Содержание
Предисловие ..................................................
1.	Кварцевые резонаторы......................................
1.1.	Конструкция...........................................
1.2.	Характеристики резонаторов .	.	................
2.	Общие характеристики кварцевых генераторов ....
2.1.	Классификация КГ......................................
2.2.	Характеристики схем КГ................................
2.3.	Основные соотношения для расчета КГ...................
3.	Элементы кварцевых генераторов............................
3.1.	Резисторы, терморезисторы .	...................
3.2.	Конденсаторы, катушки индуктивности...................
3.3.	Полупроводниковые приборы, микросхемы ....
4.	Кварцевые генераторы на средние частоты...................
4.1.	Кварцевые резонаторы на средние частоты ....
4.2.	Особенности построения КГ.............................
4.3.	Практические схемы КГ.................................
5.	Низкочастотные кварцевые генераторы.......................
5.1.	Низкочастотные кварцевые резонаторы .	.
5.2.	Особенности построения КГ .	...................
5.3.	Практические схемы КГ.................................
в. Высокочастотные кварцевые генераторы ......................
6.1.	Высокочастотные кварцевые резонаторы..................
6.2.	Особенности построения КГ ............................
6.3.	Практические схемы КГ .	....
6.4.	Генераторы с использованием устройств на поверхностных аку
стических волнах .	....	...
7.	Термокомпенсироваииые кварцевые генераторы ....
7.1.	Кварцевые резонаторы..................................
7.2.	Особенности построения ТККГ	....
7.3.	Формирователи термозависнмого напряжения ....
7.4.	Практические схемы ТККГ .	.	....
8.	Термостатированные кварцевые генераторы...................
8.1.	Кварцевые резонаторы для ТСКГ .	...
8.2.	Общие характеристики и составные части термостатирующи
устройств ...	.......................
8.3.	Регуляторы температуры................................
8,4.	Схемно-конструктивные особенности ТСКГ ....
9.	Прецизионные кварцевые генераторы .	.....
9.1.	Прецизионные кварцевые резонаторы .	....
9.2.	Термостатированные кварцевые генераторы
9.3.	Прецизионные термокомпенсированные кварцевые генераторы
10.	Управляемые и частотно-модулироваииые кварцевые генераторы
10.1.	Основные соотношения.................................
10.2.	Генераторы, управляемые напряжением
10.3.	Генераторы с непосредственной частотной модуляцией
10.4.	Генераторы с частотной манипуляцией ,
11.	Миогочастотные кварцевые генераторы ......
11.1.	Многокварцевые генераторы...........................
11.2.	Генераторы на несколько близкорасположенных частот с од
ним кварцевым резонатором.................................
11.3.	Генераторы с поличастотными кварцевыми резонаторами
12.	Измерительные кварцевые генераторы........................
12.1.	Кварцевые температурно-чувствительные и массо-чувствитель
ные резонаторы ...	.	.	...
12.2.	Кварцевые снлочувствнтельные резонаторы ....
12.3.	Особенности построения измерительных КГ ....
12.4.	Измерительные КГ с длинной линией....................
13.	Аппаратура для измерения параметров КГ....................
13.1.	Аппаратура для частотных измерений...................
13.2.	Аппаратура для измерений параметров КГ ....
13.3.	Измерение параметров кварцевых резонаторов
Приложения .	........................................
Список литературы ......................................
Предметный указатель..............................
3
8
13
13
14
15
17
17
23
25
32
32
41
46
50
50
58
62
65
65
68
71
74
78
78
81
86
97
100
100
104
НО
116
121
121
127
132
139
139
145
150
158
165
165
168
173
176
176
181
187
191
194
194
204
210
215
221
230
ББК 32.884
А58
УДК 621.316.726(031)
Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г.
А58 Кварцевые генераторы: Справ, пособие. М.:
Радио н связь, 1984. — 232 с., ил.
В пер.: 1 р. 20 к.
Описаны низко-, средне- я высокочастотные кварцевые генера-
торы: термокомпеисироваииые, термостатированные, прецизионные,
миогочастотные, а также управляемые. Приведены особенности я
режимы работы, схемы н параметры различных генераторов, в том
числе генераторов с резонаторами, яспользующими акустические
поверхностные волны, и генераторов — измерителей неэлектрнче-
ских величин.
Для инженерно-технических работников, специализирующихся
В области радиоэлектроники, связи я измерительной техники.
2402020000-040	ББК 32,884
А 046(01 )-84 120-84	6ФО.32
РЕЦЕНЗЕНТЫ: П. Г. ПОЗДНЯКОВ, А. П. ШВАРЦ
РЕДАКЦИЯ ЛИТЕРАТУРЫ ПО РАДИОТЕХНИКЕ
’Григорий Борисович Альтшуллер, Николаи Николаевич
Елфимов, Виктор Григорьевич Шакулин
КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ.
Редакторы В. Н. Корягин, И. С. Балашова
Художник Н. Д. Горбунова
Художественный редактор Р. А. К л о ч к о в
Технический редактор Г. И. К о л о с о в а
Корректор Н. Л. Жукова
ИБ № 846
Сдано в набор 30.08.83, Подписано в печать 9.01.84.	Т-03213
Формат 84Х108/з2, Бумага тип.№3
Гарнитура литературная. Печать высокая.. Усл. псч. л. 12,18.
Усл. кр.-отт. 12,18. Уч.-изд. л. 16,5. Тираж 27 000. Изд. № 19164
Зак. 1755 Цена 1 р. 20 к.
Издательство «Радио и связь». 101000 Москва, Почтамт, а/я 693
Московская типография № 4 «Союзполиграфпрома» при Государст-
венном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книж-
ной торговли, Москва, 129041, Б. Переяславская, 46
(С)' Издательство «Радио и связь» 1984.
Предисловие
Кварцевые генераторы (КГ) широко прнменякуг в современной
радиоэлектронике. Оии используются в технике радиосвязи, радио-
локации, измерительной и вычислительной технике, телеметрии,
в бытовых приборах таких, как наручные электронные часы, магни-
тофоны, телевизоры н др. Использование КГ позволяет создать на-
дежную радиоаппаратуру высокой точности, простую в эксплуатации,
малых габаритов и с малой потребляемой мощностью.
Следует отметить очень большой диапазон частот, на которых
используются КГ: от нескольких килогерц до сотен мегагерц. Наря-
ду с традиционным применением кварцевых генераторов для стаби-
лизации частоты возбудителей, гетеродинов и синтезаторов частоты,
в последнее время их начали использовать для измерения (с весьма
высокой точностью) давлении, деформации, ускорения, температуры,
влажности и большого числа других параметров.
В справочном пособии сделаны попытки обобщить материал по
схемам КГ во всем диапазоне частот, приведены практические схе-
мы простых, термостатированных, термокомпеисированиых, управ-
ляемых, прецизионных, многочастотиых генераторов, генераторов
с использованием полнчастотных резонаторов и резонаторов с ис-
пользованием поверхностных акустических воли, измерительных КГ.
Авторы выражают признательность рецензентам П. Г. Поздняко-
ву н А. П. Шварцу за внимательное рассмотрение рукописи, советы
и замечания, которые были учтены при доработке и редактирова-
нии, а также А. Д. Чериядьеву, принявшему участие в написании
разд. 8 и 9.
Авторы будут благодарны читателям, приславшим свои замеча-
ния н отзывы в издательство «Радио и связь» по адресу. 101000,
Москва, Почтамт, а/я 693.
3
1.
КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
1.1. Конструкция
Кварцевый резонатор представляет собой электромеханическое
устройство, основой которого является пьезоэлектрический элемент,
изготовленный из кристаллов кварца (кристалл двуокиси кремния).
Кристаллы имеют три кристаллографические оси, вдоль которых
электрические свойства кварца одинаковы: х — электрическая,
у — механическая и z — оптическая. Кристаллы кварца обладают
прямым пьезоэффектом (возникновение зарядов под действием ме-
ханического напряжения) и обратным (появление механических
напряжений при электрической поляризации).
Резонатор состоит из пьезоэлемента, кварцедержателя и кор-
пуса; пьезоэлемент состоит из кристаллического элемента и элект-
родов. Кристаллические элементы, изготовленные из кристаллов
кварца, могут иметь форму прямоугольного бруска, прямоугольной
или квадратной пластины, круглой плоской или линзовой пластины.
Кристаллический -пьезоэлемент может совершать различные меха-
нические колебания, которые определяются характером движения
его элементарных частиц. Различают механические колебания сдви-
га по контуру, сдвига по толщине, косого сдвига, изгиба, кручения,
сжатия—растяжения. Эти колебания могут происходить как на
основной частоте (колебания первого порядка) — в этом случае в
направлении колебания укладывается половина волны, так и иа
высших гармониках (колебания n-го порядка) — в этом случае в
иаправлеинн колебаний укладывается л полуволн. В резонаторах с
колебаниями сдвига по толщине, которые наиболее часто применяют
в стабильных Кг, можно использовать колебания только нечетных
порядков. Вид н порядок колебаний пьезоэлемента определяют па-
раметры резонаторов1.
В значительной степени параметры резонатора определяют
срезом пьезоэлемента — его орнентацвей относительно кристалло-
графических осей кварца. В зависимости оттого, по каким осям ори-
ентированы толщина, ширина и длина пьезоэлемента, срез может
обозначаться буквами х, у, z с указанием угла поворота относитель-
но осей. Более широко в литературе применяется обозначение сре-
за двумя буквами, например [148]. Такие обозначения применяют-
ся в данном пособии.
Электрическое поле прикладывается к кристаллическому эле-
менту с помощью электродов — токопроводящей пленки илн плас-
тины, контактирующей с прверхностью кристаллического элемента
илн расположенной вблизи нее. Благодаря простоте и надежности
широко распространены электроды в виде металлической пленки.
Электрод может занимать либо всю поверхность кристаллического
1 В зависимости от направления колебаний пьезоэлемеита будем
называть резонаторам» с колебаниями сдвига по контуру, сдвига по
толщине и т. д.
4
элемента, либо покрывать его частично. Электрод через отводы сое-
диняется с кварцедержателем.
Кварцедержатель выполняется в виде стоек, толстой проволоки
или леит. Иногда функцию кварцедержателя выполняет корпус ре;
зонатора. В этом случае пьезоэлементы крепятся непосредственно
к стенкам стеклянного баллона. Корпус резонатора защищает пьезо-
элемент от механических и климатических воздействий и состоит
из основания с выводами и кожуха (баллона). Имеется несколько
типов выводов: Ж — жесткие, предназначенные для разъемных
Рис. 1.1. Классификация герметизированных и вакуумных корпусов
соединений; Г — гибкие, предназначенные для соединений с гене-
ратором пайкой нли сваркой; П — жесткие, с выводами для при-
пайки.
Корпуса резонаторов мЪжно разделить иа герметизированные и
вакуумные. Герметизированные корпуса бывают только металли-
ческими. Внутренний объем в них заполняется сухим воздухом или
инертным газом. Кожух герметизированных корпусов соединяется
с помощью сварок холодной контактней или, что весьма перспек-
тивно, с помощью лазеров.
Вакуумные корпуса бывают стеклянные и металлические. Для
стеклянных корпусов используют колбы от электровакуумных ламп.
В некоторых случаях оии изготавливаются специально, например
для резонаторов КА и КБ. Металлические вакуумные корпуса ис-
пользуют для микроминиатюрных резонаторов (например, для на-
ручных часов).
Классификация герметизированных и вакуумных корпусов
дана на рис. 1.1. На рисунке обозначения верхних квадратов соот-
ветствуют типам корпусов, нижних — типам выводов.
Перечислим типы корпусов; Б — плоский прямоугольный кор-
пус для вертикального монтажа, имеет сравнительно большие разме-
ры, в перспективной аппаратуре их использовать нецелесообразно;
П — имеет вдвое меиьшую толщину, чем резонаторы типа Б, и поэ-
тому более перспективны; Г — дают возможность использовать два
пьезоэлемента при размерах почти таких же, как корпуса типа Б;
М — миниатюрные плоские корпуса для вертикального монтажа,
хорошо компонуются в современной аппаратуре; У — прямоуголь-
ной формы, используются в сравнительно низкочастотном диапазо-
не частот, из-за больших габаритов использование их в перспектив-
5
ной ' аппаратуре нецелесообразно; Т — имеют плоскую круглую
форму» похржую на корпуса транзисторов; КА и КБ — плоские
прямоугольные стеклянные корпусу, с двумя выводами, имеющие
форму и размеры, аналогичные формам и размерам герметизирован*
ных корпусов М, Б, диапазонов ^частот 4—300 и 1 — 10 МГц; Ч —
металлический, с высотой менее 3,1 мм; Э, С, Д, Ц, Ж —• баллоны
радиоламп, их данные следующие:
Баллоны радиоламп	Э	С	Д	ц	Ж
Диаметр, мм Диапазон частот, МГц Число выво- дов, шт.	10,16 0,001—300 8	19 0,0005—75 5	22,5 0,1-0,15; 0,49—5 9	30 0,1—0,12; 1-8 4	34,5 1-5 12
Подробные сведения о герметизированных и вакуумных кор-
пусах приведены в табл. 1.1, 1.2, 1.3 соответственно, а общий вид
резонаторов дан на рис. 1.2—1.4.
Я
Рис. 1.2. Металлические корпуса резонаторов
Рис. 1.3. Металлические корпуса резонаторов Т и У
в
Таблица 1.1. Параметры герметизированных металлических
корпусов резонаторов
Обозна- чение по ОСТ 11338. 002—75	Обозна- чение по ГОСТ 6503 — 75	Вид гермети- зации	Номер рисунка	Размеры, мм			Диапазон частот, МГц
				4	В	Н	
БА, ББ БГ, БД МА, МБ МГ, мд ПА	Б!, Б2 Ml, М2	Пайка Холодная сварка Пайка Холодная сварка Пайка	Рис. 1.2а	19.3 19,2 11,1 11,3 19,3	9,0 9,2 4,7 5,3 5,0	19,7) 19,7/ 13,5) 13,5/ 19,8	0,5-50 4-300 0,75—50
БВ МВ	БЗ	Пайка »	Рис. 1.26	19,3 И,1	9,0 4,7	19,7 13,5	0,5—50 4—300
ME ГА	М3	Пайка >	Рис. 1.2в Рис. 1.2г	11,1 20,2	4,7 10,2	13,5 19,6	4-300 1-50
Примечание. В обозначениях по ОСТ 11338.002—75 первая буква соответствует
типу корпуса, вторая — типу вывода. В обозначениях по ГОСТ 6503—75 циф-
ры 1, 2, 3 соответствуют типам Ж. Г. П.
Таблица 1.2. Параметры металлических корпусов резонаторов
типов Т и У
Обозначение по ОСТ 1 1 338.002-75	Вид герметизации	Размеры, мм		Диапазон частот, МГц	Номер рисунка
		D	н		
ТА	Холодная	16,5	6.5	2,5—200	Рис. 1.3,6
ТБ	сварка				
	в	2,4	6,5	1,5—20	Рис. 1.3,6
ТВ	Конденса-	5,5	15	3-100	Рис. 1.3,а
УА, УЖ	торная сварка Пайка		15		
УБ, УИ	в			18		
УВ, УК	»			22	0,04-08	Рис. 1.3,9
УГ, УЛ	>			25		
УД, УМ	в			28.		
УЕ, УН	в	—	34		
Примечание. В обозначениях по ОСТ 11 338.002—75 первая буквв обозначает
тип корпуса, вторая — размер (см. рис. 1.2) и тип вывода, причем все Т —
гибкие выводы, все У — жесткие.
7
Рис. 1.4. Вакуумные корпуса резонаторов:
а —Г—*12; В-5,5; Я-ШКА); L-20.5; В-11,0; Я-20(КБ); ж—L-I5.7; В=5,3;
/7 — 3.1 (все размеры в миллиметрах)
Существуют и цестандартные типы корпусов. Например, кор-
пуса М и К имеют размеры 8,5 X 5 X 2,5 мм. Резонаторы с такими
корпусами бывают герметизированные и вакуумные. Для резонато-
ров могут использоваться баллоны транзистора (напрнмр, ТО-5),
корпуса микросхем (например, металлический корпус микросхемы
К-15!). Разработаны конструкции стеклянных корпусов диаметра-
ми 4 н 3,6 мм н другие, которые позволяют создать резонаторы су-
щественно меньших размеров, чем в стандартных корпусах.
1.2. Характеристики резонаторов
Кварцевый резонатор, включенный в электрическую цепь, ве-
дет себя как колебательный контур третьего вида вблизи резонанс-
ных частот и как конденсатор, имеющий емкость, равную статичес-
кой емкости резонатора Со вдали от резонансных частот.
Эквивалентная электрическая схема резонатора изображена иа
рис. 1.5, а. Элементы Z.K, Ск, RK называют динамическими парамет-
рами: индуктнвйость'ю, емкостью н сопротивлением резонатора,
Со — статической параллельной емкостью резонатора. Динамичес-
кие параметры резонатора зависят от частоты, размеров пьезоэле-
мента, вида среза, порядка колебаний и формы электродов. Как ви-
дно из эквивалентной схемы, резонатор имеет частоты последова-
8
Таблица 1.3. Параметры Стеклянных корпусов резонаторов
Обозна- чение по ОСТ 11338. 002—75	Размеры, мм		Обозна- чение по ОСТ 11338.002—	Размеры, мм	
	D	н		D	Н
КА, КБ	(см. рис.		1.4, р)
ЭА	16,5	22	
ЭБ	21,5	27	
ЭВ	26,5	32	
ЭГ	31,5	37	
эд	36,5	42	
ЭЕ ЭЖ	41,5 46,5	47 52	Рис. 1.4,6
ЭИ	56,5	62	
ЭК	66,5	72	
ЭЛ	76,5	82	
ЭМ	86,5	92	
эн	101,5	107	
СА, СН	22,3	29,0	
СБ, СП	27,3	34,0	
СВ, СР	34,3	41,0	
сг, сс	. 40,4	47,6	
сд, ст	47,3	54,0	Рис. 1.4,9
СЕ, СУ	56,3	63,5	
сж, СФ	67,3	74,0	
СИ, сх	78,5	85,7	
СК, сц	91,2	98,4	
СП, сш	103,9	111,1	
см, сэ	116,9	123,8	
ДА, ДН	22,3	29,0}	
ДБ, ДП	27,3	34,0	Рис. 1.4,9
ДВ, ДР	30,9	38,1	
ДГ, ДС	26,3	43,0	
ДД, ДТ	42,0	49,2.	
ДЕ, ДУ	47,3	54,0	
ДЖ.ДФ	.53,1	60,3	
ДИ, ДХ	64,2	71,4	Рис. 1.4,9
ДК, дц	78,5	85,7	
дп.дш	92,8	100,0	
ДМ, дэ	107,1	114,3	
ЦА		40	
ЦБ ЦВ		50 70	Рис. 1.4,3
ЦГ		85	
ЖА .		28	
ЖБ		38	
ЖВ		48	Рнс. 1.4,9
ЖГ		58	
ЖД		68	
Кварцевый резонатор для электронных наручных часов	(0,03—
0,035 МГц) (рнс. 1.4, ж)
Примечание. В обозначениях по OCT 11 338.002—75 первая буква — тип кор-
. пуса, вторая — его размер (см. рнс. 1.4). Обозначения резонаторов по ГОСТ
11599—67: Э2, CI. С2, Д1, Д2, Ц2, причем первая буква — тип корпуса, циф-
ра-тип вывода, параметры — в соответствии с аналогичным корпусом по
OCT И 338.002—75; КА и КБ, СА—СМ. ДА—ДМ— имеют жесткие выводы, все
остальные — гибкие.
тельного и параллельного резонансов:
/п== 1 /2 л	Сц Со/(CK-f- Ce) = /к1/1+Ск/С0 ~ /к (1-|- т/2).
Коэффициент т, входящий в последнюю формулу, однозначно ха-
рактеризует полосу частот между последовательным н параллель-
ным резонансами. Это — важный параметр резонатора, называют
его емкостным отношением т =* Ск/С0. Иногда пользуются обрат-
9
ным отношением емкостей, называемым емкостным коэффициентом
Т = С0/Ск = \!т.
Емкостное отношение зависит от среза, размеров и формы пье-
зоэлемеита и электродов, от порядка колебаний и других парамет-
ров резонатора. В некоторых случаих пользуются понятиями ха-
рактерных резонансной fr н антирезонаисной/а частот, при которых
полное электрическое сопротивление иосит активный характер и
минимально и максимально соответственно:
+о,5« (1	~
^fK(l+0,5m^) = fK(l+0,5rK/Q);
f а = / н ]/'1+0,5т(1 +/Т=4Т») == fK [ 1 + 0,5т (1 - г ’)] ==
®fn(1^0,5mr*) = /n(l-0,5rIt/Q).
В генераторе резонатор может воз-
буждаться на частотах, отличных от
fu, fn< fr и Реальное значение часто-
ты колебаний резонатора в генераторе
называют рабочей частотой f.
Для рабочей частоты приведенная
расстройка e^= (f—fK)/ (fn — fK) = (f —
— /к)'д/п.к = (ш—<ок)/0,5тш„. Следует
отметить, что значение приведенной
расстройки е (в дальнейшем для про-
стоты будем называть просто расстрой-
кой) дли частоты последовательного ре-
зонанса равно нулю, для частоты парал-
лельного резонанса — 1.
Одной из важных характеристик
резонаторов является температурная
стабильность частоты. Наиболее полно она характеризуется тем-
пературно-частотной характеристикой — кривой, показывающей
изменение частоты резонатора в зависимости от температуры
рис. 1.6:
<6/=2г^.= V r(n)(Z_/o)n,	(Г.1)
/О и 1
<0	О
Рис. 1.5,, Эквивалентные
схемы кварцевого резона-
тора
Рис. 1.6. Температурно-частотная характеристика кварцевого резонатора
10
(n)	1	/ иП1 \
где Tf = ~n\J^	—температурный коэффициент частоты
n-го порядка резонатора; /0 — начальная температура; /0 — часто-
та, соответствующая температуре /0.
Для широко используемых рабочих интервалов можно ограни-
читься значением п = 3, тогда (1.1) примет вид 6/ = ао0 (/ — /0) +
+ ^00	~~ 'о)2 + со0 ~ <о)3. где а, Ь, с—температурные коэффи-
циенты частоты первого порядка. Температурные коэффициенты
зависят от выбора начальной температуры (формулы зависимости
этих коэффициентов от температуры приведены в [40], [35]) и от уг-
ла ориентации 6.
Если известны значения температурных коэффициентов а00,
&оо. <ч>о для угла 60, то их значении для угла 6 могут быть найдены
из следующих соотношений:
да
аО0 = аоо +‘ЗйГ (®— Оо) = Соо + ^а (0 —%);
дЬ
^О0 = ^оо 4-“77Г (®—6о) — ^оо + ^Ь (0 — ®о);
аи
дс .
с00~	— 0о) = гОо+^с(0 — ©о)-
Температурные коэффициенты, а следовательно, ТЧХ и темпе-
ратурная стабильность зависят от расстройки резонатора (см.
разд. 4).
В общем случае ТЧХ имеет одну точку перегиба н два экстре-
мума (см. рис. 1.6):
G = ^o ^оо/^сов'' ^mln = fo+^> 1тах =
= Л, где boo У\20 Зао0 со0)/3со0 .
Следует отметить, что при выборе t0 = tt коэффициент второго
порядка bid = 0. Температурная стабильность частоты сильно за-
висит от ориентации пьезоэлемента относительно кристаллографи-
ческих осей. Максимальное ее значение для выбранного среза пьезо-
элемента и данного интервала температур
^fmin = [kh. (t а ^) + &с Ua (Ь)— ^)’l X
aio + 0,75С;о (/а (ьу — Ц)2
Х *а4-0,754с(<а(г,)-^)2 +aio(^(6)“Zi)+Cio(Za(b)-/i)’-
где /а(£,) — крайние значения интервала рабочих температур резо-
натора.
При расчете генераторов эквивалентную электрическую схему
резонатора представляют в виде последовательного соединения ре-
активного Х1(В и активного /?кв сопротивлений и пользуются при-
веденными к модулю реактивного сопротивления емкости Со зна-
чениями хкв и гкв.
11
Приведенные реактивные, активное и полное сопротивления
равны соответственно:
х«в=Хкв/| ХСо |= [г (1 —е) — г»]/[(1	;
'кв = Лкв/1 ХСо I = М(1 -е)2 + 'к! = гк/(1 -е)\
Zkb =]/<XKB~t“rKB-
Отношение реактивных сопротивлений динамической индуктив-
ности или динамической емкости резонатора на частоте последова-
тельного резонанса к его динамическому сопротивлению называют
добротностью '. QK = X, /RK = Хг /RK = l/wKCK7?„ = 4>KLK/RK.
к	к
Добротность резонатора определяет стабильность частоты квар-
цевого генератора и зависит от вида и порядка колебаний, среза,
размеров и конфигурации кристаллического элемента и электродов,
конструкции и крепления пьезоэлемента. Добротность резонатора
изменяется при изменении температуры вследствие изменения ди-
намического сопротивления. Оиа увеличивается с повышением тем-
пературы, однако в некоторых температурных интервалах могут
наблюдаться нерегулярные (скачкообразные) изменения, обуслов-
ленные влиянием побочных колебаний; особенно это проявляется
при больших мощностях рассеяния [!42, 16].
Для сравнения резонаторов'используется такая качественная
характеристика, как активность. Активность резонатора в схеме
генератора оценивается по уровню выходного напряжения на на-
грузке. Следует отметить, что активность резонатора может быть раз-
личной в интервале температур, что в некоторых случаях приводит
к скачкообразному изменению выходного напряжения вследствие
изменения взаимосвязи побочных видов колебаний с основным. В
схемах последовательного резонанса активность резонатора оцени-
вается по динамическому сопротивлению RK. Резонаторы с меньшим
значением RK характеризуются большей активностью. В схемах
параллельного резонатора активность оценивается эквивалентным
параллельным сопротивлением резонатора Rm с учетом эквивалент-
ной емкости генератора. При этом Rm = !/<0к (Со + Сг)27?к ~
Хс, <?IRK (! — е).
Качественной характеристикой резонатора является также его
старение. Оно характеризуется измерением частоты резонатора во
времени при эксплуатации и хранении. Это изменение частоты во
времени тем больше, чем больше рассеиваемая резонатором мощ-
ность. Мощность рассеяния Р — PRKB = UbbRkb/ZBb. При ра-
боте на частоте последовательного резонанса Р = Ukb/Rk. На
частоте параллельного резонанса с учетом Cr Р = Uv.B/Rm =
= (Со+ Сг)% = С'2„ (! - e)RK!X^
Еще одной качественной характеристикой является моночас-
тотность. Оиа оценивается по отсутствию в заданной полосе частот
нежелательных резонансов с уровнем возбуждения выше установ-
ленного в технической документации, а также соотношением дина-
мического сопротивления резонатора на нежелательных резонансах
и на основной частоте.
12
Условия эксплуатации определяют изменения частоты резона-
тора, вызванные механическими и климатическими воздействиями.
По условиям эксплуатации резонаторы подразделяют на. четыре
группы [61], характеристики которых приведены в табл. 1.4.
Таблица 1.4. Характеристики групп условий эксплуатации
резонаторов
Характеристика	Группы			
	I	II	ш	IV
Диапазон частот, Гц	5—2500	5—1000	5—80	5-80
Ускорение, g Многократные удары с ус-	18	10	7,5	2,5
кореннем, g Одиночные удары' с ус-	150	35	35	12
корением, g	500	500	500	—
Линейные нагрузки, g	100	25	—	
2.
ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
2.1.	Классификация КГ
Кварцевые генераторы можно классифицировать по различ-
ным признакам.
По способам повышения стабильности
частоты:
простой без дополнительных элементов, предназначенных для
улучшения каких-либо его параметров;
термокомпенснроваиный кварцевый генератор (ТККГ), откло-
нение частоты которого в интервале температур уменьшается с по-
мощью специальной электрической цепи:
термостатированный кварцевый генератор (ТСКГ), элементы
электрической цепи которого полностью или частично помещены в
термостат для уменьшения влияния окружающей температуры.
По функциональной особенности:
с частотной модуляцией;
частотно-манипулироваиные (с частотной телеграфией);
управляемые изменением индуктивности или емкости;
управляемые напряжением;
высокостабильные (прецизионные);
миогочастотиые, в которых используется коммутация несколь-
ких резонаторов (или одного) для стабилизации ряда близкораспо-
ложенных частот;
измерительные, в которых резонатор используется для преоб-
разования изменения какой-либо физической величины в изменение
частоты.
По допустимой нестабильности частоты
КГ можно разделить на семь групп: менее 0,001 -'10-6; (0,001 —
13
— 0,01)10-’; (0,01 —0,1)10-’;	(0,1 — 1)10"’;	(1 — 10)10-’;
(10 — 100)10-’; более 100 • 10-’. Внутри каждой группы ста-
бильности могут быть различными. Целесообразно для унификации
требований выбирать нестабильности по следующему ряду в одной
группе: ±1; ±1,5; ±2; ±2,5; ±3; ±5; ±7,5 и ±10. Обычно в квар-
цевых генераторах за классификационную стабильность принимают
температурную стабильность частоты в рабочем интервале темпера-
тур.
По диапазону частот:
низкочастотные (1 —1000 кГц);
средиечастотные (1—30 МГц);
высокочастотные (выше 30 МГц).
По элементной базе и способам конст-
руирования:
на дискретных элементах;
гнбрндные с резонатором;
гибридные с пьезоэлементом;
интегральные с пьезоэлементом;
интегральные на пьезоэлементе.
2.2.	Характеристики схем КГ
Схемы КГ могут быть подразделены по следующим признакам:
По частотам возбуждения резонаторов:
схемы последовательного резонанса (резонатор работает вблизи час-
тоты последовательного резонанса), схемы параллельного резонан-
са (резонатор работает на частоте, близкой к
частоте параллельного резонанса).
По характеру возбуждения
резонатора: на основной частоте на коле-
баниях высших порядков. Колебания высшнх
порядков широко используются в высокоста-
бильных (прецизионных) кварцевых генераторах
и в случаях, когда необходимо получить высо-
кие частоты (свыше 15—40 МГц) без применения
щенная2 /' эк°нв°: умножителей частоты.
лентная трехто*	П О месту ВКЛЮЧ6ННЯ р 6 3 О«
чечиая схема КГ
натор.а различаются трехточечные схемы
с резонаторами соответственно между базой и
коллектором транзистора; между базой и эмиттером транзисто-
ра; между эмиттером и коллектором транзистора. Схема с квар-
цевым резонатором, включенным между базой и коллектором тран-
зистора, называется емкостной трехтонкой. Эквивалентная схема
КГ, собранного по такой схеме, приведена на рнс. 2.1. Если резона-
тор включен между базой н эмиттером или эмиттером н коллекто-
ром, схемы называются индуктивной трехточкой. Если последо-
вательно с резонатором не включено реактивное сопротивление или
это сопротивление имеет емкостный характер, то резонатор воз-
буждается на частоте, расположенной между частотами последова-
тельного и параллельного резонансов.
При индуктивном характере реактивного сопротивления, вклю-
ченного последовательно с резонатором, последний может воз-
буждаться на частоте ниже или выше частоты последовательного
резонанса; при определенном значении этого реактивного сопротив-
14
леиия резонатор возбуждается на частоте, совпадающей с частотой
последовательного резонанса.
Наиболее широко из таких схем используется емкостная трех-
точка. Она позволяет получить максимальную стабильность часто-
ты КГ, более проста в регулировке, надежна по сравнению с индук-
тивными трехточкамн.
Схемы с включением кварцевого резонатора в цепи обратной
связи показаны на рнс. 2.2 Резонатор в таких генераторах возбуж-
дается на частоте, близкой к частоте последовательного резонанса.
Схемы с кварцевым резонатором в цепи обратной связи менее кри-
тичны к значению динамического сопротивления резонатора: в них
можно применять резонаторы с большим /?к по сравнению с трех-
Рис. 2.2. Эквивалентные схемы КГ с кварцевым резонатором в цепи обратной
связи:
а — в цепи базы; б — в цепи эмиттера; в — в цепи коллектора
точечными схемами. При той же мощности, рассеиваемой на квар-
цевом резонаторе, эти схемы позволяют получить больший уровень
напряжения на нагрузке КГ. Однако стабильность частоты КГ, вы-
полненного по схеме с кварцевым резонатором в цепи обратной свя-
зи, ниже стабильности при использовании трехточечных схем. Поэ-
тому эти схемы с кварцевым резонатором используются'значительно
реже по сравнению с трехточечными схемами (рнс. 2.3).
2.3.	Основные соотношения для расчета КГ
Основным соотношением, описывающим стационарный режим
КГ, является уравнение стационарного режима [68, 16]
SY1(6)ei<₽sZy=l,	(2.1)
где S — крутизна аппроксимированной статической характеристи-
ки коллекторного тока транзистора; 6 — высокочастотный угол от-
сечки; Yl (6) — коэффициент разложения первой гармоники коси-
нусоидального импульса; <р3 — фаза усредненной за период коле-
баний крутизны коллекторного тока SY1 (6); Zy — управляющее
сопротивление автогенератора.
Рассмотрим соотношения для расчета элементов частотозадаю-
щей цепи КГ, собранного по емкостной трехточке, в котором после-
довательно с резонатором Пэ1 включен элемент уравнения частотой
генератора Zy.H (рнс. 2.4).
Управляющее сопротивление КГ: Zy = KZj (Z2 + Zy.H + ZKB)/
(Zj Za Zy>u ZBB), где Zjjn == ^kb "b i-^кв полное экви-
валентное сопротивление кварцевого резонатора; Zj, Za — полные
15
сопротивления элементов цепи обратной связи; Zy.If — полное со-
противление элемента управления частотой КГ; К = —Z2/(Z2-j-
+ Zy.„ + ZliB) — коэффициент обратной связи.
При этом Zy =• —ZjZ2/ (Zj + Z2 .+ Zy.„ Z[;!{). В [16] про-
анализирован установившийся режим КГ и показано, что модуль
управляющего сопротивления генератора
1
I Zv I =-----=
Syi (6)
=	^2 (1 — tg Ф1 tg Фг) [ 1 — {6(Ф1 + ф2) tg ф„]
Я1 + Кг Ку. и 4~ Я кв
oosq>s, (2.2)
Рис. 2.3. Эквивалентные трехточечпые схемы КГ:
и — емкостная; б и в — индуктивные
Рис. 2.4. Эквивалент-
ная трехточечная
схема КГ с элемен-
том управления ча-
стотой
где Хх, Х2 и Ki, К2 — реактивные и активные составляющие Zj и
Zt; Ку.н> Ккв — активные сопротивления управляющего элемента
и резонатора соответственно; ®t, <р2 — фазы Z2 и Z2 соответственно
(tg Ф1 = Ki/Xi); (tg ф2 = К2/Л2); фа — Фаза крутизны транзисто-
ра.
Частота КГ, выполненного по схеме емкостной трехточки в со-
ответствии с обобщенной схемой, приведенной на рис. 2.4, в общем
случае не равна частоте последовательного резонанса резонатора
fK и определяется из выражения/н [(1— 0,5тхг.полц/1 — ^г-полп)!.
гДе *г.полн=*1 + *г+ *у н— (Г1 + г2 + гу.„ ) tg (ф1 + ф2 + Фа) —
значение приведенного полного реактивного сопротивления КГ; Xj,
х2, ху.н, ri> г2 и гу.н — приведенные реактивные и активные состав-
ляющие; Zb’Z2 и Zy.H — относительные безразмерные величины,
равные отношению сопротивлений к модулю
реактивного сопротивления емкости резона-
тора Со |ХСо | = 1!/шС0|.
При изменении реактивного сопротивле-
ния, включенного последовательно с резона-
тором, изменение частоты КГ определяется
из выражения
Д/ = —0,5т/кДх (1 — е)2/ [! — Дх (1 — е)],
(2.3)
где Дх = ДX/1Хс| — приведенное значение
изменения реактивного сопротивления.
Выражением (2.3) пользуются при расчете
управляемых-по частоте КГ: частотно-моду-
лировднных, с частотной манипуляцией.
16
термокомпеисированных и др., т. е. во всех случаях, когда по извест-
ному изменению реактивного сопротивления Дх необходимо опре-
делить изменение частоты, и, наоборот, когда по заданному изме-
нению частоты Д/ необходимо определить требуемое изменение ре-
активного сопротивления Дх. Это же выражение используется и для
расчета дестабилизирующего влияния изменения реактивных со-
противлений, включенных последовательно с резонатором.
3.
ЭЛЕМЕНТЫ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
3.1.	Резисторы, терморезисторы
Резисторы с постоянным сопротивлением применяются в КГ
для создания режима полупроводниковых элементов, в цепях
фильтрации н развязки, в цепях формирования термозависимого
напряжения, в качестве шунтирующих элементов и др. Требова-
ния, предъявляемые к резисторам в составе КГ, определяются на-
значением цепи и степенью ее влияния на основные выходные ха-
рактеристики КГ. Кроме требований, которые предъявляются в
обычных каскадах усиления, резисторы, входящие в состав цепей
компенсации ТККГ, наряду с высокой стабильностью сопротивле-
ния должны обладать малым температурным коэффициентом. Па-
раметры резисторов с постоянным сопротивлением, наиболее часто
применяемых в КГ, приведены в табл. 3.1.
Материал токопроводящего слоя всех перечисленных в табл. 3.1
резисторов, кроме отмеченных звездочкой, —-металлодиэлектрик,
отмеченных звездочкой — металлофольга. Разброс температурного
коэффициента сопротивлений ТКС для каждого типа приведенных
в таблице резисторов уменьшается с увеличением номинального
значения сопротивления.
В последнее время начат выпуск прецизионных металлофольго-
вых резисторов С7 — !Т, которые имеют номинальную мощность
рассеяния 0,125; 0,25; 0,5 Вт и диапазон номинальных сопротивле-
ний 10—Ю4 Ом. Допустимое отклонение сопротивления этих резис-
торов от номинального значения ±0,01%, изменение за 1000 ч на-
грузки ±0,01%, изменение при воздействии механических и кли-
матических факторов ±0,01%.
В табл.. 3.2 приведены параметры микросхем наборов резисто-
ров, выполненных по тонкопленочной технологии в герметичных
металлостеклянных корпусах размером 19,8 X 22 X 4,5 мм. Тон-
копленочная технология позволяет в перспективе повысить точ-
ность изготовления таких резисторов до 0,005%. Широкое приме-
нение резисторных микросхем (наборов резисторов) в КГ ограничи-
вается лишь их большими габаритами.
Резисторы с переменным сопротивлением применяются в цепях
установки температуры в ТСКГ, в цепях компенсации для установки
определенного значения сопротивления и в цепях коррекции изме-
нения частоты КГ. Во всех этих случаях переменный резистор дол-
жен иметь сопротивление высокой точности (высокую разрешающую
способность) и сохранять свое значение при воздействии дестаби-
лизирующих факторов. Наиболее полно указанным требованиям
17
Таблица 3.1. Параметры резисторов
Размеры.	(диаметр) мм	о еч О С5 О О СО О О_ ф	О	О	—•	. . СО г-“ со г-" чГ ю	со'	оо“	<о	X хххххххх	х	х	х	-	хе еч о гч	о	о еч	щ со Г, сч' со сч со	еч со еч со" м*" еч" X Ю
Изменение сопротнвлеиня в течение минимальной наработки» %		ооооюшюш	о о _	°. +1 3 3 7 3 3 +1 ’И	3 3 * 41 +1
. в интервале атур, °C	выше +25	О* О* О О* О* О О OOOOOQO	О	О оосчечооо	о	о 7777777§	7	71	§	§ ooooooo41	S	S	S	-Н	-Н 41 41 75 7) 41 44 41
ТКС-10-« 1/°С темпер	от —60 до +25-	2 2 о о о	_ S § к s s । । 7 7 7 § 7 7 । s s 5^77 74 44	•н*+|
О/ /о ‘ЭИИЭИО1ГМ1О ви иэКиоН Ц1ЧИЧ1ГВНИНИУ/		ю ю ю	о ю ю	о о «-* о о ечечечеч’-*’— «—о	о о о о 4444444444444444	44 44 44 44 44
Пределы номиналь- ных сопротивлений, Ом		8,2—3,0-10s 8,2—5,1-10s 8,2—l,l-10s 8,2-2,0-106 10-0,1-106 24—2,0 10е 24-3,0-106 100-2,2-106 1-1-106 1-1,2-106 2.2-103—10« 30,1—30,1-103 30,1—1-Ю3
1Я ’чхэоиУпом ВВИЧУВННКОЦ		ю	ю	счю	юю	ююю ечюечюсоечюеч	еч	ю	еч	еч	еч •-* СЧ	СЧ о б-* СЧ -ч	—*	СЧ.	—•	-• о о о о" о о о" о	о	о	о	о	о
Тип		§ О	о	04	w О	Q	О Д q Q q q
Таблица 3.2. Параметры резисторных микросхем
(набор резисторов)
с н	Материал резистив- ного элемента	Диапазон номиналь- ных сопротивлений» Ом	Допустимое откло- нение сопротивле- ния» %	Точность после подгонки, %	Номинальная мощ- ность рассеивания, Вт	Число резисторов 1 в микросхеме	I
И2НС.0!	Сг—S1O	102—З-Ю5	±0,5	±0,1	0,125	12
И2НС.ОЗ	Сг—SiO	103—2,5-106	±(0,5- -1,0)	±0,2	0,125— —0,25	14
И2НС.05	Сг—SiO и, Сг—Nd2O3	103—10’	±(0.5— -1,0)	±(0,1- -0,5)	0,125— —0,25	14
И2НС.06	Сг и Сг—SiO	3—ю3	±0,5	±0,1	0,25	9
И2НС.07	Сг—SiO	102—2- 10s	±0,5	±0,1	0,25—1,0	11
отвечают подстроечные многооборотные проволочные резисторы
СП5 (ТКС = ±150 • IO-0) и керметные СПЗ-37 (ТКС =
= ±(500 — 1000) • 10-е. Параметры этих резисторов приведены
в табл. 3.3.
