температуре в помещении -22⁰ С.

Кварцевая пластина находилась на открытом воздухе и не имела защиту с помощью вакуума или инертного газа.

Рисунок 12. Схемотехническое изображение осей приложения давления.

Таблица 1

Частота генератора f_ген = 4999000 Гц при 1 положении регулировочного винта

U напряжение питания пьезодвигателя	Положение кварцевой пластины
	1	2	3	4	5
0	618	611	614	647	710
100	618	609	614	648	714
200	617	608	613	649	716
300	616	607	611	650	721
400	615	606	608	651	725
500	614	603	606	652	729
600	614	602	604	653	733
700	612	600	601	653	739
800	611	598	598	654	743
900	610	596	594	654	748
1000	609	594	593	655	754
1100	607	593	588	655	760
1200	606	590	585	657	766
1300	605	589	582	658	773
1400	604	587	579	660	778
1500	603	586	574	661	785

Таблица 2

Частота генератора f_ген = 4999000 Гц при 2 положении регулировочного винта

U напряжение питания пьезодвигателя	Положение кварцевой пластины
	1	2	3	4	5
0	584	536	514	688	768
100	584	537	513	688	770
200	583	537	512	690	773
300	582	538	509	690	778
400	582	535	505	692	782
500	580	533	501	693	788
600	579	530	498	694	794
700	577	528	494	696	799
800	576	525	490	698	805
900	575	522	485	701	811
1000	573	520	481	703	818
1100	572	516	476	706	825
1200	570	513	472	708	831
1300	568	510	468	710	838
1400	566	508	463	713	844
1500	564	504	458	716	854

Таблица 3

Частота генератора f_ген = 4999000 Гц при 3 положении регулировочного винта

U напряжение питания пьезодвигателя	Положение кварцевой пластины
	1	2	3	4	5
0	537	384	285	800	984
100	537	384	284	800	987
200	536	381	281	801	990
300	535	379	279	804	998
400	533	375	275	806	1003
500	532	372	271	808	1011
600	530	368	268	813	1020
700	528	364	262	816	1027
800	526	359	258	819	1038
900	522	356	254	823	1045
1000	519	352	247	828	1055
1100	518	348	243	831	1063
1200	517	345	238	835	1072
1300	515	341	233	840	1081
1400	514	338	231	843	1095
1500	513	335	225	848	1105

Зависимости частоты генератора от изменения напряжения питания пьезодвигателя линейных перемещений и изменение частоты генератора от поворота кварцевой пластины, построены в табл. 5.1, 5.2, 5.3, приведены в чертежах.

По графикам зависимостей частоты генератора от изменений напряжения питания пьезодвигателя U_пд видно, что изменение частоты кварцевого генератора f_ген имеет максимальные пределы перестройки при положении кварцевой пластины в пятой позиции. Это, очевидно, объясняется тем, что эта позиция находится наиболее близко к той оси кварцевой пластины, при которой наблюдается максимально возможное изменение частоты резонатора, в отличие от четырех других положений кварцевой пластины.

Также, по графикам зависимостей изменения частоты генератора Дf_ген от поворота кварцевой пластины видно, что изменение частоты Дf_ген тем больше, чем больше оказывается первоначальное давление на кварцевую пластину (см. рис.2.2).

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования кварцевого генератора показывают правоту теоретических рассуждений о том, что, во-первых, механическое давление, оказываемое на кварцевую пластину, способствует изменению частоты кварцевого резонатора, во-вторых, изменение частоты Дf_ген зависит от выбора оси давления кварцевой пластины, которые и используются в проектировании данного перестраиваемого кварцевого генератора.

Резисторы -- приборы с постоянным сопротивлением, которые применяются для создания режима полупроводниковых элементов. Требования к этим элементам определяются назначением цепи и степенью влияния на основные выходные характеристики кварцевого генератора. Резисторы, к тому же, наряду с высокой стабильностью сопротивления, должны обладать и небольшим температурным коэффициентом. Резисторы с переменным сопротивлением используются в цепях коррекции изменения частоты кварцевого генератора.

Позисторы -- приборы, у которых сопротивление увеличивается с повышением температуры. Они изготавливаются из материала на основе титано-бариевой керамики, который обладает уникальной температурной зависимостью сопротивления: в узком диапазоне температуры сопротивление позистора может увеличиваться на несколько порядков.