Терморезнсторы. В термостатнрующнх устройствах ТСКГ и
цепях компенсации ТККГ в качестве датчиков температуры широко
используются терморезнсторы. У большинства терморезнсторов со-
противление уменьшается по мере увеличения температуры, т. е.
они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротив-
ления.
Сопротивление терморезисторов с отрицательным температур-
ным коэффициентом сопротивления изменяется по экспоненциаль-
ному закону:
^г=^7.оев/7'_'в/7'".	(3.1)
где RT0 — значение сопротнвлеиня терморезнстора при температу-
ре Тв, К; В— постоянная, зависящая от свойств полупроводникового
материала терморезнстора.
Такие терморезнсторы выполняются на основе медно-марган-
цевых, кобальто-марганцевых н медно-кобальто-марганцевых по-
лупроводников.
Постоянную В можно определить по известным значениям со-
противления терморезнстора при температурах Tt н Тг. В =
— 2,303 (1g RTi — 1g RT2)/ (Ty1 — Г71). Используя (3.1), можно
определить температурный коэффициент сопротивления терморезнс-
тора: а=#у' dRT!dT— — В/Т2 \/°С. Температурный коэффициент
сопротивления зависит от температуры и задается при 293 К
(20 °C). Для терморезисторов ММТ и КМТ эта зависимость показа-
на на рис. 3.1. На этом же рисунке приведена зависимость относи-
тельного сопротивления терморезисторов от температуры. Кроме
18
19
Таблица 3.3. Параметры проволочных резисторов
с переменным сопротивлением
с S	Номинальная мощ- ность, Вт	Пределы номиналь- ных сопротивлений, Ом	Минимальный допуск на отклонение, %	1 Электрическая раз- решающая способ- ность, % i . 		Изменение сопротив> лений в течение минимальной нара- ботки, %	Размеры, мм
СПЗ-37	1	10— 1 - 10е	10			10	6,5x8,5X35
СП5-1В	1	100—10 000	5	0,5—1	5	8,5x8,5X35
СП5-1В1	1	100—10 000	5	0,75—1,5	5	8,5X8,5X35
СП5-2	1	100—47 000	5	0,3—1 ,5	5	13Х 13x7,9
СП5-2В	1	3,3—47 000	5	0,3—1,5	5	13Х 13X6,4
СП5-2ВА	0,5	3,3—22 000	5	0,3—1,5	Ю	10X10X5,4
СП5-2ВБ	0,5	3,3—22 000	5	0,3—1,5	10	ЮХ 10X6,3
СП5-3	1	100—47 000	5	0,3—1,5	5	13X13X5,4
СП5-ЗВ	1	3,3—47 000	5	0,3—1,5	5	13Х 13x5,9
СП5-ЗВА	0,5	3,3—22 000	5	0,3—1,5	10	10X10X5,4
СП5-14	1	10—47 000	10	1,0	5	7х 10,5X32
СП5-15	1	10—47 000	10	1,5	5	,7x9,5x32,5
СП5-22	0,5	10—33 000	5	0,3—1,2	5	7x6,5x30
	0,25	10—22 000	5	0,3—1,2	5	7x6,5x25
СП5-24	0,5	10—33 000	5	0,3—1,2	5	7X6,5X30
	0,25	10—22 000	5	0,3—1,2	5	7X6,5X25
СП5-51	0,25	10—10 0'00	5	—	10	7x7,5x19,5
Рис. 3.1. Зависимость относительного сопротивления н ТКС от температуры
для терморезисторов ММТ и К.МТ
20
температурного коэффициента терморезисторы характеризуются
следующими параметрами.
Номинальное сопротивление, Ом [обычно задаются при Т =
= 293 К (20 °C)], и допустимое отклонение от номинального со-
противления (±10; ±20%).
Коэффициент рассеяния, Вт/°С, численно равный мощности,'
рассеиваемой на терморезнсторе при разности температур образца
и окружающей среды 1 °C.
Коэффициент энергетической чувствительности, Вт/%, чис-
ленно равный мощности, которую нужно рассеять иа терморезис-
Рис. 3.2. Зависимость сопротивления позисторов и их ТКС от температуры
Коэффициенты рассеяния Н, энергетической чувствительности
G и температурный коэффициент сопротивления а связаны между
собой соотношением G = Hl 100а.
Постоянная времени т, равная времени, в течение которого тем-
пература терморезистора изменяется на 63% от разности темпера-
тур образца и окружающей среды. Она характеризует тепловую
инерционность терморезистора.
Электрические параметры наиболее часто применяемых в квар-
цевых генераторах терморезисторов приведены в табл. 3.4.
Чтобы уменьшить изменения сопротивления терморезисторов
при эксплуатации, перед установкой в КГ их выдерживают при по-
вышенной температуре. Так как изменение сопротивления терморе-
зисторов во времени носит экспоненциальный характер, то после
выдержки их при повышенной температуре в течение 2—3 месяцев
изменение сопротивления за последующие 6 месяцев уменьшается
более чем в 2 раза [72].
Позисторы. В настоящее время в ТСКГ все более широко при-
меняются позисторы, у которых сопротивление увеличивается при
увеличении температуры.
Позисторы выполняются иа основе титано-бариевой керамики
с добавлением примесей лантана или церия. Такой материал обла-
дает аномальной температурной зависимостью сопротивления — в
узком температурном интервале сопротивление позистора увеличи-
вается на несколько порядков. Зависимость сопротивления позис-
торов и их температурного коэффициента от температуры показана
на рис. 3.2.
2!
Таблица 3.4. Параметры терморезисторов
температуры от —90 до 28 °C; ** от —28 до 125 °C;	150 °C. ♦*** Минимальные значения.
Основные электрические параметры некоторых типов позисто*
ров приведены в табл. 3.5.
Таблица 3.5. Параметры позисторов
Дисковые
СТ6-1Б	180±20 %, 27О±2О %	70—100	15	9	20	-604-4-125	
СТ6-2Б	Ю—ЮО	70-95	15	14	—-	-604-4	[-125
СТ6-ЗБ	1000—10000	60—90	15	0,25	ю	—604—	-125
СТ6-4Б	100—400	70—100	15	9	40	—604--	-125
СТ6-4Г	5000—25000	10-70	2—6	9	40	-604--	-125
СТ11-1Г	100—300	10—70 -	6—9	9	40	-604-	1-125
Пластинчатые
СТ6-5Б | 3-20	| 70-100 |	15	| 25 | 10 I -604-4-125
Трубчатые
СТ6:6Б | 5—25 I 70-Ю0 I 15 | 25 | 180 I -604-4-125
Стержневые
СТ10-1 |3000-Ю0000| 10-70 | 2—4 | — | 50 | -604-4*125
3.2.	Конденсаторы, катушки индуктивности
Конденсаторы постоянной емкости используются в цепях об-
ратной связя КГ, управления частотой, фильтрации, а также в ка-
честве разделительных.
В тех случаях, когда емкость конденсаторов может повлиять
на рабочую частоту КГ, необходимо предъявлять требования вы-
сокой ее стабильности при воздействии дестабилизирующих фак-
торов. В первую очередь это относится к конденсаторам, применяе-
мым в цепях управления частотой. Применяемые к КГ конденсато-
ры имеют температурные коэффициенты емкости (ТКЕ), различаю-
щиеся как по величине, так и по знаку. Это позволяет использовать
нх для компенсации температурной нестабильности частоты КГ.
Серийно выпускаемые конденсаторы имеют ТКЕ от 33 • 10-’
(ПЗЗ) до —1500 • 10-в (М1500), кроме того, выпускаются конденса-
торы с ненормированным ТКЕ (ИЗО, Н50, Н90). Параметры кон-
денсаторов, широко применяемых в современных КГ, приведены
в табл. 3.6.
23
Таблица 3.6. Параметры Конденсаторов,
.Номиналь- ное напря- жение. в	Диапазон номинальных емкостей, пФ	Группа по ТКЕ
К о и д е и с а 25 35 50 70 100 160 250	торы КМ 120—10-° 22 000—680 000 120—150 000 1500—68 000 16—68 000 16—47 000 16—22 000	ПЗЗ, М47, М75, М75О, Ml500, Н50, Н90 Н90 ПЗЗ, М47, М75, М750, Ml 500, Н50, Н90 ИЗО ПЗЗ, М47, М75, Ml 500, ИЗО ПЗЗ, AJ47, М75, Ml 500, ИЗО ПЗЗ, М47, М75, Ml500, ИЗО
Конденсаторы	КЮ-23	
16	!	2,2—33 000	1 ПЗЗ, М47, М750, Ml 500, ИЗО
Конденсаторы КЮ-17
25	2,2—330 000	ПЗЗ, М47, М75, М750, Ml500, Н5О, Н90
Наиболее распространенные конденсаторы КМ исполняются в
трех вариантах: с разнонаправленными выводами неизолированные,
с однонаправленными выводами неизолированные н изолированные
и незащищенные конденсаторы без проволочных выводов.
Высокие удельные характеристики имеют конденсаторы
КЮ-17. Разработаны три варианта этих конденсаторов: КЮ-17а —
для внешних цепей микросхем, КЮ-176 — универсального приме-
нения, КЮ-17в — для применения в микросхемах, мнкромодулях,
имеющие серебряные или луженые контактные площадки, посред-
ством которых они подключаются в аппаратуру. Долговечность ра-
боты конденсаторов 10 000 ч; интервал рабочих температур от 60 °C
до 85 °C (125 °C); габаритные размеры в зависимости от значения ем-
кости, ТКЕ: минимальные 5X4, 5Х 3 мм, максимальные
13 X 12, 5 X 3,3 мм для конденсаторов КМ, 9 X 4,5 X 6,5 для
КЮ-23 и от 6,6 X 4,5 X 5,5 мм до 9,0 X 6,0 X 7,5 для КЮ-17.
Катушки индуктивности. Во многих случаях в КГ для обеспе-
чения точной настройки частоты иа номинальное значение вклю-
чается перестраиваемый реактивный элемент, в качестве которого
может использоваться перестраиваемая катушка индуктивности.
Применение в катушках сердечников из ферромагнитных материа-
лов позволяет обеспечить необходимые пределы перестройки при
малых габаритах, высокой стабильности и малом температурном
коэффициенте индуктивности.
Параметры катушек иидуктивиости с использованием сердечни-
ков различной конструкции из карбонильного железа марки Р-100
представлены в табл. 3.7 [281.
24
Таблица 3.7. Параметры катушек индуктивности
Индуктив- ность, мкГн	Сердечник	Диапаз он частот, МГц	Добротность	Тк. Ю-9- 1/°С	Размеры, мм
0,2—1000	СБ-9	0,2—70	45—140	i 60	15Х 15x25
0,6—1100	СМБ	0,2—60	40—100	30 ±5о	9X9X13
0,04—3,0	М3.	20—150	60—120	—	10X10X13
0,05—5	М2	10—200	60—150	—	3,2X2,6X7,6
0,13—10	М3	10—150	100—170	—14±80	5X4X10
Конструктивно катушки индуктивности с сердечийками СБ:9,
СМБ и М3 (индуктивность 0,04—3,0 мкГн) были выполнены герме-
тизированными, а с сердечниками М2 и М3 (индуктивность 0,13—
10 мкГн) — без экрана.
3.3.	Полупроводниковые приборы, микросхемы
Полупроводниковые диоды широко используют для детектиро-
вания сигнала высокой частоты в схемах АРА, для переключения
цепей высокой частоты, в цепях формирования термозависимого
напряжения в ТККГ и пр.
Если диоды применяют в качестве электронных ключей, они
должны обладать малым сопротивлением в прямом направлении при
токе 1—5 мА и малой емкостью при обратном напряжении 5—10 В,
иметь малую зависимость параметров от температуры и других де-
стабилизирующих факторов. Для успешного выполнения своих
функций в схемах формирования термозависимого напряжения диод
должен обладать резкой зависимостью сопротивления от напряже-
ния при переходе напряжения через ноль, так как его сопротив-
ление постоянному току оказывает влияние на частоту ТККГ че-
рез управляющий элемент цепи термокомпенсации.
Параметры некоторых диодов, применяемых в КГ, приведены
в табл. 3.8.
Значения емкости диодов при соответствующем обратном напря-
жении следующие.
Диод	Обратное напряже- ние. В	Емкость, пФ	Диод	Обратное напряже- ние* В	Емкость. пФ
КД407А	5	1 ,0	КД512А	5	1,0
КД409А	15	2,0	КД514А	0	0,9
ГД507А	5	0,8	КД519А	0	4,0
ГД508А	0,5	0,75	КД519Б	0	2,5
ГД508Б	0,5	0,75	КД522А	0	4,0
КД503А	0	5,0	КД522Б	0	4,0
КД503Б	0	2,5			
25
Таблица 3.8. Параметры диодов
Тип	Прямое направление		Обратное направление		Предельные данные		Размер, мм
	са • о. с	I. мА	я -а9°п	уи -d9°Z	са о. ю о	/пр.ср’ мА	
ГД402А*					100	10	15	20	03x7,5
ГД402Б**		—-	100	10	15	20	03x7,5
Д9Б	1	90	250	10	10	40	02,35x8
ДЭВ	1	10	250	20	20	20	02,35x8
Д9Г	1	30	250	20	20	30	02,35X8
Д9Д	1	60	250	20	20	30	02,35x8
ДЭЕ	1	30	250	30	30	20	02,35X8
Д9Ж	1	10	250	45	45	15	02,35x8
Д9И	1	30	120	20	20	30	02,35X8
Д9К	1	60	60	20	20	30	02,35x8
ДЭЛ	1	30	250	45	45	15	02,35X8
КД407А***			10	24	24	25	03x7,5
КД409А***			10	24	24	25	02,9X2,5X4
ГД507А	0,7	5	50	20	20	16	03x7,5
ГД508А	0,7	10	150	8	8	10	03x7,5
ГД508Б	0,65	10	200	8	8	10	03x7,5
КД503А	1	10	10	30	30	15	03x7,5
КД503Б	1,2	10	10	30	30	15	03X7,5
КД509А	1,5	100	100	50	70	50	03X7,5
КД512А	1.5	10	100	15	15	10	03X7,5
КД514А	1,5	10	5	6	10	10	03X7,5
КД519А	1,5	100	100	30	30	30	03x7,5
КД519Б	1,5	100	100	30	30	30	03X7,5
КД522А	1,5	100	50	30	30	50	01.9x3,8
КД522Б	1.5	100	50	50	50	50	01,9X3,8
• Дифференциальное сопротивление 4.5 Ом при токе 15 мА. ° Дифференци-
альное сопротивление 6 Ом при токе 15 мА. ••• Дифференциальное сопротив-
ление I Ом при токе Ю мА.
Варикапы применяют наряду'с перестраиваемыми катушками
индуктивности в качестве управляющих элементов в частотно-мо-
дулнрованиых генераторах, в цепях термокомпеисации н дли осу-
ществления дистанционной коррекции частоты. Варикапы — полу-
проводниковые диоды с изменяющейся емкостью р—п-перехода.
Эквивалентная схема варикапа на частотах до 100 МГц показана на
рис. 3.3. Сопротивление	запертого р—л-перехода обычно ле-
жит в пределах от нескольких сотен килоом до нескольких десятков
мегом, и на высоких частотах им можно пренебречь. Сопротивление
/?п лежит в пределах от нескольких десятых ома до нескольких де-
сятков ом. Добротность увеличивается по мере увеличения отри-
цательного напряжения и уменьшения температуры. Емкость ва-
26
рикапа изменяется в зависимости от изменения приложенного На*
пряжения по закону
Ср = Сра (фр/(фр+£))7»	(3.2)
где фр — контактная разность потенциалов.
Следует отметить, что на практике зависимость емкости варика-
па от напряжения с достаточной степенью точности описывается
этой формулой только на ограниченном участке значений напряже-
ния Е. Этот участок уменьшается для варикапов при у > 1.
Рабочий интервал напряжений ограничен с одной стороны наи-
большим обратным напряжением Етах, которое называют пробив-
ным, а с другой стороны минимальным напряжением Emin, при ко-
тором с учетом переменного напряжения варикап заперт.
Рис. з.з. Зависимость относительной емкости
варикапов от напряжения
Обычно Етах — 404-80 В, a Emin = 1—2 В. Изменение емко-
сти варикапов в рабочем интервале напряжений характеризуется
коэффициентом перекрытия Кп = Cpmax/Cpmin = Цфр + Етах)1
(фр	» ГДе Стах» Crnin — максимальное и минимальное
значения емкости варикапа при напряжениях Ет,п, Етах соответ-
ственно.
При отсутствии приложенного иаприжеиия (Е = 0) емкость
варикапа
Сро — eS/4nd0,	(3.3)
где е — относительная диэлектрическая проницаемость полупро-
водника;- S — площадь р—л-перехода; dQ — толщина р—/[-пере-
хода при напряжении Е = 0.
Контактная разность потенциалов
фр = (kTle) In (ppnnlni),	(3.4)
где рр — концентрация дырок в области р; пп — концентрация
электронов в области л; лг — собственная концентрация носителей.
Для приближенных расчетов можно принять, что при комнатной
температуре для германиевых р—л-переходов фр = 0,3-г0,5 В, а
для кремниевых фр = 0,54-0,7 В. Большинство современных вари-
капов с резким переходом имеет показатель степени варикапов у —
27
0,5. зависящий от технологии изготовления. В последнее время
разработаны и применяются варикапы с у > 1. Емкость варикапов
задается обычно при напряжении Е = —4 В и достигает десят-
ков или сотен пикофарад.
Зависимость-относительной емкости варикапов Ср/Срн от на-
пряжения на нем, рассчитанная по формуле Ср/Сра =- [ (фр +
+ £рн)/ (Фр + £)lv> показана на рис. 3.3.
При наличии напряжения высокой частоты с амплитудой Umf
изменение реактивного сопротивления
ЛУ	“ / ,, Х2п П У — (24 — 1)
-ф-vS 7^7 1=2--------------------------(3-Я
ЛР n=l'^ + '	2гп (п!)2
Из (3.5) можно определить, что при Umj < фр + Е емкость ва-
рикапа изменяется меньше 2%.
Емкость варикапа зависит от температуры. Как видно из (3.2)—
(3.4), температурная стабильность определяется температурным
коэффициентом диэлектрической проницаемости ае (этот коэффи-
циент определяет температурный коэффициент емкости Ср0) и кон-
тактной разности потенциалов афр. При этом температурный коэф-
Таблица 3.9. Параметры варикапов
Тип	Емкость при об* ратном иапряже- иии 4 В, пФ	Коэффициент перекрытия по емкости	Наибольшее об* ратиое напряже- ние, В	ТКЕ при обрат- ном напряжении 4 В. 1-10-’	Добротность	Обратный ток при +25 ®С, мкВ
КВ102А	14-23	2,5	45	300	40	1,0
КВ102Б	19—30	2,5	45	300	40	1,0
КВ102В	25—40	2,5	45	300	40	1,0
КВ102Г	19—30	2,5	45	300	100	1.0
КВ 102 Д	19—30	3,5	80	300	40	1,0
КВ 104 А	90—120	—	45	300	100	5,0
КВ104Б	106—144	—	45	300	100	5,0
КВ104В	128-192	—	45	300	100	5,0
КВ104Г	95—143	—	80	300	100	5,0
КВ 104 Д	128—192	—	80	300	100	5,0
КВ104Е	95-143	—.	45	300	150	1,0
КВ112А	9,6—14,4	1,8	25	—	200 .	1,0
КВ112Б	12—18	1,8	25	—	200	1,0
КВ114А	54,4—81,6	4,4	150	—.	300	10,0
КВ114Б	54,4—81,6	3,9	115	—	300	10,0
КВ116А	168—252*	18	Ю	—	100	1,0
Примечания: I. • При обратном напряжении 1 В, 2. Размеры варикапов KBI02—
0 3,1X3,5 мм; КВ104— 0 4,5x4,8 мм; KBII2— 0/ 1X1 мм; KBII4 и KBII6—
1,3x2x2 мм.
При токе иа частоте / = 100 МГц, за исключением значений, отмеченных звездочкой.
28
фициеит емкости ар = ае (у — 1) + %рУфр/ (фр + Е ). При повы-
шении температуры диэлектрическая емкость увеличивается, а кон-
тактная разность потенциалов уменьшается, что обеспечивает по-
ложительный температурный коэффициент емкости варикапа. При
увеличении отрицательного напряжения на варикапе уменьшается
влияние температурного коэффициента а^р иа температурный
коэффициент емкости варикапа, и ар соответственно уменьшается.
При отрицательных напряжениях более 20 В температурный
коэффициент емкости в основном определяется температурным
коэффициентом диэлектрической проницаемости и практически не
зависит от напряжения смещения.
Электрические параметры некоторых типов варикапов приве-
дены в табл. 3.9.
Малые габариты, масса, мощность потребления, инерцион-
ность, высокаи устойчивость к механическим и климатическим воз-
действиям обусловливает широкое применение варикапов в КГ.
Биполярные транзисторы. В качестве активного элемента ши-
роко используются биполярные транзисторы, которые наряду с ма-
лыми габаритами и высокой надежностью обладают высокой кру-
тизной, что позволяет добиться высокой стабильности частоты как
в КГ широкого применения, так и в прецизионных КГ. Выбор тран-
зистора с граничной частотой, на порядок превышающей частоту
КГ, позволяет обеспечить малое влияние параметров транзистора
на параметры генератора.
Параметры некоторых биполярных транзисторов, нашедших
широкое применение в высокостабильиых КГ, приведены в
табл. 3.10.
Полевые транзисторы. В последнее время в радиоаппаратуре
все более широко применяются полевые транзисторы. Обладая боль-
шим входным и выходным сопротивлениями, малым уровнем собст-
венных шумов, они в ряде случаев позволяют улучшить парамет-
ры радиоустройств. Одиако сравнительно низкая крутизна полевых
Таблица 3.11. Параметры полевых транзисторов
Тип	Начальный ток стока, мкА	Пороговое на- пряжение зат- вор—исток, В	Крутизна харак- теристики, мА/В	1 Входная емкость, пФ		Проходная ем- кость, пФ		Предель- ные данные			Размер, мм
						я о	са S 1 о а	н Й Я Q?	
КП301Б— КП301Г	0,05—0,5	2,7-5,4	0,5— 3,0	3,5	1	15	20	200	05,8x5,3
КПЗОЗА— КП303И1	0,3—20	0,3—8	0,5—7	6	2	20	25	100	05,8x5,3
КП305Д- КП305И		-6-1	4,0— 10,5	5	0,8	15	15	50	05,84x5,3
КП307А— КП307Ж	1,5—24	0,5—7	3—15	5	1,5	25	27	130	05,8x5,3
КПЗ ISA- КПЗ 13В	•—	6	4,5- 10,5	7	0,9	15	15	40	3x7,2X5
30
транзисторов определяет их большое влияние на стабильность
частоты КГ.
Параметры полевых транзисторов приведены в табл. 3.11.
Микросхемы. КРоме биполярных и полевых транзисторов в ка-
честве активных элементов в КГ применяются микросхемы, представ-
ляющие собой либо высокочастотные универсальные усилители,
либо транзисторные сборки. Однако значительного выигрыша в
габаритах КГ при этом ие получается, поскольку для работы микро-
схемы в генераторе требуется еще целый ряд навесных элементов.
Параметры микросхем серий 218, 224, 228, которые могут быть при-
менены в КГ, приведены в табл. 3.12.
Таблица 3.12. Параметры микросхем
Тип	Крутизна вольт-ампер- ной характе- ристики, мА/В	Потребляе- мая мощ- ность, мВт	Входное сопротивле- ние, Ом	Напряжение источника питания, В
К2УС181	5**	62			6,3±10%
К2УС249	20	53	—	12 В±10%
К2ЖА241	4	30	150	4 В±25%
К2УС283*	7,5	70	200	6,3 В±10%
* Для микросхемы К2УС283 необходим дополнительный источник питания
—6,3 В±10%. ** Коэффициент усиления.
Таблица 3.13. Параметры операционных усилителей
Серия ИС	Входные токи, нА	Коэффициент уси- ления, В /мВ	Частота единичного усиления, МГц	Время установления, мкс	Сопротивле- ние,		Максимальные выходные параметры		Ток потребления, мА	Напряжение нсточ- 1 ника питания» В |
					входное	выходное	1, мА	я ‘п		
140УД	2	50					3—1 о4					13	0,6	15,0
140УД1А	5-Ю3	0,9	5	0,8	4	700	3	3	4,2	Ьб,3
140УД1Б	8-103	2	5	1	4	700	3	6	8	12,6
140УД2	700	35	2	1,5	300	100	13	10	16	12,6
140УД6	30	70	1	—	2.103	—	25	11	2,8	15,0
140УД7	200	50	0,8	—	400	—	20	11,5	2,8	15,0
140УД10	250	50	15	— .	103	—	—	—	8	15,0
140УД12	7,5	200	—	1,6	5-Ю4	5-103	2	10	0,03	15,0
153УД1	600	20	1	—	100	200	5	10	6	15,0
153УД2	500	20	1	2	300	—.	—	11	3	15,0
153УД4	400	2	1	—.	200	—	——	4	0,8	6,0
153УД5	125	125	—	—	103	150	5	10	—	15,0
3!
На низких частотах в генераторах прямоугольных импульсов,
стабилизированных с помощью кварцевого резонатора, и в тех слу-
чаях, когда не предъявляется высоких требований по стабильности
частоты, КГ могут выполняться на операционных усилителях и
цифровых микросхемах. Параметры некоторых операционных уси-
лителей, применяемых в КГ, приведены в табл. 3.13. В табл. 3.14
приведены параметры некоторых цифровых микросхем, применяе-
мых в КГ.
Таблица 3.14. Параметры цифровых микросхем
Тип	Входной ток» мкА	Время	g Выходное напряжение, В	за" ° «я КИ, ИС з н -J я к S = И 2 =		
	/»	7.		О При ВКЛЮ»| ченяи	|	g	х о s й 3 и «	к с  ‘h ts 0.2	$ ч 2s с ч С 2 д X к
эстл КМОП: 164 К176	0,5 265 0,050,05 0,1 0,1	—(0,72—1,02) 17,7 8,2	-(1,625-1,88)2,9 0,5	200 0,3	250	2,9 25 15 5,2 200 0,1 50 9±10% 250 0,3 50 9±5%
4.
КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА СРЕДНИЕ ЧАСТОТЫ
4.1.	Кварцевые резонаторы на средние частоты
В среднечастотном диапазоне частот 1—30 МГц используются
резонаторы в основном с колебаниями первого порядка (на частотах
выше 15 МГц иногда высших порядков) сдвига по толщине.
В диапазоне 1—8 МГц пьезоэлементы резонаторов имеют фор-
му двояковыпуклых илн плосковыпуклых линз, а выше 8 МГц пьезо-
элементы плоские.
Рассмотрим резонаторы с четырьмя наиболее характерными
срезами пьезоэлемеитов: АТ, ИТ, ВТ и РТ.
Параметры резонаторов названных срезов приведены в
табл. 4.1.
Динамическое сопротивление вакуумных ре-
зонаторов RK лежит в пределах 3—250 Ом, причем наименьшее име-
ют резонаторы АТ, у резонаторов ВТ динамическое сопротивление
в 2 раза, у ИТ в 2—3 раза, а у РТ в 7—8 раз больше, чем у резона-
торов АТ. Герметизированные резонаторы имеют динамическое со-
противление в 1,5—2 раза больше, чем вакуумные [148].
Динамическое сопротивление среднечастотных резонаторов
мало зависит от температуры. Одиако у отдельных резонаторов оно
может изменяться в 1,3—2 раза (большие изменения соответствуют
низким частотам) в узких интервалах температур. Поэтому в тех-
32
Таблица 4.1. Параметры резонаторов на средние частоты
Срез пьезо* элемента	/?к. Ом	Гк, 10"4	т, 10-*	Q. 10s
Диапазон ч	а с т о т 1—2 МГц			
АТ(В)	150-50	4—0,5	2-1,5	150—1000
АТ (Г)	300—100	8-1	2-1,5	70—350
ИТ(В)	250-120	12—2,5	0,6—0.4	200—1000
Диапазон ч	а с т о т 2—8 МГц			
АТ(В)	25-5	1,5—0,3	2-1,5	400—2000
АТ (Г)	75—15	4—1	2—1.5	
БТ(В)	50—10	2,5—0,6	0,7—0,5	800—3000
БТ(Г)	150—20	7—1,2	0,7—0,5	300—1200
ИТ(В)	40—8	3-1	0,6-0,4	450—2000
РТ(В)	180—40	7—3	0,15-0,1	1000—3000
Диапазон ч	а с т о т 8—30 МГц			
АТ(В)	12-3	2,5—1	5-3.5	80—400
	40-10	8—1,5	5—3,5	50—100
АТ(Г)				
БТ(В)	25—6	4—1,5	1,8—1,5	200-800
БТ(Г) ИТ(В)	60—25	10—3	1,8—1,5	100—200
	30—6	6—2	1,65—1,2	100—400
РТ(В)	100-20	15—5	0,3—0,2	200—1000
Примечание. В скобках указан		тип резонатора	: В — вакуумные, Г — герметн-	
знроваиные.				
иическон документации следует оговаривать допустимое изменение
динамических сопротивлений в интервале температур или задавать
норму на его максимальное значение также в интервале рабочих
температур.
Статические емкости резонаторов: у АТ 2—8 пФ, у ИТ пример-
но такая же, резонаторы РТ и БТ имеют емкость меньше емкости-
резонаторов АТ на 25 и 50% соответственно. Зависимость средних
значений реактивного сопротивления статических емкостей средие-
частотных резонаторов от частоты приведена иа рис. 4.1.
Емкостное отношение т максимально в поддиапа-
зоне частот 8—30 МГц, в котором используют плоские пьезоэлемен-
ты. Большее значение емкостного отношения имеют резонаторы АТ,
а меньшее — резонаторы РТ. В поддиапазоне частот 1—8 МГц ем-
костное отношение уменьшается примерно в 2 раза из-за того, что
пьезоэлемеит имеет линзовую форму, причем меньшие значения со-
ответствуют малым радиусам кривизны сферы.
33
Добротность Q зависит от диапазона частот, размеров
и формы пьезоэлемента и типа среза. Предельное значение доброт*
ностн может быть найдено из соотношения /Q « 13 • 10й, нз кото*
рого видно, что добротность резонаторов уменьшается по мере уве-
личения частоты. При уменьшения частоты начинают сказываться
потери в ирепленни пьезоэлемеита, н при определенных частотах
добротность также уменьшается.
Рис, 4.1. Зависимость средних значений реактивных сопротивлений статмче-
ской емкости резонаторов от частоты
На рис. 4.2 показана зависимость предельных значений доброт-
ности резонаторов от частоты. Кривые для линзовых пьезоэлементов
построены для случая работы по основной частоте.
Температурно-частотные характеристн-
к и средиечастотных резонаторов АТ, ИТ, БТ и РТ изображены на
рис. 4.3. Параметры ТЧХ для трех интервалов рабочих температур
приведены в табл*. 4.2.
Из рис. 4.3 видно, что ТЧХ резонаторов имеют вид парабол АТ
н ИТ — кубической, а БТ н РТ — квадратичной. При отсчете от-
клонения частоты от значения прн температуре t3 ТЧХ резонато-
ров БТ описывается степенном коэффициентом второго порядка;
ТЧХ несимметрична относительно t3 (правая ветвь более пологая,
чем левая): для йравой ветви Ьо0 — —3,5 • 10-8/ (°C)2, дли левой
6О0 = — 6-10-®/ (°С)а (более точно ТЧХ характеризуется тремя зна-
чениями коэффициентов аО0, 6О0, с00, которые указаны, аапрнмер, в
(35, 38, 16]. *1 ри работе резонаторов в широком интервале темнера-
34
тур следует температуру /э выбирать левее значения середины ин-
тервала, например, при рабочем интервале 100 °C разница между t3
и значением середины рабочего интервала около 7 °C.
Температуру можно изменять в широких пределах изменением
угла среза. Резонаторы БТ имеют большую нестабильность частоты
чз интервале температур по сравнению с другими.
Для резонаторов РТ ТЧХ симметрична относительно t3 и опи.-
сывается степенным коэффициентом второго порядка Ь99 —
= —(0,6 — 1) • 10~8/°C2 Так же, как и для резонаторов БТ, ta
можно изменять в широких пределах изменением угла среза. Для
Рис. 4.3. Зависимость добротности кварцевых резонаторов от частоты
резонаторов РТ ТЧХ более чувствительна к изменению угла среза,
чем у резонаторов БТ, ио менее чувствительна, чем у АТ. Так как
резонаторы АТ нашли более широкое применение, чем БТ и РТ,
рассмотрим их ТЧХ более подробно.
У резонаторов АТ ТЧХ имеет вид кубической параболы со сте-
пенными коэффициентами: п99 = 0; Ь09 = 0,4 • 10~®/°С; с09 =
= 109,5 • 10~12/°С; йа = —0,086 • 10-® мии/°С; kB = 0,059 х
X 10“® мин/’С; kc = 0,033 • 10-12 мни/°С.
Относительно температуры ti ТЧХ резонаторов симметрична
и имеет перегиб на значении tf = t0 — bQd/3Cm as 25—27 °C. По-
этому иногда следует выбирать t0 = ti. В этом случае 6/=
= «ое U ~~ *о) + СО0 У ~ М3- Следует также отметить, что для
резонаторов, используемых на практике, можно считать, что коэф-
фициент с09 = с00 = const. Для различных углов среза ТЧХ ре-
зонаторов АТ показаны иа рис. 4.4, из которого видно, что при из-
менении угла среза происходит поворот ТЧХ относительно
35
Таблица 4.2. Параметры ТЧХ среднечастотиых резонаторов
6 т <и со	Коэффициент		Температурная нестабильность. 10 ”,
Е S	ьое-ю-8.	Тэ. °C	в интервале температур
<и			( — 104-4-6О) 'С, (-404-4-70) “С,
<и Й СХ е О и	1 (°C)’		(-604-±90) °C
Диапазон частот 1—2 МГц
AT	I	—	| 20—100 I	±(10—15)	I	±(20—30) I ±(30—50)
ИТ	I	—	I 60-150 I -	I — I —
Диапазон частот 2—10 МГц
АТ	—	20—100	±(10-15)	±(20-30)	±(30—50)
БТ	-(4-4,5)	0—100	-(65-70)	—(145—160)	—(260—320)
ИТ	—	60—150	—	—	—
РТ	-(0,6-1)	20—80	—(10—16)	-(30-50)	—(50—80)
Диапазон частот 10—30 МГц					
АТ	—	20—100	±(5-10)	±20	±30
БТ	—(4—4,5)	0—100	—(65—70)	—(145—160)	—(260—320)
ИТ	—	60—150	——	—	
РТ	—(0,6—1)	20—80	—(10—16)	-(30-50)	—(50—80)
Рассмотрим, какова предельная температурная стабильность
частоты резоиаторов-в широких интервалах температур. Обозначим
через Тн и tK низшую и высшую температуру рабочего интервала.
Расчет будем проводить для максимального подынтервала |ТН — Тг|
или |fK— TH (ДТН; илй ATKi)-Для определенности будем считать, что
|ДТн/| > | ДГК1|. Минимальная температурная нестабильность и
заданном интервале температур будет в том случае, если 6/н =
36
~ tymtn, где tymin — значение частоты при fmtn- В этом случае зна-
чение температуры ta = tH. Воспользуемся условием Чтох; —
— 0,5Д<а/ = 0,5Д/п1-. Тогда
®/н — —а;Э ^fUl Ci0 Д?Н1>	(4.1)
^/тах = 6/mln==a(0	+	Д/®(/8.	(4.2)
Найдем из (4.1) коэффициент
а<е=—6Л1/Д/н1 —с<е Чи-	(4-3)
Рис. 4.4. Тсмпературно-частотиыё характеристики кварцевых резонаторов АТ
среза
37
Подставляя его в (4.2), получаем
I = |с(в Д^/4 | = 2,74-10“9 Д/’.	(4.4)
Подставляя (4.4) в (4.3), получаем
aif>onr~k^ Д9опт = 3с<в Д^/^-
Из (4.5). легко получить Д0ОПТ — ЗсгоД/ш74£а; 0Опт = 0в+
+ ЗсН(Д<2/4йа- Зависимость 6fmin и Д0ОЦТ от подынтервала рабочих
температур показана на рис. 4.5. Однако практически резонаторы
изготавливают с некоторой неточностью по углу ориентации, и тем-
Рис. 4.5. Зависимость минимальной температурной нестабильности б/мкн и
оптимального угла ориентации Д9 кварцевых резонаторов АТ среза от рабо-
чего интервала температур
пературная нестабильность будет больше, чем определенная по (4.4).
Следует отметить, что если угол ориентации 0' будет больше опти-
мального, то нестабильность частоты будет определяться неста-
бильностью частоты при tmax (5/'). а если 0" будет меньше, то
значением 6/’ при температуре /п, т. е. при неточности ориентации
нестабильность увеличивается сильнее при уменьшении угла, чем
при его увеличении. Максимальное изменение частоты из-за неточ-
ности ориентации 6/р = )О,5йаД0рД/н,-|. Вследствие несимметрич-
ности влияния отклонения угла ориентации иа нестабильность час-
тоты для получения одинакового отклонения необходимо сдвигать
средивй угол ориентации. В первом приближении с учетом разброса
38
оптимальный угол ориентации Д0опт.разб — ДОопт + ДД0/3. В
этом случае нестабильность частоты 6f=ofmin +	Д/*/4| +
+ |2£аД/п; Д0Р/3|.
На рис. 4.5 построены зависимости минимальной нестабиль-
ности от интервала температур для неточности угла ориентации
±1' й ±2', а также зависимость оптимального угла ориентации с
учетом дайной неточности. Для резонаторов ИТ, ТЧХ также пред-
ставляет собой кубическую параболу, ио, в отличие от резонаторов
АТ, температура перегиба ТЧХ у ннх — 80 °C (у AT =
= 254-27 °C); Такие ТЧХ позволяют получать хорошую стабиль-
ность только в положительном интервале температур (например, в
ТСКГ).
Данные по нестабильности частоты резонаторов от механичес-
ких воздействий и из-за старения приведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3. Нестабильность частоты
Срез пьезо-			Нестабильность частоты, !0				— •	
элемента	а		6	•	°'	б'		
Диапазон частот		1—2 МГц						
АТ(В) ИТ(Г)	2,5—5 10		5—10 20	2,5—5 5-10	10 20-25	20 35-50	Не	оговорено 20
Диапазон	частот	2-	-5 МГц					
АТ(В) ВТ, ИТ. РТ(Г)	2,5-5 10		5—10 20	2,5-5 5—10	10 20—25	20 35—50	Не	оговорено 15
Диапазон частот		5	—30 МГц					
АТ, БТ, ИТ(В) РТ(Г)	2,5-5 10		5—10 20	1—3 5—10	10 20—25	20 35-50	Не	оговорено 10
Примечания: 1. а — за год. б — за 10—12 лет. в —- от механических воздейст- вий. 2. В скобках указан тип корпуса резонатора: В — вакуумные. Г—герме- тизированные. а', б', в — допустимые по ГОСТ.								
Максимально допустимые и рекомендуемые значения мощностей
рассеяния приведены в табл. 4.4.
Таблица 4.4. Рассеиваемая мощность
Диапазон частот* МГц	Срез резонатора	Рассеиваемая иа резонаторе мощность, мВт				
		максимальная по ГОСТ 1 1599-67	максималь- ная*		рекомендо- ванная*	
			т	нт	т I	нт
1—30*	АТБТ	4	1	2	0,5	1
15—30**	ИТРТ	2	0,5	1	0,2 |	0,5
* Максимальная и рекомендованная по ГОСТ 23546—79 (Т — термостируемые,
НТ — нетермостируемые резонаторы) • Колебания первого порядка. •• Коле-
бания высших порядков.
39
Для уменьшения нестабильности частоты рекомендуется ис-
пользовать резонаторы при малой мощности рассеяния. Следует
отметить, что менее чувствительны к изменению мощности резона,
торы БТ и РТ.
Сведения о типах корпусов и размерах резонаторов приведены
в табл. 4.5.
Таблица 4.5. Размеры ц. обозначения корпусов
по ОСТ 11338—002.75 в диапазоне частот 1—30 МГц
Вакуумные резонаторы						Г ерметнзнрованные резонаторы	
С		Э		к		—	
н,	Обозначе-	н.	Обозначе-	н.	Обозначе-	Н. мм	Обозначение
мм	нке	мм	нке	мм	ине		
Диапазон		частот 1—2 МГц	
34	СБ, СП	47	ЭЕ 20
29	СА, СН	42	ЭД -
—	—	37	ЭГ -
Д и	а п а з о н	час	тот 2—3 МГц
34	СБ. СП	42	ЭД 20
29	СА, СН	37	ЭГ —
—	—	—	— —
Ди	а п а з о н	час	тот 3—5 МГц
34	СБ, СП	42	ЭД 20
29	СА, СН	37	ЭГ -
—	—	32	ЭВ —
Ди	а п а з о ц	час	го т 5—8 МГц
34	СБ, СП	37	ЭГ 20
29	СА, СН	27	ЭБ	14
—	—	—	— 	
—	—	—	— —
—	—	—	—
Ди	а п а з о п	час	тот 8—30 МГц
—	—	27 22	ЭБ 14 ЭА -
КБ	19,7 |БА, ББ, БВ, БГ, БД	
	19,8 19, б|	ПА ГА
КБ	19,7	БА, ББ, БВ, БГ,
		БД
—	19,8	ПА
—	19,6	ГА
КБ .	19,7	БА. ББ, БВ, БГ,
		БД
—-	19,8	ПА
—	19,6	ГА
КБ	19,7	БА, ББ, БВ, БГ,
		БД
КА	19,8	ПА
—	19,6	ГА
—	13,5	МА, МБ..МГ, МД,
		MB, ME
—	6,5	ТА, ТБ
КА	13;5	МА, МБ. МГ, МД,
		MB, ME
“г-	6,5	ТА, ТБ
Примечание. В диапазоне частот 1—2 МГц используются срезы АТ, ИТ. в
диапазоне частот 2 — 30 МГц —срезы АТ, БТ, ИТ, РТ.
4V
Параметры конкретных типов резонаторов (99, 148] приведены
в табл. 4.6.
Таблица 4.6. Параметры резонаторов
Параметры	Значения для резонаторов			
	РГ-07	РГ-05	РВ-11	РВ-59
Диапазон	частот, МГц	1,8-8	5-30	4,5—30	5—30
Тип корпуса	Б	М	Э	К(КА)
Добротность, 10s	100—400	70—200	80—300	80—300
Емкосуное отноше- ние, 10-3 Динамическое сопро- тивление, Ом	1,5-2	5—0,15	5—0,15	5-0,15
	15—100	10-50	5-30	5—20
Приведенное динами- ческое сопротивление	9-1	3-100	2-50	2—50
Статическая емкость, пФ	Менее 5	Менее 9	3-6	2—6
Нестабильность, 10“’, в интервале темпера- тур: (— 10-г-+60)°С	±(20-30)	±(15-25)	±15	±(5-10)
(—40-=-4-70)°С	±(30-50)	±(30-50)	±20	±(20-30)
(—604-4-90) °C	±(50-75)	±(50-75)	±30	±(30—40)
Допустимое откло- нение рабочей часто- ты, 10-’	±(15-25)	±(10-20)	±(10-20)	±5
Помимо основного у резонаторов есть -и побочные колебания.
Следует обратить внимание, что у резонаторов АТ побочные коле-
бания имеют частоту выше частоты основного колебания, их интен-
сивность меньше основного на 3—10 дБ. У резонаторов с линзовы-
ми пьеэоэлементамн интенсивность побочных колебаний меньше.
Разность частот основного и побочного колебаний увеличивается
при уменьшении радиуса кривизны линзового пьеэоэлемента. Ре-
зонаторы БТ имеют спектр побочных колебаний, аналогичный спект-
ру, резонаторов АТ. Резонаторы ИТ имеют большее число побочных
колебании, наиболее интенсивные из них расположены на 10—13%
выше частоты основного колебания. Наиболее интенсивны побочные
колебания у резонаторов РТ. Так побочное колебание на частоте
ниже основного колебания на 10% превышает основное в 4—8 раз.
4.2.	Особенности построения КГ
В диапазоне 1—30 МГц проводятся исследование и разработка
прецизионных ТСКГ, КГ с различными способами компенсации тем-
пературной нестабильности частоты, с непосредственной частотной
модуляцией и манипуляцией перестраиваемых КГ для использо-
вания в цепях частотной и фазовой автоподстройкн. До 20 МГц ре-
зонаторы работают с колебаниями первого порядка, начиная с
20 МГц используются уже колебания высших порядков.
41
При правильном выборе и расчете параметров элементов схемы,
режима-их работы стабильность частоты КГ без применения термо-
компенсации и термостатирования определяется в основном ста-
бильностью частоты резонатора. Стабильность частоты КГ оцени-
вают обычно по измеиеиию частоты нз-за изменения температуры
окружающей среды, воздействия механических и климатических
дестабилизирующих факторов, а также старения.
Разработка КГ начинается с выбора схемы. Наиболее широко
в диапазоне средних частот применяется емкостная трехточка, ко-
торая позволяет получить высокую стабильность частоты (рис. 4.6).
Частота и интервал рабочих температур резонатора выбира-
ются, как правило, соответствующими этим параметрам КГ.
Рис. 4.6. Эквивалентная ем-
костная трехточечная схема
КГ: а — без корректора ча-
стоты; б •— с индуктивным
корректором частоты
Резонаторы с известными параметрами Ск, Со, RK, fK, актив-
ный элемент КГ, транзистор выбираются, исходя из условия экс-
плуатации, габаритов, стоимости, а также электрических парамет-
ров генератора.
Элементы’ частотозадающей цепи КГ обычно рассчитываются,
начиная с определения управляющего сопротивления:
Яу = IZyl = 1/Svx (в),	(4.5)
где Vi (9) характеризует запас по возбуждению КГ и выбирается рав-
ным 0,5—0, V, что соответствует коэффициенту запаса по возбужде-
нию 2—10.
Для емкостной трехточки
(4.6)
где Хх = 1/[ш (С2 + Свых) ]; Х2 = 1/ш (С^С^);	(4.7)
S/? — суммарное сопротивление потерь в цепи резонатора.
Обычно Ct Свх и С2>СВЫХ н в первом приближении можно счи-
тать 2R as RK. При определении (4.7) не учитывались инерционные
свойства траизнстора и потерн в элементах связи н управления, что
вполне допустимо для рассматриваемого диапазона частот. При бо-
лее точном расчете можно воспользоваться соотношениями, приве-
денными в [23].
Подставив в выражение (4.7) Х2 = X0Xi н решив его совместно
с (4.6), найдем Xi == ~[^RK/S'fl (0)Хо. Коэффициент обратной связи
Хо необходимо выбирать равным 0,2—0,8 [17, 132].
Определив Хь находим Х2 = X0Xi. По найденным значениям
Xi и Х2 находим емкости связи Ct и Ci соответственно. Амплитуда
напряжения на базе 1/б=/</$<> Vo (®)> Если исходить из потребляе-
42
мой КГ мощности и требуемой амплитуды напряжения на коллек-
торе транзистора, то /0 = 0,5-г5 мА. Напряжение на эмиттере
U3 = t/6/Kol-
В первом приближении, без учета потерь в элементах связи
можно принять |К0| = |Хг/А\|. Значение частот резонаторов, в об-
щем случае отличается от номинального. Это обусловлено конечной
точностью настройки при их изготовлении. Обычно точность на-
стройки резонаторов ±(5—20) • 10-®, поэтому значение частот ге-
нератора будет также отличаться от номинального, даже при наст-
ройке резонаторов в эквивалентах генераторов, имеющих ту же эк-
вивалентную емкость, что н КГ. Разброс по частоте также объясня-
ется разбросом номинальных значений емкостей связи, входных и
выходных емкостей транзисторов.
Если необходимо установить номинальную частоту, то в КГ
должен быть введен корректор частоты 123], в качестве которого мо-
гут использоваться подстроечный конденсатор, варикап, катушка
индуктивности. Однако следует учитывать, что при емкостном кор-
ректоре увеличиваются отстройка частоты КГ относительно часто-
ты последовательного резонанса резонатора и сопротивление 7?к.
Наиболее распространенным вариантом является перестраиваемый
индуктивный корректор. Эквивалентная схема КГ с таким коррек-
тором приведена на рис. 4.6.
Обеспечивающее коррекцию частоты (на значение А///) необхо-
димое изменение реактивного сопротивления	/
у	Af/f___________
। С’1 Д/(1 —е0)—0,5/n (1 — е0)2 ’
Для устранения возникновения колебаний, не контролируемы^
резонатором через емкость Со, параллельно резонатору подключа-
ется резистор (см, рис. 4.6), сопротивление которого == 1/2л/кС0.
При этом вносятся максимальные потери в цепь статической емко-
сти резонатора и предотвращается паразитное возбуждение. Чтобы
обеспечить соответствие нрминальиых частот КГ и резонатора, по-
следний необходимо настраивать в эквивалентах с учетом корректо-
ра частоты.
Работа резонатора на частоте, отличной от частоты последова-
тельного резонанса, приводит к изменению температурной неста-
бильности частоты резонатора, которое необходимо учитывать при
разработке КГ. Изменение температурной нестабильности частоты
Д/// = O,5/neoam Д/, где ат — температурный коэффициент емкост-
ного отношения для АТ среза (ат« 3 • 10~4); Д/—"интервал тем-
ператур, в котором определяется изменение ТЧХ (рабочий интервал
температур).
Чтобы частота КГ была равна частоте последовательного резо-
нанса резонатора, необходимо последовательно с резонатором вклю-
чать катушку индуктивности. Эта катушка может служить н коррек-
тором частоты. Для схемы рис. 4,6, б
Li = 1 /со2С! + 1/ш2С2 + l/<o2Cs.	(4.8
В табл. 4.7 приведены данные о параметрах элементов для ем-
костной трехточечнон схемы КГ. Данные ориентировочны, посколь-
ку расчет проводился для среднего значения 7?к. Крутизна аппрок-
симированной характеристики коллекторного тока транзистора
43
Таблица 4.7. Ориентировочные данные о параметрах элементов
емкостной трехточечной схемы в диапазоне средних частот
S = 50 мА/B, коэффициент запаса по возбуждению Х3 = 5, Ко =
= 0,5.
Кроме емкостных трехточек в диапазоне средних частот приме-
няются, правда значительно реже, и схемы с резонатором в цепи
обратной связи. Такне схемы позволяют обеспечить при той же мощ-
ности, рассеиваемой иа резонаторе, большую мощность на нагрузке.
Позволяя обеспечить больший запас по возбуждению, схемы с ре-
зонатором в цепи обратной связи допускают применение резонато-
ров с большим RK.	•
По сравнению с емкостной трехточкой, в такой схеме наблюда-
ется большее изменение частоты при изменениях напряжения пи-
тания и других параметров реактив-
ных элементов частотозадающей це-
пи и активного элемента.
Расчет элементов колебательной
системы Хь Х2, Х3 в однотранзн-
сторном КГ с резонатором в цепи
обратной связи (рис. 4.7) подробно
рассмотрен в [132]. Сопротивление
делителя в цепи обратной связи R=
=	(RK/2P„B)o.J, где 1/в =
=	(0) [1 + (fK//s)zl — амплн-
туда напряжения возбуждения;
Ркв — мощность, рассеиваемая иа
Рис. 4.7. Эквивалентная схема
КГ с резонатором в цепи об-
ратной связи
резонаторе.
Реактивное сопротивление плеча контура между эмиттером и
базой Х2 = -(1 + х)-1 {Хкв -h [x2R2 - X2 (R + RKB)21°-6X-1}.
где х = МК (1 + RK/R) — коэффициент трансформации; К =
= ив/ик,3— модуль коэффициента обратной связи; М = l,02-j-2 —
коэффициент.
Модуль коэффициента обратной связи
0.5/«1 [1+ (АЛг)21 cos фн
-------------------------------------- м о)
SyUO)^ +[i+(i-Пк)ЧГ11+Л<в(1+.№в)}
где Ра — мощность, отдаваемая в нагрузку; t)K — КПД, обычно
принимается т]к ^0,5; фк — сдвиг фаз между током /К1 и напря-
жением 1/к.в. При определении К из (4.9) принимается фк » 0.
В дальнейшем значения фк и К уточняются. Реактивное сопротив-
ление плеча контура между коллектором н базой Х3 = Х2 (1 +
+ 1/х). Реактивное сопротивление плеча контура между коллек-
тором н эмиттером транзистора Хг = [х/Х2 — £/RK]~l, где £ —
обобщённая расстройка частоты генератора относительно соб-
ственной резонансной частоты контура; £ = { (RK + R)S2R X
X (fK/fs) + [Х2 (1 + х) + Хкв] [SXR - х [1 + (fK//s)2]]} X
X { [Х2 (1 + X) + X|tB]SiR (fK/fs) — (R + RKB) [SiR — x [1 +
+ (/k/Zs)2]1 }• Поскольку X3 = XL> + XCj to XLj =
= XJQ (1 — i/Q)~3RKt Где Q — добротность ненагруженного кон-
тура. Для повышения стабильности частоты рекомендуется выби-
рать Q = 204-80.
‘ По известным Х3 и Xtj определяется Хс . Уточняется значе-
ние cos фк, принятое в начале расчета равным единице: cos фк =
= [^R - х (1 + fK/fs)] { (1 + g2) [ (SjR—х)2 +(x/K//s)2]}-|>-5. Ес-
45
ли уточненное значение cos фк отличается более чем на (15—20)%,
то необходимо повторить расчет при данном значении cos <рк.
При интегральном исполнении КГ, когда элементы активной
части выполняются по твердотельной технологии (в активной части
генератора используются КМОП структуры), также применяются
схемы с резонатором в цепи обратной связи. Во многих случаях
при этом отсутствуют дополнительные частотно-избирательные цепи
с индуктивностями.
Устойчивая работа резонатора обеспечивается в данном случае
благодаря созданию фазового сдвига пя (п = 0 или четное число)
в цепи обратной связи на частоте резонатора. Так как резонатор на
резонансной частоте /к имеет минимальное сопротивление, обеспе-
чивается и максимальный коэффициент положительной обратной
связи (коэффициент передачи напряжения с выхода на вход).
4.3.	Практические схемы КГ
Как уже говорилось выше, в качестве активного элемеита в КГ,
построенном по трехточечной схеме (рис. 4.8), может использовать-
ся транзистор, удовлетворяющий условию fs > /г. Важными па-
раметрами транзистора являются крутизна характеристики, уро-
вень шумов, значение и стабильность проводимостей, габариты и
экономичность.
Рис, 4.8. Кварцевый генератор, выполненный по емкостной трехточечной
схеме:
а — схема без корректора частоты; б — вариант корректора частоты
Частота КГ (см. рис. 4.8 а) выше частоты последовательного ре-
зонанса резонатора на значение
А/о—-—0,5/и/к хобщ/(1 Хобщ)	(4 10)
где х0бщ = —Со (	.* —+	) — полное приведенное
z	' ь, -f- Свх С2-|- Свых /
сопротивление генератора.
Поскольку величина Д/о определяется полным реактивным
сопротивлением КГ, которое определяется, в свою очередь, емко-
стями связи С] и С2, входной и выходной емкостями транзистора,
имеющими определенный разброс то частота генератора будет от-
46
Лйчаться от частоты последовательного резонанса резонатора даже
при использовании резонатора, частота кдторого выбрана ниже но-
минальной частоты генератора на Д/.
Из-за разброса параметров элементов отстройки частоты КГ
относительно номинального значения
Д/7 = -0,5/иДх (1 — е0)2/ [1 — Дх (1 — е0)1>	(4.11)
= _ —!______(________L—_____ , _______1 ..... _
2л//|ХС41 у ClmIn+CBXmin	min + СВых mln
----_L------_ —------J_-------1 eo = ДД/О' 5mfK.
1 тах*г<-вх max *-2 max -t-t-nx max /
Сопротивления Rlt R2, определяющие режим транзистора TI
по постоянному току, обычно до десятков килоом в зависимости от
требований, предъявляемых к КГ по потреблнемой мощности, интер-
валу рабочих температур, стабильности уровня выходного напря-
жения н т. д.
Сопротивление Rs обычно лежит в пределах от нескольких со-
тен ом до нескольких килоом и зависит также от требований к уров-
ню выходного напряжения, потребляемой мощности. Конденсатор
СЗ разделительный, его емкость в зависимости от частоты может
быть в пределах от нескольких тысяч до нескольких десятков ты-
сяч пикофарад; R4C4 — фильтр в цепи питания.
Ориентировочные значения емкостей связи Ci, С2 н сопротив-
ления Ri, параллельного кварцевому резонатору, приведены в
(длн схемы рис. 4.8) табл. 4.8.
Таблица 4.8. Параметры элементов схемы рис. 4.8
Частота, МГц	1-2	2 — 5	5 — 10	10—15	15-20	20—25	25—30
Rt, кОм	60—15	30—10	15—1,5	5,6—1,5	3,6—1,2	1.5-1,0	1,2—470
Ci, пФ	1500	1000	680	470	300	220	150
С„ пФ	680	390	300	270	150	82	68
Технические характеристики КГ (см. рис. 4.8)
Напряжение питания, В.........................6—10
Мощность, потребляемая от источника, мВт . .	5—20
Нестабильность частоты прн нзмеиенни напряжении
питания на ±15%, не более.....................±5-10“?
Дополнительная нестабильность частоты, обуслов-
ленная изменением параметров элементов схемы
при нзмеиенни температуры от —50 до 70 °C, не
более.........................................±1,5-10“*
Выходное напряжение, мВ....................... 150—500
Генератор не требует настройки, кроме установки номинальной
частоты, предварительной регулировки. Недостатком является До-
вольно значительное влияние нзмеиенни нагрузки на частоту. Для
уменьшения этого влияния в цепь коллектора включают дополнн-
47
тельный резистор, с которого снимается выходное напряжение. Но
в этом случае возрастает уровень высших гармонических составля-
ющих в выходном сигнале генератора, Что не всегда допустимо.
Рис, 4.9. Схема КГ с контуром на выходе усилительного каскада
(Общую точку С1 и Пэ1 заземлить)
На рис. 4.9 приведена схема КГ, обеспечивающего фильтрацию
высших гармоник и малое влияние нагрузки иа частоту, описанная
"	' емкостной трехточке, иа транзисторе
Т2, иа Т1 собран усилительный
каскад с общей бвзой. По посто-
янному току транзисторы Т1 и Т2
включены каскодио. Нагрузкой
усилительного каскада служит
контур L2C5C6, резистор R6
предотвращает возбуждение уси-
лительного каскада.
Генератор устойчиво работает
в диапазоне средних частот, не
требуя какой-либо настройки, кро-
ме установки номинальной час-
тоты с помощью L1 и настройки
ЛэГ выходного контура по максимуму
выходного напряжения.
в [6,17]. Генератор собран по
а)
Рис.
а —

4.10. Схемы КГ на ограничителях
тока:
на биполярных транзисторах; б —
иа полевых транзисторах
48
Применение интегральных микросхем более эффективно в КГ
с резонатором в цепи обратной связи. Активная часть генератора в
таких случаях содержит операционный усилитель, логический эле-
мент, выполняющий функцию токового ключа, ограничитель тока иа
биполярных или полевых транзисторах, а резонатор включают в
цепь положительной обратной связи.
На рис. 4.10 приведены варианты схем КГ на ограничителях
тока, выполненных на биполярных транзисторах КТ324 (рис. 4.10, а)
и полевых транзисторах КП302 (рис. 4.10, б) .[93].
Технические характеристики КГ (с.ч. рис. 4.10)
Напряжение питания, В	....	6
Мощность, потребляемая от источника, мВт .	20—30
Нестабильность частоты при изменении напряжения
питания на ±15%, не более.....................±2-10-7
Дополнительная нестабильность частоты, обуслов-
ленная изменением параметров элементов схемы
при изменении температуры от —50 до 70 °C. . . ±5-10“’
Выходное напряжение, мВ....................... 50—500
При использовании транзисторов КГ324 КГ устойчиво рабо-
тает во всем диапазоне средних частот, на транзисторах КП302 —
в диапазоне частот 1—5 МГц. Сопротивления —Rt. равные ориен-
тировочно 150—680 Ом и зависят от параметров резонатора, рабо-
чей частоты генератора, требуемогруровня выходного напряжения.
J’uc. 4.11. Схема КГ на комплементарных МОП структурах
На рис. 4.11 приведена схема КГ с резонатором в цепи обрат-
ной связи [120], активная часть которого выполнена на компле-
ментарных МОП-структурах. При использовании в диапазоне частот
I—5 МГц такой генератор экономичен и устойчив5 в работе, имеет
малые габариты ,н потребление. Однако режимная нестабильность
частоты его хуже, чем у выше рассмотренных генераторов.
49
5.
НИЗКОЧАСТОТНЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
5.1.	Низкочастотные кварцевые резонаторы
Динамические параметры резонаторов. Низкочастотным счи-
тается днапозои частот 1 —1000 кГц. В диапазоне 1—1000 кГц ис-
пользуют резонаторы с пьезоэлементами, совершающими колеба-
ния изгиба, кручения, продольные колебания (сжатия—растяжения
по длине) и колебания сдвига (по контуру, по толщине и «косой»
сдвиг). Наиболее высокие электрические параметры резонаторов
получают при использовании следующих срезов и видов колеба-
ний.
Срез	Вид колебания	Диапазон частот, кГц
ХБ	Изгиб	1—10
ХВ	Изгиб	5—100
вп	Кручение	50—1000
XT	Продольное	50—200
дт	Сдвиг по контуру	200—800
АП	«Косой» сдвиг	300—1000
АТ	Сдвиг по толщине	Выше 500
Таблица 5.1. Параметры низкочастотных резонаторов
Диапазон частот, кГц	Срез4 пьезоэлемента		Лк, Ом	ГИ. 10-’	tn. 10“’	Q, ю»
1—2	ХБ(В)		(40—10). 10»	6—3	4,5—4	30—90
2—5	ХБ(В)		(20—SJ-IO3	6—3	4,5—4	30—90
5—50	ХВ(В)		(5-0,4) • 103	2,5—1	3—1	150—1000
		ХВ(Г)	(1—0,2)-10s	2,5—1	3-1	150—1000
		ХВ(Г)	(2—0,5) • 103	5-3	3-1	65—300
		ВП(В)	(0,7—0,25) • 103	3,5—1,5	2,5—1,5	150—500
		ХВ(Г)	(5—0,8)-10s	15—5	8-7	75—300
100—200		ВП(В) ХТ(В)	(0,5—0,1) -IO3 (2,5—0,4) • 103	3,5-1,5 15—5	2,5—1,5 8-7	150—500 75—300
200—300		ВП(В) ДТ(В)	300—80 400—100	3,5—1,5 3—1	2—1,5 2,5—2	150—450 150—500
		ВП(В)	250—70	3,5—1,5	2—1,5	150—450
300—500		ДТ(В) ДТ(Г)	250—75 600—100	3—1 8—2,5	2,5—2 2,5—2	150—500 50—200
		АП(В)	100—20	1,5-0,5	2,5—1	250—2000
		ВП(В)	200—60	3,5-1,5	2—1,5	150—450
500—1000		ДТ*(В) ДТ(Г) АП(В)	200—50 500—100 60—10	4—15 9-3 1,5—0,5	2,5—2 2,5—2 2,5—1	100—350 45—170 250- 2000
		АТ(В)	300—50	8—4	2—1,5	60—220
		АТ(Г)	600—100	16—6	2—1,5	30—80
1 В скобках указан тип корпуса резонатора: В — вакуумный, Г — герметизи-
рованный. • Срез Д применяют До 800 кГц.
SO
Основные параметры низкочастотных резонаторов приведены в
табл. 5.1. На рнс. 5.1 показана зависимость средних значений ре-
активного сопротивления статических емкостей резонаторов от час-
тоты. Этот же рисунок иллюстрирует применение срезов в зависи-
мости от диапазона частот.
Динамическое сопротивление низкочастотных резонаторов срав-
нительно велико: в низкочастотной части диапазона достигает
Рис. 5.1. Зависимость средних значений реактивных сопротивлений статиче-
ской емкости резонаторов от частоты
40 кОм. С ростом частоты сопротивление уменьшается. Поэтому мень-
шие значения сопротивлений табл. 5.1 соответствуют более высоким
частотам.
При изменении температуры окружающей среды сопротивле-
ние может изменяться в 5 раз. При этом степень изменения в боль-
шой мере определяется конструкцией крепления пьезоэлемента н
видом припоя. Например, для резонаторов с пьезоэлементом ВП
среза применение оловянно-сурьмянного припоя вместо оловян-
но-свинцового ослабляет влияние температуры иа сопротивление
RK примерно в 2 раза, при осевом креплении пьезоэлемента — бо-
лее чем в 2 раза. Меньшим сопротивлением по сравнению с гермети-
зированными обладают вакуумные резонаторы.
Самым малым сопротивлением обладают резонаторы с пьезо-
элементамн АП среза, причем сопротивление этих резонаторов ма-
ло изменяется в интервале температур — не более 5—10%.
51
Статическая емкость низкочастотных резонаторов одного среза
уменьшается с увеличением частоты и составляет 12—20 пФ в диа-
пазоне частот 1—5 кГц, 6—14 пФ в диапазоне частот 5—50 кГц. На
частотах выше 50 кГц в зависимости от среза статическая емкость
резонаторов следующая:
Срез	XT	ВП	ХВ	АП
Статическая емкость, пФ 7—12	5—25	4—10	4—10
Добротность. Характер зависимости добротности низкочас-
тотных резонаторов (см. табл. 5.1) определяется температурной за-
висимостью динамического сопротивления.
ров, кроме АТ, ТЧХ, достаточно точно описываются выражением
S/r = aQ0 (f—^о) =Ь^о0	нли
6fr=b,e(t-tB?.	(5.1)
где /э — температура, при которой частота имеет экстремальное
(в данном случае максимальное) значение (рис. 5.2).
Температура t3 зависит от угла среза пьезоэлемента и отноше-
ния его толщины к длине. На значение /э оказывают некоторое -влия-
ние припой (клей), которым пьезоэлемент крепится к держателю,
расположение мест крепления н форма пьезоэлемента. При работе
иа частотах высших порядков колебаний температура экстремума
ТЧХ смещается в область более высоких температур, но значение
62
коэффициента йэ0 сохраняется. При сохранении порядка колебаний
пьезоэлемеита и при перемещении значения /э в области более вы-
соких температур йэ0 несколько уменьшается. Например, для ре-
зонаторов ДТ при /э = 70^-80 °C 6Э0 = —1,5 • 10~8 (°C)2.
При соблюдении технологии производства резонаторов разброс
t3 не превышает ±(3—5) °C.
Для резонаторов АТ ТЧХ описывается полиномом третьей сте-
пени, т. е. имеет вид кубической параболы.
Значения коэффициента 6О0, температуры t3 и отклонения час-
тоты в интервале температур при разбросе /э = ±5 °C приведены
в табл. 5.2. Настройкой частоты резонатора изменение частоты в ин-
тервале температур можно сделать симметричным относительно но-
минального значения. Из табл. 5.2 видно преимущество по величине
температурной нестабильности частоты резонаторов АТ.
Временная нестабильность частоты (старение). Допустимые в
соответствии с действующими ГОСТ и реальные изменения частоты
низкочастотных кварцевых резонаторов от старения приведены в
табл. 5.3. Меньшие изменения частоты имеют резонаторы, прошедшие
в процессе изготовления термотренировку при соответствующем вы-
боре мест крепления пьезоэлемента. Например, в [(48] приводятся
сведения о-том, что резонаторы ДТ с краевым креплением пьезо-
элемента и малым отношением ширины к длине имеют измене-
ние частоты во времени не более ±(1—2) • 10~6 за несколько лет.
Малое старение характеризует вакуумные резонаторы АП: из-
менение частоты за 3 года в режиме хранения (0,5—1) • 10~6.
Уход частоты резонаторов от механических воздействий в боль-
шой степени зависит от поддиапазона частот. Резонаторы с часто-
тами 50 кГц достаточно устойчивы к механическим воздействиям,
они выдерживают одиночные удары до 1000g и длительную вибра-
цию до 5000 Гц с ускорением 20—30g, при этом изменение частоты
± (5—,10)  10-6. Резонаторы низкочастотного поддиапазона об-
ладают меньшей механической устойчивостью, и уходы частоты от
механических воздействий ±20 • 10~6. Лучшую механическую ус-
тойчивость имеют бескаркасные резонаторы, так как собственные
резонансные частоты их, как правило, находятся вне диапазона час-
тот механических воздействий.
Мощность рассеяния. Особенно сильное влияние на частоту
оказывает мощность рассеяния у резонаторов, с колебаниями изги-
ба (срезы ХБ и ХВ поддиапазона частот 1 —100 кГц). При увеличе-
нии рассеиваемой мощности частота резонаторов, работающих с
колебаниями первого порядка, повышается. Изменение частоты ре-
зонаторов прн изменении мощности рассеяния больше у резонато-
ров с линзовыми п’ьезоэлементамн. Данные о допустимой мощности
рассеяния для различных резонаторов приведены в табл. 5.4.
В табл. 5.5 приведены сведения о габаритных размерах и типах
корпусов низкочастотных резонаторов. В табл. 5.6 приведены па-
раметры некоторых типов низкочастотных резонаторов [97, 105,
148].
Паразитные колебания пьзооэлемента. Побочные колебания у
низкочастотных резонаторов с различными срезами пьезоэлементов
и различными видами колебаний различаются по интенсивности,
расположению по отношению к основному колебанию. У резонато-
ров с.пьезоэлемеитамн среза ХБ и ХВ частоты побочных колебаний
превышают частоту основного примерно в 5 раз, их интенсивность
S3
Таблица 5.2. Параметры ТЧХ резонаторов
Диапазон частот, кГц	Срез пьезо- элемента	boo-1»-8- (1/°С)'	Та, "С	Температурная нестабильность, 10“’, в интервале температур		
				(—1 04-4-60) °C	(-404-4-70) 'С |	( -604-4-90) *с
1—3	ХБ	— (3,5—4)	0—35	-(70-80)	— (150—170)	— (250—285)
3-5	ХБ	-(3-4)	0—35	-(60-80)	— (125—170)	— (215—285)
5—12	ХВ	-(3,5-4)	0-30	—(70—80)	— (150—170)	— (250—285)
12—16	ХВ	— (3-3,5)	0-60	- (60—70)	— (125—150)	— (215—250)
16—50	ХВ	— (2,5—3)	0-60	-(50-60)	-(105-125)	-(180-215)
	(	ХВ	— (2,5—3)	0—60	-(50—60)	— (105—125)	—(180—215)
50—100	вп	— (1,6—2,7)	0—100	— (35—55)	— (70—120)	— (115—200)
	1	XT	-(3-4,5)	0—50	— (60—90)	— (125—190)	— (215—320)
	/	вп	— (1,6—2,7)	0-100	-(35-55)	— (70—120)	— (115—200)
	1	XT	-(3-4,5)	0—50	— (60—90)	-(125-190)	— (215—320)
	(	вп	— (1,6—2,7)	0-100	— (35—55)	— (70—120)	— (115—200)
ZUU Juv	1	ДТ	-(2-2,5)	—304-4-100	-(40-50)	— (85—110)	— (145—180)
	(	вп	— (1,6—2,7)	0—100	— (35—55)	— (70—120)	-(115-200)
300-500	ДТ	— (2—2,5)	-304-4-100	— (40—50)	— (85—110)	— (145—180)
	1	АП	— (1,5—2,5)	-304-4-100	— (30—50)	— (65—110)	— (110—180)
	вп	— (1,6—2,7)	0—100	— (35—55)	— (70—120)	-(115—200)
	1	ДТ*	— (2—2,5)	-304-4-100	— (40—50)	— (85—110)	— (145—180)
	ЛП	-(1,5-2,5)	-304-4-100	-(30-50)	— (65—110)	— (110—180)
	1	АТ		20-100	±(10—15)	±(20—30)	±(30—50)
• Срез ДТ применяют до 800 кГц.
Таблица 5.3. Изменение частоты низкочастотных резонаторов
во времени и из-за механических воздействий
Диапазон частот, кГц	Срез1 пьезо* элемента	Изменение частот2»				
		реальное			допустимое	
		а	1 6		а	1 6
1—5	ХБ(В)	±10	±30	20			
5—10	ХВ(В)	±5	±25	20	±15	±30
10-50	ХВ(В)	±5	±20	±(10—15)	±15	±30
	ХВ(В)	±5	±20	±10	±15	±30
	ХВ(Г)	±20	±40	±10	±40	±75
□и—1 ии	ВП(В)	±5	±(10-20)	±(5—10)	±15	±30
	ХТ(В)	±15**	±30	±10	±15	±30
1лл олл	(	ВП(В)	4-5	±(10-20)	±(5-10)	±15	±30
1UU ZUU	1	ХТ(В)	±15**	±30	±10	±15	±30
ллл олл	(	ВП(В)	±5	±(10-20)	±(5—10)	±15	±30
Z VU"’OUU	1 ДТ(В)	±(10-15)	±25	±(5—10)	± 15	±75
	ВП(В)	±5	±(10-20)	±(5-10)	±15	±30
олл слл	ДТ(В)	±(10—15)	±25	±(5—10)	±15	±30
OVU оии	ДТ(Г)	±35	±75	±10	±40	±75
	АП(В)	±(2-2,5)	±5	±1	±15	±30
	ВП(В)	5	±(10—20)	±(5-10)	±(10—15)	± (20—30)
	ДТ(В)	±(10—15)*	±25	±(5-10)	±15	±30
500—1000	Д(Г)	±35	±75	±10	±40	±75
	АП (В)	±(2—2,5)	±5	±1	±(10-15)	±(20—Зр)
	АТ(В)	±0-5)	±(5-10)	±5	±(10-15)	±(20—30)
	АТ(Г)	±10	±20	±(5-10)	±(20-25)	±(35—50)
Примечания: 1 В скобках указан тнп корпуса резонатора: В — вакуумный, Г — герметизированный. ’ Изменение частоты: о —ла
I год. б — за 10 лет, в —из-за механических воздействие. • Срез ДТ применяют до 800 кГц. •• Для лучших типов резонаторов,
эти значения соответственно ±510-*-i- ±1,5.10-* за 1 год.
Таблица 5.4. Допустимая мощность рассеяния
низкочастотных резонаторов
Диапазон частот, кГц	Срез пьезоэле- мента	Мощность1, рассеиваемая на резо- наторе. мВт					Рекомен- дованная (148]. пе более
		максимальная по ГОСТ I 1599-67	по ГОСТ 23546 —79				
			максимальная		рекомендо- ванная		
			Т	нт	Т	нт	
1-5	ХБ			__.							0,01
5-50	ХВ	0,1	0,01	0,03 1	0,005	0,01	
	(ХВ	2	0,5		0,2	0,5	0,05* ;0,02**
50—100	{ВП	2	0,5	1	0,2	0,5	—
	(хт	2	0,5	1	0,2	0,5	0,1
100—200	/ВП (хт	2 2	0,5 0,5	1 1	0,2 0,2	0,5 0,5	0,1
200—300	/ВП (дт	2 2	0,5 0,5	1 1	0,2 0,2	0,5 0,5	0,2
300—500	/ВП (дт, АП	2 2	0,5 0,5	1 1	0,2 0,2	0,5 0,5	0,2
	(ВП	2	0,5	1	0,2	0,5	0.2
500—800	ДТ, АП (АТ	2 2	0,5 0,5 1	1 1	0,2 0,2	0,5 0,5	—
	(ВП	4		2	0,5	1,0	0,2
300—1000	{АП (АТ	4 4	1 1	2 2	0,5 0,5	1,0 1,0	0,5 0,5***
1 Т — термостатнруемые. НТ — нетермостатируемые резонаторы. * При Q <
< 200- I01. •• При Q>200- Ю1. ••• При Q>100 - 103.
примерно равна основному колебанию. Частота побочных колебаний
резонаторов с пьезоэлементамн ВП превышает частоту основного
колебания в 3 раза. Сложный спектр побочных колебаний у резона-
торов ДТ. У резонаторов с круглыми н квадратными пластинами
ближайшие побочные резонансы отстоят на ±40% от рабочей час-
тоты, а у резонаторов с прямоугольными пластинами находятся
ближе к рабочей частоте н отстоят от нее на 10—15%. У отдельных
резонаторов могут быть побочные резонаторы н ближе к рабочей час-
тоте. У резонаторов с пьезоэлементамн срезов АП частота побочных
колебаний в 1,6—1,8 раза выше основной, нх интенсивность на 6—
8 дБ меньше основного колебания. У этих резонаторов есть побоч-
ные колебания, расположенные значительно ближе к частоте основ-
ного колебания, но они ослаблены по сравнению с основным коле-
банием на 30—40 дБ. Спектр частот побочных колебаний резонато-
ров с пьезоэлементамн среза АТ зависит от размера н формы пьезо-
элемента, от соотношения размеров пьезоэлемента н электрода.
Побочные колебания располагаются как вблизи, так н вдали от ос-
новного колебания, нх интенсивность на 3—10 дБ ниже основного
колебания.
56
Таблица 5.5. Тип и размеры корпусов по ОСТ 11338.002—75
			Вакуумные резонаторы				Г ерметизнрован-	
							ные резонаторы	
Диапазон	Срез		С		э		У	
частот,	пьезоэле-							
кГц	мента		Н, мм	Обозна- чение	Н. мм	8 =	у, мм	Обозна- чение
						о ¥		
		ХБ	86	СИ; СХ	72	ЭК				
1 £		ХБ	74	СЖ; СФ	72	эк	—		
		ХБ	74	СЖ; СФ	62	ЭИ	—	
2-5		ХБ	64	СЕ; СУ	—							
		ХБ	54	СД; СТ	52	ЭЖ	—		
		ХВ	54	СД; СТ	52	эж			
5-10		ХВ	48	СГ; СС	47	ЭЕ	—		
		ХВ	48	СГ; СС	42	эд	—	
10—30	/ ХВ 1 ХВ		48 41	СГ; СС СВ; СР	42 37	эд ЭГ				
30—50		ХВ	41	СВ; СР	37	ЭГ				—
		ХВ	34	СБ; СП	32	ЭВ					
		ХВ	41	СВ; СР	37	ЭГ	34	УЕ; УН
		ХВ	34	СБ; СП	32	ЭВ	34	УЕ; УН
50—65		ВП	—	—	52	•ЭЖ	—		
		хт	86	СИ; СХ	82	ЭЛ				
		хт	74	СЖ; СФ	72	эк			
		ХВ	41	СВ; СР	37	ЭГ	28	УД; УМ
		ХВ	34	СБ; СП	32	ЭВ	28	. УД; УМ
65—100		ВП		'	52	эж	—	
		хт	74	СЖ; СФ	72	эк	—		
		хт	64,54	СД; СТ СЕ; СУ	62,52	эи.эж	—	—
	( ВП		—	—.	37	ЭГ				
100—200	{ ВП		—	—	32	ЭВ	—		
	1 хт		48	СГ; СС	47,37	ЭЕ.ЭГ	34	УЕ; УН
		ВП	—	——	37	ЭГ					
		ВП	—		32	ЭВ			
200—500		дт	54	СД; СТ	42	эд	34	УЕ/УН
		дт	47	СГ; СС	37	ЭГ	34	УЕ/УН
		АП*	64	СЕ; СУ	52	эж	—	
		ВП	—	.—_	37	ЭГ	—		
		ВП	—	—	32	ЭВ				
		дт**	47	СГ; СС	47	ЭЕ	34	УЕ/УН
		дт**	—	—	37	ЭГ	34	УЕ/УН
		АП*	—	. —.	47	ЭЕ				
500—1000		АП*	—	—	42	эд	—	—
		АП*	—	—	37	ЭГ	—.		
		АТ	54	СД; СТ;					19,7	БА; ББ;
			48,	СГ; СС			19,7	БГ; БД
		АТ	34	СБ; СП;	—			19,7	БВ; ПА
• Срез АГ			29	СА; СН				
	применяют на частотах выш				300 кГц. срез ДТ			до 800 кГц.
57
Таблица 5.6. Параметры
Резонатор	Диапазон частот, кГц	Тнп корпуса*•	Q. 10’	т, 1 о " 3	Як. Ом	
РВ-04	4-60	Э(В)	30—260	1—3	(7-25). 10s	
РВ-03	20—200	Э(В)	180—650	1—2,5	Менееб- 10s	
РВ-720*	30—35	Ч(В)	100	3	Менее 6.10s	
РВ-72*	30—35	Ч(В)	40	3	Менее 16.10s	
РВ-101Н	30—35	Ч(В)	30	3	Менее 20-10®	
РГ-01	50—220	У(Г)	50—100	1—3	(1-3). 10s	
РГ-02	220—800	У(Г)	50—200	2—2,5	300—1000	
РВ-15	130—750	С(В)	75—300	2—2,5	200—700	
РГ-27	500—750	Б(Г)	30—60	1,5—2	200—800	
РГ-06	750—1800	Б(Г)	40—80	1,5—2	100—300	
РВ-17	840—1800	С(В)	80—200	1,5—2	150—600	
• Резонаторы Р.В-720К и РВ-72 имеют коэффициенты 6Э0 =4 • 10-VC при
В — вакуумные корпуса, Г — герметизированные.
5.2.	Особенности построения КГ
При разработке низкочастотных КГ необходимо учитывать осо-
бенности параметров применяемых в них резонаторов.
Так, большее динамическое сопротивление низкочастотных ре-
зонаторов (от 0,01 кОм у лучших резонаторов высокочастотной час-
ти диапазона частот, до 30—40 кОм у резонаторов низкочастотной
части диапазона) изменение 7?к в интервале температур, требуют
обеспечения активным элементом большего коэффициента усиления
по сравнению с диапазоном средних частот.
Большие изменения RK в интервале температур приводят к
аналогичным изменениям рассеиваемой на резонаторе мощности.
Во избежание превышения допустимого значения необходимо либо
применять автоматическую регулировку амплитуды (АРА) напря-
жения высокой частоты иа резонаторе, либо предусматривать в ге-
нераторе другие элементы, используя которые можно было бы уста-
навливать необходимое значение мощности на резонаторе.
Емкостное отношение m=(l-j-8) • 10-3, т. е. также имеет боль-
шой разброс. Вследствие этого отличие частоты генератора от но-
минального значения из-за разброса параметров его элементов так-
же будет сильно нзменнтьсн. Частота генератора будет тем больше
отличаться от номинального значения, чем больше т.
Нестабильность частоты низкочастотных резонаторов (в ин-
тервале температур, в процессе и после механических и климати-
ческих воздействий, из-за старения) больше, чем у среднечастотных
резонаторов (см. табл. 5.3 н 5.6), поэтому при высоких требованиях
к стабильности частоты целесообразнее частоту 1 —1000 кГц полу-
чать делением частоты КГ диапазона средних частот.
При этом не происходит значительного увеличения габаритов,
поскольку у высокочастотных резонаторов они обычно меньше, чем
58
резонаторов
	г, 10~3	пФ	Относительное отклонение частоты, 10 *			
			в интервале температур			при темпера- туре настройки
			(-10-60) °с	-(30—70)°С	(-60-90) »с	
	3—8,5	3—30	— 100	—200	—300	±(50-75)
	1.5-3,5	3—20	— 100	—200	—300	±(20-75)
	Менее 3,75	2,8	——		— 	±20
	Менее 10	2,8	—	—	—	±40
	Менее 12	2,8	— 130	—	—	±85
	4—8	7—25	— 100	—200	—300	±(20—50)
	2,5-5	. 2—18	— 100	— 150	—300	±(20—50)
	1-3	3—30	— 100	—150	—300	±(20—30)
	10-20	2—7	±15	±30	±50	±(15-25)
	10—15	Менее 5	±(20-30)	±(30-50)	±(50-75)	±(15—25)
	3—5	2—4	±15	±30	±50	±(15-25)
Т«= (27±3)°С для резонаторов РВ-720К н 7а = (27+5)°С для РВ-72. *• В скобках:
у низкочастотных, а существующие делители частоты имеют малые
габариты.
Если предъявляется требование точной установки номиналь-
ной частоты генератора, то необходимо вводить корректор частоты,
аналогично тому, как это делается в КГ средних частот.
Однако применение корректора частоты в низкочастотных КГ
сопряжено со значительными трудностями. Так, при емкостном кор-
ректоре возрастает отстройка частоты генератора относительно час-
тоты последовательного резонанса кварцевого резонатора, возрас-
тает сопротивление резонатора н увеличиваются потерн, вно-
симые элементами, подключенными параллельно резонатору. В
результате этого увеличивается нестабильность частоты генератора
н снижается устойчивость его работы. Это особенно характерно для
КГ на частотах ниже 100 кГц.
При применении й качестве корректора катушки индуктивно-
сти можно обеспечить работу резонатора вблизи частоты последо-
вательного резонанса.
Значение индуктивности необходимо определять по (4.8). Од-
нако при больших габаритах катушки индуктивности ее сложно при-
менять в микроминиатюрных КГ.
В табл. 5.7 н 5.8 приведены ориентировочные данные для ем-
костной трехточечной схемы о значениях емкостей обратной связи,
относительной отстройке частоты КГ от частоты последователь-
ного резонанса резонатора при отсутствии индуктивности L, вклю-
чаемой последовательно с резонатором для установки номинальной
частоты генератора, н о значении этой индуктивности, определен-
ной нз условия равенства частоты генератора частоте последователь-
ного резонанса с вакуумными н герметизированными резонато-
рами.
Данные являются ориентировочными, поскольку расчет произ-
веден для Yi (0) — 0,5, Ко = 0,5 и 50 = 50 мА/B.
59
Таблица 5.7. Ориентировочные данные о параметрах элементов
емкостной трехточечной схемы в диапазоне низких частот
Диапазон частот, кГц	Срез* пьезо- элемента	Усреднен- ное значение т. 10-3	кОм	Со, пФ	Сб. э, мкФ	Сэ. к, мкФ	-f 	L, мГн
	ХВ(В)	2	0,75—0,2	7-8	0,014—0,028	0,007—0,014	1,65—0,83	0,7—0,35
85—100	ХВ(Г)	2	1,5—0,5	—	0,01—0,02	0,005—0,01	2,6—1,3	1—0,5
	вп(В)	2	0,5—0,2	10—14	0,018—0,029	0,009—0,014	2,4—1,2	0,57—0,285
	ХТ(В)	7,5	3—0,75	8—12	0,007—0,014	0,0035—0,007	17,6—8,8	1,4—0,7
	С ВП(В)	2	0,5—0,1	12—16	0,012—0,03	0,006—0,015	3,63—1,82	0,42-0,21
100—150	1 ХТ(В)	7,5	2,5—0,6	8—10	0,006—0,012	0,003—0,006	19,8—9,9	0,94—0,47
	, ВП(В)	2	0,4—0,1	10-12	0,01—0,2	0,005—0,01	3,5—1,75	0,27—0,135
150—200	j ХТ(В)	7,5	2,2—0,4	8-14	: 0,004—0,01	0,002—0,005	15,1—7,54	0,63—0,315
	( ХТ(В)	7,5	6-1		0,0028—0,006	0,0014—0,003	48—24	1—0,5
1 В скобках: В—вакуумные. Г — герметизированные корпуса.
Таблица 5.8. Ориентировочные данные о параметрах.элементов
емкостной трехточечной схемы в диапазоне низких частот
Диапазон частот, кГц	Срез1 пьезо* элемента	Усредненное значение гл, 1О-3	Як, Ом .	Сб. в, пФ	Сэ. к, пФ	10- f	L, мГн
		Диапазон частот 200—300 кГц, С			3 = 7-4-11 пФ		
200—300	II ВП(В) I	1	1,75	300—8	8200—15 900 I	4100—7950	3,06—1,58	148—76
	II ДТ(В) |	I 2,25	400—100	7100—14 300	3550—7150	2,66—1,32	171-85
		Диапазон частот 300—500 кГц,			С0=5ч-9 пФ		
	ВП(В)	1,75	250—70	5640—1064	2820—5320	3,3—1,75	84—45
300—500	ДТ(В)	2,25	250—75	5640—10 270	2820—5130	3,17—1,74	84—46
	ДТ(Г)	2,25	600—100	3630—8940	1800—4470	6,90—2,8	131—53
	АП(В)	1,75	100—20	8940—19 880	4470—9940	2,3—1,04	53-24
Диапазон частот 500—800 кГц, Со=54-8 пФ
	( ВП(В)	1.75	200—60	3870—7070	1930—3530	3,5—1,9	46—25
500—800	ДТ(В)	1,75	200—50	3870—7770	1930—3880	5,3—2,6	46—23
	1 ДТ(Г)	2,25	500—100	2450—6600	1220—2750	8—3,56	74—33
	( АП(В)	1,75	60—20	7100—12 250	3550—6120	2,4—1,37	25—15
500—800	1 АТ(В)	1,75	300—100	3160—5500	1580—2750	6,8—3,9	57—33
	1 АТ(Г)	1,75	600—200	2230—3870	1100—1930	9,6—5,6	80—47
Диапазон частот 800—1000 кГц, Со=4-?7 пФ
800—1000	ВП(В) АП (В) АТ (В) АТ(Г)	1,75 1,75 1,75 1,75	150—50 50—10 250—50 500—100	3230—5600 5600—12 630 2500—5600 1760—3970	1600—2800 2800—6300 1200—2800 880—1980	3,8—2,2 3,2—1,4 7,4—3,3 10,5—4,7	29—17 17—7,5 38—17 53—24
* В скобках указан тип корпуса резонатора: В			— вакуумные.	' — герметизированные.			
Ё низкочастотном диапазоне кроме емкостной трехТОчечпей
схемы широко применяются схемы с резонатором в цепи обратной
связи и мультивибраторы.
Генераторы, выполненные в виде мультивибраторов, когда ре-
зонатор включается вместо одной из частотозадающих емкостей,
имеют значительно большую нестабильность частоты по сравнению
с емкостными трехточечнымн, но просты и экономичны.
Генераторы с резонатором в цепи обратной связи имеют более
высокую стабильность частоты по сравнению с мультивибраторами,
но н большую потребляемую мощность. В качестве элемента актив-
ной части в КГ с резонатором в цепи обратной связи используются
операционные усилители. При этом необходимо лишь обеспечить
равенство нулю сдвига фаз в петле положительной обратной связи
или же равенство фазового сдвига в петле положительной обратной
связи целому числу периодов частоты генерации. Коэффициент уси-
ления операционного усилителя должен обеспечивать мягкий ре-
жим возбуждения КГ с учетом потерь в цепи положительной обрат-
ной связи. Такие КГ устойчиво работают во всем диапазоне ннзкнх
частот.
5.3.	Практические схемы КГ
Один из вариантов практической схемы низкочастотных КГ
приведен на рнс. 5.3.
Резонатор ПЭ1 включен в цель положительной обратной связи
между выходом операционного усилителя н прямым входом.
При использовании операционного усилителя 1УТ401Б КГ
устойчиво работает в диапазоне частот 1—50 кГц.
Технические характеристики КГ (см. рис, 5.3)
Напряжение питания, В....................
Ток, потребляемый от источника питания, мА
Нестабильность частоты при изменении на-
пряжения питания на ±10% . .
Выходное напряжение, В . . .
6
3
±(1—3). ю-’
1-3
Рабочая частота генератора близка к частоте последовательно-
го резонанса.кварцевого резонатора, форма выходного сигнала пря-
моугольная. Для повышения устойчивости работы генератора резо-
натор нужно подключать
/Хэ/
Рис. 5.3. Схема КГ с квар-
цевым резонатором в цепи
обратной связи усилителя
к прямому входу операционного усилите
ля через дополнительную RC цепочку.
Использование более высокочастотных
ОУ позволяет повысить диапазон рабо-
чих частот КГ до 1 МГц и выше. На-
пример, КГ с дифференциальным уси-
лителем К500ЛП15 устойчиво работает
иа частотах от 10 кГц до 1 МГц.
Схема КГ, выполненного на диф-
ференциальном усилителе К500ЛП15,
приведена на рис. 5.4 [50]. Рез-нсторы
R1—R3 обеспечивают напряжение сме-
щения на входах, резисторы R4 и R5
служат для согласования выходных
уровней. Второй дифференциальный
62
усилитель формирует прямоугольные сигналы. Устойчивая ра-
бота обеспечивается от 10 кГц до верхней частоты низкочастот-
ного диапазона подбором емкости Сг в пределах 100—300 пФ.
Генератор сохраняет работоспособность при снижении напря-
жения источника питания до —3 В.
Технические характеристики КГ (см. рнс. 5.4)
Напряжение питания, В..........................—5,2
Выходное напряжение, В.........................0,8—1,7
ПзТ
Рис. 5.5. Мультивибратор с
кварцевой* стабилизацией ча-
стоты
Рис. 5.4. Схема КГ с форми-
рователем выходного напряже-
ния
/7.3/
е>
Рис. 5.6. Схемы мультивибраторов на ин-
верторах с кварцевой стабилизацией ча-
стоты:
а — с одним инвертором в цепи отрица-
тельной обратной связи по постоянному
току; б—с тремя инверторами в цепи от-
рицательной обратной связи по постоян-
ному току
Более экономичны по сравнению с рассмотренными выше КГ
с мультивибраторами.
Для стабилизации частоты мультивибратора резонатор надо
включать вместо одного нз частотозадающих конденсаторов
(рнс. 5.5).
Широко применяются мультивибраторы с кварцевой стабили-
зацией частоты, выполненные на логических элементах (рис. 5.6, а
н б [10]). С помощью резистора R1, соединяющего вход н выход пер-
вого инвертора (см. рис. 5.6), рабочая точка смещается на лнней-
63
ный участок характеристики из-за отрицательной обратной связи
по постоянному току. Для возникновения генерации необходимо,
чтобы рабочаи точка н второго инвертора также вышла иа линей-
ный участок. При этом из-за положительной обратной свизи через
резонатор ПЭ1 осуществлиется мигкнй режим самовозбуждении.
Устойчивый режим самовозбуждения устанавливается подборам
сопротивления Rt. Кварцевый генератор, схема которого.приведена
иа рис. 5.6, менее критичен к значению сопротивлении Rlf так квк
рабочие точки трех его инверторов выводятся на линейный участок
характернстнкн благодари наличию отрицательной обратной связи
по постоянному току через	“'
резистор R1. Положительней обратная
связь обеспечивается с выхода вто-
рого инвертора иа вход первого через
резонатор Пэ1. Для обеспечения
больших возможностей по регули-
ровке отрицательной обратной связи
в некоторых случаях к входу перво-
го инвертора подсоединяют допол-
нительный резистор R2.
Рассмотренные схемы КГ иа ин-
верторах просты, экономичны, на-
дежно работают во нсем диапазоне
низких частот, позволяют создавать
хорошо компонующиеся с другими

Схема КГ на инверто»
КМОП структуры
Рис. 5.7.
ре

малогабаритные генераторы, хорошо компонующиеся с другими
узлами цифровой техники. Большая зависимость частоты от на-
пряжения питания, температуры ивлиется недостатком, присущим
всем схемам КГ с мультивибратором.
Экспериментальные результаты полученные для КГ, выпол-
ненного на логических элементах серии 564 по схеме рис. 5.6, б,
показали, что изменении его частоты равны ±(5—15) • 10-* при
изменении напряжения питания 9 В иа ±10% и частоте генератора
500 кГц.
Схема КГ, более стабильного по частоте, приведена иа ри<;. 5.7.
Рабочая точка характеристики его инвертора также выводится на
линейный участок в пределах изменением сопротивления R1 (10—
20) МОм.
Необходимо учитывать, что при большом сопротивлении воз-
растает влнинне помех иа работу генератора, при малом — ухуд-
шается стабильность частоты. Резистор R2 служит для согласова-
ния фаз цепи обратной связи, предотвращает возможность возник-
новения паразитного возбуждении при большой крутизне характер
ристнкн инвертора или повышенном напряжении питания. Кроме
того, его сопротивление позволяет регулировать мощность, рассеи-
ваемую иа резонаторе, и токи заряда и разряда конденсаторов С1
и С2.
Сопротивление /?2 выбирается в зависимости от параметров ре-
зонатора н инвертора, в пределах от нескольких десятков до сотен
килоом.
Емкости С(Н Са и индуктивность резонатора образуют колеба-
тельный контур. Изменением емкости можно регулировать час-
тоту генератора.
Значение емкостей Cj и С2 лежит в пределах от нескольких еди-
ниц до нескольких десятков пикофарад. Кварцевый генератор, со-
бранный по схеме рнс. 5.7 на инверторе серии 564, имеет неста-
бильность частоты не более ±(0,1—0,5) • 10“’ при изменении на-
64
пряжения источника питания 9 В иа ±10%. Среднее значение по-
требляемого тока КГ иа инверторах из двух МОП транзисторов с ка-
налами п- и p-типа может быть уменьшено до 0,5 мкА и даже меньше
110].
Такие схемы широко применяются в электронных и электрон-
но-механических часах, особенно малогабаритных. При применении
в таких генераторах резонаторов РВ72 или РВ720К нестабильность
частоты не превышает ±(5—10) • 10-в в интервале температур
10—40 °C.
6.
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
6.1. Высокочастотные кварцевые резонаторы
Высокочастотным диапазоном КГ считают диапазон частот вы-
ше 30 МГц, верхней границей условно считается частота 300 МГц.
В резонаторах этого диапазона используются колебания высших
поридков. Наиболее широко меняются резонаторы с колебаниями
третьего (30—90 МГц) и питого (§0—150 МГц) порядков. Во всем
высокочастотном диапазоне применяются резонаторы с пьезоэле-
меитами среза АТ,'до 60—80 МГц с пьезоэлемеитами среза ВТ.
Динамическое сопротивление, высокочастотных резонаторов
больше, чем у среднечастотиых. Емкостное отношение у иих умень-
шается пропорционально квадрату номера порядка колебаний, в
отличие от резонаторов с той же частотой, ио использующих первый
порядок колебаний. Емкость СО = 2±7 пФ. Зависимость средних
значений реактивного сопротинлеиия емкости Со такая же, как у
среднечастотиых резонаторов (см. рис. 4.1). Добротность резонато-
ра зависит от его частоты- и- вида оформления (вакуумные или гер-
метизированные корпуса) и, как правило, уменьшается с увеличе-
нием частоты (см. рис. 4.2),
Параметры высокочастотных резонаторов приведены в табл. 6.1.
Температурио-частотиые характеристики высокочастотных резо-
Таблица 6.1. Параметры высокочастотных резонаторов
Порядок колебаний	Диапазон частот, МГц	Срез1) пьезо* элемента		Як. Ом	гк. Ю-	т, 10—	Q, Ю*
			АТ (В)	50-10	16—5	0,6—0,4	90—400
3	20—90		АТ (Г) БТ (В)	80—20 100—20	30—10 25-7,5	0,6—0,4 0,2—0,15	60—200 150—800
			ВТ (Г)	160—40	50—15	0,2—0,15	100—40
5	60—150		АТ (В) АТ (Г)	70—20 140—35	50—20 80—30	0,2—0,15 0,2—0,5	80—200 40—140
7	120—300		АТ (В) АТ (Г)	110—30 180—50	18—80 300—150	0,1—0,07 0,1-0,07	55-130 30—80
1 В скобках указан тип корпуса резонатора: В — вакуумные, Г — герметизи-
рованные.
65
и «торов с пьезоалемептами срезов АТ и БТ аналогичны ТЧХ сред-
нечастотных резонаторов соответствующих срезов (табл. 6.2). Из-
менения частоты высокочастотных резонаторов во времени, от ме-
ханических п климатических воздействий аналогичны среднечас-
тотным (табл. 6.3).
Таблица 6.2. Параметры высокочастотных резонаторов
Диапазон частот, МГц	Срез пьез©’ элемента	Коэффн* цнент t>QQf 10-' (вС)’	о о со	Температурная нестабильность, 10-*, в интервале температур		
				(-104- 4-60)°С	(—40-?4-70)°С	(—60з-4-90)’С
20—60	/ АТ			20—100	± (5-10)	±20	±30
	t БТ	—(4—4,5)	0—100	-(65-70)	— (140—160)	— (260—320)
60—300	АТ	—	20—100	± (5-10)	±20	±30
Таблица 6.3. Нестабильность частоты высокочастотных
резонаторов
Диапазон частот, МГц	Срез1 пье« зоэлемен*	Изменение частоты’, 10-’					
		реальное			допустимое		
	та	а	б	а	а	б	1 в
20-100	/ АТ (В)	2,5—5	5—10	1—3	10	20	Не оговорено
	1 АТ (Г)	10	20	5—10	20—25	35—50	10
100-300	АТ (В)	2,5—5	5—10	1—3	—	—	—
1 В скобках указан тип корпуса резонатора; В — вакуумный; Г — герме-
тнзнроваииый.
8 а— за год, б — за 10—12 лет* в — от механических воздействий.
Допустимая мощность рассеяния у высокочастотных меньше,
чем у среднечастотных. При изменении мощности рассеяния у вы-
сокочастотных резонаторов происходит большее изменение частоты,
чем у среднечастотных.
В соответствии с ГОСТ 11599—67 максимальная мощность рас-
сеяния ие должна превышать 2 мВт; ГОСТ 23546—79 ограничивает
ее значение до 1 мВт для нетермостатнруемых резонаторов и до
0,5 мВт для термостатнруемых; причем рекомендуемым значением
по этому ГОСТ является 0,5 мВт для нетермостатнруемых и 0,2 мВт
для термостатнруемых.
Высокочастотные вакуумные резонаторы выполняются обычно
в корпусах КЛ и Э, а герметизированные — в М и Т.
Данные высокочастотных резонаторов различных типов приве-
дены в табл. 6.4 и 6.5.
В последнее время в литературе появились сообщения о раз-
работке высокочастотных резонаторов иа частоты 500 МГц [33, 4[.
Характерной особенностью является то, что в них используются
66
Таблица 6-4. Габаритные размеры и конструктивное нсполнёинё
резонаторов цо ОСТ 11—338-002—75
Диапазон частот, МГц	Срез пье- эоэлемеита	Вакуумные резонаторы				Герметические резонаторы	
		э		К			
		Н, мм	Обозначе- мне	Н, мм	Обозначе- ние	Н, мм	Обозначение
30—60	|АТ,БТ	27	ЭБ	14	КА	13,5	МА, МБ, МГ, МД, MB, ME
	1БТ.АТ	22	ЭА	—	—	6,5	ТА, ТБ
60—300	( АТ	27	ЭБ	14	КА	13,5	МА, МБ, МГ
	1 АТ	22	ЭА	—	—	—	МД, MB, ME
Таблица 6.5. Характеристики некоторых типов
высокочастотных резонаторов
Резонатор	Диапазон частот, МГп	Тнп кор- пуса	Q. 10»	т, 10»	Як. Ом
РГ-05	30—100	м	50—120	0,5—0,15	50—120
РВ-11	30—100	э	80-200	0,5—0,15	30—75
РВ-59	30—100	КА	80—200	0,5—0,15	30—65
РВ-19	100—150	Э	40-80	0,2-0,08	40—200
РВ-81	150—300	Э	30—70	0,1—0,05	50—160
Продолжение табл. 6.5
Резонатор	С„ пФ	ест- пф	Относительное отклонение частоты. 10-*			
			в интервале температур, °C			при темпе- ратуре настройки
			-(10-60)	-(40-70)	— (60—90)	
РГ-05	40—100	Менее 9	±(15—25)	±(30—50)	±(50—75)	±(10-20)
РВ-11	20—50	3—6	±15	±20	±30	±(10—20)
РВ-59	20-50	2—6	±(5-10)	±(20—30)	±(30—40)	±10
РВ-19	80-500	Меиее 7	±20	—-	±50	±20
РВ-81	400—600	5-7	—-	—	±50	±(20-30)
колебания первого порядка. Это позволяет получить малое сопро-
тивление RK и большое емкостное отношение т. Пьезоэлемёнты та-
ких резонаторов выполняются в виде пластины, в которой делается
углубление. Толщина пьезоэлемента в месте углубления может быть
получена очень небольшой, а поскольку частота обратно пропор-
циональна толщине, то ее удается получить равной 500 МГц и выше*
67
6.2. Особенности построения КГ
В диапазоне высоких, так же как и в диапазоне средних частот,
широко применяются КГ, собранные по емкостной трехточечной
схеме. Эта схема, так же как и в диапазоне средних частот, позво-
ляет создавать простые, экономичные, малогабаритные КГ в диапа-
зоне 30—150 МГц. Резонаторы этого диапазона, как правило, воз-
буждаются на частотах высших порядков колебаний третьем, пя-
том и т. д.
Б генераторах необходимо'обеспечить устойчивую работу ре-
зонатора на нужном порядке колебаний. Для этого необходимо обес-
Рис. 6.1. Эквивалентная емкостная трехточечиая схема КГ:
а — с контуром в цепи эмиттера; б — с контуром, параллельным кварцевому
резонатору
печить селекцию на частоте можно, включив в схему генератора
вместо одного из конденсаторов связи контур, имеющий для частот
низших порядков колебаний индуктивную реакцию, а для частоты
порядка колебаний, иа котором необходимо обеспечить возбужде-
ние, — емкостную.
Эквивалентная емкостная трехточечиая схема КГ с контуром в
цепи эмиттера приведена иа рис. 6.1, а.
Контур L1C3 должен настраиваться так, чтобы на нужной частоте
он имел емкостную реакцию, а иа более низких частотах индуктив-
ную.
Для устойчивой работы в широком интервале температур час-
тота настройки контура обычно выбирается из условия fpe3
'(0,6-?0,8)^r. При более высокой частоте настройки контура
возрастают изменения частоты и напряжения генератора из-за изме-
нения Lj и С3.
Чтобы обеспечить иа частоте колебания, ближайшего к рабочей
частоте и расположенного ниже рабочей, индуктивную реакцию кон-
тура, необходимо, чтобы резонансная частота контура удовлетво-
ряла условию
fpea > V?r fn—2>	(6.1)
где fn~2 — частота порядка колебаний, ближайшего к рабочему.
68
Этими условиями обеспечиваются емкостная реакция контура
иа частоте генератора /г и индуктивная реакция на частотах более
низкого порядка. Элементы контура выбирают из соотношений:
‘С;
Q ____ ~ <f- Н ,
1 — (fpej//г)"
(6.2)
Рис. 6.2. Схема КГ с
амплитудной селекцией
гармоник
С1 (2^г)= (/pe3/Zr)2 ’
где Сэ.к — емкость обратной связи, включаемая между эмиттером
н коллектором транзистора Т1, определенная при расчете схемы
генератора.
Обеспечить работу резонатора на нужном порядке колебаний
можно и с помощью включенного последовательного контура (или
нескольких контуров), Настроенного иа частоту колебаний низше-
го порядка. Вариант такой схемы генера-
тора приведен иа рис. 6.1, б.
Контур L1C1 настроен па частоту ко-
лебаний первого порядка и представляет
собой для нее небольшое активное сопро-
тивление. Таким образом, фазовые соотно-
шения для колебаний первого порядка не
выполняются и в генераторе отсутствует
возможность возбуждения на этой частоте.
Для колебаний третьего порядка кон-
тур C1L1 представляет собой эквивален-
тную индуктивность. Селекция частоты по
амплитуде основана на создании условий,
при которых амплитудные соотношения
выполняются лишь для нужной частоты.
Это может быть при создании частотно-за-
висимой Обратной связи либо изменением
величины потерь, вносимых в цепь резонатора иа различных час-
тотах. Более широко используется второй способ. Примером реа-
лизации способа внесения различных по величине потерь на различ-
ных частотах может служить эквивалентная схема КГ, приведенная
иа рис. 6.2. Параллельно резонатору ПЭ1 включается резистор R1.
Отстройка частоты генератора от частоты последовательного резо-
нанса будет различной для колебаний различных порядков, т. е.
эквивалентное сопротивление резонатора будет различным для раз-
ных порядков колебаний. Сопротивление резистора R1 выбирается
из условия обеспечения максимальных потерь, вносимых в цепь
резонатора иа колебании п — 2-порядка (п — номер колебания, иа
котором необходимо возбуждение резонатора). Так, при работе ре-
зонатора на колебаниях третьего порядка Rt должно обеспечить
внесение максимальных потерь в цепь резонатора иа частоте перво-
го порядка колебаний.
Для определения сопротивления воспользуемся соотношением
Ri = (l-3) (CI + C2)/2nfn_2 CtC2.
Включение R1 широко применяется при интегральном исполиеиии
КГ и работе резонаторов иа колебаниях Вплоть до 17-го порядка
[ 122]. При разработке высокочастотных КГ необходимо принимать
меры к устраиеиню шунтирующего влияния иа резонатор емкости
69
Таблица 6.6.. Ориентировочные данные о параметрах элементов
емкостной трехточечной схемы в диапазоне высоких частот
Со, как правило, на частотах выше 100 МГц. Применяются способы
нейтрализации и компенсации статической емкости, причем наибо-
лее широко — способ компенсации как простой и эффектив-
ный.
Компенсация Со осуществляется подключением параллельно
резонатору катушки с определенной индуктивностью, значение ко-
торой выбирается из условия равенства реактивных сопротивлений
Со и катушки (по абсолютному значению) на частоте генерации.
Следует отметить, что при осуществлений селекции частоты
включением последовательного контура параллельно резонатору
(см. рис. 6.1, б) элементы контура CjLj должны выбираться так,
чтобы на частоте генератора эквивалентное реактивное сопротив-
ление' контура равнялось реактивному сопротивлению Со.
Для того чтобы резонансная частота контура была равна час-
тоте основного колебания резонатора, а для колебаний третьего по-
рядка этот контур имел бы эквивалентное реактивное сопротивле-
ние, равное Хсо, необходимо — 9/8ш|С0, Gj = l/coJLj.
В табл. 6.6 приведены ориентировочные значения параметров
для КГ, построенного по емкостной трехточечной схеме. Расчет
проведен при крутизне характеристики транзистора S = 50 мА/В,
коэффициенте запаса по возбуждению К3 = 2, коэффициенте обрат-
ной связи Ко = 0,5 н средний значениях т, RK и Со.
Так же как и в диапазоне средних частот, высокочастотные КГ
выполняются и по схеме с резонатором в цепи обратной связи. В них
применяются компенсация Со и селекция нужной частоты, резона-
тора. В качестве элементов активной части высокочастотных КГ
используются транзисторы, микросхемы по частотным свойствам
удовлетворяющие условию > /г, позволяющие получить устой-
чивую работу КГ.
Уменьшение емкостного отношения т резонаторов пропорцио-
нально квадрату номера порядка колебаний приводит к аналогич-
ному уменьшению пределов перестройки частоты резонатора в ге-
нераторе. Поэтому, если к КГ предъявляется требование установки
номинальной частоты, ее коррекции в процессе эксплуатации, то
в таких генераторах лучше использовать резонаторы с колебани-
ями третьего порядка.
6.3, Практические схемы КГ
Рассмотренные варианты схем КГ позволяют создать малога-
баритные стабильные генераторы, работающие во всем диапазоне
высоких частот, обеспечивая параметры, удовлетворяющие требо-
ваниям разнообразной аппаратуры; КГ (рис. 6.3) выполнен иа тран-
зисторе Т1. Каскад на транзисторе Т2 буферный,.уменьшающий ре-
акцию нагрузки на частоту генератора. Генератор устойчиво рабо-
тает при использовании резонаторов, работающих с колебаниями
третьего и пятого порядков на частотах до 150 МГц. Селекция нуж-
ной частоты осуществляется с помощью контура L2C5. Элементы
контура L2 и С5 рассчитываются, исходя из необходимости обес-
печения индуктивной реакции для колебаний низшего порядка. На-
пример, при работе на частоте />=90 МГц и использовании резо-
наторов с колебаниями третьего порядка резонансная частота кон-
тура должна быть fpes > Vfr fn-г > V90 • 30> 52 МГц. Сдру-
70
71
гой стороны, резонансная.частота контура должна выбираться нз
условия /рез = (0,64-0,8)/г. Таким образом, /рез = 544-72 МГц.
Из табл. 6.6 находим, что эквивалентная емкость контура С3.к =
= 364-102 пФ. Из (6.1) получим . С6= (364-102)/[1—(544-72/90)2] =
= 56 пФ4-280 пФ. Из (6.3) индуктивность контура
L2 — (0,155—0,031) мкГн.
При работе на частоте 150 МГц н использовании резонаторов с ко-
лебаниями пятого порядка резонансная частота контура должна
удовлетворять условиям /рез V7r/n-2	1/150 • 90	117 МГц,
ИЮ
Рис. 6.3. Схема КГ с фазовой селекцией нужной гармоники
т. е. резонансная частота контура должна выбираться из соотноше-
ния /рез = (0,64-0,8)/г = (0,64-0,8) • 150 = (904-120) МГц. Таким
образом, резонансная частота контура должна быть 117—120 МГц.
С учетом данных табл. 6.7 емкость контура
Сэ.к	144-38
С& =--------------------------------------= 39 —126 пФ.
1-(/рез//г)2	1 + (117 4- 120/150)3
Из (6.3) индуктивность контура
L2 = [С5 (2л/г)2 (/Рез7г)21-1 = [ (39 - 126) • 10-1» (2 . 3,14 X
X 150 • 10е)2 (117 — 120/150)2]—1 = (0,08 — 0,03) мкГн.
Аналогично определяются £2 и С5 для любой частоты в диапа-
зоне 30—150 МГц. Ориентировочные значения емкости С2 выбира-
ются в соответствии с данными табл. 6.6. Резистор R1 предотвраща-
ет паразитное возбуждение через статическую емкость резонатора,
R2, R3, R5 обеспечивает термостабилнзацню рабочей точки и не-
обходимый режим по постоянному току транзистора Т1. Нагрузкой
Т1 служит резистор R4, с которого напряжение высокой частоты
через разделительный конденсатор СЗ подается на вход усилитель-
ного каскада на транзисторе Т2. Конденсаторы С1 и С4 — раздели-
тельный и блокировочный соответственно.
Резисторы R6, R7 н R8 служат для обеспечения необходимого
режима транзистора Т2, конденсаторы С6 и С9— блокировочные,
R9 служит для обеспечения устойчивости работы усилительного
72
Рис, 6.4. Схема КГ с кварце-
вым резонатором в цепи обрат-
ной связи
каскада (предотвращения возбуждения). Контур L3C7CS обеспечи-
вает фильтрацию высших гармоник и согласование с нагрузкой.
Если нет необходимости в установке рабочей частоты генерато-
ра и ее коррекции при эксплуатации, то индуктивность L1 можно
исключить.
Поскольку перестройка частоты резонаторов, особенно вверх
относительно частоты последовательного резонанса, пря использо-
вании колебаний высших порядков затруднительна, то целесооб-
разно частоту резонаторов выбирать несколько выше рабочей час-
тоты генератора. Обычно разность частот резонатора и генератора
выбирается равной половине илн полному значению неточности на-
стройки резонаторов. На частотах выше 150 МГц установить номи-
нальную частоту и ее коррек-
цию при эксплуатации практи-
чески невозможно.
Емкостная трехточечная схе-
ма с амплитудной селекцией час-
тоты выполняется аналогично
приведенной на рис. 6.3. Контур
L2C5 исключается, ёмкость Ct
представляет собой уже емкость
Сэ.и,
Сопротивление подбирает-
ся при регулировке из условия
обеспечения максимальных вно-
симых потерь на той частоте,
на которой генератор ие должен
работать.
Как уже было сказано, кроме емкостной трехточечной схемы в
диапазоне высоких частот применяются и схемы с кварцевым резо-
натором в цепи обратной связи. Такие схемы позволяют обеспечить
ту же мощность в нагрузке при меньшей мощности, рассеиваемой
иа резонаторе, по сравнению с емкостными, трехточечными схемами.
Одиако КГ, собранные по схеме с резонатором в цепи обратной свя-
зи, имеют худшую стабильность частоты, что необходимо учитывать
при выборе его схемы.
На рис. 6.4 приведена схема КГ с резонатором в цепи Обратной
связи, параметры элементов приведены для частоты примерно
100 МГц. Катушка индуктивности Ln включена для компенсации
статической емкости резонатора; Генератор устойчиво работает на
частотах до 250—300 МГц,
Стремление к интегральному исполнению поставило задачу
создания-высокочастотных КГ без применения катушек и даже кон-
денсаторов.
Схема КГ без индуктивностей и емкостей, работающего на час-
тотах до 300 МГц [139], приведена иа рис. 6.5. Генератор выполнен
на двух транзисторах, Т1 и Т2. Сопротивления Ri, R2, R3 выбира-
ется таким образом, чтобы с учетом входных н выходных проводи-
мостей транзисторов (входной и выходной емкости) амплитудные
и фазовые соотношения выполнялись на нужной частоте.
При = R2 = 300 Ом и R3 — 500 Ом генератор работает на
частоте 154 МГц. При включении между базой транзистора TI и об-
щей точкой схемы ёмкости около 7 пФ н значениях элементов =
== 300 Ом, R2 = 1 кОм, R3= 2 кОм генератор работает на часто-
те 223 МГц, Для высокочастотных КГ, построенных без применения
73
кадушек индуктивностей, разрабатываются и специальные резона-
торы, обеспечивающие возможность селекции нужной частоты в ре-
зонаторе [89]. Конструкция резонатора делается такой, чтобы про-
исходила компенсация иа всех порядках колебаияй, начиная с
п — 2. Рабочая частота таких КГ может быть примерно 200 МГц.
6.4. Генераторы с использованием устройств
на поверхностных акустических волнах
Генераторы с использованием устройств иа поверхностных аку-
стических волнах (ПАВ) прн высокой рабочей частоте обладают воз-
можностью совмещения с различными элементами интегральных
схем, технологичностью исполнения, управления характеристика-
ми н перестройкой частоты в широких пределах.
Рис. 6.5. Схема КГ, предназначенная для
интегрального исполнения
Рис. 6.6. Структурная
схема КГ на резонаторе
ПАВ
Известно, что генераторы ПАВ могут быть реализованы с при-
менением резонаторов либо линий задержки ПАВ. Структурная
схема генератора с резонатором ПАВ без перестройки частоты при-
ведена на рис. 6.6.
Резонатор, представляющий собой встречно-штыревой преоб-
разователь (ВШП) 3 н отражательные решетки 2, .нанесенные на
пьезоэлектрйческую подложку 4, включен в цепь положительной
обратной связя усилителя 1.
Добротность резонаторов достигает 30 • 103 [951, это позволя-
ет создавать стабильные генераторы ПАВ в диапазоне частот от
20 МГц до 3 ГГц.
Более широко применяются генераторы ПАВ с возможностью
плавной или дискретной перестройки частоты в широких пределах.
На рис. 6.7 приведена схема генератора ПАВ с перестройкой часто-
ты [51]. Колебательная система генератора образована двумя резо-
наторами ПАВ. Резонатор 1 формирует дискретную сетку частот,
2 обеспечивает частотную селекцию и перестройку частоты генера-
тора. Резонаторы ПАВ выполнены на подложке из ииобата лития.
Длина основного резонатора I — 212Х.
Резонаторы образованы двумя ВШП с 15 парами штырей каж-
дый. Для увеличения коэффициента отражения статические емко-
сти ВШП скомпенсированы индуктивностями. Добротность резона-
тора Q = 3 • 103. Частотная селекция обеспечивается с помощью
короткого селектирующего резонатора 2 длиной I = 15Х; ВШП се-
лектирующего резонатора имеют 10 пар штырей, статические емко-
74
сти их также скомпенсированы нндуктивностнмн. Селектирующий
резонатор перестраивается конденсатором, подключенным к управ-
ляющему преобразователю фазовращателя 3. Емкость изменнется
в пределах 5—85 пФ. Добротность селектирующего резонатора при
перестройке изменяется в пределах 300—600. Диапазон перестрой-
ки около 1,6 МГц, центральная частота ^генерации 50 МГц. Резона-
тор 1 включен по схеме четырехполюсника, что обеспечивает допол-
ннтел-ьную селекцию ча-
стоты по сравнению с
включением по схеме
двухполюсника. Это поз-
воляет ослабить требова-
ния к добротности селек-
тирующего резонатора.
Рис. 6.7. Схема КГ на резонаторе ПАВ, пе*
рестраиваемого по частоте
3
Рис. 6.8, Структурная схема
КГ иа линии задержки
ПАВ
Баланс фаз в цепи положительной обратной связи обеспечива-
ется при условии
шГ/V + ф (ш) = 2лп,	(6.4)
где п — целое число; ф — дополнительный фазовый сдвиг электрон-
ной схемы; L — длина резонатора.
Если сдвиг фаз, вносимый генератором, незначителен (ф ~ 0),
то условия возбуждения выполняются для частот, у которых набег
фазы на длине L равен 2лп. При нзмеиеннн емкости в пределах 5—
85 пФ частота генератора скачкообразно изменяется. При числе
дискретных частот в диапазоне перестройки N, а шаге перестройки
V/2L длина селектирующего рёзонатора должна удовлетворять
условию I < L/N. При этом.полоса пропускания селектирующего
резонатора должна быть меньше шага перестройки, т. е. добротность
не меньше1
Q>f2L/V.	(6.5)
С другой стороны,, добротность резонатора
Q = 2л//7?2/У (1 —/?2),	(6.6)
где R — коэффициент отражения отражательной структуры, вели-
чина, близкая к единице.
Из (6.5) и (6.6) видно, что для обеспечения селекции длина селек-
тирующего резонатора I > L (1 — 7?2)/2л/?2. В диапазоне перестрой-
ки число дискретных частот N — 2 л/?2/ (1 — /?2). Для генератора,
выполненного с линией задержки ПАВ в цепи положительной обрат-
ной связи усилителя /, изображенного на рис. 6.8, баланс фаз обес-
печивается также при выполнении условия С6.4). При большой ра-
75
бочей длине линии задержки I можно пренебречь фазовым сдвигом,
вносимым генератором, и из (6.4) получить выражение для множест-
ва возможных частот генерации: ш = 2nV'n/L. Если учесть, что
частотная, характеристика преобразователя имеет форму sin Х/Х
1137], где X = Ул (со — соо)/соо, нули частотной характеристики
линии задержки X = ±/?л (/?	0). Частотный интервал между
нулями Дсо = ш0/У. Условием одиомодового возбуждения гене-
ратора с линией задержки ПАВ является совпадение всех частот
гребенчатого спектра, кроме центральной с нулями частотной ха-
рактеристики преобразователя, т. е. выполнение соотношения
2nV/L = ш0/У.	(6.7)
Учитывая, что соо = 2л/0, a V/f0 — Хо, из (6.7) получим, что
для одиомодового возбуждения генератора с линией задержки ПАВ
Рис. 6.9. Схема КГ с линией задержки ПАВ в цепи положительной обратной,
связи
рабочая длина этой линии должна быть равна эффективной длине
хотя бы одного из преобразователей, т. е.
L = Жо.	(6.8)
На рис. 6.9 приведен одни из возможных вариантов схемы гене-
ратора с линией задержки ПАВ в цепи положительной обратной
связи. Генератор выполнен иа двух транзисторах, Т1 и Т2; катуш-
ки L1 и L2 служат для согласования полных сопротивлений линии
задержки и активной части генератора. При соблюдении условия
(6.8) в генераторе обеспечивается возможность одиочастотиого ре-
жима работы, центральная частота генератора примерно равна
50 МГц. Поскольку рабочая частота генератора ПАВ определяется
в основном рабочей длиной линии задержки, это исполиоуется для
управления частотой генератора.
На рис. 6.10, а приведена структурная схема генератора с пе-
рестройкой частоты [42] изменением рабочей длины линии задержки.
Четыре выходных преобразователя 2 размещены в акустическом
потоке входного ВШП-1 со сдвигом иа Л/4 в направлении распрост-
ранения акустической волны. Диапазон перестройки 30%. Пере-
ключатель 3 позволяет переключать каналы линии задержки А...Д
в цепи положительной обратной связи усилителя 4.
Спектр частот генератора изображен иа рис. 6.10, б. В линии
задержки применены широкополосные ВШП для обеспечения мно-
гомодового возбуждения. При включении генератор может возбу-
диться иа любой частоте канала. Чтобы возбуждение произошло на
определенной частоте, необходимо при включении ввести в цепь
76
генератора сигнал этой частоты. В дальнейшем, при переключении,
например, с канала Д иа канал С генератор будет работать в кана-
ле С на частоте, ближайшей к рабочей частоте канала Д. Диапазон
перестройки.генератора ограничивается лишь полосой пропускания
преобразователей линии задержки. В рассматриваемой схеме диа-
пазон перестройки примерно равен 60 МГц.
.В [118] описана структурная схема генератора ПАВ с непосред-
ственной частотной модуляцией. Генератор выполнен на линии за-
держки ПАВ, включенной в цепь положительной обратной связи
интегрального усилителя. Подложка линии задержки выполняется
из пьезокварца среза X пли ST. Торцы подложки металлизируются,
и иа иих подается модулирующее напряжение, под действием кото-
рого вследствие пьезоэффекта пропорционально измёияется рабо-
Рис. 6.10. Генератор на линии задержки ПАВ перестраиваемый по частоте:
а — структурная схема КГ; б — структура частотообразования
чая .длина линии задержки. Изменение рабочей длины линии за-
держки приводит к изменению времени задержки и, как результат,
к изменению частоты генератора, т. е. осуществляется непосредст-
венная частотная модуляция.
Важным параметром генераторов ПАВ, так же как и кварцевых
генераторов' с использованием объемных воли, является стабиль-
ность частоты.
Стабильность частоты, исследование различных способов ее
повышения рассмотрены в целом ряде работ. В [96] приводятся ре-
комендации, позволяющие получить максимальную кратковремен-
ную стабильность частоты за время усреднения примерно секунды.
Поскольку кратковременная стабильность частоты определя-
ется, с одной стороны, флуктуациями параметров активной части
генератора, а с другой, — добротностью резонаторов и линий за-
держки ПАВ, то для обеспечения высокой кратковременной ста-
бильности необходимо, чтобы уровень собственных шумов активной
части генератора был минимальным, добротность стабилизирующе-
го элемента'—максимальной. С точки зрения получения максималь-
ной кратковременной стабильности предпочтительно применять в
Генераторах ПАВ не линии задержки, а резонаторы ПАВ., имею-
щие большую добротность.
Температурная стабильность частоты генераторов ПАВ может
быть повышена либо специальной конструкцией стабилизирующего
элемента, либо применением способов компенсации, которые ана-
логичны подробно рассмотренным в разд. 8. В [13] рассматривается
возможность повышения температурной стабильности генератора
77
ПАВ путем применения слоистой структуры (SLT—SiOaLiTaO8),
имеющей малый температурный коэффициент в широком интервале
температур. На подложку нз танталата лития наносятся ВШП н
покрываются пленкой из двуокиси кремния. Толщина пленки оп-
ределяет значение температурного коэффициента. Можно повысить
температурную стабильность частоты, генератора ПАВ применени-
ем стабилизирующих элементов с различными температурными
коэффициентами. В генераторе, рассмотренном в (771, нспользуютси
два резонатора ПАВ, включенные параллельно. Резонаторы выпол-
нены на одной подложке нз пьезокварца У-среза, причем иа пьёзо-
подложке резонаторы ориентированы так, чтобы их температурные
коэффициенты были различными. В результате на частоте 150 МГц
в интервале температур А/ ~ 60 °C была получена стабильность
частоты ±2 • 10-в. Однако это значение стабильности получено
без учета изменения частоты из-за циклических изменений темпе-
ратуры, кроме того, происходит ее значительное ухудшение с тече-
нием времени, из-за старения.
Если в качестве материала подложки применяется пьезокварц,
то используется другая возможность повышения температурной
стабильности генератора ПАВ, основанная иа различных знаках
температурного коэффициента задержки при распространении по-
верхностной акустической волны вдоль осей X н Z. Конструкция
такой линии задержки ПАВ описана в [111]. Акустическая волна
распространяется в ней по ломаной траектории вдоль осей X и Z.
Выбором соотношения длин траекторий волны вдоль осей X н Z
добиваются Взаимной компенсации изменений времени задержки в
интервале температур.
Изменение частоты генераторов ПАВ во времени, из-за старе-
ния, обусловленное изменениями параметров звукопровода резона-
тора или линии задержки ПАВ во времени, примерно иа порядок
больше изменения частоты кварцевых генераторов с кварцевыми
резонаторами, использующими объемную волну. Поэтому основной
областью их применения следует считать устройства, где необхо-
димы широкие пределы перестройки по частоте при высокой цент-
ральной частоте, а к стабильности частоты жестких требований не
предъявляется. Возможность разработки генераторов ПАВ на час-
тоты вплоть до единиц гигагерц с широкими пределами перестрой-
ки частоты, стимулирует работй в области повышении стабильности
частоты генераторов ПАВ, и такие генераторы, по мере достижения
более высокой стабильности частоты, все более широко могут быть
использованы при разработке самой различной радиоаппаратуры.
7,
ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
7.1. Кварцевые резонаторы
Основной составляющей нестабильности частоты КГ являет-
ся температурная нестабильность, определяемая воздействием тем-
пературы на резонатор. Одним нз способов повышения температур-
ной стабильности является термокомпенсация. Для осуществления
термокомпеисацин в генератор включается термозависимое устрой-
78
ство, обеспечивающее изменение частоты при изменении температу-
ры этого устройства, противоположное изменению частоты от воз-
действия температуры па остальную часть генератора.
Эксплуатационные характеристики генераторов при использо-
вании термокомпенсацни: высокая стабильность частоты, малые
габариты и масса, экономичность н высокая надежность, малое вре-
мя готовности к работе, определили тот интерес и усилия, которые
в последнее время приложили разработчики к созданию и совер-
шенствованию способов термокомпенсацни. Благодари этим уси-
лиям в условиях общего прогресса радиоэлектроннкн быяи созданы
термокомпенснровапиые кварцевые генераторы (ТККГ), отвечаю-
щие современным требованиям. Термокомпенсированные генерато-
ры получили в настоящее время широкое применение, потеснив в
риде случаев ТСКГ.
Характеристики ТККГ в значительной степени определяются
параметрами применяемы*! в иих резонаторов.
При осуществлении термокомпенсацин генераторов производит-
ся управление его частотой в пределах, определяемых в основном
ТЧХ резонатора. Температурная стабильность ТККГ определяется
точностью аппроксимации ТЧХ с помощью устройства, осуществ-
ляющего термокомпеисацию, а также в большой степени определя-
етси характером ТЧХ резонатора. Отсюда можно определить тре-
бования к основным характеристикам резонатора, предназначенно-
го для применения в ТККГ. В первую очередь эти требования долж-
ны быть предъявлены к ТЧХ резонатора.
При разработке ТККГ, так же как и простых генераторов, не-
обходимо стремиться к использованию резонаторов с минимальной
разницей между максимальным и минимальным значениями часто-
ты в интервале рабочих температур — с минимальным размахом
ТЧХ. При этом обеспечивается н минимальное влияние цепи термо-
компенсации на стабильность частоты при воздействии дестабили-
зирующих факторов.
Требование к сложности цепи, осуществляющей термокомпен-
сацию, а также трудоемкость процесса регулировки этой цепи
уменьшаются за счет уменьшения разброса ТЧХ резонатора. При
этом одновременно обеспечивается уменьшение максимального раз-
маха ТЧХ в интервале компенсации.
Уменьшение разброса ТЧХ резонаторов достигается как бла-
годаря уменьшению разброса угла среза, так и повышения точности
других операций при изготовлении резонатора, которые приводят к
увеличению разброса и появлению аномалий на ТЧХ (сортировка
сырья, соблюдение геометрических размеров пьезоэлемента и элект-
родов, контроль положения электродов на пьезоэлементе, обработка
поверхности пьезоэлемепта н электродов, выбор мест крепления
элемента в держателе и пр.).
Кроме определенного размаха ТЧХ в рабочей интервале темпе-
ратур возможность получения необходимых для компенсации этого
размаха пределов управления частотой определяется управляемо-
стью генератора с данным резонатором по частоте. Для получения
необходимой для компенсации крутизны управления частотой ре-
зонаторы должны иметь достаточно большое емкостное отношение
т, которое определяет эту крутизну [17].
Емкостное отношение т, форма и разброс ТЧХ определяются
в основном срезом резонатора. По совокупности названных пара-
метров наиболее'пригодны для применения в ТККГ резонаторы АТ
79
Эти резонаторы имеют минимальные изменения частоты в интерва-
ле температур, достаточную устойчивость ТЧХ при изготовлении и
большое емкостное отношение. Учитывая эти достоинства, прихо-
дится 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 нлн даже меньше изменений частоты резонатора при воздей-
ствии остальных дестабилизирующих факторов. При этом стабиль-
ность частоты ТККГ в условиях эксплуатации будут определять эти
ухо^ы частоты резонатора. Поэтому резонаторы, предназначенные
для термокомпеисации, должны иметь малые уходы частоты от воз-
действия 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 часто-
те и возрастание габаритов органов управления частотой с уменьше-
нием частоты. Чаще всего в стабильных ТККГ применяют резона-
торы на частоты выше 5 МГц.
Сверху диапазон частот резонаторов, предназначенных для при-
менения в ТККГ, ограничивается уменьшением крутизны управ-
ления частотой с возрастанием порядка используемых колебаний.
Необходимые для компенсации температурных уходов частоты пре-
делы управления частотой можно получить при использовании ре-
зонаторов с колебаниями первого и третьего порядков, т. е. иа час-
тотах 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 ре-
зонатора и разброс ТЧХ, что связано с уменьшением толщины пьезо-
элемента. Поэтбму на практике диапазон частот резонаторов для
ТККГ ограничивается -сверху частотой 60—70 МГц.
Сохранение эффекта, полученного в результате термокомпенса-
ции, связано с устойчиаостью ТЧХ резонатора во всем рабочем ин-
тервале температур к воздействию дестабилизирующих факторов,
т. е. отсутствию деформации ТЧХ типа разворота или гистерезиса.
Поэтому устойчивость частоты резонаторов к воздействию механи-
ческих и климатических факторов необходимо задавать, по крайней
мере, при двух значениях внутри интервала рабочих температур.
При использовании большинства способов термокомпеисации
отсутствует возможность компенсации выбросов и разрывов иаТЧХ
резонатора. Так как эти аномалии ТЧХ могут быть локализованы на
узких (до 2—5 °C) участках температур, ТЧХ резонаторов в интер-
вале температур при изготовлении необходимо проверять либо не-
прерывно, либо при дискретных значениях температуры с шагом,
[•араитирующим фиксацию локальных аномалий ТЧХ.
Для обеспечения высокой режимной стабильности ТККГ ре-
зонаторы, используемые в ТККГ, должны обладать достаточно вы-
сокой добротностью. Это требование в некоторых случаях вступает
в противоречие с необходимостью обеспечения достаточной управ-
ляемости при увеличении емкостного отношения т и может быть
выполнено снижением динамического сопротивления. Кроме того,
к уменьшению сопротивления потерь в резонаторе, предназначен-
ном для термокомпеисации, необходимо стремиться для обеспечения
необходимых пределов управления частотой, так как при управле-
80
пии вверх происходит срыв генерации из-за увеличения пеоесчи-
тайных потерь (17].
Параметры резонаторов АТ в корпусах Э и КА, предназначен-
ных для применения в ТККГ, даны ниже.
	РВ-11	РВ-59
Диапазон частот, МГц .	. .	5—20	5—60
Точность настройки, 10~6	10	5—10
Интервал рабочих температур, °C-	-50—60	от —60 до —80
Размах ТЧХ, 10-6	±20	±2э
Разброс ТЧХ, 10-6	±10	±5
Изменение частоты: от дестабилизирующих факто- ров, 10~6		±2	±2
от старения, 10~6: за год	. .	±1,5	±3
за 11 лет	+7,5	±10
Емкостное отношение, 10-3	4,5—5,5	3—5
Сопротивление RK, Ом, не более	20	30
Параметры резонаторов определены для всего диапазона час-
тот. 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 • 10~6.
После выбора резонатора выбирают один из способов термоком-
пенсации.
7.2. Особенности построения ТККГ
В большинстве схем ТККГ термокомпенсация осуществляется
с помощью устройств с термозавиеимым реактивным сопротивлени-
ем. В простейшем случае в качестве такого устройства служит реак-
тивный элемент с достаточно большим температурным коэффициен-
том (11]. В общем случае используется сложная цепь термокомпеи-
сации, преобразующая изменение температуры окружающей среды,
воздействующей иа термочувствительные элементы этой цепи, в из-
менение реактивного сопротивления. Из всего многообразия схем,
которое предлагалось в различное время, в настоящее время про-
шла проверку иа практике и наиболее широко применяется компен-
сация с помощью варикапа, напряжение на котором в интервале тем-
ператур изменяется с помощью цепи постоянного токае термочувст-
вительными элементами (13, 17, 23, 112]. Варикап включается по
высокой частоте в контур генератора. В общем случае в генера-
тор может быть включено несколько варикапов с отдельными ис-
точниками термозависимого напряжения, но наибольшее распрост-
ранение получила схема с одним варикапом.
Варикап может быть включен последовательно или параллельно
любому элементу, образующему контур генератора. При исполь-
зовании получившей широкое распространение благодаря своей
простоте и другим преимуществам схемы генератора с резонатором
в контуре предпочтительнее включать варнкап последовательно,
с резонатором (рис. 7.1).
Формирователь термозавиенмого напряжения ФТЗН преобра-
зует температуру Т, воздействующую на термочувствительные дат-
чики, в зависимое от температуры напряжение U (Т), которое с вы-
хода формирователя подается иа варикап Д. Иногда параллельно
варикапу включают реактивный элемент с сопротивлением Хп.в,
служащим для обеспечения необходимой крутизны характеристики
управлении частотой. В некоторых случаях для ее формирования
параллельно резонатору включают реактивный элемент с сопротив-
лением Хп.к. Питание формирователя термозависимого напряжения
и активной части генератора осуществляется от источника стабили-
зированного напряжения Еоп. Для обеспечении независимости ра-
бочей точки характеристики варикапа по напряжению от начально-
го напряжения на выходе формирователя, па второй конец варяка-
па может подаваться на-
пряжение смещения £см.
Реактивное сопротивле-
ние Хн служит для обес-
печения заданной рас-
стройки ТККГ н может
использоваться для на-
стройки частоты генера-
тора на номинальное
значение при изготовле-
нии и в процессе экс-
плуатации.
Обозначим сопро-
тивление двухполюсни-
ка, состоящего из па-
Рис. 7.1. Функциональная схема ТККГ с ис-
пользованием варикапа
раллельного соединения сопротивлений варикапа Хр и Хп.п, через
Ху. Частота ТККГ/г = /к (То) {1 + S/* (Г - То) + б/0 [ху (То)1 +
+ 6/с [ху (Т) — Ху (То)1). гДе /к (то) — частота последовательно-
го резонанса резонатора при температуре То; S/к (Т — То) — изме-
нение частоты последовательного резонанса резонатора при измене-
нии его температуры с учетом изменения частоты при воздействии
температуры на все элементы генератора, кроме формирователя
термозавясямого напряжения; S/o (ху (То)1 — начальная расстрой-
ка генератора по частоте относительно частоты последовательного
резонанса резонатора при температуре Т0; 6/с [ху (Т) — ху (7'0)] —
компенсирующее язмеяеняе частоты от действия цепи термокомпея-
сацин при изменении температуры ее датчиков.
Учитывая, что обычно элементы генератора мало влияют на
изменение частоты резонатора, при анализе часто принимают
S/K (Т — То) » 6/к (Г — То), где 6/к (Т — То) — ТЧХ резонато-
ра.
Для ТККГ, собранного по схеме ряс. 7.1, начальная расстрой-
ка
1 __________________1_____________
*п.к	[*к + *г + хрп ха.в/(хрц -}-‘Хп.в)]
где хп.1(, хн, xr, xPil, хп.в — приведенные сопротивления Хпк, Х„,
Хр, Хрн, Хп.в.
Изменение частоты из-за действия цепи термокомпенсацяи для
fi/c=-y тД*у [1-ео(1-1/*п.к)]2/{1-Дху(1-1/хп.к)Х
X [1-е0(1-1/*п.к)]}.	(7.2)
82
S/o = — — щ
. (7.1)
где «о =	а изменение реактивного сопротивления
Дху = Ху (Г)—Ху (Г#) =
_ / *п в V*р~*ри	3)
\ *П.в + *рн /	1 + (*р-,--*ри)/(Д:П.в + *Рн)
где хр, Хрн — реактивные сопротивления варикапа при напряже-
ниях, подаваемых с выхода формирователя при температурах Т и Гв
соответственно.
Приведенное сопротявление варнкапа хр = хРя (1 + u)v, где
и — &Е/ (фр + Ен) — приведенное изменение напряжения иа ва-
рикапе. При изменении температуры датчиков формирова!еля от
То до Г
и = (ф (Т) - ф (Т0)]ЕОп/ (фр + Еи),	(7.4)
где ф (Т) = U (Т)/£Оп — коэффициент передачи формирователя
термозависимого напряжения; Ея — начальное напряжение на ва-
рикапе.
Из рис. 7.1 находим начальное напряжение Ея = Е011ф (То) —
— Е<ы-
Для нахождения Дху (7.3) изменение реактивного сопротив-
ления варикапа Дхр — хр — хРя = хРн[ (1 + u)v — 1]. Если соп-
ротивление, параллельное резонатору, не нснользуется (хп.к = оо),
то (7.1), (7.2) преобразуются:
tyo=— 0.5m {1 — [хн + *г+*рн *п.в/(хрн+хп.в)]_1} -1;
fifc= —0.5тДху (1—е0)2/[1 —Дху (1—е0)1-
В некоторых случаях, например при расчете элементов цепи
управления по требуемой крутизне, анализе влияния элементов
цепи компеясацни на стабильность, частоту генератора в пределах
ее изменения при термокомпенсации можно в первом приближении
считать линейно зависимой от напряжения на варикапе. В этом
случае для ТККГ, выполненного по схеме рис. 7.1, изменение час-
тоты из-за действия цепи термокомпеисации 6/с = [ф (Т) —
— ф (То)] = 5/уЕ0п[ф (Т) — ф (То)], где = 6//Дф — крутизна
управления частотой генератора по изменению коэффициента пере-
дачи; Sfu = Sf/&U — крутизна управления частотой по напряже-
нию на выходе формирователя;
*	2	\ Хп.к /1 К *п.в + хря /
X ~ ।	= Eon — Sfx Ssxp SxpU Еоя. (7.5)
Входящие в (7.5) крутизны могут быть использованы при анализе
влияния элементов ТККГ на результирующую крутизну. Крутиз-
на управления частотой по изменению сопротивления ху двухпо-
люсника, включенного последовательно с резонатором,
S/x= -0,5m [ 1 -еа (1 - 1/хп.«)12-	(7.6)
Крутизна изменения управляющего сопротивления Ху, состояще-
го из параллельного соединения варнкапа и сопротивления хп.в,
83
при изменении сопротивления варикапа
$ххр~ [*П.в/(*П.в+-*Рн)Р •	(7 -7)
При изменении абсолютного значения напряжения иа варикапе U
крутизна изменения сопротивления варикапа
5хрУ = ^ргУ(<Рр + ^н)-	(7-8)
При достижении термокомпенсации отклонение частоты из-за
действия цепи термокомпенсаций б/с (Г) равно отклонению частоты
при воздействии температуры на резонатор и другие его элементы
б/к (Т) с противоположным знаком о ошибкой, равной значению тем-
пературной стабильности генератора после термокомпенсации:
б/с(п=-б/;(л+^т(п.	(7.9)
Так как |бдт| < |8/' (7)1. то ПРИ анализе характеристик цепи
термокомпенсации можно пользоваться равенством
в/с(Т)«-в)'(Т).	(7.10)
При допущении линейности характеристики управления час-
тотой по напряжению зависимость напряжения на выходе формиро-
вателя от температуры
i/(n = i7(7’o) + 6/'(T)/S/y.	(7.11)
Формулы (7.1)—(7.11) позволяют рассчитать параметры эле-
ментов цепи управления с помощью варикапа для получения за-
данных характеристик ТККГ. Одной из основных характеристик
генератора является стабильность его частоты.
Стабильность частоты ТККГ в условиях эксплуатации можно
рассматривать как сумму отклонений: неточности установки часто-
ты генератора при изготовлении 6/п.у, температурной нестабильно-
сти частоты tycr, нестабильности частоты резонатора при воздейст-
вии на него дестабилизирующих факторов (климатических и меха-
нических факторов окружающей среды, естественного, старения)
6/к.н> нестабильности частоты при воздействии дестабилизирующих
факторов на активную часть генератора &fr.a и нестабильности час-
тоты генератора при воздействии дестабилизирующих факторов на
элементы цепи термокомпенсацни . Обычно значения указан-
ных составляющих, кроме температурной нестабильности, распре-
делены по нормальному закону с математическим ожиданием, рав-
ным нулю, и максимальное отклонение частоты
^fmax — ki X
v 1 f ^*-Утах	н max ^сн max , ^к.н max , ^'ст max
у 9	+	9+9+9л"й2
где k х: У2, если ТЧХ генератора после термокомпенсацни прибли-
жается к косинусоиде, что получается при нелинейной компенса-
ции, н fe « ]/3, если ТЧХ после компенсации можно аппроксими-
ровать отрезками прямых (при дискретной компенсации); изме-
няется от 1/2 (УЗ — при дискретной компенсации) и температурной
84
нестабильности, значительно большей остальных составляющих,
до k = 3 при температурной нестабильности, соизмеримой с неста-
бильностью от остальных дестабилизирующих факторов. Во многих
случаях для расчета максимального отклонения частоты ТККГ мож-
но пользоваться упрощенной формулой:
Sfmax = т +
max
+ 1^.у тах + ^/г.й шах ®/сн /пах~Ь ®/к.н max-
Влияние активной части ТККГ и точность установки его час-
тоты такие же, что п у КГ без термокомпенсацни, и в правильно
спроектированном генераторе меньше остальных составляющих.
Поэтому стабильность частоты ТККГ в основном определяется тре-
мя составляющими: температурной стабильностью частоты, влия-
нием цепи термокомпенсацни и нестабильностью частоты резонато-
ра.
Нестабильность частоты резонатора задается в технических
условиях на резонатор. Для наиболее широко распространенной
схемы генератора рис. 7.1 при Хп.к = ХпЛ!=оо влияние цепи тер-
мокомпенсацни б/сн = б/р + б/£ + 6Д|, + б/у + б/н. Отклонение
частоты генератора из-за
изменения емкости варикапа
Sty
б/Р=—(£н + <Рр)«р.	(7-12)
V
опорного напряжения ла формирователе термозависимого на-
пряжения

’и,
Коэффициента передачи формирователя
= Еа б^,
амплитуды напряжения высокой частоты на варикапе
/ U mf
\ фр + ^н
сопротивления Хц
6/н= -у-тео(1—е0)4--у-/п(1—е0)2л:г—
Siy
— (фр + ^н) ®н’
V
(7.14)
(7.15)
(7-16)
В (7.12)—(7.16) б,-.— относительное изменение соответствующего
параметра.
Получение высокой температурной стабильности частоты ТККГ
обеспечивается применением соответствующих формирователей тер-
мозависимого напряжения.
85
7.3. Формирователи термозависимого напряжения
в тккг, термокомпенсированном с помощью варикапа, форми-
рователь напряжения определяет температурную стабильность час-
тоты, получаемую в результате компенсации, трудоемкость процес-
са регулировки, в значительной степени влияет на надежность, га-
бариты и мощность, потребляемую генератором от источников пи-
тания.
С учетом малого влияния элементов активной части генератора
цепи управления частотой на результирующую ТЧХ зависимость
напряжения на выходе формирователя от температуры — волып-
температурная характеристика (ВТХ) — для достижения тер-
Мокомпенсации в первом приближении должна повторять ТЧХ ре-
зонатора. В зависимости от типа среза резонатора и интервала ра-
бочих температур ВТХ формирователя должна быть близка к квад-
ратичной или кубичной монотонной кривой с одним или двумя экст-
ремумами на участке термокомпеисации,
По виду ВТХ формирователи можно разделить иа четыре груп-
пы: нелинейные, кусочио-иелииейиые, дискретные и дискретно-не-
линейные.
Нелинейную температурную характеристику имеют термоза-
висимые цепи, в состав которых входят постоянные резисторы и тер-
морезисторы. Вид ВТХ этих цепей определяется их структурой и
параметрами терморезисторов и резисторов.. Чаще других в ТККГ
применяются термозависимые потенциометры и мостовые устройст-
ва.
В кусочно-нелинейных формирователях ВТХ — ломаная кри-
вая. Наклон кривой на границах участков («кусков») изменяется с
помощью элементов, имеющих нелинейную вольт-амперную харак-
теристику. В качестве таких элементов используются полупровод-
никовые дноды и транзисторы, включаемые в термозависимые цепи.
Так Как нелинейные и кусочно-нелинейные формирователи реали-
зуются с помощью аналоговых устройств, то они получили назва-
ние аналоговых цепей термокомпеисации.
При дискретной термокомпеисации ВТХ формирователя имеет
вид ступенчатой (дискретной) кривой. В настоящее время дискрет-
ная термокомпенсация реализуется с помощью цифровых устройств.
В таком случае цепи называются с цифровой термокомпеисацией.
При дискретно-нелинейной термокомпеисации ВТХ формиру-
ется из отдельных участков с получением на каждом из них нели-
нейной кривой, осуществляющей с необходимой точностью компен-
сацию иа данном участке без привязки уровня напряжения к зна-
чениям на соседних участах, как это имеет место в кусочно-нелиней-
ной кривой. При этом ВТХ — кусочно-непрерывная кривая с ко-
нечными разрывами первого рода. Прн дискретно-нелинейной термо-
компенсации в формирователь вводится термочувствительное уст-
ройство, которое переключает цепи компенсации, осуществляющие
формирование нелинейной кривой на каждом из участков [17]. Рас-
смотрим схемы, реализующие названные способы термокомпенса-
ции, подробнее.
В тех случаях, когда необходимо обеспечить минимальные га-
бариты генератора, применяют нелинейную термокомпенсацию с
помощью термозавнсимых потенциометров (ТЗП) и мостовых уст-
ройств. Одни из вариантов схемы термозавнсимрго потенциометра,
ВТХ которого близка по виду к кубичной параболе с двумя экстре-
86
мумамн (кривая 1 на рис. 7.2, в), изображен На рис. 7.2, а. Коэффи-
циент передачи этого потенциометра
= [1 +
^оп L
^2 Л3 (^Т2 “Ь R тз) + /?з ^?Т1 (^Т2 4" ^?тз) 4“ ^2 ^Т2 ^Гз4“ ^Т1 ^Т2 ^T2J
(7 17)
С учетом зависимости сопротивления терморезисторов от темпера-
туры. (3.1) представляет собой трансцендентную функцию от темпе-
Рис. 7.2, Формирование термозависимого напряжения:
а—термозавнсимый потенциометр; б—мостовая схема; в, а — температурные
характеристики
ратуры Т. Вид температурной характеристики (ТХ) ТЗП зави-
сит от числа терморезнсторов в потенциометре. На рис. 7.2, в изо-
бражены ТХ потенциометра, изображенного на рис. 7.2, а при
7?тз = оо (кривая 2) н при 7?т1=7?тз = оо (кривая 3). Из рисунка
видно, что число терморезнсторов определяет число монотонных
участков на ТХ потенциометра.
Так как с увеличением числа терморезнсторов уменьшается кру-
тизна изменения коэффициента передачи и возрастает сложность ре-
гулировки схемы, ТЗП с тремя терморезисторамн и более примени#
87
Ются на практике редко. Увеличение числа постоянных резисторов
в одном плече ТЗП больше пт.п + 1, где пт.п — число терморезис-
торов в данном плече, практически не приводит к увеличению точ-
ности термокомпеисации и поэтому нецелесообразно [23].
В некоторых случаях при необходимости формирования сложных
кривых целесообразно применять термозавнсимый мост (рис. 7.2, 6),
который может дать увеличение крутизны изменения коэффициента
передачи и лучшее приближение к требуемой Для достижения точной
термокомпеисации ТХ. Зависимость коэффициента передачи этого
моста от температуры изображена на рис. 7.2, г: (кривая 1 — ТХ де-
лителя с двумя терморезисторами, кривая 2 — ТХ делителя с одним
терморезйстором, кривая 3 — результирующая ТХ).
Широкое применение в качестве термочувствительного звена, за-
дающего температурную характеристику при использовании мно-
гих способов термокомпеисации, находит ТЗП с одним терморезнс-
тором (рнс. 7.3, а). Изменяя параметры элементов этого ТЗП, мож-
но, изменять кривизну ВТХ на участке компенсации, добиваясь ее
нанлучшего приближения к ВТХ идеальной (во^всех точках темпе-
ратурного диапазона) термокомпеисации. Коэффициент передачи
ТЗП с одним терморезйстором (рнс. 7.3, а)
ф = —+	х
Я1 + Я2 I Я1 + Я2 + Я3	Я1 + Я2 }
£
х "[(Я,+я2Гя3/(ЯТ+я2+я3)1+ят =	+х
X Ят/(Яэ + Ят),	(7.18)
где Фт;п — Я2/(Я1 -Ь Я2) — коэффициент передачи при коротком
замыкании терморезнстора RT; $тах = (Я2 + Я3)/(Я1 + Я2 + Я3)
— коэффициент передачи при RT = со; Ra == (Rt + Я2)Я3/(Я1 +
+ Я2+ Яз) — сопротивление при подключении резистора R3 па-
раллельно Ri 4- R2.
Из (7.18) видно, что включение резисторов R2 и R3 изменяет
постоянную составляющую коэффициента передачи фт;п' и мас-
штаб температурной характеристики фтах — фт,-п простейшей це-
почки, состоящей из терморезнстора RT и резистора R3, т. е. форму
кривой на участке термокомпеисации задает значение сопротивле-
ния R3. Для компенсации генераторов с возрастающей ТЧХ выпук-
лостью вверх (резонаторы АТ при температурах ниже левого экстре-
мума (рнс. 7.3, б) и ВТ и РТ. ниже экстремума) и падающих ТЧХ
выпуклостью вниз (ТЧХ резонатора АТ между точкой перегиба и
правым экстремумом) необходимо стремиться к увеличению Ra.
При компенсации генераторов с падающей ТЧХ выпуклостью вверх
(участок ТЧХ среза АТ между левым экстремумом и точкой переги-
ба и правая ветвь резонаторов БТ н РТ) я возрастающих ТЧХ вы-
пуклостью вниз (срез АТ при температурах выше правого экстре-
мума) R3 необходимо уменьшать.
Для увеличения стабильности ТККГ при воздействии дестабили-
зирующих факторов на элементы цепи управления необходимо стре-
миться к увеличению крутизны изменения коэффициента передачи
при изменении температуры. При использовании ТЗП с одним тер-
морезнстором максимальная крутизна получается при Я2 = О, R'3—
= оо. Второй резистор R2 (R3) включается, если на ТЗП наклады-
ваются два условия, чаще всего обеспечение необходимого коэффи-
88
циента передачи на одной границе участка и приращение коэффи-
циента передачи для обеспечения точной компенсации на второй его
границе (двухточечная компенсация).С учетом зависимости сопротив-
ления Ro, определяющего кривизну ТХ иа участке компенсации, от
сопротивления резистора R2, включаемого последовательно с термо-
резистором, и* R3, включаемого параллельно терморезистору, до-
полнительные резисторы R2 или R3 в зависимости от участка ТЧХ
должны включаться в соответствии со схемами, изображенными на
рис. 7.3, б. Хтэтя в большинстве случаев кривизны ТХ ТЗП не хва-
тает для обеспечения трехточечной компенсации, такое включение
позволяет значительно улучшить точность компенсации на участке.
89
Полную схему ТЗП с одним терморезистором (с тремя постоянными
резисторами) следует включать при компенсации участка ТЧХ с точ-
кой перегиба или в тех случаях, когда кривизны компенсирующей
характеристики хватает для обеспечении трехточечной компенсации,
что при использовании резонаторов АТ достигается при выборе
участка компенсации вблизи точки перегиба (ТЗП изображен в верх-
ней полуплоскости рис. 7.3, б).
В [23] получены формулы для ТЗП с одним терморезистором,
позволяющие по требуемой стабильности ТККГ рассчитать элементы
без использования ЭВМ. Однако учитывая большой объем вычисле-
ний даже при использовании простого (с одним терморезнстором)
ТЗП, особенно при проектировании генератора для широкого ин-
тервала температур, такой расчет следует использовать дли грубой
оценки при средних значенннх характеристик резонатора и других
элементов ТККГ.
Для более сложных цепей с терморезисторами нз-за сложности
выражений, описывающих зависимость коэффициента передачи от
температуры, не удается получить формулы для расчета параметров
элементов в аналитическом виде.
Поэтому элементы как простых, так и сложных ТЗП и мостовые
устройства на стадии проектирования с учетом разброса характерис-
тик следует рассчитывать с помощью ЭВМ по методике, изложен-
ной в £23]. Следует отметить, что исходными данными для расчета луч-
ше всего использовать ВТХ идеальной термокомпенсацни, снятые
экспериментально на ТККГ с рассчитанными параметрами цепи уп-
равления и крайними значениями параметров элементов, влияющих
на ВТХ идеальной термокомпенсацни (на ТЧХ ТККГ до компенса-
ции и кривую управления частотой).
Термокомленсация при изготовлении генераторов осуществляет-
ся индивидуально для каждого генератора. При использовании слож-
ных ТЗП и мостов значения элементов формирователя подбираются
по напряжению идеальной компенсации с помощью ЭВМ [1711. Сле-
дует подчеркнуть, что исходными данными для расчета на ЭВМ при
регулировке необходимо использовать зависимость напряжения
идеальной термокомпенсацни от сопротивлений терморезнсторов,
спитых одновременно при раз'ныя зиачеиних температуры внутри
интервала рабочих температур, без определения точного значения
температуры.
При использовании ТЗП с одним терморезистором по схеме рис.
7.3, а с двумя постоянными резисторами регулировка ТККГ для осу-
ществления двухточечной компенсации может быть произведена по
методике, приведенной в [20], с тремя терморезисторами дли обеспе-
чения трехточечной компенсации — по методике [159]. Упростить
регулировку прй достижении двухточечной термокомпенсацни
можно при использовании ТЗП с добавочным делителем напряжения
по схеме рис. 7.4, позволяющим раздельно регулировать его при
двух значениях температуры, в которых должна обеспечиваться
точная термокомпенсацни. При первом значении температуры точ-
ную термокомпенсацню необходимо делать подбором сопротивления
Ri(Rs) при Лз = оо. После этого при Rs = 0 устанавливается то же
значение частоты подбором одного из резисторов в делителе R4, R5.
Затем устанавливается второе значение температуры, и точная
термокомпеисация достигается подбором сопротивления R3. Так как
резистор R3 включен в диагональ моста, сбалансированного при пер-
вом значении температуры, изменение его сопротивления не влияет
90
иа результат компенсаций при этой температуре. Для обеспечений
максимальных пределов регулировки при снятии напряжения с
ТЗП, как показано иа рис. 7.4, а, сопротивление.плеч делителя не-
обходимо брать в 5—10 раз меньше сопротивлений плеч ТЗП, при
снятии напряжения с делители — меньшими необходимо выбирать
значения плеч ТЗП.
Включив в делитель второй терморезнстор (RT2 на рис. 7.4, б),
можно увеличить кривизну ВТХ иа участке термокомпенсацни, уве-
личив точность компенсации участков ТЧХ резонатора с большой
кривизной (в районе экстремума) или в тех случаях, когда кривизны
кривой ВТХ простого ТЗП не хватает нз-за требуемой большой кру-
тизны изменения напряжения, например, при низкой управлиемости
резонатора и компенсации в интервале температур, ниже левого
экстремума дли резонаторов АТ.
Рис. 7.4. Термозависнмые цепи для раздельной термокомпенсацни
Включая второй терморезистор в верхнее плечо делителя (рис.
7.4, в), можно варьировать ВТХ на участке термокомпенсацни в ши-
роких пределах от падающей при Rs = оо до возрастающей при
Rs = 0 и сопротивлении плеч делителя RT2, R4 меньше сопротивле-
ния плеч основного ТЗП Ri, R2, R^. Элементы формирователей,
изображенных на рис. 7.4, рассчитываются иа стадии проектирова-
нии с помощью ЭВМ. Регулировать их можно с помощью ЭВМ или
описанным выше способом. При этом можно обеспечить- доста-
точно высокую температурную стабильность частоты ТККГ: до
(0,5—1)-10~6.в широком интервале рабочих температур. Дальней-
шее повышение стабильности частоты при одновременном упроще-
нии процесса регулировки ТККГ может быть достигнуто при некото-
ром усложнении схемы и использовании кусочно-иелннейных спосо-
бов термокомпенсацни.
Кусочно-нелинейная термокомпенсация основана на использо-
вании принципов, применяемых в диодных функциональных преоб-
разователях. Такая схема изображена на рис. 7.5, а. Напряжение иа
дел'йтелях 1—4 выбирается таким образом, что на участке темпера-
тур Г2, t3 (график U (t) на рис. 7.5, а) диоды Д1—Д4 закрыты н вы-
ходное напряжение формирователя определяется ТЗП 5. При темпе-
ратуре t > ts напряжение на ТЗП становится больше напряжения
иа делителе 3, открывается диод ДЗ и делитель 3 подключаетси че-
рез резистор, стоящий последовательно с диодом к ТЗП. Изменяя
сопротивление этого резистора, можно изменять степень шунтирова-
ния ТЗП делителем 3, а следовательно, и наклон ВТХ формирова-
теля иа участке температур ta, it. Аналогично действуют делители
91
1,2, 4 на участках температур ta, lit t2 н ts, tB соответственно. Уве-
личивая число цепочек, можно увеличивать точность аппроксимации
нужной для термокомпеисации характеристики. Минимальный ин-
тервал температур, при котором можно обеспечить эффективное дей-
ствие шунта, ограничивает максимальное число цепочек и определя-
ет предельную точность компенсации. Снижение эффективности
шунтирования определяется реальными характеристиками полу-
проводниковых диодов, сопротивление которых при измеиенйи зна-
ка приложенного напряжения изменяет значение не скачком, а плав-
но. Поэтому для «включения» («отключения») шунта необходимо ко-
Рис. 7.5. Формирователи термозависимого напряжения с использованием
функциональных преобразователей и их температурные характеристики
92
нечное изменение напряжения, которое достигается на выходе ТЗП
при некотором изменении температуры. Это свойство полупроводни-
ковых диодов можно использовать для формирования нужной кри-
визны ВТХ моста рнс. 7.4, а, включая диод последовательно с рези-
стором R3, т. е^ когда в интервале компенсации используется одно
звено схемы рис. 7.5, а.
Схема рис. 7.5, а может быть использована для увеличения точно-
сти при компенсации монотонных участков ТЧХ генератора. Кусоч-
но-нелинейную ВТХ с одним экстремумом можно получить при ис-
пользовании в качестве ключей полупроводников триодов. Такая
схема изображена на рис. 7.5, б.
В интервале температур /2, t3 (график на рнс. 7.5, б) транзисто-
ры закрыты, и напряжение на выходе формирователя определяется
делителем 3. При температурах t < t2 открывается транзистор Т2, и
напряжение на выходе формирователя начинает расти из-за измене-
ния напряжения на ТЗП2, которое подается на базу транзистора Т2.
Момент открывания транзистора при температуре t2 обеспечивается
подбором одного из постоянных резисторов ТЗП2 (первая точка ком-
пенсации), приращение напряжения иа участке компенсации tlt t2—
резистором в эмиттере транзистора Т2 (вторая.точка компенсации).
Так как напряжение открывания транзистора Т2 не зависит от со-
противления резистора в эмиттере, описанная регулировка обеспе-
чивает независимую компенсацию в двух точках температурного ин-
тервала. При температуре t1 при соответствующем подборе сопротив-
лений резисторов в цепи базы открывается транзистор Т1 и обеспе-
чивает увеличение наклона ВТ.Х на участке температур t„,. tlt ре-
гулируемое резистором в цепи эмиттера этого транзистора. При воз-
растании температуры до значения открывается транзистор ТЗ,
действие которого аналогично транзистору Т2. Чтобы обеспечить
при температуре уменьшение крутизны ВТХ, необходимое для
формирования требуемой для компенсации кривой, транзистор Т4
обеспечивает шунтирование нижнего плеча делителя 3 при темпера-
турах t >
Форма каждого участка ВТХ кусочно-нелинейного формирова-
теля, собранного по схеме рис. 7.5, б, зависит от ТЗП, действующих
на этом участке, и статических характеристик транзистора. Так
как приращение напряжения па участке компенсации в схеме
рис. 7.5, б можно регулировать резистором в цепи эмиттера, для ре-
ализации всех возможностей формирования' кривизны, которые
предоставляет ТЗП с одним терморезйстором, в соответствии с изло-
женным выше, достаточно в этот ТЗП включать один дополнитель-
ный резистор последовательно илн параллельно терморезистору.
Крутизна статической характеристики транзистора на началь-
ном участке по мере открывания транзистора возрастает, это при-
водит к изменению кривизны результирующей ВТХ формировате-
ля в нужную для достижения трехточечной компенсации сторону при
включений транзистора в сторону возрастании крутизны ТЧХ гене-
ратора. Так включение транзисторов Т1— ТЗ в схеме рис. 7.5, б спо-
собствует увеличению кривизны для достижения трехточечной ком-
пенсации в соответствующих участках температур. Транзистор Т4
уменьшает кривизну результирующей ВТХ на участке температур tit
Одно из плеч ТЗП оказывается подключенным ко входу каска-
да на транзисторе (рис. 7.5, б)., что приводит к дополнительному вли-
янию входного сопротивления транзистора на результирующую
93
ВТХ формирователя. Это необходимо учитывать соответствующим
выбором сопротивлений плеч задающего ТЗП. По этой же причине
целесообразно стремиться К 'увеличению входного сопротивления
каскадов иа транзисторах, включая сопротивление в эмиттер тран-
зистора. Полностью избавиться от влияния входного сопротивления
транзисторов можно при использовании формирователя иа полевых
транзисторах.
Схема кусочно-нелинейного формирователя иа полевых транзис-
торах изображена иа рис. 7.5, в с включением нагрузки в цепь сто-
ка транзисторов. Такое включение транзисторов позволяет усилить
изменение напряжения задающего ТЗП и снизить требования к кру-
тизне управления частотой генератора по напряжению. Момент от-
крывания транзисторов регулируется подбором резисторов задаю-
щих ТЗП в цепи затвора, приращение напряжения иа участке ком-
пенсации — подбором сопротивления резистора в цепи истока. Как
один из вариантов показан пример изменения крутизны результи-
рующей ВТХ иа участке температур tB благодаря шунтированию
с помощью транзистора Т4 ТЗП 4, который формирует характеристи-
ку в интервале температур t3, Исследования показали, что, обла-
дая отмеченными достоинствами, выпускаемые в настоящее время
полевые транзисторы оказывают большее влияние иа стабильность
выходного напряжения при воздействии дестабилизирующих факто-
ров, чем биполярные, и поэтому могут иайти применение в генерато-
рах среднего класса по стабильности.
Кусочно-нелинейные формирователи, описанные выше, позво-
ляют достичь высокую точность термокомпеисации. Однако увели-
чение числа подынтервалов компенсации при достижении высокой
температурной стабильности частоты в широком интервале темпера-
тур в описанных схемах с последовательным шуитироваиием, осо-
бенно при термокомпеисации генераторов, имеющих ТЧХ с двумя
экстремумами, наталкивается на усложнение процесса термоком-
пеисации в крайних подынтервалах температур, в которых ВТХ оп-
ределяется задающими цепочками всех открытых транзисторов и
имеют большой разброс. Поэтому для генераторов с резонаторами
АТ; ТЧХ которых иа участке термокомпеисации имеет два экстре-
мума, целесообразно использовать кусочно-нелинейные формирова-
тели, в которых имеются цепи, реализующие методы непрерывной
логики.
При логическом методе кусочно-нелинейной термокомпеисации
термозависимое напряжение, необходимое для компенсации, фор-
мируется из «кусков» образующих функций. Образующие функции
задаются с помощью ТЗП и обеспечивают компенсацию с необходи-
мой точностью иа одном из участков температур, иа которые разби-
вается рабочий интервал. Нужная характеристика на данном участ-
ке выбирается логическим устройством. Наиболее простые схемы по-
лучаются при использовании логических операций выбора макси-
мальной и минимальной нз нескольких величии. Наибольшая просто-
та схем достигается при реализации этих операций с помощью
диодов.
Вольт-температуриая характеристика с минимумом иа рабочем
участке температур (рис. 7.6, б) получается при использовании схе-
мы, выполняющей логическую операцию выделения максимальной
из нескольких величии (рис. 7.6, a): U (/) = maxlt^ (/), U2 (t).
Un (/)], где U (t) — напряжение иа выходе формирователя; l/j (О,
94
U2 (0> Un’(l) — образующие функции зависимости напряжения от
температуры, снимаемые с соответствующих ТЗП.
При каждой температуре в термозависямой цепи рис. 7.6 открыт
тот диод, который подключен к ТЗП (делителю) с максимальным при
этой температуре напряжением, остальные диоды этим же напряже-
нием закрыты. Поэтому иа каждом из участков температур иапряЖе-
рие. 7.6. Формирователи тсрмозавнсимого напряжения с использованием схем
непрерывной логики на диодах и. нх температурные характеристики
ине на выходе определяется одним ТЗП, что обеспечивает его авто-
номную регулировку, не зависящую от подбора элементов осталь-
ных ТЗП.
Термозависимая цепь рис. 7.6, в выполняет операцию выделения
минимума U (f) = ттп [ Ul (t), U2 (О... Un (01 и обеспечивает
получение ВТХ с максимумом в интервале термокомпеисации
(рис. 7.6, г).
Схема для формирования ВТХ с двумя экстремумами в рабочем
интервале температур (рис. 7.7, а) получается путем соединения
схем, выполняющих операцию max н min. Такая схема с использо-
ванием в качестве ключей полупроводниковых диодов изображена
на рнс. 7.7, б. В интервале температур t3 (см. рис. 7.7, а) с по-
мощью диодов Д1-ДЗ выполняется операция max над образующими
функциями, задаваемыми ТЗП / и 2 делителем 3. При температурах
95
t> ij диод Д4 подключает логическую схему с диодами Д5—Д7,
выполняющую логическую операцию min' над функциями зависимо-
сти напряжения от температуры, определяемыми ТЗП 4, 6 и дели-
телем 5.
Увеличение точности термокомпеисации в схемах с использова-
нием методов непрерывной логики достигается как с помощью увели-
чения точности аппроксимации нужной ВТХ на каждом отдельном
участке выбором соответствующей схемы ТЗП н подбором его пара-
метров, таки увеличением числа образующих функций, т. е. со-
Рис. 7.7. Формирование, температурной характеристики:
а — характеристика с', двумя-экстремумами; б, в — логические схемы иа дио-
дах и транзисторах
96
крашением длины интервала компенсации одним ТЗП. Как и в
схемах кусочно-нелинейной термокомпеисации, максимальное чис-
ло кусков, на которые можно разбить рабочий интервал, ограничи-
вается реальными характеристиками диодов, которые используютси
в качестве ключей. Несколько лучшие результаты при реализации
методов непрерывной логики получаются_при использовании в каче-
стве переключающих элементов транзисторов.
Схема формирования ВТХ с двумя экстремумами, логические
операции max и min в которой выполняютси с помощью транзисто-
ров, изображена на рнс. 7.7, в. Формирователь по этой схеме рабо-
тает аналогично формирователю по схеме рис. 7.7, б на диодах.
Запирание транзисторов обеспечивается напряжением на общей
нагрузке, к которой подключены эмиттеры транзисторов. Это иа-
приженне получаетси нз-за тока того из транзисторов, напряжение на
базе которого относительно общей шины максимально для схемы, вы-
полняющей логическую операции» max (транзисторы Т1—Т4), илн
минимально для схемы, выполняющей операцию tnin (транзисторы
Тб—Т7).
В схеме формирователя рис. 7.7, в по сравнению со схемой на
транзисторах с шунтированием рис. 7.5 отсутствует возможность раз-
дельной регулировки для достижения точной компенсации при двух
значениях температур внутри данного подынтервала. Однако этот
недостаток может быть скомпенсирован использованием для получе-
ния образующих функций схем ТЗП, позволяющих производить
раздельную двухточечную термокомпенсацию (см. рис. 7.4).
Кусочно-нелинейные формирователи, построенные по принципу
функциональных преобразователей или с применением методов
непрерывной логики, позволяют термокомпенсировать генераторы
с высокой точностью: до 1-10-’ в широком интервале температур,
обеспечить малые габариты и низкую потребляемую мощность при
сравнительно невысокой трудоемкости процесса термокомпеисации.
Трудоемкость изготовления этих генераторов может быть снижена
при автоматизации процесса термокомпеисации, для чеРо необхо-
дима разработка специализированных автоматов. Для регулировки
формирователей, работающих с использованием схем непрерывной
логики, могут быть использованы ЭВМ. Исходными данными для
расчета на ЭВМ параметров задающих ТЗП формирователей по схе-
ме рис. 7,7, в могут быть снятые одновременно зависимости сопротив-
ления терморезнсторов и напряжения на базе транзисторов для дос-
тижения идеальной термокомпеисации от температуры. При этом
необходимо учитывать конечное входное сопротивление транзисто-
ров. Из-за сильного взаимного влияния полупроводниковых эле-
ментов в схемах с шунтированием применение ЭВМ вызывает затруд-
нения.
Дальнейшее повышение точности термокомпеисации при упро-
щении процесса регулировки может быть достигнуто при использо-
вании цифровых н цифро-аналоговых способов термокомпеисации^
которые рассмотрены в разд. 9.
7.4. Практические схемы ТККГ
Практическая схема ТККГ включает в себя активную часть, ре-
зонатор, цепь управлении частотой и формирователь термозавнсимо-
го напряжения. Реализации ТККГ начинается с выбора резонато-
ра, исходи из требуемой стабильности частоты и требуемой частоты
97
генератора. После этого выбирается схема и рассчитываютси эле-
менты цепи управления частотой для осуществления, термокомпри-
сации. Исходным параметром при этом является крутизна характе-
ристики управления частотой, которую определяют из допустимо-
го влияния цепи иа стабильность частоты. Все необходимые реко-
мендации и формулы для этих расчетов приведены выше.
В цепи управления частотой кроме элементов, предназначенных
для термокомпенсацни, включают элементы, с помощью которых
подстраивается частота для получения номинального (заданного)
значения при изготовлении и эксплуатацян. В качестве таких эле-
ментов могут быть использованы конденсаторы постоянной емкости,
подбирая которые, осуществляют грубую настройку. Для точной
настройки могут нспользоваться конденсаторы переменной емкости
или перестраиваемые катушки индуктивности. Дистанционная под-
стройка частоты может быть обеспечена при использовании в качест-
ве корректоров частоты варикапов. Расчет элементов коррекции про-
водится по формулам, приведенным в разд. 4.
После расчета корректора частоты выбирается схема активнбй
части генератора, требования к которой в ТККГ не отличаются от
требований, предъявляемых к обычным генераторам. Поэтому вы-
бор и расчет элементов активной части схемы могут быть произведе-
ны в соответствии с рекомендациями, изложенными в разд. 4. Отли-
чие заключается в учете сопротивления потерь, которые для ТККГ
необходимо определять при максимальной расстройке вверх, где
сопротивление потерь имеет наибольшее значение [ 17].
В состав ТККГ целесообразно включать стабилизатор напря-
жения источника питания, даже если питание осуществляется от ста-
билизированного источника. Это позволяет скомпенсировать изме-
нения частоты за счет температурной нестабильности1 напряжения
иа выходе стабилизатора и улучшить результирующую стабильность
частоты.
Формирователь термозавнсимого напряжения выбирается н рас-
считывается по рекомендациям, изложенным разд. 7.
Вследствие разброса ТЧХ и динамических параметров резона-
торов и параметров элементов цепи управления частотой, параметры
элементов схемы ТККГ имеют большой разброс в зависимости от ти-
па резонатора, частоты и диапазона рабочих температур генератора.
Поэтому привести все случаи исполнения практических схем с указа-
нием значений параметров элементов не представляется возможным.
Ниже приводятся схемы, иллюстрирующие принципы практического
исполнения ТККГ. Во всех приведенных схемах могут использо-
ваться резонаторы АТ иа частоты 9—15 МГц с колебаниями первого
порядка.
На схеме рис. 7.8 представлена схема ТККГ, компенсация в
котором производится с помощью резисторно-терморезисторного
моста R1—R 11 и варикапа ДЗ. Активная часть генератора выполне-
на по схеме емкостной трехточки на транзисторе Т2. Напряжение вы-
сокой частоты снимается с контура L2, Cl 1 С12, настроенного иа час-
тоту первой гармоники. Конденсатор С6 в цепи управления часто-
той служит для грубой подстройки частоты, точная настройка обес-
печивается варикапом Д2, напряжение иа котором меняется с по-
мощью резистора R12. Индуктивность L1 обеспечивает работу ге-
нератора иа частоте последовательного резонанса резонатора.
В ТККГ рис. 7.9 осуществляется кусочно-нелинейная компенса-
ция с помощью функционального преобразователя с диодом Д2, ко-
98
торый подключает к ТЗП Rl—R4 шунтирующий потенциометр R5
при значениях температуры ниже некоторого значения, определяе-
мого положением подвижного контакта потенциометра. Такой фор-
мирователь обеспечивает компенсацию с высокой точностью резона-
торов, имеющих в рабочем интервале температур монотонно падаю-
щую ТЧХ с экстремумом в районе нижней границы. Напряжение
Рис. 7.8. Схема ТККГ с компенсацией с помощью термозависимого моста
компенсации подается иа варикап Д4. Для коррекции частоты слу-
жат подборная емкость С4 и варикап ДЗ, включенный параллельно
индуктивности L1. Активная часть генератора выполнена аналогич-
но схеме рис. 7.8.
Схема рис. 7.10 иллюстрирует практическое исполнение ТККГ с
кусочно-нелинейной термокомпеисацией с помощью функциональ-
ные. 7.9. Схема ТККГ с компенсацией с помощью функционального преобра-
зователя на дяодах
9»
ноГо преобразователя иа транзисторах. Формирователь обеспечива-
ет получение ВТХ с одним экстремумом, левая ветвь которой опре-
деляется ТЗП R1 —R4, правая — ТЗП R7—R9, R13, значение
напряжения в районе экстремума ТЧХ резЬнатдра — делителем
R5, R6. Резисторы Rl 1, R15 н R12, R16, включенные в эмиттеры
транзисторов, служат для регулировки изменения напряжения на
участке компенсации. Напряжение с выхода формирователя пода-
ется на варикап Д1. Коррекция частоты осуществляется с помощью
Рис. 7.10. Схема ТККГ с компенсацией с помощью функционального преобра-
зователя на транзисторах
конденсатора Сб и катушки индуктивности L1. Активная часть гене-
ратора выполнена иа двух транзисторах микросборкн по схеме, ана-
логичной схеме рис. 7.8.
Термокомпенсированные кварцевые генераторы, выполненные
в соответствии с описанными в настоящем разделе рекомендациями,
Имеют следующие технические характеристики: диапазон частот
5—90 МГц; стабильность частоты в интервале температур (от —10 до
+ 50°С) i (0,5—1)- 10~в, в интервале температур (от—60 до + 70°С)
± (1—2)- 10~в; потребляемая мощность 25—50 мВт; выходное напря-
жение на нагрузке 50 Ом 150мВ; объем при выполнении на дискрет-
ных элементах 25—50 см3; па интегральных схемах 5—10 см3.
Повышение стабильности частоты в более широком диапазоне
частот независимо от порядка используемого колебания резонатора
может быть достигиутр при использдваиип термостатированных ге-
нераторов, которым посвЯщеи следующий раздел.
8.
ТЕРМОСТАТИРОВАННЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
8.1.	Кварцевые резонаторы для ТСКГ
Кварцевые резонаторы, предназначенные для ТСКГ, имеют ряд
Особенностей, обусловленных спецификой их работы. Одной из таких
особенностей является обеспечение малого изменения частоты в ин-
тервале рабочих температур термостатирующнх устройств. Для это-
100
Рис. 8.2. Зависимость нестабильности частоты кварцевых резонаторов различ-
ных срезов от изменения температуры Д/р при /р=»/э и fp-/o+5* С
101
го среднее значение температуры, соответствующее экстремальному
значению частоты, ta выбирается вблизи рабочей температуры термо-
статирующего устройства, что достигается специальной ориента-
цией пьезоэлементов различных срезов.
Температура
,	, ,	^00 ± V^oe За0вс0в
' э —' о +	57-------------•
Осов
При этой Температуре значение температурного коэффициента
частоты
1 df
af— f =аов+2^ов V»— U + Зсов (*a~ <о)2 = О.
Рис. 8.3.	Зависимость ТКЧ
кварцевых	резонаторов	раз-
личных срезов от изменения
температуры
Из рнс. 8.1 видно, что резонато-
ры БТ и ДТ наименее чувствитель-
ны к неточности ориентации. Изме-
нение частоты при отклонении рабо-
чей температуры tp от температуры
ta для различных срезов различно
(рис. 8.2). Из анализа кривых видно,
что наиболее стабильными являются
резонаторы ИТ, РТ и АТ. На рис. 8.2
представлен ряд кривых для /р = ta
и = ta + 5° С. Как видно из ри-
сунка, лучше выбирать рабочую тем-
пературу термостатированного гене-
ратора, равную температуре ta.
Представляет интерес .оценить
изменение ТКЧ резонаторов при от-
личии температуры 1р от температу-
ры ta (рис. 8.3).
Следует отметить, что ТКЧ резо-
наторов зависит от скорости измепо-
иия температуры, и поэтому в дина-
мическом режиме ТКЧ резонаторов
может существенно увеличиваться.
Более подробно это будет рассмот-
рено в разд. 9.
Стандартом [56] определены пять
значений рабочих интервалов темпе-
ратур термостатированных резонато-
ров. Максимальное отклонение ча-
стоты в этих интервалах зависит от
типа среза, частоты резонатора, не-
точности ориентации пластин, а так-
же от размеров пьезоэлемента, элек-
тродов и крепления. Значения максимальных относительных от-
клонении частоты кварцевых резонаторов различных частот по
данным [56] приведены в табл. 8.1. Из таблицы видно, что более
высокую температурную стабильность частоты имеют резонато-
ры на частоты выше 800 кГц. Следует отметить, что при каждом
включении ТСКГ резко изменяется температура резонатора (темпе-
ратурный удар). Кроме того, резонаторы в ТСКГ работают при
102
Таблица 8.1. Максимальные относительные отклонения
частоты резонаторов {143]
Интервал рабочих темпера- ТУР. °с	Темпера- тура нас- тройки резонато- ра, °C	Максимальное отклонение частоты в интервале температур, 10-*, в диапазоне частот1, кГц			
		4 — 800	9— 800	14—800	14—60; 100 —800
20—30	25± 1	±10	±10	±10	±ю
45—55	50±1	±30	±10	±10	±10
55—65	60± 1	±50	±30	±30	±10
65—75	70± 1	—	±50	±30	±10;
75-85	80± 1	—	—	—	
1 В диапазоне частот выше 800 кГц для всех интервалов рабочих темпера-
тур максимальное отклонение частоты может иметь значения ±5; ±10; ±15;
±20; ±25; ±30.
Таблица 8.2. Основные характеристики вакуумных
резонаторов РВ-11 и РВ-59
Показатели	РВ-11	РВ-59
Тип корпуса Диапазон частот, МГц Допустимое относительное отклонение частоты, 10~в Интервал рабочих температур, °C Максимальное относительное отклонение частоты в интервале температур, 10~в Добротность, 10s Емкостное отношение, 10-3 Динамическое сопротивление, Ом Приведенное сопротивление, 10-’ Статическая емкость Со, пФ Допустимое относительное изменение частоты во времени, 10“ за 1 год за 12 лет Относительное отклонение частот от ме- ханических и климатических воздейст- вий, 10-’	ЭА, ЭВ, ЭБ, ЭГ, ЭД 4,5-100 ±10 55—65 ±(2,5-5) 80—300 5—0,15 5—75 2—50 3-6 ±5 ±(15—20) ±(2-3)	КА 5-30
		30—100 ±5
		±10 65—75 ±(1,5-2) 80—300 5-0,15 5—65 2-50 2—6 ±3 ±10 ±(1-2)
ЮЗ
повышенной температуре. Эти факторы приводят к. дополнитель-
ному отклонению чатоты ТСКГ.
Допустимая мощность рассеяния в ТСКГ примерно в 2 раза
меньше, чем у резонаторов, работающих в широких интервалах тем-
ператур. Максимально допустимые и рекомендуемые значения мощ-
ностей рассеяния приведены в табл. 4.4 и 6.4 для различных частот-
ных диапазонов резонаторов.
Наиболее широко применяются резонаторы АТ в диапазоне час-
тот от 4,5 до 100 МГц. Основные-параметры двух типов вакуумных
резонаторов в корпусах тнНа Э (РВ-11) и КА (РВ-59) приведены в
табл. 8.2. [99]. В более узких диапазонах частот резонаторы имеют
параметры в 2—5 раз лучше.
Зависимости допустимого отклонения частоты резонаторов при
температуре настройки от диапазона частот по ГОСТ 11599—67, из-
менение частоты ®о времени даны в табл. 8.3.
Таблица 8.3. Допустимые отклонения
Диапазон частот. кГц, не менее	Допустимое отклонение	частоты, 10-#
4	±50	
50	±20; ±25; ±30; ±50	
800	±5; ±10; ±15; ±20; ±25;	±30; ±50
Допустимое отклонение частоты во времени, 10”•
	За 1-й год	За 2-й год	За И лет
4—800	±15	±7,5	±30
Более 800	±10	±5	±20
8.2.	Общие характеристики и составные части
термостатирующих устройств
Для повышения стабильности частоты кварцевых генераторов,
работающих в широком диапазоне температур окружающей среды,
используют термостатирующие устройства. Они предназначены для
автоматического поддержания температуры термостатируемого объ-
екта с допустимой погрешностью при изменении температуры окру-
жающей среды и условий эксплуатации.
По принципу использования теплового потока термостатирую-
щие устройства подразделяют иа устройства, построенные на основе
регулирования с притоком только тепла (или только холода) — нере-
версивные и устройства с притоком и тепла и холода — реверсивные.
Для первых устройств температура термостатируемого объекта долж-
на быть выше (нли ниже) диапазона температур окружающей среды,
для вторых она лежит внутри этого диапазона.
Наибольшее применение в технике кварцевой стабилизации
частоты получили термостатирующие устройства с притоком только
104
текла (рис. 8.4), обладающие по сравнению с другими меиьшим энер-
гопотреблением и габаритными размерами, более высокой надежно-
стью и точностью работы. Они представляют собой замкнутую систе-
му автоматического регулирования температуры термостатируемого
объекта, размещаемого в камере термостата — устройства, объединя-
ющего в единой конструкции составные части, приведенные иа
рис. 8.4: теплоизоляционный кожух /,-камеру 3, нагреватель 7, дат-
чик температуры 2, термостатируемый объект 4,'регулятор 5.
Структурная схема термо-
Рис. 8.4.
статирующего устройства с притоком
тепла
Рис. 8.5. Тепловая’ Модель термостата:
1 — корпус; 2 — теплоизоляционный
кожух; 3 — нагреватель; 4 — камера
термостата'; 5 — датчик температуры;
6. — термостатируемый объект, 7 —
прослойка; 8 — вывод объекта; 9 —
вывод датчика
Обобщенная тепловая модель термостата изображена иа рис. 8.5-
Датчик температуры 5 контролирует текущее значение температуры
камеры 4 термостата. Регулятор преобразует отклонения темпера-
туры от заданного значения в электрический сигнал и усиливает его
по мощности, создавая управляющий сигнал. С помощью нагрева-
теля 3 получают управляющий тепловой поток, компенсирующий из-
менение теплопотерь камеры и термостатируемого объекта 6 при из-
менении температуры окружающей среды и поддерживающий тем-
пературу объекта с заданной точностью. Теплоизолирующий ко-
жух 2 позволяет обеспечить уменьшение теплопотерь и повышение
точности термбстатироваиия объекта.
При проектировании термостатирующего устройства проводят
расчет его параметров, обеспечивающих следующие заданные тех-
нические характеристики:
температура тер мост атиров ан и я /т;
точность термостатнрования объекта Д/о;
время установления температуры с заданной точностью т;
потребляемые мощности: максимальная /’щах в момент разогре-
ва, мощность регулирующего воздействия Рр и мощность в стаци-
онарном режиме Р;
габаритные размеры или объем.
Для расчета основных параметров термостатирующего устрой-
ства используют принцип электротепловон аналогии <'[66], согласно
которому обобщенную тепловую модель термостата с распределен-
ными параметрами представляют в виде электрической цепи с со-
средоточенными параметрами. При этом разность потенциалов ана-
105
и динамическом режимах
Рис. 8.6. Модель термостата в
виде электрической цели
логична разности температур, электрическая емкость — теплоемко-
сти, электрическое сопротивление (проводимость) — тепловому со-
противлению (проводимости), сила тока — тепловому потоку.
Простейшая тепловая модель термостата в виде электрической
Цепи приведена па рис. 8.6. Индексами обозначены: камера — к,
датчик — д, объект термостатировапня — о н окружающая сре-
да — с.
Составные части термостатирующего устройства: тепловые про-
водимости между этими частями обозначены через a<j, теплоемко-
сти — через Ct, где индексы i, j принимают вышеуказанные значе-
ния в зависимости от того, между какими частями устройства они
находятся.
Анализ ошибки термостатировапня Д/о проводят в стацноиар-
работы термостатирующего устройст-
ва. Эта ошибка определяется зна-
чением изменения температуры ta
объекта термостатироваиия при из-
менении температуры /с окружаю-
щей среды и состоит из двух частей:
ошибки Д^к), обусловленной стати-
ческими свойствами конструкции, и
ошибки Д/дР), обусловленной пара-
метрами регулятора и динамически-
ми свойствами конструкции.
При идеальном регуляторе, име-
ющем бесконечно большой переда-
точный коэффициент, температура /д
датчика равна заданной температуре
tT термостатироваиия. Одиако тем-
пература ta объекта термостатировапня всегда будет отличаться от
температуры датчика из-за конечных значений тепловых проводимо-
стей и их разброса. Анализ схемы рис. 8.6 показывает, что
(to— tc)/ (/д — tc) = (1 + Од.с/Ок.д)^ (1 +°о.с/°ко) •	(8 • 1)
Правую часть (8.1) называют коэффициентом увода температу-
ры
е = (1 + <Тд.е/<гк.д)/(1 + Оо.с^к.о) •	(8.2)
При измеиеини температуры окружающей среды из (8.1) полу-
чают
Д/<к> = (1-е) Д/с.	(8.3)
Из (8.1), (8.3) видно, что только при е = 1 справедливо равен-
ство Д/*,к) = /0 — t„ = 0. Таким образом, ошибка термостатиро-
вання, обусловленная статическими свойствами конструкции термо-
статирующего устройства, отсутствует только при е = 1, т. е., как
это следует из (8.2), при
Од.с/^к.с = 0о.с/°к.о-	(8.4)
Выполнение (8.4) требует равенства теплообмена датчика и объ-
екта или совмещения датчика с объектом. Достижение этих условий
в процессе конструирования термостатирующего устройства практи-
чески невыполнимо
106
Задача минимизации величины А^к), т. е. приближения е к еди-
нице, решается методом тепловой компенсации, когда используется
два нагревателя, одни из которых устанавливается иа датчике и под-
держивает его температуру постоянной, а другой служит для воспол-
нения тепловых потерь термостата в окружающую среду. Подбором
соответствующего соотношения мощностей удается добиться миними-
зации величины A/qK).
Достижение заданных характеристик зависит от правильного
выбора параметров составных частей термостатирующего устройст-
ва: Рассмотрим требования, которым они должны удовлетворять.
В качестве объекта термостатироваиия в генераторе может ис-
пользаваться либо только резонатор, либо резонатор с частью или
всеми элементами схемы. Особое внимание должно быть обращено иа
уменьшение влияния электрических выводов из камеры термостата,
которое достигается уменьшением их количества, применением для
иих материалов с низким коэффициентом теплопроводности и исполь-
зованием минимального сечения выводов. Одновременно необходимо
стремиться к максимальному тепловому контакту между резонато-
ром и камерой.
Камера должна по возможности выполняться как замкнутая изо-
термическая поверхность, выравнивающая перепады температур из-
за неравномерной плотности теплового потока от нагревателя и теп-
ловых потерь в окружающую среду. При этом следует стремиться
к цилиндрической форме камеры, что обеспечивает удобство разме-
щения проволочного нагревателя и улучшение теплового контакта
как нагревателя с камерой, так и камеры с объектом термостатнро-
вания. В общем случае конфигурация камеры должна соответство-
вать конфигурации объекта.
В табл. 8.4 приведены характеристики рекомендуемых для изго-
товления камеры материалов, а также дополнительных материалов,
применяемых в термостатах.
Таблица 8.4. Характеристики материалов термостатов
Материал	Теплопровод- ность, Вт/м °C	Удельная тепло- емкость. Дж/кг °C	Плотность. кг/м3
Медь М3	385,2	376,8	8950
Алюминиевые сплавы:			
Д16	192,6	921,1	2780
МАЦ	180,0	1088,6	2730
АМг2	154,9	963	2670
Латунь Л63	108,9	376,8	8430
Манганин	21,3	—	8500
Константан	22,6	418,7	8880
Стеклотекстолит	0,372	—	1800
Кристаллический кварц	0,720*	—.	2650
	(1,940)**		
Перпендикулярно оси z. ** Параллельно оси г.
107
Толщина стенок камеры при использовании проволочных нагре-
вателей должна лежать в пределах 0,5—2 мм, причем дно и крышка
камеры, не содержащие нагревателен, должны по возможности
иметь толщину, н 2—3 раза большую.
Наибольшее практическое применение нашли проволочные на-
греватели из проводов круглого селения следующих марок: ПЭК —
провод эмалированный константановый; ПЭШОК — провод эмали-
рованный константановый в односЛойной шелковой изоляции; ПЭММ
(ПЭМТ) — провод эмалированный манганиновый мягкий (твердый);
ПЭШОММ (ПЭШОМТ) — провод эмалированный, манганиновый в
однослойной шелковой изоляции Мягкий (твердый).
Для уменьшения теплового сопротивления между нагревателем
и камерой провод наматывают непосредственно на поверхность ка-
меры в одни слой, причем поверхность камеры для улучшения элект-
рической изоляции покрывают тонким слоем лака ЭЧ 100 или клея
БФ-2. В табл. 8.5 йрнведены данные для расчета проколочного на-
гревателя. Следует выбирать провод такого диаметра, чтобы нагре-
ватель занимал возможно большую часть поверхности камеры, па ко-
торой его предполагалось разместить.
Таблица 8.5. Характеристики проводов
для проволочных нагревателей
Диаметр		7ровода, мм		Площадь сечения	Сопротнвлен провода.		не I м Ом
						§	т, омт
		ПЭММ.	ПЭШОК.	провода.	.О	SO	
изоляция	ПЭК	ПЭМТ	ПЭШОММ, ПЭШОМТ		«а пт СС	S3 СС	S3 ля ЕС
0,05	0,065	0,065	0,13	0,001962	250	224	237
0,10	0,12	0,13	0,19	0,00787	62,3	56,0	59,0
0,15	0,17	0,18	0,24	0,01767	27,7	24,9	26,3
0,20	0,23	0,23	0,30	0,0314	14,8	14,0	14,8
0,25	0,28	0,28	0,35	0,0491	9,45	8,95	9,45
0,30	0 34	0,34	0,41	0,0707	6,56	6,22	6,56
0,40	0,44	0,44	0,51	0,1256	3,70	3,50	3,70
0,50	0,55	0,55	0,62	0,1962	2,37	2,24	2,37
0,60	0,65	0,65	0,72	0,283	1,64	1,55	1,64
0,80	0,86	0,86	0,93	0,503	0,925	0,875	0,925
1,00	1,07	1,07	1,14	0,787	0,590	0,560	0,590
При этом тепловая нагрузка проволочного нагревателя q —
— PmaxlF, где Ртах — максимальная мощность, выделяемая в на-
гревателе; F — площадь поверхности, которую занимает нагрева-
тель па камере, не должна превышать 2,5 Вт/см2.
При расчете проволочного нагревателя исходят нз трех задан-
ных величин: площади F, полагая ее равной 0,9 FK, где FK — пло-
щадь поверхности камеры, отводимая под данный нагреватель; пре-
делов напряжения питания нагревателя Fnlln — Етах'. минималь-
ной мощности нагревателя Рт1п< которую необходимо обеспечить
108
из условия теплового'расчета при крайней отрицательной темпера-
туре. Это позволяет определить необходимое сопротивление провода
нагревателя R — Emin/Pmin, рассчитать максимальную мощность
нагревателя Ртах = Emax/R и оцепить удельную тепловую на-
грузку q. По результатам этой оценки уточняют величину FK, обес-
печивающую выполнение условия q d 2,5 Вт/см3. Далее, пользуясь
табл. 8.5, выбирают провод, для которого выполняется соотношение
dH<0,9FK RJR,	(8.5)
где dn — диаметр провода с изоляцией; R{ — сопротивление 1 м про-
вода.
Для улучшения теплового контакта с камерой рекомендуется
применять нагреватель из ft параллельно соединенных более топких
проводов. В этом случае вместо R в (8.5) нужно подставлять nR.
Особое внимание при проектировании термостата уделяют теп-
лоизоляционному кожуху. Ои выполняется из материала с низким
значением коэффициента теплопроводности и плотности вещества.
Минимальную теплопроводность имеют пористЫе или порошковые
материалы, например полиуретановый пенопласт или перлит (табл.
8.6).
Таблица 8.6. Характеристики теплоизоляционных материалов
Материал	Теплопровод- ность, Вт/(м.°С)	Удельная тепло- емкость. ДжДкг.’С)	Плотность, кг/м3
Войлок	0,040—0,050	450	300
Пенополиуретан Пенопласты:	0,035	1340	30—60
ПС-4	0,036	1340	60—80
ПС-1	0,038	1340	80 — 100
ППУ-3	0,041	1340	50—60
ПЭ-2Т	0,047	1340	80—120
ФК-20	0,060	—	170—210
Стеклянная вата	0,027—0,047-	900	60-130
Перлит	0,025—0,034	—	80—100
Более совершенной является вакуумная теплоизоляция. В про-
стейшем случае это стеклянный сосуд Дьюара с посеребренными
внутренними стенками. Тепловая проводимость малогабаритных со-
судов Дьюара значительно меньше пористой теплоизоляции при рав-
ной толщине теплоизолирующей оболочки.
В [83] приводятся сведения о мощности потребления термоста-
тирующего устройства с сосудом Дьюара с давлением внутри сосу-
да 1- 10~3 мм рт. ст., длиной 85 мм, внутренним диаметром 28 мм и
пробкой длиной 10 мм. Из термостатируемого объема сделано четы-
ре вывода из нихрома диаметром 0,12 мм. Потребляемая мощность
при перепаде температур 50°С составила 300 мВт, а при перепаде
130°С — 650 мВт.
109
При термостатировании одного и того же объекта и использова-
нии вакуумной теплоизоляции энергопотребление уменьшается в
3,8—4,2 раза по сравнению с коэффициентом пористой теплоизоля-
ции [72J.
При использовании вакуумно-порошковой теплоизоляции про-
странство между стенками сосуда Дьюара заполняют порошковым
материалом, например перлитом. Это понижает теплопроводность
до 2—3,4 мВт/(м-°С).
Дальнейшее уменьшение теплопроводности до 0,04 —
0,06 мВт/(м-°С) достигается использованием вакуумно-многослой-
ной теплоизоляции с числом'слоёв от 25 до 60 на 1 см. Ее выполня-
ют в виде прокладок полиэтилентерефталатной алюминиевой плен-
ки со стекловатой, которые помещают между стенками сосх'да Дьюа-
ра [33, 81].
Наряду с рассмотренными составными частями термостатирую-
щего устройства важное место занимают датчики температуры. По
принципу действия они чаще всего используют зависимость электри-
ческих параметров различных элементов от температуры. Существу-
ют различные разновидности таких датчиков: проволочные термомет-
ры сопротивления; полупроводниковые датчики, в том числе диод-
ные н транзисторные; пьезокварцевые; сегнетоэлектрические.
Наибольшее распространение получили полупроводниковые
терморезисторные датчики КМТ-1 (стержневые) и СТ1-17 (дисковые),
обладающие высокой стабильностью прн повышенных температурах,
а также терморезисториые датчики СТЫ9, СТЗ-19 и СТЗ-25 (бу-
синковые), имеющие, кроме того, и малую постоянную времени. При-
менение других типов датчиков будет рассмотрено ниже.
8.3.	Регуляторы температуры
В состав регуляторов температуры, применяемых в ТСКГ гене-
раторах, в общем случае входят:
задающее устройство, определяющее значение заданной темпе-
ратуры термостатирования;
предварительный усилитель сигнала, пропорционального откло-
нению температуры датчика от заданного значения;
регулирующее устройство, определяющее закон регулирования,
т. е. функциональную связь между отклонением температуры и уп-
равляющим воздействием;
исполнительный усилитель, создающий управляющее воздейст-
вие на термостат.
Все эти звенья регулятора включены вместетГдатчиком и нагре-
вателем термостата в единое замкнутое кольцо, обеспечивающее ав-
томатическое регулирование температуры термостатируемого объек-
та.
С точки зрения закона регулирования, т. е. функциональной свя-
зи управляющего воздействия с отклонением регулируемой темпера-
туры датчика, регуляторы делятся на позиционные й непрерывные.
У позиционных регуляторов управляющее воздействие авто-
колебательное, регулятор при этом может принимать только дис-
кретные устойчивые положения: например, при двухпозиционном
регулировании два положения: одно, когда отклонение температуры
датчика положительное, и другое, когда оно отрицательное по отно-
шению к температуре термостатирования.
110
У непрерывных регуляторов управляющее воздействие форми-
руется в виде некоторой функции от отклонения температуры датчи-
ка, а процесс регулирования характеризуется непрерывными зако-
нами: пропорциональным, пропорционально-интегральным илн про-
порционально-интегрально-дифференциальным (1231.
Наибольшее распространение в термостатнрующнх устройствах
ТСКГ получили пропорциональные и двухпозиционные регуляторы.
Это объясняется тем, что термостатирующне устройства, как правило,
являются объектами с большой постоянной времени, благодаря чему
регуляторы указанного типа могут обеспечить необходимую точность
термостатирования, В то же время, будучи относительно простыми
по схемному решению, такие регуляторы ивляются наиболее дешевы-
ми и надежными в эксплуатации.
Однако любой реальный регулятор обладает статической Д^р*
и динамической Д/£р^ ошибками термостатирования. Из условий
минимизации Д1^рд преимущество имеют пропорциональные регуля-
торы. Их применение в термостатированных генераторах ограничи-
вают в тех случаях, когда требуется малое энергопотребление, так
как КПД исполнительного устройства такого регулятора низок.
Двукпознционные регуляторы позволяют обеспечить высокий
КПД, но при их работе возникает динамическая ошибка Д^>Рд.
Поэтому их применение ограничивают в тех случаях, когда постоян-
ная времени датчика тд = сд/(<Гд.с + од.к) конструктивно не мо-
жет быть сделана значительно меньшей по сравнению с постоянной
времени объекта т0 = с0/(ао.с + <т0.к). В этих случаях при необхо-
димости применяют двухпозиционные регуляторы с принудитель-
ной частотой переключений [168].
Остановимся более подробно на вопросе сопряжения регулятора
с остальными частями термостатирующего устройства. Основой для
выбора терморегулятора является заданная точность термостатнро-
вапия, Т. е. допустимая ошибка термостатирования Д/1Э). Это по-
зволяет определить допустимую статическую ошибку регулятора:
— Д/<о3) — Д/^’, где Д/^’ определяется по (8.3) при подста-
новке в нее Д/с = tcmax — ^cmin- Если Д^ок) превышает задан-
ное значение Д/£3* то необходимо предусмотреть ее компенсацию.
Дальнейший порядок определения параметров регулятора за-
висит от выбранного закона его регулирования.
При пропорциональном законе регулирования ДР = — (1 +
+ <:р)Д/д, где йр—коэффициент передачи регулятора; ДР — управ-
ляющее воздействие; Д/д — отклонение температуры датчика.
Требуемый коэффициент передачи регулятора kp может быть
выражен [110] через-параметры тепловой модели и допустимую ста-
тическую ошибку регулятора Д/')р>:
, qn.c qo.« (qa.K~l~qH.c)a Gc max— tc min)
Kn = ------------:
ад.к (qo.K + qo.c) A^oP'
После вычисления kp no (8.6) необходимо убедиться в возможно-
сти использования пропорционального регулятора при данном зна-
чении Лр с точки зрения устойчивости его работы. Для этого сначала
111
необходимо вычислить тепловую проводимость между нагревателем И
камерон;
где Fa — площадь поверхности, занимаемая нагревателем иа каме-
ре; 6г, 1, — толщина и коэффициенты теплопроводности прослоек
между нагревателем и камерой.
Затем следует оценить постоянные времени элементов тепловой
модели термостата рис. 8.6; тк = ск/ок,с; тд = сд/ (од.с + ад.к);
тн = сн/ан.к. Применять пропорциональный регулятор можно толь-
ко при
, ан.к (Од.к+Од.с) тк (т5’1+ти')
«Р <
ад.к
При невыполнении этого неравенства и невозможности измене-
ния параметров- тепловой модели необходимо применять двухпози-
ционный регулятор.
Для расчета двухпозициоиного регулятора кроме допустимой
ошибки термостатироваиия Д^3) необходимо задаться значением гис-
терезиса Д?г регулирующего устройства по температуре и мощно-
стью регулирующего воздействия Рр.
При этом принимают Д/г 0,1 Д/о; Р9 =(1,54-2) Р, где Р —
мощность стационарного режима термостатирующего устройства
при fc = tc min-
Динамике двухпозициоиного регулирования посвящен ряд ра-
бот (52, 62, 71, 72, 78, 166]. Поскольку обычно выполняются неравен-
ства ад.к > ад.с, о0.н > а0.с,тк > тд, то для определения параметров
процесса регулирования можно упростить известные выражения.
В процессе регулирования амплитуда колебаний температуры
датчи ка
/ Д^РрТд М/з
Д^дт =4	“	:	I 1
\ ак с 2л sin лу тк /
где у = ок.с(/т — tc)/PP-
Динамическая ошибка термостатироваиия Д^Рд в тдд^дт/то-
При изменении температуры окружающей среды в процессе ре-
гулирования происходят смещения средних значений температуры
датчика Гд.ср и объекта ^9.ср- которые могут быть определены из вы-
ражении /д.ср	cos лу /у, 1о.ср S3 ^д.ср. Таким образом,
возникает статическая ошибка регулятора
Д/(Р) _ (max _.min
о " о.ср о.ср>
где ^о"ср и ^.ср — значения смещения средней температуры объек-
та, соответствующие максимальной и минимальной температурам
среды.
Полная ошибка термостатироваиия при использовании двухпо-
зициоииого регулятора Д/о = Д^р) + Д/<р^ + Д/^). Дели Д1о >
> Д/'3’. то необходимо вводить тепловую компенсацию, обеспечн-
112
вающую минимизацию Д/^*, а также, при необходимости, уменьше-
ние гистерезиса Д/г и мощности регулирующего воздействия Рр.
Время установления температуры термостатируемого объекта мало
зависит от типа регулятора:
тУст = Т1 + т2.	(8-7)
где Я — интервал времени с момента включения термостатирующего
устройства до момента первого достижения датчиком заданной тем-
пературы термостатироваиия; т2 — интервал времени с момента пер-
вого достижения датчиком заданной температуры термостатирова-
иия до момента установления температуры объекта термостатирова-
иия с заданной точностью.
Для расчета можно принять
~ (	— ^с) Praaxi	(8.8)
где Ртах — максимальная мощность в нагревателе иа интервале вре-
мени Tj.
На интервале времени Tj объект термостатироваиия прогревает-
ся вместе с камерой, но ие успевает достигнуть заданной температу-
ры термостатироваиия. На интервале т2 процесс установления тем-
пературы объекта продолжается, ио уже при значении температуры
камеры, приблизительно равном заданной температуре термостати-
роваиия. Значение этого интервала [72J:
со
Тг'-=-----—------X
^к.от^о.с
gp’.e	Ак.о________°д.е \ „
I	1	J (‘с
Ок.о "Г gp.C Ри.о + Рр.с рк.д /
(8.9)
где t01 — температура объекта термостатироваиия в конце интервала
времени т1Ф
Таким образом, для уменьшения времени установления темпера-
туры объекта термостатироваиия необходимо стремиться к увеличе-
нию максимальной мощности подогрева Ртах- Для этого в термоста-
тирующих устройствах на интервале времени Tj используют форсиро-
ванный разогрев. Однако даже при tj —> 0 предельное значение вре-
мени установления температуры будет определяться значением т2,
которое достигается при скачкообразном измеиеиии температуры ка-
меры от температуры среды tc до заданной температуры термостати-
роваиия /т. Это значение определяется из (8.9) при /01 = tc:
— И (^с —
-----L-----------(8.10)
с0
’пред— , X
«к.о"Г«о.с
go.с	gK.o	°д.с
g«.o~t~go.c____Рк.о4~Ро.е °к,д
Д/о
Формулы (8.7), (8.8), (8.10) позволяют рассчитать время установ-
ления температуры объекта термостатироваиия с заданной точно-
стью относительно установившегося значения.
ИЗ
Современные регуляторы температуры для малогабаритных jep*
мостатирующих устройств в большинстве случаев выполняются на ба*
зе операционных усилителей интегрального исполиеиия. При этом
они высокоточные и работают как в пропорциональном, так и в Двух*
позиционном режимах.
Наиболее часто используются схемы регуляторов температуры с
усилением сигнала ошибки на постоянном токе.
На рис. 8.7 приведена принципиальная схема пропорциональ-
ного регулятора температуры. Датчик и задающее устройство регу-
лятора представлены в виде термочувствительного моста на резисто-
рах R1—R5.C подключением в состав моста терморезисторного дат-
чика Дд. Диагональ моста подключена ко входу операционного усн-
Рис. 9.7. Схема пропорционального регулятора температуры
лнтеля Y1, совмещающего в себе функции предварительного усилите-
ля и регулирующего устройства. Коэффициент передачи регулирую-
щего устройства определяется глубиной Отрицательной обратной
связи через резистор R6, а конденсаторы Cl, С2 и СЗ обеспечивают
необходимое качество процесса регулирования. Исполнительный
усилитель регулятора выполнен на составном транзисторе TI, Т2,
согласование входа которого с выходом усилителя У1 по постоян-
ному току обеспечивают резистор R7 и диод Д1.
Нагреватель включен в коллекторную цепь составного транзис-
тора. Для повышения качества процесса регулирования введена от-
рицательная обратная связь с нагревателя иа датчик через резистор
R11.. Резистор RiO обеспечивает режим насыщения составного тран-
зистора на интервале времени Tj. Несмотря на простату, приведен-
ной регулятор обеспечивает разрешающую способность по отклоне-
нию температуры не более ±0,002°С и статическую ошибку термоста-
тцроваиия в интервале температур от —50 °C до +65 °C не более
±0,5 °C без термостатнровапия элементов в нем. Недостатком его
ярляется низкий КПД, вследствие работы исполнительного устрой-
ства в режиме класса А. Однако размещая выходной транзистор Т2
на камере термостата, можно устранить этот недостаток, если обес-
печить хороший тепловой контакт коллектора транзистора Т2 с ка-
114
мерой термостатирующего устройства. Особенно удобен такой регу-
лятор при использовании его с позисторным нагревателем. Приме-
ром может служить резонатор-термостат [168]. Для него не требу-
ется'дополнительного форсированного подогрева, так как в момент
включения сопротивление позисторного нагревателя почти па поря-
док меньше значения его при температуретермостатирования 65—
—75°С. Кроме того, резонатор-термостат позволяет с высокой точно-
стью обеспечить с помощью регулируемого резистора R3 настройку
температуры термостатирования на экстремум ча'стотно-температур-
ной характеристики резонатора.
Более высоким КПД обладает двухпознциоиный регулятор, схе-
ма которого приведена на рис. 8.8. Составной транзитор Т2ТЗ ис-
Рис. 8.8. Схема двухпозициоииого регулятора температуры
полнительного устройства работает в режиме класса Д. Этот режим
обеспечивается операционным усилителем У1, работающим в каче-
стве управляемого автоколебательного мультивибратора с перемен-
ной скважностью в зависимости от величины сигнала разбаланса
термочувствительного моста R 1—R5 с подключаемым в него терморе-
зисторным датчиком температуры Дд. Частота срабатываний 0,5—
—1,5 Гц задается цепочкой положительной обратной связи R7, С2.
Благодаря сравнительно высокой принудительной частоте срабаты-
ваний данный регулятор обладает динамической ошибкой не более
±0,01 °C даже для объектов термостатирования, у которых не выпол-
няется условие тд « т0, как, например, у резонаторов-термостатов с
отдельным термо датчиком. Статическая ошибка такого регулятора в
интервале температур от —50 до +65 °C также не превышает ±0,5 °C
без термостатирования элементов схемы.
Для уменьшения статической ошибки регулятора разделяют
функции предварительного усилителя и регулирующего устройства
между отдельными операционными усилителями. Схема такого уст-
ройства приведена на рис. 8.9. Сигнал разбаланса от термочувстви-
тельного моста R1—R5 с включенным в него терморезисторным дат-
чиком Ra сначала усиливается усилителем YI, а затем используется
для управления скважностью автоколебательного мультивибратора
на усилителе Y2. Частота срабатываний регулятора в процессе ре-
гулирования при изменении температуры окружающей среды меня-
ется от 1,5 до 6 Гц, понижаясь как с повышением, так н понижением
115
температуры относительно +25 °C. Благодаря сравнительно высокой
частоте срабатываний динамическая ошибка такого регулятора не
превышает ±0,005°С, а статическая ошибка интервала температур
от —50 до +65 °C не более +0,15 °C без термостатирования элемен-
тов схемы.
Рассмотренные в качестве примера три разные схемы регулято-
ров температуры, разумеется, не исчерпывают многочисленных моди-
фикаций схем, одиако приведенные выше формулы позволят чита-
телю оценить параметры и определить пригодность других разно-
Рис. 8.3, Схема двухпозпцпоияого регулятора температуры с предварительным
усилителем
видностей схем для обеспечения технических требований, предъяв-
ляемых к тсрмостатиругощему устройству ТСКГ.
Располагая необходимыми данными по обеспечению требуемых
параметров термостатнрующсго устройства, можно перейти к рас-
смотрению параметров ТСКГ В целом.
8.4.	Схемно-конструктивные особенности ТСКГ
К современным ТСКГ предъявляются жесткие требования в от-
ношении их габаритов н энергопотребления. Это заставляет в боль-
шинстве случаев отказываться от термостатирования всех элемен-
тов ТСКГ и помещать в термостат только элементы, определяющее
основную долютемпсратурнон'пестабнльностн частоты: резонатор и
реактивные элементы корректора частоты с большим импедансом.
В этом случае объем ТСКГ уменьшается до (0,3—0,5) дм3, а мощность
стационарного режима до (4—8) Вт. Поскольку вариант ТСКГ с
частичным термостатнрованием элементов является наиболее рас-
пространенным, рассмотрим его подробнее на примере ТСКГ с ре-
зонатором типа Э.
Конструкция этого ТСКГ (рис. 8.10) состоит из двух основных
частей: термостата с установленными на нем платой 1 активной час-
ти генератора с буферным усилителем и платой 10 регулятора со схе-
мой форсированного подогрева; наружного металлического корпуса
116
со съемной крышкой, герметически опаиваемой по периметру основа-
ния 11 корпуса.
На рисунке приведен внд сверху на конструкцию ТСКГ-co сня-
той крышкой и разрезом по камере термостата. Термостат состоит нз
цилиндрической медной камеры 5, в которой размещен резонатор 6 с
варикапом 4 и развязывающим резистором. На поверхности камеры
расположены три обмотки подогрева: основная 7, компенсационная
8 и форсированного подогрева 7. Все обмотки намотаны бифнля^о
в одни слой, причем обмотки 7 основного и форсированного подогре-
ва наматывают одновременно в четыре провода. Датчик 9 располо-
жен под обмоткой 8 компенсационного нагревателя, включенного па-
раллельно основному.
Рис. 8.10. Конструкция
ТСКГ с проволочным на-
гревателем:
1	— плата генератора;
2	— теплоизоляционный
кожух; 3 — теплоизоля-
ционная пробка; 4 —
варикап; 5 — намерз;
6 — кварцевый резона-
тор: 7 —> обмотки нагре-
вателя — основная и
формированного подог-
рева;. 8 — компенсаци-
онная обмотка; 9 —
датчик; 10 — плата ре-
гулятора; 11 — основа-
ние корпуса; 12	—
штифты; 13 — рама нз
пресрматернала; 14 —
одни вз крепежных вин-
тов
Камера с расположенными на ней элементами заливается пено-
полиуретаном ППУ305А в раме 13 нз прессматернала АГ-4, жестко
закрепляемой па основании 11 корпуса.
Теплоизоляционная пробка 3 нз набора войлочных дисков уста-
навливается в углублении теплоизоляционного кожуха 2, оставляе-
мого при заливке для доступа к камере термостата.
Все электрические соединения от элементов термостата выпол-
нены тонкими проводами, залитыми в теплоизоляционном кожухе,
которые распаиваются иа штифты 12 рамы 13. Платы 1 н 10 также
крепятся к раме 13 с помощью четырех винтов 14 каждая. Выходные
контакты блока выполнены в виде гребенок с металлостеклянпыми
спаями в основании 11 корпуса. На рисунке показаны элементы, ус-
тановленные па плате 1 генератора, элементы па плате 10 терморегу-
лятора не показаны, чтобы не загромождать рисунок.
В качестве регулятора температуры используется схема, при-
веденная па рис. 8.9. Вариант ТСКГ с частичным термостатпроваии-
ем элементов па базе кварцевого резонатора типа Э позволяет полу-
чить следующие параметры.
117
Диапазон рабочих частот, МГц, перекрываемый несколькими под-
диапазонами с заменой резонатора и элементов схемы при переходе
от одного поддиапазона к другому......................4,5—60
Коррекция частоты	 Нестабильность частоты:	±(7,5—15)-IO-8
от механических и климатических воздействий . .'	 в интервале температур окружаю-	± 0,5—2). 10-’
щей среды от —50 до -)-60оС . . за в|»емя эксплуатации, не более:	±(0,2—0,5) • 10-’
1 год .			+-ЗИ0-’
12 лет . '. •		+ (5-15) -10-“
Время готовности, мин, к работе с мо- мента включения от холодного состоя- ния, не более 	 Потребляемая мощность, Вт, не более:	10
максимальная 		25
в стационарном режиме . .	6
Выходное напряжение, мВ, на нагруз- ке 50 Ом		300±100
Напряжения источников питания, В	12,6±10% и +27±15%
Габаритные размеры .	„	108X85X44
Стабильность частоты ТСКГ при прочих равных условиях опре-
деляется стабильностью параметров примененного резонатора. По-
этому, применяя специальные типы резонаторов, можно в несколь-
ко раз повысить и стабильность частоты ТСКГ.
Таким образом, вариант ТСКГ с частичным термостатнрованием
элементов позволяет уменьшить его объем и энергопотребление поч-
ти в 2 раза при некотором ухудшении температурной стабильности
частоты вследствие влияния нетермостатироваиной части схемы.
Эта температурная нестабильность частоты может быть умень-
шена двумя способами: во-первых, способом температурной компен-
сации, описанным разд. 7, во-вторых, путем управляющего воздей-
ствия на изменение температуры термостатирования при изменении
температуры окружающей среды.
Для дальнейшего уменьшения энергопотребления рассматривае-
мого варианта ТСКГ может быть рекомендовано камеру термостата
5 (см. рис. 8.10) размещать внутрн сосуда Дьюара, который укреп-
ляется в раме 13 с помощью заливки герметиком-виксинтом У4-21
прн сохранении объема конструкции, приведенной на рисунке. Та-
кое решение позволяет уменьшить мощность стационарного режима
ТСКГ до 1—2 Вт.
Одновременно уменьшить габариты н энергопотребление ТСКГ
и Повысить температурную стабильность позволяет использование
гнбридно-плеиочпой технологии в сочетании с сосудом Дьюара в ка-
честве теплоизоляционного кожуха. Прн этом используют миниа-
тюрные кварцевые резонаторы КА, а функциональные узлы выполня-
ют в виде отдельных мнкросборок. Такая конструкция позволяет пол-
ностью термостатировать элементы, поместив нх в герметизирован-
ную медную камеру термостата, которая, в свою очередь, размеща-
ется в сосуде Дьюара, закрепляемом в проином корпусе с помощью
вспененного пенополиуретана.
118
Для уменьшения габаритов камеру термостата выполняют в
форме параллелепипеда, а резонатор и микросборки располагают в
отсеках по периметру камеры [147]. Это не позволяет использовать
проволочный нагреватель для камеры и требует применения специ-
альной схемы пропорционального регулятора температуры па по-
стоянном токе (рис. 8.11). Регулятор выполнен па основе гибридной
технологии с использованием в качестве нагревателей бескорпусных
мощных транзисторов Тб, Т7, а в качестве датчиков температуры
Эмнттерных переходов бескорпусных транзисторов TI, Т2. Внутрен-
ние. 8.11. Схема регулятора температуры с транзисторным датчиком и нагре-
вателем
ний стабилизатор напряжения собран на бескорпусной микросхеме
У1 и стабилитроне Д1, регулирующее устройство — на микросхеме
У2. Параметры ТСКГ следующие.
Температурная нестабильность частоты, не
более........................... .	±0,1-10-“
Время готовности к работе, мин - .	.	15
Потребляемая мощность, Вт:
максимальная ...	...	9
в стационарном режиме	...	0,6
Напряжения источников питания, В .	4-12 и 4-20
Объем, дм3 ....	...	0,2
Дальнейшее уменьшение габаритов и энергопотребления ТСКГ
стало возможным с разработкой так называемых резонаторов-тер-
мостатов (РТ) [47], сочетающих в единой конструкции вакуумиро-
ванного стеклянного-баллоца, пьезоэлемент, датчик и нагреватель.
В качестве нагревателей в РТ используются проволочные нагревате-
ли нз микропровода или нагреватели из набора включаемых в парал-
лель позисторов. Общий вид РТ с познсторным нагревателем приве-
ден на рис. 8.12. В вакуумированном стеклянном баллоне 1 располо-
жена металлическая камера 2, на основании 4 которой с помощью
пружинных держателей закреплен пьезоэлемепт 3. К наружной по-
верхности основания припаяны позисторный нагреватель 6, темпе-
ратура которого контролируется с помощью терморезнс-опного даг-
119
чика 5. Основание 4 установлено на металлических стойках 7, за-
крепленных в теплоизоляционной пластине 8. Выводы 10 выполняют
из тонкого провода с минимально возможным коэффициентом теп-
лопроводности. В качестве регуляторов температуры РТ могут быть
использованы пропорциональный (см. рис. 8.7) или двухпозицион-
ный (см. рис. 8.8) регуляторы с при-
нудительной частотой переключений.
При выполнении ТСКГ на базе
РТ особое внимание должно быть
обращено иа уменьшение влияния
иетермостатированной активной ча-
сти генератора на температурную
стабильность частоты, так как раз-
мещение варикапа Д1 электронно-
го корректора в этом случае про-
исходит вне термостатируемого объ-
ема. Принципиальная схема актив-
Рис. 8.12. Конструкция резонатора — тер-
мостата с п'озисторным нагревателем:
1 — вакуумированный стеклянный баллон;
2 — металлическая камера; 3 — пьезоэле-
меит; 4 — основание камеры; 5 — тер-
морезисторный датчик; 6 — позисторный
нагреватель; 7 ~ металлические стойки;
8 — теплоизоляционная пластина; 9, 10,
11 — выводы.
ной части ТСКГ (с буферным усилителем) на базе РТ приведена
иа рис. 8.13. На схеме штриховой линией обведен пьезоэлемент Пэ1,
размещенный в баллоне РТ. Автогенератор выполнен на одном из
транзисторов матрицы У1. В качестве электронного корректора ис-
пользуется варикап Д2, смещение на котором изменяется регулиру-
емым резистором R 1, а подается через развязывающий резистор R6.
Элементы LI, СЗ и С2 служат для обеспечения работы резонатора
Рис. 8.13. Схема активной части ТСКГ с буферным усилителем на базе резо-
натора — термостата
120
вблизи частоты последовательного резонанса и настройки номиналь-
ного значения частоты 10 МГц. Линейный стабилизатор напряжения
выполнен на транзисторе Т2 и стабилитроне Д1, а параметрический
стабилизатор — иа полевом транзисторе Т1 и стабилитроне Д1. В ка-
честве буферного усилителя используется резистивный каскад на
одном транзисторе и каскодный резонансный усилитель на двух
транзисторах.
Особенностью является использование дополнительной термо-
компенсирующей цепочки R3* R4* R5, подключенной между под-
вижным контактом R1 и источником стабилизированного напряже-
ния на Д1 [25,9]. Это позволяет обеспечить сохранение высокой
температурной стабильности частоты при различных напряжениях
смещения на варикапе в процессе коррекции частоты, так как коэф-
фициент передачи напряжения от источника на варикап изменяется
при изменении положения подвижного контакта R1 так, что компен-
сирует влияние изменений ТКЕ варикапа при разных смещениях.
В результате удается.сохранить температурную стабильность часто-
ты ТСКГ в процессе коррекции.
Использование РТ позволяет создавать термостатированные
кварцевые генераторы с уменьшением температурной нестабильно-
сти частоты до ±1-10-’ и объема до 0,08 дм3 (на дискретных эле-
ментах) или до 0,03 дм3 (по гибридно-плёночной технологии) с потреб-
ляемой мощностью в стационарном режиме 0,2—0,35 Вт при край-
ней отрицательной температуре.
При переходе к более высоким стабильностям частоты приходит-
ся учитывать дополнительные факторы, определяющие схемно-кон-
структивные особенности генераторов. Эти факторы будут рассмот-
рены в следующем разделе.
9.
ПРЕЦИЗИОННЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
9.1.	Прецизионные кварцевые резонаторы
К прецизионным относятся кварцевые резонаторы самой высо-
кой стабильности частоты, которую можно реализовать при исполь-
зовании пьезоэффекта. Эти резонаторы имеют высокую добротность
и температурную стабильность в рабочем интервале температур, ма-
лое изменение частоты во времени как в течение всего срока эксплу-
атации, так и в течение малого времени (например, в течение суток).
Прецизионные резонаторы, как правило, выполняются на конкрет-
ные частоты, выбор которых обусловливается возможностью полу-
чения высокой стабильности частоты. В настоящее время прецизи-
онные резонаторы могут работать в термостатированных и термоком-
пенсированных генераторах.
Рассмотрим сначала параметры прецизионных резонаторов для
ТСКГ. Добротность резонаторов уменьшается с увеличением часто-
ты (рис. 9.1) вследствие уменьшения индуктивности. Однако с умень-
шением частоты иа низких частотах добротность также начинает
уменьшаться преимущественно из-за возрастания потерь в системе
крепления пьезоэлемента. На рисунке показаны границы изменения
добротности резонаторов — верхняя кривая соответствует большим
121
размерам пьезоэлемеита (с диаметром 20—30 мм), нижняя — мень-
шим размерам (с диаметром 12—15 мм). Из рассмотрения этого ри-
сунка видна целесообразность выбора частоты.в пределах 2—6 МГц.
В основном прецизионные резонаторы разработаны и выпуска-
ются на частоты 2,5; 5 и 10 МГЦ. Добротность прецизионных резона-
торов АТ частот 2,5 и 5 МГц находится в пределах ±(1,5—4)- 108. Ре-
зонаторы БТ и РТ имеют большую добротность, чем резонаторы АТ
Наибольшее распространение нашли прецизионные резонаторы
АТ с колебаниями пятого порядка и номинальной частотой 5 МГц
в корпусах С. Весьма перспективным
для. прецизионных резонато-
ров является корпус КБ.
Прецизионные резонаторы
имеют точность настрой-
ки— до ±5-10-’ н малое
максимальное отклонение
частоты в рабочем интервале
температур (илн малое зна-
чение температурного коэф-
фициента частоты), дости-
гающего !• 10-’. У лучших
резонаторов температурный
коэффициент a.f < 0,5-10-’.
Для уменьшения а./ целесо-
образно работать вблизи
температуры, соответствую-
щей экстремуму ТЧХ.
Высокая температур-
ная стабильность характер-
на также для резонаторов
ИТ. Резонаторы БТ имеют
большой ТКЧ. Следует от-
метить, что ТЧХ н ТКЧ ха-
рактеризуют резонатор при
медленных изменениях тем-
пературы, в то время как
при больших быстрых изме-
нениях температуры (прн динамическом тепловом режиме) изменение
частоты резонатора увеличивается. Температурно-динамические из-
менения частоты резонаторов обусловлены неравномерностью про-
грева пьезоэлемеита по поверхности н толщине. При быстрых изме-
нениях температуры неравномерность прогрева пьезоэлемеита вызы-
вает термонапряжения, определяющие температурно-дкнамические
изменения частоты. Это приводит к тому, что при одной и той же ам-
плитуде 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, значительно превышающее изме-
нения частоты, обусловленные ТЧХ резонатора. Прн дальнейшем
уменьшении периода изменения температуры температурная волна
затухает н температурно-динамическое изменение частоты уменьша-
ется. Охарактеризовать динамический тепловой режим при измене-
нии температуры можно температурно-динамическим коэффициентом
частоты «д [76] (рис. 9.2).
Динамический тепловой режим оказывает также влияние иа вре-
мя установления частоты при включении термостатированных гене-
раторов. Следует отметить, что резонаторы ТД имеют малый термо-
динамической коэффициент частоты. Применение этих резонаторов
в прецизионных генераторах перспективно из-за возможности умень-
шении кратковременной неста-
бильности частоты, обуслов-
ленной работой термостатиру-
ющнх устройств, и уменьше-
ния времени готовности преци-
зионных ТСКГ [148]. Частота
резонаторов зависит от пьезо-
тока, протекающего через ре-
зонатор. Относительное изме-
нение частоты различных резо-
наторов от тока через резона-
тор показано на рис. 9.3. Из
рисунка видно, что резонаторы
РТ имеют более сильную зави-
симость частоты от тока по
сравнению с другими резона-
торами. Резонаторы БТ имеют
наименьшую зависимость ча-
стоты от тока. Максимально
допустимая мощность рассе-
Рис. 9.2. Зависимость относительного
изменения температурно-дннамнческо-
го коэффициента частоты резонатора
АТ от периода изменения температуры
яння прецизионных резонато-
ров 10 мкВт [56, 61]. Рекомендуется значение этой мощности огра-
ничивать до 1 мкВт. Малый уровень мощности рассеяния является
одним из условий получения высокой долговременной стабильности
частоты. Для повышения стабильности частоты целесообразно рабо-
тать при постоянном токе через резонатор, используя схемы автома-
тической регулировки амплитуды. Значения рабочих интервалов и
температур настройки резонаторов приведены в табл. 9.1.
Таблица 9.1. Интервалы рабочих температур
и температуры настройки резонаторов для ТСКГ
Д^раб> °C	( 20—30 1 24—26	45-55 49-51	55-65 59—61	65—75 69—71	75-85 79—81
Пиастр, °C	25	50	60	70	80
Точность поддержания температуры настройки в соответствии
с [56] может быть ±0,1 и ±1 °C. При этом допустимое отклонение
может иметь ряд значений для точностей:
±0,1 °C.........................±0,5-10-6	±1 • IO-6 ±1,5-IO-6
±1°С.................................±2-10-6, ±2,5-10-6,
±3-10-6
Максимальное отклонение частоты резонаторов в интервале тем-
ператур для ТСКГ прн ширине рабочего интервала 10°С задается
123
рядом: ±0,5- 10-«; -±1 • 10-*; ±1,5-10-*; ±2-10-*; ±2,5- 10-*;
± 3-10-6. При ширине рабочего интервала 2°С этот ряд дополня-
ется значениями ±4), 1-10-® и ±0,2-10-6.
Допустимые отклонения частоты резонаторов на 5 МГц при коле-
баниях пятого порядка зависит от времени эксплуатации.
За первый год...........................±(2,5—4)-10“’
За второй год .	.... ±(1,5—2)-10~7
За 11 лет...............................±(10—15)-10-7
Для повышения стабильности частоты целесообразно исполь-
зовать крепление в точках минимального влияния держателя с по-
мощью термокомпрессиониой сварки (130]. Такими точками явля-
ются точки, расположенные на краях пьезоэлемента на линии, про-
Рис. 9.3. Зависимость относительного изменения частоты кварцевых резонато-
ров различных срезов от нзмененкя тока через резонаторы
ходящей под углом 60° к оси z. Термокомпресснонная сварка надеж-
но соединяет никелевую ленту толщиной 50 мкм с гальванически
осажденным золотом толщиной 4—5 мкм с пастой коллоидного сереб-
ра, нанесенного на торец пьезоэлемента. Сварка осуществляется им-
пульсным нагревом до 500°С с одновременным сжатием с удельным
давлением 60 Н/мм2. Конструкция резонаторов с термокомпресснон-
ной сваркой допускает повышение температуры прогрева при их от-
качке в 2—3 раза по сравнению с конструкцией, использующей креп-
ление пьезоэлемента с помощью пайки. Это позволяет значительно
повысить качество очистки и обезгаживаиия внутренней полости
резонатора, а следовательно, и стабильность частоты. Для стабили-
зации физических свойств электрода пьезоэлемепт перед монтажом
в держательдодверГается отжигу при температуре 450 °C в течение 2 ч
с последующим медленным охлаждением в течение 8—10 ч. После
вакуумирования и окончательной настройки резонаторов их целесо-
образно подвергнуть воздействию нескольких температурных циклов
и термотренировке при крайней положительной температуре в тече-
ние 10 суток. Такне резонаторы обладают высокой временной ста-
бильностью в течение длительного срока хранения и эксплуатации.
Характеристики прецизионного резонатора, изготовленного по
указанной' технологии, приведены в табл. 9.2. В этой же таблице
124
интервале +2 °C. •• После выдержки в течение 21 дня. ••• За 1 год.
125
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- н холодоустойчивость, действие влаги и цик-
лическое изменение температуры. У современных резонаторов отно-
сительное изменение частоты в процессе н после воздействия указан-
ных факторов не превышает ±(2—3)-10~8. Существенно повысить
стабильность частоты можно применением технологических термо-
тренировок прн повышенной температуре и применением много-
кратных термоцнклов.
Прецизионные резонаторы, предназначенные для использова-
ния в ТККГ, имеют ряд особенностей. Одним из них является тре-
бование относительно большого емкостного отношении, что приво-
дит к невозможности использования колебаний выше третьего поряд-
ка. Прецизионные резонаторы, предназначенные для термокомпен-
сацнн, используют на частотах 2,5 и 5 МГц основное колебание с
т > (2—2,5)-10-8, а на частотах 10 МГц— колебание третьего по-
рядка с т > (0,35—0,4)-10-8.
Жесткие требования предъявляют к температурно-частотным ха-
рактеристикам 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 термокомпенсацни на ста-
бильность частоты генератора. Как и для резонаторов, предназна-
ченных для широкого применения, прецизионные резонаторы для
ТККГ должны нметь малый разброс ТЧХ.
Чтобы аномалии ТЧХ (разрывы, локальные выбросы) не влия-
ли на результат компенсации, изменение частоты на участках этих
аномалий не должно превышать изменения частоты резонатора от
действия отдельных стабилизирующих факторов. Это же требова-
ние предъявляется к амплитудно-частотной характеристике резона-
тора, которая определяет характеристику управления частотой ге-
нератора с помощью реактивного сопротивления.
Появление аномалий на амплитудно-частотной характеристике
резонатора связано с наличием нежелательных резонансов вблизи
рабочей частоты. Особенно большое влияние оказывают они в полосе
управления частотой прн термокомпенсацни, т. е. в полосе частот,
определяемой размахом ТЧХ в рабочем интервале температур, неточ-
ностью настройки частоты резонатора на номинальное значение и
отклонением его частоты при воздействии дестабилизирующих фак-
торов и в результате старения. В этой полосе должны быть обеспе-
чены наиболее жесткие требования по ослаблению нежелательных
резонансов.
Высокие требования предъявляются к гистерезису температур-
но-частотных характеристик прецизионных 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 н КБ
126
9.2.	Термостатированные кварцевые генераторы
Прецизионные термостатированные кварцевые генераторы выде-
ляют в отдельный класс ТСКГ, характеризующийся температурной
нестабильностью частоты менее ±1-10 . Они выполняются на от-
дельные частоты 2,5;5 или 10 МГц. На этих частотах резонаторы име-
ют добротности, близкие к максимальным (см. рис. 9.1), а использо-
вание резонаторов с колебаниями высших порядков позволяет обес-
печить высокую стабильность частоты при воздействии дестабили-
зирующих факторов и во времени.
Для обеспечения повышенной стабильности частоты ТСКГ наря-
ду с рекомендациями, рассмотренными в предыдущем разделе в от-
ношении обычных ТСКГ, необходимо принимать во внимание сле-
дующие дополнительные факторы:
неизохррнность [ 161] резона-
торов, т. е. зависимость частоты
их последовательного резонанса
от мощности, рассеиваемой иа
пьезоэлемеите;
температурно • динамический
коэффициент частоты ад резона-
торов (75, 76], т. е. зависимость от-
носительного изменения нх часто-
ты от амплитуды Д/т и периода т
изменения температуры термоста-
тировання;
зависимость изменения часто-	Рис. 9.4. Функциональная схема
ТЫ резонаторов ВО времени (ста-	активной части схемы кг с АРА
рейне) от температуры термоста-
тнровання [1];
влияние шумовых процессов генератора и буферного уси-
лителя на кратковременную стабильность частоты [138, 153, 146];
повышенные требования к стабильности параметров элементов
схемы (и прежде всего резонатора) и функциональных узлов [72].
Для уменьшения нестабильности частоты необходимо снижать
мощность рассеяния Ркв (уровень возбуждения) резонатора. Однако
простое снижение коэффициента запаса по самовозбуждению не ре-
шает задачи, так как по [91] в этом случае возрастает крутизна изме-
нения мощности рассеяния нз-за изменения параметров схемы, а воз-
можность уменьшения Ркв ограничена необходимостью обеспечения
условий самовозбуждения с учетом возможного разброса как па-
раметров схемы, так н резонатора.
Таким образом, в прецизионных ТСКГ для ослабления дестаби-
лизирующего влияния нензохрониости резонатора необходимо ста-
билизировать уровень возбуждения прн минимально возможном с
учетом других ограничений его значений. Это приводит к необхо-
димости введения в активную часть схемы генератора автоматичес-
кой регулировки амплитуды (АРА).
Наиболее широко применяют схемы АРА, основанные на управ-
еинн крутизной транзистора генератора с помощью управляющего-
воздействия, зависящего от амплитуды генерируемого напряже-
ния. В активную часть генератора с АРА (рис. 9.4) входит регули-
рующее устройство, которое в общем случае включает в себя после-
довате.льно соединенные звенья: усилитель частоты генерации, детек-
тор, фильтр нижних частот и усилитель постоянного тока.
Применение АРА позволиет также резко уменьшить режимную
нестабильность частоты и является одним из путей повышения дол-
говременной стабильности частоты резонатора, обеспечивая его ра-
боту при стабилизированной мощности рассеяния Ркв в единицы мик-
роватт.
Примером реализации активной части прецизионного ТСКГ с
АРА является устройство на базе прецизионного резонатора иа ча-
стоту 5 МГц с колебаниями пятого порядка (рис. 9.5).
Кварцевый автогенератор выполнен на транзисторе Т1 по схеме
емкостной трехточкн. Емкости обратной связи представлены конден-
Рис. 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
Пэ 1, входят в состав корректора частоты. Корректор обеспечивает
настройку Пэ1 В номинальное значение частоты вблизи частоты его
последовательного резонанса и периодическую коррекцию частоты
путем изменении смещения иа варикапе Д2 с помощью подстроечного
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. рнс. 9.4) базовой цепи тран-
зистора генератора Т1 используется падение напряжении иа резис-
торе R12 (см. рис. 9.5), которое через фильтр R16 С12 и развязыва-
ющий резистор R17 подается на базу транзистора Т1. Управляющее
иапрнжение Е? выделяется на конденсаторе Cl 1 и через фильтры
R15 и R16 С12 также поступает на базу транзистора Т1 в противопо-
ложной полярности. В результате при увеличении выходной ампли-
туды генератора Ur результирующее напряжение на базе транзис-
тора Т1 уменьшается, уменьшая его ток и крутизну, а значит, и иа-
приженне 1/кв на резонаторе. Система АРА позволяет обеспечить
мощность рассеяния резонатора 4—6 мкВт и уменьшить составляю-
щую нестабильность за счет неизохронности резонатора до значении
менее ±1-10~8. Для обеспечения необходимой стабильности коэф-
128
фицнеита усиления регулирующего устройства в интервале темпера-
тур окружающей среды в цепи смещения транзистора Т2 включен
термозависимый резистивный двухполюсник на резисторах R8, R9.
Особенностью приведенной схемы является выделение колеба-
ний второго порядка генерируемой частоты для обеспечения выход-
ного напряжения с частотой 10 МГц. Это осуществляется с помощью
контура L4C15C16, являющегося нагрузкой эмиттерного повторите-
ля на транзисторе ТЗ, и буферного резонансного усилителя на тран-
зисторе Т4 с выходным контуром L5 С19 С20. Связь с нагрузкой ем-
костная, что обеспечивает удобство согласования с сопротивлением
нагрузки 50 Ом, на котором выделяется напряжение (300± 100) мВ
частоты 10 МГц.
Работает такое устройство в широком интервале температур ок-
ружающей среды от —60 до + 80°С прн термостатировании только
резонатора Пэ1 и варикапа Д2, что позволяет обеспечить темпера-
турную нестабильность ±(0,5—!)• 10~8. Для получения такой темпе-
ратурной нестабильности частоты к термостатнрующему устройству
предъявляются повышенные требования к минимизации статической
и динамической ошибок термостатнровання. Меры, принимаемые для
минимизации статической ошибки прецизионного ТСКГ, аналогич-
ны соответствующим мерам для обычного ТСКГ.
Ограничение предельной положительной температуры рабочего
диапазона прецизионного ТСКГ связано с необходимостью ограни-
чения верхнего значения температуры термостатироваиия.
По данным (1] с ростом температуры пьезоэлемеита интенсив-
ность изменения его частоты из-за старения резко увеличивается.
Для оценки изменения интенсивности старения при изменении тем-
пературы резонатора относительно нормальной температуры 25°С
можно использовать эмпирическую зависимость:	=9,1 • 10® X
X exp (—гТЗО/ТХгде б//, ЭД —соответственно изменения частоты
из-за старения прн температурах t и /0 = 25’С; Т — абсолютная тем-
пература резонатора.
Наряду с требованиями 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 среднеквадратнческой вариа-
ции частоты Дсо2 за интервал измерения т : а (т) = VД<о2/<о.
Дисперсия вариаций частоты До2 определяется [153] спектральной
плотностью флуктуаций частоты S (F):
во
^=-^7 jW)
о
sin2 О.бЛт
(0,5Лт)2
dF,
где F — модулирующая частота шумового процесса в контуре гене-
ратора.
Спектральная плотность флуктуаций частоты [138]
NkT
S(F) = -^-(FaFflF^Ff + FaF+F^t (9.1)
где W — коэффициент шума транзистора генератора; Рг — мощ
ность генератора; Fa — модулирующая частота, на которой уровень
129
фликкер-шума равен уровню белого шума; Ff = fK12QK — полоса
пропускания цепи обратной связи в генераторе: k — постоянная
Больцмана; Т — абсолютная температура.
Анализ (9.1) показывает, что каждый из его членов связан с
определенным шумовым процессом. Первый член обусловлен дей-
ствием фликкер-шума активного элемента, причем среднеквадра-
тнческое значение этого шума на частоте Fe составляет (10—16 —
10-16)В2/Гц. Второй член обусловлен действием теплового и дробо-
вого шумов в самом генераторе.Эти шумовые процессы воздействуют
непосредственно на частоту генератора, поэтому их называют час-
тотными шумами.
Третий и четвертый члены обусловлены воздействием на сигнал
соответственно фликкер-шума, теплового и дробового шумов буфер-
ного усилителя. Поскольку эти шумы влияют на фазу колебания, нх
называют фазовыми.
Эффективное средство сокращения энергетического спектра —
увеличение мощности, рассеиваемой на резонаторе, однако учиты-
вая влияние ее уровня на стабильность частоты, в прецизионных
ТСКГ обычно NkT/Pr as — 150 дБ. Величина Fa < 1кГц, а вели-
чина Ff на частотах 2,5; 5 и 10 МГц составляет единицы герц. Следо-
вательно, в составе шумов прецизионного ТСКГ преобладают ад-
дитивные шумы, представленные четвертым слагаемым (9.1). Для
борьбы с этими шумовыми составляющими эффективны кварцевые
фильтры, применение которых позволяет уменьшить паразитные
отклонения частоты (ПОЧ), определяемые составляющими спектра
(9.1), почти в 5 раз при модулирующих частотах менее 2—3 кГц. Зна-
чительно улучшаются [146) спектральные характеристики и кратко-
временная стабильность частоты, обусловленные шумами элементов
схемы, при использовании АРА, которая уменьшает также влияние
флуктуаций питающего напряжения и особенно низкочастотных со-
ставляющих, находящихся в полосе пропускания фильтра системы
АРА.
Рассмотрев особенности прецизионных ТСКГ, кратко охаракте-
ризуем их габаритно-энергетические характеристики. Современные
прецизионные ТСКГ в зависимости от требуемой стабильности часто-
ты выполняют в объемах от 5 до 0,5 дм3 при энергопотреблении соот-
ветственно от 20 до 1,5 Вт. Резкое сокращение объема и энергопотреб-
ления прецизионного ТСКГ связано с отказом от традиционного раз-
мещения резонатора в объемном термостате. Необходимо термостати-
ровать только пьезоэлемент резонатора, для чего можно разместить
микротермостат в объеме резонатора либо напылить резистивные
нагреватели на пьезоэлемеит, т. е. обеспечить его прямое термоста-
тирование [74].
Вариант с размещением термостата в баллоне резонатора приве-
ден на рис. 9.6, а.
В баллоне 4 лампы серии «дробь» в кварцедержателе 5 крепится
пьезоэлемент 8. Кварцедержатель формируется между стеклянными
ножками-осгованиями 6, 7, 10. На двух из них фиксируется дюра-
люминиевый стакан 11 микротермостата. Свободные концы держате-
ля проходят через отверстия в дне термостата, и к ним присоединя-
ются выводы транзистора Т1, датчика-терморезистора 12 и обмот-
ки подогрева У.
Для равномерного и быстрого прогрева объем резонатора запол-
няется гелием до давления 40 мм рт. ст. Такой РТ помещается в сло-
130
истую экранную теплоизоляцию 1, например алюминированную по-
лнэтнлен-терефталатиую пленку со стеклосеткой, которая фиксиру-
ет его положение в колбе лампы пальчиковой серин. Для лучшей теп-
лоизоляции выводы 3 резонатора изготавливаются нз тонкой кон-
стантановой проволоки диаметром 0,15 мм, а в объеме теплоизоля-
ции создается высокий вакуум с параллельным обезгажнваннем от-
ражательной изоляции. Такая конструкция позволяет прн объеме
14 см* обеспечить мощность стационарного режима не более 80 мВт
В нормальных условиях прн температуре термостатнровдння -|-70оС.
Схема соединения элементов внутри РТ приведена на рнс. 9.6, а.
Рис 9.6. Термостатярующне устройства с термостатнрованнем пьезоэлемеита:
а —с мнкротермостатом в объеме; б — с напылением резистивных нагревате-
лей иа пьезоэлемент;
1 — слоистая экранная теплоизоляция; 2 — баллон наружный; 3 — вывод резо-
натора; ,4 — баллон внутренний; 5 — кварцедержатель; 6, 7, 10—ножкн осно-
вания; 8 — пьезоэлемент; 9 — обмотка подогрева; 11 — камера мнкротермо-
стата; /2 — датчик; 13 — транзистор
131
11а рис. 9.6, б показано возможное размещение пленочных на-
гревателей R„ и термодатчика Rt на пьезоэлементе Пэ1 прямоуголь-
ной формы; Пэ1 возбуждается электродами прямоугольной формы.
Для лучшей теплоизоляции элементы кварцедержателя изготовле-
ны нз нихрома (опорные стойки) и константана (несущие струны и
выводы). Кроме того, в баллоне резонатора создается высокий ваку-
ум. При габаритах РТ Н = 32 мм, D = 10,2 мм потребляемая мощ-
ность в стационарном режиме (нормальные условия) не превышает
140 мВт (прн /т = + 70°С). Схема соединения элементов в РТ при-
ведена на рис. 9.6, б.
Термостатирование только пьезоэлемента было проверено экспе-
риментально [74]. Результаты испытаний позволяют сделать за-
ключение, что имеется реальная возможность создания прецизион-
ного ТСКГ с эксплуатационной нестабильностью порядка (0,5—1)Х
X 10~г и объемом 20—30 см8.
9.3.	Прецизионные термокомпенсированные
кварцевые генераторы
К прецизионным ТККГ можно отнести генераторы, имеющие в
условиях эксплуатации стабильность частоты лучше ±5-10-’. Ус-
тупая прецизионным термостатированным генераторам по стабиль-
ности частоты, прецизионные ТКДГ незаменимы в тех случаях, ког-
да требуется обеспечить малую потребляемую мощность и малое вре-
мя готовности аппаратуры к работе.
Для создания прецизионных ТККГ необходимо выбрать резо-
натор, имеющий малые уходы частоты от воздействия дестабилизи-
рующих факторов и старения, обеспечить малое влияние на стабиль-
ность частоты цепи термок&мпенсации и выбрать схему формирова-
ния термозавнсимого напряжения, обеспечивающую соответствую-
щую точность термокомпеисации.
Прецизионные резонаторы, предназначенные для термокомпеи-
сации, 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 термокомпеиса-
цнн, работающие иа основной частоте 5 МГц и ниже, из-за сфериче-
ской поверхности пьезоэлемеитов. При реализации ТККГ с прецизи-
онными резонаторами возникают трудности обеспечения крутизны
управления, необходимой для термокомпеисации. 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 ге-
нератора [17], что может привести к недопустимому уменьшению амп-
литуды напряжения высокой частоты и даже срыву генерации, что
необходимо учитывать при проектировании прецизионных ТККГ.
При включении варикапа, осуществляющего термокомпенсацию
последовательно с резонатором (см. рис. 7.1), увеличение крутизны
управления частотой достигается выбором варикапов с большим зна-
чением показателя вольт-фарадной характеристики у, уменьшением
начальной емкости варикапа СРн, уменьшением начальной расстрой-
ки генератора по частоте е0 и включением параллельно варикапу ин-
дуктивного сопротивления Хп.в с учетом ограничений, рассмотрен-
ных ниже.
132
В настоящее время разработаны варикапы с у > 1. Однако при
у > 1 растет влияние напряжения высокой частоты па варикапе
иа стабильность частоты (7.15). Поэтому при выборе варикапа не-
обходимо сравнить влияние элементов цепи управления по (7.12) —
(7.16). Уменьшение начальной емкости варикапа для получения
необходимой крутизны управления частотой ограничивается влия-
нием емкости монтажа См на стабильность частоты генератора. Учи-
тывая это влияние, необходимо стремиться к уменьшению емкости
монтажа и выбирать начальную емкость варикапа из соотношения
СРЯ > (5-Ю) См.
При снижении начальной расстройки генератора по частоте ни
же частоты последовательного резонанса резонатора (е0 < 0) увели-
чивается вероятность возбуждения генератора на паразитной часто-
те. Учитывая целесообразность изготовления резонаторов без ис-
пользования нагрузочной емкости, имитирующей эквивалентную
емкость генератора, чаще всего выбирают работу генератора на час-
тоте последовательного резонанса резонатора, т. е. когда е0 — 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 индук-
тивности было больше сопротивления емкости варикапа, т. е. следу-
ет обеспечить емкостную реакцию указанного контура [23]. Появля-
-ется также дополнительная составляющая — нестабильность часто-
ты из-за влияния вводимой индуктивности, для уменьшения которой
необходимо уменьшать нестабильность этой индуктивности.
Чтобы получить необходимые пределы управления частотой
генератора, работающего с прецизионным резонатором на колеба-
ниях третьего порядка, необходимо увеличивать запас по возбужде-
нию генератора или вводить АРА по схемам, аналогичным использу-
емым в прецизионных ТСКГ- В остальном выбор активной части ге-
нератора для прецизионного ТККГ ие отличается от выбора его для
других генераторов (см. разд. 4).
Для уменьшения влияния цепи термокомпеисации на стабиль-
ность частоты ТККГ необходимо в ней использовать элементы, об-
ладающие максимальной стабильностью параметров. Для увеличе-
ния стабильности параметров элементов в некоторых случаях целесо-
образно их термотренировать либо отдельно, либо в составе генера-
тора. Расчеты по формулам, приведенным в разд. 7, подтвержден-
ные экспериментально [172], показывают, что при соответствующем
выборе элементов цепи термокомпеисации можно обеспечить их
влияние, не превышающее (1—3)-10-’.
Для получения высокой температурной стабильности частоты в
прецизионных ТККГ можно использовать аналоговые формировате-
ли термо^ависнмого напряжения на варикапе, описанные в разд. 7.
В ограниченных участках рабочих температур необходимый эффект
термокомпеисации может быть получен с помощью сложных резис-
торио-терморезисториых потенциометров и мостовых схем с привле-
чением 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 диод-
ные и транзисторные функциональные преобразователи и схемы, ре-
ализующие методы непрерывной логики. Необходимая для преци-
зионных ТККГ температурная стабильность в этом случае обеспе-
чивается выбором соответствующего количества подынтервалов тем-
133
ператур, в которых термокомпенсация осуществляется с помощью
простого или сложного ТЗП и оптимизацией параметров этого ТЗП с
помощью ЭВМ.
Аналоговые схемы позволяют обеспечить температурную ста-
бильность частоты прецизионного ТККГ до (1—2)-10-’. Дальней-
шее повышение стабильности частоты ТККГ может быть достигнуто
прн использовании цифровых и комбинированных способов термо-
компенсацин. Цифровой метод основан на применении дискретной
термокомпеисации.
г>
Рис. 9.7. Варианты функциональных схем ТККГ с цифровой термокомпенса-
цией
При дискретной термокомпеисации рабочий интервал темпера-
тур разбивается на участки. В пределах каждого участка напряже-
ние на варикапе остается постоянным, н частота изменяется по ТЧХ
генератора. Уровень напряжения можно регулировать, симметрируя
с определенной точностью отклонение частоты на этом участке от-
носительно номинального значения. При переходе на соседний
участок напряжение на варикапе изменяется скачком (дискретно).
Уровень напряжения на соседнем участке также может регулиро-
ваться без изменения уровня, установленного на соседнем участке.
Таким образом, результирующая температурная стабильность час-
134
тоты ТККГ с дискретной термокомпенсацией определяется длиной
участка температур и изменением частоты некомпенсированного ге-
нератора на этих участках и может быть увеличена путем добавле-
ния участков.
Реализация дискретного способа термокомпеисации цифровыми
методами стала возможной благодари разработке цифровых логичес-
ких схем, аналого-цифровых (АЦП) н цифроаналоговых преобразо-
вателей (ЦАП). Простейшая схема ТККГ с цифровой термокомлен-
сацией изображена рис. 9.7, а. Датчик температур ДТ, в качестве ко-
торого может быть использована простейшая цепь с терморезистором
или схема, основанная иа зависимости параметров р—n-переходов ди-
одов илн транзисторов от температуры [129], преобразует изменение
температуры в изменение напряжения. Это напряжение поступает на
АЦП, который преобразует е'го в цифровую форму. Код на выходе
АЦП меняется прн переходе границ данного участка температур.
Таким образом, каждому участку температур на выходе АЦП со-
ответствует свое цифровое слово, которое используется в качестве
адреса для обращения к программируемому постоянному запомина-
ющему устройству (ППЗУ). В ППЗУ хранятся данные в цифровой
форме по напряжению, необходимому для компенсации изменения
частоты на каждом участке температур. Эти данные определяются
и записываются в ППЗУ прн термокомпенснрованнн индивидуаль-
но для каждого генератора на стадии регулировки. Преобразователь
преобразует цифровые слова, поступающие с ППЗУ, в напряжение
в аналоговой форме, которое подается на варикап, включенный в
генератор. Разрядность слова, хранящегося в ППЗУ (число бит на
выходе ППЗУ), определяет точность выставления заданной частоты
ТККГ. Если изменение этого слова на единицу в младшем разряде
приводит к изменению частоты на б/д, то, чтобы обеспечить измене-
ние частоты при термокомпенсированни, равное размаху ТЧХ ге-
нератора, необходимо обеспечить разрядность слова в ППЗУ:
M = log2 ——.
(9,2)
Температурная нестабильность ТККГ с цифровой термокомпен-
сацией б/гГ = б/г/2 + б/д/2 + б/н, где б/г — изменение частоты
генератора на участке температур; б/н — нестабильность, связан-
ная с нестабильностью температур переключений, определяемая не-
стабильностью параметров датчика температур н АЦП.
При равномерной разбивке рабочего интервала температур и ис-
пользовании линейного датчика температур максимальное измене-
ние частоты на участке будет определяться в области температур,
где ТЧХ имеет максимальное значение ТКЧ а/т, н прн длине от-
дельного участка температур АГ величина б/г = аутДГ. Чтобы
в этом случае обеспечить требуемую температурную стабильность
после компенсации, необходимо обеспечить длину отдельного участ-
ка температур ДТ — (2&рсТ — б/д — 2б/н)/«ут. Прн длине рабо-
чего интервала температур ДГП1 разрядность слова на выходе АЦП
_____^/т АТ______
(2б/сГ—б/д— 2б/н)
(9.3)
135
В соответствии с (9.2) и (9.3) ППЗУ должно обладать объемом
памяти
O.V .» _____Ыт____________ ,	bfm
Р М-	_ 2б/н log3 .
Используя ППЗУ с достаточно большим объемом памяти, в ре-
зультате применения цифровой термокомпенсацни можно обеспе-
чить высокую (до нескольких единиц восьмого знака) температур-
ную стабильность ТККГ. Достоинствами цифрового метода термо-
компенсации являются возможность автоматизации процесса термо-
компенсацин и снижение требований к ТЧХ кварцевого резонатора.
Максимальная температурная стабильность ТККГ с цифровой
термокомпенсацией ограничивается нестабильность температур
переключений, нестабильностью уровня напряжения, поступающего
с ЦАП, и гистерезисом ТЧХ резонатора.
Уменьшить нестабильность температур переключений можно,
используя в качестве датчика температур температурный резонатор.
Частота (Г) генератора с таким резонатором, линейно изменяющая-
ся при изменении температуры, подается либо непосредственно на
преобразователь частота — код, либо на смеситель (рис. 9.7, б), где
она смешивается с частотой основного генератора /р и на преобра-
зователь частота — код подается разностная частота /р —	(Т).
Преобразователь частота— код преобразует частоту, поступающую
на его вход, в цифровую форму, используемую в качестве адреса для
обращения к ППЗУ.’ В остальном цифровая термокомпенсация по
схеме рис. 9.7, б осуществляется аналогично схеме рнс. 9.7, а.
Одними из важных характеристик ТККГ являются динамичес-
кие температурные характеристики. Как и в обычных генераторах,
для уменьшения выбега частоты при изменении температуры окру-
жающей среды в динамическом режиме необходимо стремиться к обе-
спечению идентичного температурного режима на датчике темпера-
туры и кварцевом резонаторе путем демпфирования, соответствую-
щего взаимного расположения в составе блока, применения радиато-
ров и пр. Учитывая, что при цифровой термокомпенсацни, как пра-
вило, используется один термочувствительный элемент, для улучше-
ния динамических характеристик становится возможным его раз-
мещение в одном баллоне с резонатором. Лучшие результаты в этом
случае можно получить, если в качестве датчика температур исполь-
зовать пьезоэлемент, расположенный в одном корпусе со стабильным
пьезоэлементом.
Еще больший выигрыш в улучшении динамических характе-
ристик ТККГ можно получить, если в качестве датчика температур
применить тот же пьезоэлемент, который используется для получе-
ния стабильных колебаний. Структурная схема такого генератора
изображена иа рис. 9.7, в. Резонатор возбуждается одновременно на
двух различных модах: на рабочей частоте с.малой зависимостью час-
тоты от температуры и на моде с большой зависимостью частоты от
температуры. Отфильтрованный сигнал с частотой, зависящей от
температуры, подается либо непосредственно па преобразователь
частота—код, либо вместе со стабильным сигналом на синтезатор,
сигнал с выхода которого подается па преобразователь частота
— код.
Реализация ТККГ с цифровой термокомпенсацией по схеме рис-
9.7, в требует разработки специального резонатора. Однако эта йе-
обходнмость отпадает, если цифровую термокомпенсацню осущест-
136
вить по схеме рис. 9.7, г: резонатор возбуждается на колебаниях
третьего порядка f3, которые являются рабочей частотой с ТЧ X, оп-
тимальными в рабочем интервале температур, и на частоте основного
колебания Д. Частота основного колебания после умножения иа три
подается на смеситель См, куда поступает и рабочая частота. На вы-
ходе смесителя получается разностная частота f3 (Т) — 3fi (Т).
Так как ТЧХ резонатора прн возбуждении на гармониках практи-
чески отличаются только температурным коэффициентом частоты
первого порядка [16], разностная частота линейно зависит от темпе-
ратуры и может использоваться для отображения температуры ре-
зонатора прн осуществлении цифровой термокомпенсацни.
Реализация методов цифровой термокомпенсацни, отвечающих
современным требованиям по потребляемой мощности и габаритам,
требует использования полупроводниковых ИС АЦП и ЦАП с ма-
лой потребляемой мощностью и экономичных ППЗУ с большим вре-
менем хранения информации. Если для преобразователей эта зада-
ча в основном решена, то разработанные в настоящее время ППЗУ
с достаточно большой для реализации прецизионных ТККГ па-
мятью имеют сравнительно большую мощность потребления (до не-
скольких сотен милливатт). Это заставляет разработчиков искать
пути снижения требуемого объема памяти ППЗУ. Одна из таких
возможностей появляется прн работе схемы с малым коэффнцентом
заполнения [129], пригодной для использования при сравнительно
медленном изменении температуры генератора. Перспективными
также являются комбинированные схемы термокомпенсацни. Одна
из таких схем изображена на рис. 9.8, а, в которой реализуется ана-
лого-цифровой способ термокомпенсацни. При этом способе термоком-
пенсациЯ осуществляется в два этапа. Вначале генератор компенси-
руют с помощью рёзисторно-терморезнсторной цепи с применением
для определения значений подборных элементов ЭВМ. Остаточную
нестабильность, полученную с помощью нелинейной термокомпен-
сации, компенсируют цифровой схемой. Такой способ термокомпен-
сации позволяет несколько снизить требования к точности аналого-
вой компенсации н соответственно упростить процесс регулировки
резисторно-терморезисторной цепи и уменьшить требование к объе-
му памяти ППЗУ, т. е. сократить габариты и потребляемую мощ-
ность при некотором возрастании общего времени па регулировку
ТККГ. Еще больше снизить габариты н мощность, потребляемую
ТККГ, можно при использовании цифроаналоговой термокомпен-
сации по схеме рис. 9.8, б. В этом генераторе цифровые схемы при-
меняют для построения термочувствительной системы управления
(ЦТСУ), которая осуществляет переключение в зависимости от тем-
пературы окружающей среды аналоговых формирователей термоза-
висимого напряжения (АФТЗН). Аналоговые формирователи могут
быть выполнены по одкюй нз описанных в разд. 7 схем и осуществ-
ляют термокомпенсацйю на одном из участков температур, на кото-
рые разбивается рабочий интервал. Такое построение ТККГ позво-
ляет снизить требование к отдельным аналоговым формирователям,
повысить точность термокомпенсацни и упростить процесс регули-
ровки при создании прецизионного ТККП
На рнс. 9.9 изображена схема прецизионного ТККГ с кусочио-
нелннейной термокомпенсацией с помощью функционального пре-
образователя на транзисторах. Для возбуждения резонатора, рабо-
тающего на частоте 10 МГц с колебаниями третьего порядка, в цепь
эмиттера включен контур, настроенный иа частоту между частота-
137
Рис. 9.8. Варианты функциональных схем ТККГ:
а — с термокомпенсацней аналогово-цифровой; б — цифроаналоговой
Рис, 9.9. Схема прецизионного ТККГ с аналоговой термокомпенсацией
138
ми колебаний первого и третьего порядков. Крутизна управления,
необходимая для осуществления термокомпеисации, обеспечена вы-
бором начальной емкости варикапа Д4, включенного для компенса-
ции, при работе вблизи последовательного резонанса резонатора.
С помощью варикапов Д2, ДЗ обеспечивается точная настройка час-
тоты генератора на номинальное значение, грубая настройка до ком-
пенсации осуществляется подбором емкости конденсатора С4. Пара-
метры ТККГ по схеме рнс. 9.9 приведены ии>це.
Выполнить цифровую часть ТККГ с термокомпенсацней можно
по схемам, описанным в литературе, посвященной цифровой техни-
ке. Высокочастотную часть ТККГ выполняют по схеме рнс. 9.9 н схе-
мам для прецизионных ТСКГ. Параметры прецизионных ТККГ, вы-
полненных с использованием резонатора с колебаниями третьего
порядка иа частоте 10 МГц и выпускаемых в настоящее время дис-
кретных элементов и интегральных схем, даны в табл. 9.3.
Таблица 9.3. Параметры ТККГ (питание 12,6 В)
Показатели	Термокомпенсацня		
	аналоговая	цифро- аналоговая и цифровая	цифровая
Температурная	стабиль- ность частоты, 10-7 Потребляемая	мощность, мВт	1-5 50—100	0,5-2 75—150	0,5—2 100—250
10.
УПРАВЛЯЕМЫЕ И ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫЕ
КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
10.1.	Основные соотношения
Термин управляемые генераторы подразумевает управление его
частотой.
Управление частотой осуществляется в подавляющем большин-
стве КГ: это установка номинального значения частоты генератора в
процессе изготовления и регулировки; коррекция изменения часто-
ты из-за старения, а также после воздействия механических и кли-
матических дестабилизирующих факторов; подстройка частоты в
кольце ФАП; йерестройка частоты прн нспользованни одного резо-
натора для стабилизации нескольких частот; непосредственная час-
тотная модуляция н частотная манипуляция; компенсация темпера-
турной нестабильности частоты.
Обычно необходимо изменять реактивное сопротивление, вклю-
ченное последовательно с резонатором. В (17, 23, 101] достаточно
подробно описано управление частотой КГ генераторов: обеспече-
ние необходимых пределов перестройки, улучшение линейности ха-
рактеристики управления частотой, влияние перестройки по частоте
139
на стабильность частоты генератора, особенности повышения ста-
бильности частоты управляемых по частоте КГ генераторов. Поэтому
в данной книге использованы аналитические выражения без подроб-
ных математических выкладок, подтверждающих их справедли-
вость. Лишь в некоторых случаях приводятся необходимые преоб-
разования, допущения, связанные с нспользоваинем соответствую-
щих выражений для расчета элементов генераторов.
Как известно из 117], относительное изменение частоты КГ при
изменении реактивного сопротивления, включенного последователь-
но с резонатором,
(Ю.1)
где Ху = AXy/|XcJ — приведенное к модулю сопротивления
статической емкости резонатора изменение реактивного сопротив-
ления, включенного последовательно с резонатором; хп = Хп/
|— приведенное к модулю сопротивления статической емкости
резонатора реактивное сопротивление, параллельное резонатору.
Для перестройки частоты в заданных пределах в генераторе
должно быть реактивное сопротивление Хк (приведенное значение
хн), изменение которого на Ху обеспечивало бы изменение частоты
на Д/7/. Но включение реактивного сопротивления последователь-
но с резонатором приведет к отстройке частоты генератора относи-
тельно частоты последовательного резонанса резонатора. Относи-
тельное изменение отстройки частоты гейератора относительно час-
тоты последовательного резонанса резонатора можно определить
также из (10.1), подставив вместо ху значение ха.
Если прн перестройке частоты необходимо начальную отстрой-
ку е0 сохранить неизменной, то одновременно с включением х„ Не-
обходимо включить добавочное реактивное сопротивление, равное по
модулю хн и противоположное ему по знаку. Так, если перестра-
ивать частоту предполагается изменением емкости конденсатора, то
последовательно с ним необходимо включить катушку индуктивно-
сти с индуктивностью L = 1/<о2С. Из (10.1), видно, что в общем слу-
чае зависимость Д/// от ху носит нелинейный характер. Зависимость
на рис. 10.1 приведена для случая работы генератора на частоте по-
следовательного резонанса резонатора е0 — 0, ниже (отрицатель-
ное значение е0) и выше (положительное значение е0) частоты после-
довательного резонанса резонатора (кривые 1, 2 и 3). Эта зависи-
мость показана для хп = оо, что характеризует собой отсутствие
реактивного сопротивления, параллельного резонатору, т = 4-10~3-
н Со = 5 пФ.
При хп = оо (10.1) преобразуется:
Д/ = __L т *у(1-ее)2
f 2 т 1— ху(1— с0)
Из рисунка видно, что для различных значений е0 получаем
разное значение крутизны характеристики управления и линейности.
140
Анализ (10.1) показывает, что зависимость А/// от получается ли-
нейной лишь при
(1-ео)-
т. е. прн хп = 1. Это означает, что параллельно резонатору, для
обеспечения линейной зависимости Af/f от должна быть включена
катушка с индуктивностью
£п=1/ш2С0.	(10.2)
Когда параллельно резонатору включена катушка индуктивно*
сти (кривая 4), определенная из (10.2), (10.1) преобразуется:
Af/f = — 0,5 тх7.	(10.3)
Рис. 10.1. Зависимость относительного изменения частоты КГ от Ху
Из (10.3) видно, что относительное изменение частоты не зави-
сит от начальной отстройки е0 и Af/f зависит от ху линейно.
Во многих случаях управление частотой КГ осуществляется из-
менением напряжения.
Наиболее широкое применение для управления частотой гене-
раторов получили варикапы. Это наиболее экономичные, малогаба-
ритные, надежные и стабильные нз всех известных элементов, реак-
тивное сопротивление которых зависит от приложенного напряже-
ния. Как правило, для управления частотой используется барьер-
ная емкость варикапов, т. е. емкость закрытого р — л-перехода.
Реактивное сопротивление варнкапа Хр = Хро [(фр + E)/(pp]v-
При начальном напряжении смещения Ен реактивное сопротивле-
ние варнкапа XPIl — Хр0 [(<рр	£и)/фр1?. Изменение начального
напряжения Еп на АЕ приведет к изменению реактивного сопротив-
ления варикапа: Ху = Хр — Хрр = Хра [(1 + «)? — 1], где
и = АЕ 1 (<рр + £н) — приведенное изменение напряжения сме-
щения.
Приведенное к модулю реактивного сопротивления статической
емкости Со резонатора изменение реактивного сопротивления ва-
141
рнкапа Ху = хри [(1 + u)v — 1]. Относительное изменение частоты
генератора прн изменении напряжения смещения на варикапе
Хрн 1(1 +u)v— 11|(1 — Со)24'
X ---------—-------------------------------------
( 1 4-	) 1 4- — +«)V Нрн 1(1 +«)v- 11 X
\ Хп-в 7 L *п.в	J
(Ю.4)
где хп.в = Хп.в/|ХС ] — приведенное к модулю сопротивления ста-
тической емкости резонатора значение реактивного сопротивления
резонатора, включенного параллельно варикапу.
Рис. 10.2. Зависимость
относительного измене-
ния частоты КГ от при-
веденного изменения
напряжения на варикапе
(/—/о-О;	2 —;0>О;
3-/0<0)
Зависимость Af/f от и, в общем случае, нелинейна. Крутизна и
линейность характеристики управления определяются значениями
У» Хрн, «о> *п-в н хп.
На рис. 10.2 приведена зависимость А/// от и для у = 1/2;
хр„ — — 0,5; хп.в и хп— оо и трех значений е0. Видно, что крутизна
характеристики управления и пределы перестройки по частоте уве-
личиваются при отстройке ниже частоты последовательного резонан-
са резонатора (отрицательное значение е0) и уменьшаются прн поло-
жительном значении е0 — отстройке выше частоты последователь-
ного резонанса резонатора.
Прн разработке управляемых по частоте КГ необходимо пра-
вильно выбрать частоту генератора, резонатора, элементы управле-
ния частотой, чтобы наиболее простыми схемными решениями обес-
печить необходимые пределы перестройки прн высокой стабильно-
сти частоты.
Наиболее широкое применение управляемые по частоте КГ гене-
раторы получили в диапазоне 5—30 МГц. Это обусловлено рядом об-
стоятельств. Выше уже говорилось, что для обеспечения необходи-
мых пределов перестройки последовательно с резонатором должно
142
быть включено определенное реактивное сопротивление, допустим
варикап. Одновременно с ним для обеспечения работы вблизи часто-
ты последовательного резонанса резонатора необходимо включить
дополнительное реактивное сопротивление того же значения, но
противоположное по знаку. Таким образом, в КГ должны включать-
ся варикап н катушка индуктивности.
В то же время нз (10.4) видно, что относительное изменение час-
тоты при заданном и будет тем больше, чем больше хрн, т. е.чем мен ь-
ше начальная емкость варикапа. Это приводит if тому, что на низ-
ких частотах последовательно с варикапом приходится включать ка-
тушку с большой индуктивностью, что создает определенные конст-
руктивные трудности.
То же самое происходит н прн управлении частотой КГ с помо-
щью изменения емкости или индуктивности. При работе же с отст-
ройкой от частоты последовательного резонанса увеличивается вли-
яние элементов генератора, параллельных резонатору, на его часто-
ту при положительных значениях е0, уменьшается крутизна харак-
теристики управления, а прн отрицательных е0 увелнчнвается-к тому
же возможность паразитного возбуждения генератора.
При выборе резонатора для управляемого по частоте генерато-
ра необходимо особое внимание обращать на значение емкостного от-
ношения т, которому, как следует нз (10.4), прямо пропорциональна
относительная перестройка по частоте, н на значение Со, также опре-
деляющее пределы перестройки частоты прн заданных пределах из-
менения реактивного сопротивления или напряжения на варикапе.
Резонаторы, имеющие большее значение т и Со, наиболее предпочти-
тельны для управляемых по частоте генераторов.
В диапазоне 5—30 МГц резонаторы работают, как правило, на
основной частоте, пьезоэлементы представлиют собой плоские плас-
тины, т и Со позволяют получить перестройку по частоте порядка
± 1 ООО• 10~s при высокой стабильности частоты.
На более низких частотах пьезоэлементы резонаторов среза АТ
имеют форму двояковыпуклой линзы, что уменьшает т н затрудняет
управление частотой н получение больших пределов перестройки по
частоте, а резонаторы других срезов имеют более низкую стабиль-
ность частоты.
На частотах выше 30 МГц, как правило, уже используются резо-
наторы с колебаниями высших порядков, у которых емкостное отно-
шение уменьшается пропорционально квадрату номера порядка ко-
лебания, что так же, как и на низких частотах, затрудняет управле-
ние частотой и не дает возможности получить большие пределы пере-
стройки частоты.
Для получения больших пределов перестройки по частоте на час-
тотах выше 30 МГц используется умножение частоты управляемого
КГ диапазона 5—30 МГц.
На низких частотах для получения больших пределов перест-
ройки используется выделение разностной частоты двух КГ диапазо-
на 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 требу-
емой частоте низкочастотного колебания, двух КГ, один из них яв-
ляется управляемым по частоте. Частота низкочастотного колеба-
ния' /кч ± Д/ = Д — (/2 + Д/2). В данном случае перестройка по
частоте Д/ низкочастотного колебания /я.ч равна перестройке по
143
частоте управляемого КГ Д/2. Для увеличения пределов перестрой-
ки требуемая частота низкочастотного колебания получается как
разность частот двух управляемых по частоте КГ: fll4 ±	=
= (Л ± А/1) — (/a -F Л/з)-
Управлять частотой генераторов надо так, чтобы прн увеличении
частоты частота /2 уменьшалась н, наоборот, прн уменьшении
частота /2 увеличивалась.
Тогда изменение частоты низкочастотного колебания Д/ =
= Д/. + Д/2, т. е. будет определяться суммарной перестройкой
по частоте двух управляемых генераторов.
Схемные решения получения низкочастотного колебания как
разности двух высокочастотных колебаний могут быть различными.
Это могут быть два отдельных КГ, работающих па смеситель, или
же два резонатора, которые могут возбуждаться в одном генераторе,
и при этом выделяется нх разностная частота [121].
Прн управлении частотой КГ изменяется стабильность цент-
ральной частоты. Управление частотой, как уже говорилось выше,
осуществляется изменением реактивного сопротивления, включен-
ного последовательно с резонатором в схеме генератора. Таким ре-
активным сопротивлением обычно служат перестраиваемая катушка
индуктивности, конденсатор с переменной емкостью илн варнкап.
Прн воздействии дестабилизирующих факторов (температуры,
влаги, ударных и вибрационных нагрузок, линейных ускорений и
т. д.) изменяется реактивное сопротивление элемента н, как следст-
вие, частота генератора. Изменение частоты может быть также опре-
делено из (10.1), только вместо ху необходимо подставить приведен-
ное значение изменения реактивного сопротивления соответствующе-
го элемента от воздействия дестабилизирующих фзкторов- Напри-
мер, приведенное изменение реактивного сопротивления в интервале
температур
Дх = Хах Д//| XCj	(10.5)
где X — реактивное сопротивление; ах — температурный коэффи-
циент реактивного сопротивления; Д/ — интервал рабочих темпера-
тур.
Подставив Дх из (10.5) в (10.1), можно определить дополнитель-
ную составляющую нестабильности частоты, обусловленную изме-
нением X в интервале температур.
Кроме того, прн управлении частотой изменяется ТЧХ резона-
тора. Зависимость ТЧХ от отстройки относительно частоты последо-
вательного резонанса резонатора обусловлена изменением емкостного
отношения резонатора в интервале температур. Изменение ТЧХ
резонатора при отстройке от частоты последовательного резонанса
Д/// = 0,5 (t — /0), где ат — температурный коэффициент
емкостного отношения (для резонаторов AT am as 3-10-4, для ре-
зонаторов БТ ат я? — 3,5- Ю~4); t — текущее значение температу-
ры; t0 — температура, относительно которой определяется измене-
ние ТЧХ.
В [17] показано, что отстройка выше частоты последовательного
резонанса резонатора приводит к развороту ТЧХ против часовой
стрелки, а ниже — по часовой стрелке.
Изменение ТЧХ (изменение стабильности частоты), вызванное
температурным коэффициентом емкостного отношения, также необ-
ходимо учитывать нрн разработке управляемых по частоте КГ. Бо-
лее подробно выбор элементов н расчет параметров будут рассмотре-
ны ниже.
144
10.2.	Генераторы, управляемые напряжением
Обычно при разработке управляемых напряжением КГ требует-
ся определить параметры элементов цепи управления, обеспечиваю-
щие получение требуемой девиации частоты при заданном измене-
нии напряжения на варикапе.
Выше было показано, что крутизна характеристики управле-
ния частотой КГ уменьшается при отстройке выше частоты последо-
вательного резонанса резонатора и увеличивается прн отрицательной
отстройке. Но прн отстройке ниже частоты последовательного резо-
нанса резонатора возрастает возможность паразитного возбуждения
генератора на частотах, не контролируемых резонатором, ухудша-
ется стабильность частоты. Поэтому, как правило, в КГ, управляе-
мых напряжением, используется режим работы вблизи частоты по-
следовательного резонанса резонатора, т. е. е0 = 0. Лишь в тех слу-
чаях, когда трудно обеспечить требуемую девиацию частоты прн е0=
= 0, работают при отрицательной отстройке, т. е. ниже частоты по-
следовательного резонанса резонатора. Таким образом, частота ре-
зонатора fK выбирается обычно равной частоте генератора fr.
Подбирают резонатор, исходя нз требований к стабильности час-
тоты, габаритам и т. д., т. е. имеющий желательно большее значение
т и Со.
Для выбранного резонатора известны параметры т, RK и Со.
Серийно выпускаемые в настоящее время и применяемые в генера-
торах транзисторы, как это видно из данных, приведенных в
разд. 3, являются высокочастотными активными элементами, н прн
расчете, в первом приближении, можно не учитывать нх инерцион-
ных свойств (при необходимости это можно сделать по методике,
приведенной в 123]).
Приведенное значение реактивного сопротивления варикапа,
необходимое для получения заданного относительного изменения
частоты генератора Д//Д прн заданном изменении напряжения иа
варикапе определяется нз (10.4).
Для /г = т. е. е0 = 0 и у = 0,5, о чем говорилось выше, а
также если пренебречь наличием паразитных реактивностей, парал-
лельных варикапу и резонатору (о включении хпв н хп специально
для увеличения крутизны и для улучшения линейности характерис-
тики управления, уменьшения нелинейных искажений, будет сказа-
но ниже), (10.4) можно упростить:
Af/f=-0,5mxplI(VT=7z- 1)/[1-Жр11(УГ+7<- 1)1- (Ю.6)
По хрп, определенному из (10.6), находим емкость варикапа
С=—Со Хри f	—— V	(10.7)
\ <Рр+^н /
Выражение (10.7) определяет емкость варикапа при напряжении сме-
щения 4 В, это удобно, поскольку это справочные данные. При необ-
ходимости для обеспечения возможности получения требуемого зна-
чения емкости используется параллельное нлн последовательное
(встречно-последовательное) включение нескольких варикапов.
Если необходимая емкость варикапа, определенная нз (10.7), не
может быть обеспечена, в том числе и параллельным-или последова-
тельным соединением нескольких варикапов, то для получения тре-
буемой девиации частоты прн заданном модулирующем напряжении
145
используется включение реактивного сопротивления ^п.в параллель-
но варикапу.
Как показано в [231, если емкость выбранного варнкапа больше
определенной из (10.7), то параллельно варикапу необходимо вклю-
чить катушку нндуктивиости, если же емкость выбранного варнкапа
меньше, то параллельно ему включается конденсатор. В этом слу-
чае по (10.7) определяется необходимая емкость варикапа.
Прн наличии реактивного сопротивления, параллельного ва-
рикапу, изменение частоты генератора
1
= — —*тх
2
/
_________хрн (У 14- и— О____
(1+^-)(1+^-УьП)-хм(УТ+7-1)
\ *П.В / \ Яп.в	/
(10.8)
Из (10.8) н определяется хп.в, прн котором относительное из-
менение частоты Л/7/ обеспечивается заданным изменением напря-
жения иа варикапе « — &Е/(Еи + <рр) и прн выбранном значении
R7
Рис. !0.3. Схема КГ, управляемого по
частоте изменением напряжения иа вари-
капе

приведенного реактивного
сопротивления варнкапа
хрн, близким к определен-
ному нз (10.7).
Напряжение смещения
на варикапе Еа выбирает-
ся, исходя нз заданного его
Изменения, напряжения ис-
точника питания, уровня
напряжения высокой часто-
ты н т. д. При выборе Еа
следует учитывать, что кру-
тизна характеристики уп-
равления частотой генер-а-
тора возрастает прн умень-
шении ЕИ, но прн этом воз-
растает ТКЕ варнкапа. Прн
малом напряжении смеще-
ния необходимо также об-
ращать внимание на то,
чтобы варикап не открывался под воздействием управляющего
напряжения н напряжения высокой частоты.
Прн работе вблизи частоты последовательного резонанса е0=0
последовательно с варикапом необходимо включать катушку индук-
тивности (рис. 10.3);
£ _ (^1 Сз-j-Cj С3) СРн-|- С2 С3
1	<о2 Срн Сг С2 С3
где Ср„ — емкость варикапа при выбранном напряжении смещения
Еп; Сг и С3 — емкости цепи обратной связи генератора.
Расчет н выбор емкостей Си С2, и С3 подробно рассмотрены в
разд. 4.
Важным параметром КГ, управляемых напряжением, является
линейность характеристики управления частотой. Для генерато-
(10.9)
146
ров, управление частотой которых осуществляется изменением на-
пряжения на варикапе, нелинейность характеристики управления
обусловлена как нелинейной зависимостью емкости (реактивного со-
противления) варнкапа от управляющего напряжения, так и нели-
нейной зависимостью изменения частоты генератора от изменения ре-
активного сопротивления, включенного последовательно с резона-
тором.
Нелинейность характеристики управления оценивается коэффи-
циентом нелинейности Кнл [17], отношением максимального откло-
нения характеристики управления от линейной ДД/тах к максималь-
ному значению изменения частоты bfmax’ Т-е. Кнл= ДД/тахМ/тах-
Рис, 10.4. Характеристик
ка управления частотой
КГ и аппроксимирован’
ная линейная характе-
ристика
Из вариантов аппроксимации нелинейных характеристик управ-
ления линейными наиболее целесообразным является вариант, ког-
да аппроксимированная лннейная характеристика проходит через
точки А/ = 0 и Д/пгах» как показано на рис. 10.4. Из рис. 10.4 мож-
но определить
ДД/max = Д/ — Д/' = <р (и) — аи,	(10.10)
где Д/ — <р (и) — характеристика управляемого напряжением гене-
ратора; Д/' = аи — лннейная характеристика, аппроксимирующая
реальную; а = ^fmax^umax — коэффициент пропорциональности.
Аналитически коэффициент нелинейности [17] описывается до-
вольно сложным выражением, поэтому для его определения целесооб-
разно построить зависимости <р (и) н аи (см. рис. 10.4) н определить
&&fmax и Kjjji.
Если 7СНЛ превышает допустимое значение, то необходимо вос-
пользоваться известными способами линеаризации характеристики
управления генератора. Наиболее эффективным способом является
включение катушки с определенными значениями реактивного со-
противления и индуктивности параллельно резонатору. В этом слу-
чае прн работе вблизи частоты последовательного резонанса еа =0,
и у = 1/2 зависимость частоты генератора от управляющего на-
пряжения (Ю.4) принимает вид
Д/ 1	хР11(УГ+Т-1)
—_ = _	m---------------------------— 
I —хрн (У 1 + и— 0 (1 —	)
\ *п /
147
Определенное из условия минимума коэффициента нелинейности
оптимальное значение
2хрн/(1 2хри).	(10.11)
На рис. 10.5 приведена схема управляемого напряжением КГ,
в котором для линеаризации характеристики управления применено
включение катушки индуктивности L1 параллельно резонатору Пэ1
Управление частотой осуществляется изменением напряжения сме-
щения на варикапах Д1 н Д2, соединенных встречно-последователь-
но. При использовании резонатора АТ на частоте 15 МГц с. т =
R8 S60
R1
Л2
КВ102Г
г—НИ—
J- х/
Т$К5102Г
R2 —т.
civw
CZ
270
ЧТОк
ЗЗк
71
R7
Г2,2к
_1_ГС
*82
А*
А81М
05 2.7
Ч|—о #6 их
№ 0,01
J84
"bw
Рис. 10.5. Схема управляемого по частоте КГ с линеаризацией характеристи-
ки управления включением катушки индуктивности параллельно кварцевому
резонатору
= 4,2-10_3, Со = 12,3 пФ обеспечивается перестройка по частоте
порядка ±1000-10_6 при коэффициенте нелинейности, не превышаю-
щем 2,5%.
Поскольку управление частотой осуществляется изменением
напряжения смещения на варикапе, а емкость варикапа определя-
ется не только уровнем постоянного напряжения, но и напряжения
высокой частоты на нем, то изменение уровня напряжения высокой
частоты на варикапе при изменении напряжения питания генерато-
ра и нагрузки приведет к нежелательному изменению частоты гене-
ратора. "Это изменение частоты уже будет представлять собой допол-
нительную нестабильность и приводить к ошибке, если КГ исполь-
зуется в измерительной аппаратуре. Причем если напряжение пита-
ния стабилизировано, то основное изменение уровня напряжения
высокой частоты и, как следствие, частоты генератора происходит
из-за изменения нагрузки.
Для уменьшения влияния нагрузки на частоту КГ используют-
ся различные решения, например буферные каскады, всевоз-
можные регулировки амплитуды. Однако это приводит к увели-
чению габаритов и потребляемой мощности, что не всегда желатель-
но. Хорошие результаты по стабилизации амплитуды напряжения
высокой частоты дает применение в генераторе