Конденсаторы постоянной емкости применяются в кварцевых генераторах в целях обеспечения обратной связи, управления частотой и фильтрации.

Катушки индуктивности служат для обеспечения точной настройки частоты на номинальное значение. Они обеспечивают необходимые параметры настройки при малых габаритах, малом температурной коэффициенте индуктивности и высокой стабильности.

Полупроводниковые диоды используются для детектирования в схемах высокой частоты, переключения цепей высокой частоты, а также в цепях формирования высокого напряжения. Диоды должны обладать резкой зависимостью сопротивления при переходе напряжения через ноль, потому что их сопротивление постоянному току влияет на частоту кварцевого генератора через элемент управления цепи термокомпенсации.

Биополярные транзисторы используются в качестве активного элемента. Они позволяют обеспечить высокую стабильность частоты как в широко применяемых кварцевых генераторах, так и в прецизионных.

Полевые транзисторы обладают большими входящим и выходящим сопротивлениями, небольшим уровнем шумов, что зачастую позволяет улучшить характеристики генератора. Однако следует помнить, что полевые транзисторы сильно влияют на стабильность частоты кварцевого генератора.

Кроме транзисторов в кварцевых генераторах применяют микросхемы, которые представляют собой высокочастотные универсальные усилители.

Кварцевые резонаторы являются пассивными компонентами радиоэлектронной аппаратуры и предназначены для использования в аналогово-цифровых цепях для стабилизации и выделения электрических колебаний определенной частоты или полосы частот. Принцип работы этого элемента следующий - в широкой полосе частот сопротивление прибора имеет емкостной характер и только на некоторых (рабочих) частотах имеет резко выраженный резонанс (уменьшение сопротивления).

Кварцевый резонатор имеет лучшие характеристики, чем другие приборы для стабилизации частоты (колебательные контуры, пьезокерамические резонаторы): такие как стабильность по частоте (уход частоты) и температуре (изменение частоты резонанса в зависимости от температуры окружающей среды).

Избирательный, ярко выраженный резонансный характер сопротивления этих компонентов определяет основные области применения кварцевых резонаторов - высокостабильные генераторы тактовых сигналов и опорных частот, цепи частотной селекции, синтезаторы частоты и т.д

Кварцевые резонаторы являются пассивными компонентами радиоэлектронной аппаратуры и предназначены для использования в аналогово-цифровых цепях для стабилизации и выделения электрических колебаний определенной частоты или полосы частот. Принцип работы этого элемента следующий - в широкой полосе частот сопротивление прибора имеет емкостной характер и только на некоторых (рабочих) частотах имеет резко выраженный резонанс (уменьшение сопротивления).

Кварцевый резонатор имеет лучшие характеристики, чем другие приборы для стабилизации частоты (колебательные контуры, пьезокерамические резонаторы): такие как стабильность по частоте (уход частоты) и температуре (изменение частоты резонанса в зависимости от температуры окружающей среды).

Избирательный, ярко выраженный резонансный характер сопротивления этих компонентов определяет основные области применения кварцевых резонаторов - высокостабильные генераторы тактовых сигналов и опорных частот, цепи частотной селекции, синтезаторы частоты и т.д

Кварцевые резонаторы являются пассивными компонентами радиоэлектронной аппаратуры и предназначены для использования в аналогово-цифровых цепях для стабилизации и выделения электрических колебаний определенной частоты или полосы частот. Принцип работы этого элемента следующий - в широкой полосе частот сопротивление прибора имеет емкостной характер и только на некоторых (рабочих) частотах имеет резко выраженный резонанс (уменьшение сопротивления).

Кварцевый резонатор имеет лучшие характеристики, чем другие приборы для стабилизации частоты (колебательные контуры, пьезокерамические резонаторы): такие как стабильность по частоте (уход частоты) и температуре (изменение частоты резонанса в зависимости от температуры окружающей среды).

Избирательный, ярко выраженный резонансный характер сопротивления этих компонентов определяет основные области применения кварцевых резонаторов - высокостабильные генераторы тактовых сигналов и опорных частот, цепи частотной селекции, синтезаторы частоты и т.д

4. Разработка конструкции управления кварцевым резонатором,генератора и блока управления напряжением питания электродвигателя

Двигатель с кварцевым резонатором предназначен для получения по настоящему стабильных колебаний на высокой частоте. В нем используется кусочек кварца (искусственного - двуокись углерода), вырезанный и отшлифованный таким образом, что он имеет определенную частоту колебаний (32768 Гц).

Высокая добротность Q(10000) и хорошая стабильность делают естественным его применение как задающего элемента в генераторах и фильтрах с улучшенными параметрами.

Так как данная частота (32768 Гц) превышает диапазон необходимых частот (30-500 Гц) после кварцевого генератора необходимо поставить перестраиваемый делитель частоты, так называемый счётчик с предварительной установкой.

Счётчик с предварительной установкой представляет собой устройство, которое формирует выходной сигнал тогда, когда число входных импульсов равно предварительно выбранному числу М. Выходной сигнал может быть использован как сигнал запуска определённой операции. При этом останавливается процесс счета, для того чтобы счётчик не изменял своего состояния или опять устанавливался в начальное состояние. Разрешая после сброса дальнейшую работу, получаем счётчик по модулю m, цикл счёта которого определяется заранее выбранным числом.

Большинство синхронных счётчиков имеют дополнительные входы с помощью которых реализуется параллельная работа. При этом можно легко осуществить описанную функцию предварительной установки. Введём в счётчик число Р=Z_МАКС-М, установив для этого на входе разрешения L=1, и подадим тактовый импульс Ф. Для двоичного сигнала число Z_МАКС-М вычислить особенно легко: оно равно обратному двоичному коду числа М. После прохождения М тактовых сигналов будет достигнуто состояние Z_МАКС. Об этом можно узнать без дополнительного дешифратора, так как на выходе переноса СЕ появляется 1, которая может служить признаком начала выполнения желаемой операции.

Если управляемая схема не синхронизирована с тактовым сигналом Ф, нежно преобразовать СЕ в переменную С_ф=СЕ•Ф и осуществлять управление так, чтобы избежать ошибочного запуска из-за неустановившегося переходного состояния.

Если счётчик должен продолжать работу в циклическом режиме, то достаточно соединить L-вход с 1. Тогда счётчик устанавливается М+1-м тактовым импульсом в исходное состояние.

В качестве такого счётчика будем использовать микросхему 564ИЕ15 с делением частоты на N=M*(1000P1+100P2+10P3+P4)+P5; M - модуль уст. вх. Ка, Кб, Кс. Р1, Р2, Р3, Р4 - умножители уст. вх. J1-J4; J13-J16; J9-J12; J5-J8; P5 - остаток уст. вх. J2-J4.

Согласно техническому заданию необходимо спроектировать генератор синусоидального напряжения в диапазоне частот: (30-500) Гц, следовательно после кварцевого генератора необходимо поставить сглаживающий перестраиваемый на частоты R-C фильтр.

Данная схема представляет собой активный фильтр, выполненный на операционном усилителе К140УД26А с коэффициентом усиления К=1.

По техническому заданию необходимо усиливать сигналы имеющие частоту от 30 до 500 Гц. Примем частоту срезы равной F_СР=1000 Гц и произведем расчёт фильтра.

Выберем резисторы R₁₁ и R₉. Так как ОУ (К140Уд26А) не может работать на нагрузку менее 2 кОм, то резисторы возьмём равными R₁₁ = R₉=10 кОм.

Произведем расчёт :

Произведем расчёт :

Коэффициенты усиления усилителя на низших частотах и f_ср=100 Гц:

Коэффициент частотных искажений:

.

Рассчитаем относительную мультипликативную погрешность, определяемую неточностью используемых резисторов:

Рассчитаем погрешность вызванную напряжением смещения и входными токами ОУ, так называемую приведенную аддитивную погрешность:

Резистор R₁₀ вводится в ОУ с целью уменьшения погрешности от входных токов операционного усилителя. Полная коррекция погрешностей от этих токов достигается при равенстве сопротивления резистора R₁₀ сопротивлению параллельно включенных резисторов R₁₁ и R₉:

(Ом).



Рис. 13 RC-фильтр

Рассчитаем относительную мультипликативную погрешность, определяемую неточностью используемых резисторов:

Рассчитаем погрешность вызванную напряжением смещения и входными токами ОУ, так называемую приведенную аддитивную погрешность:



Резистор R₁₀ вводится в ОУ с целью уменьшения погрешности от входных токов операционного усилителя. Полная коррекция погрешностей от этих токов достигается при равенстве сопротивления резистора R₁₀ сопротивлению параллельно включенных резисторов R₁₁ и R₉: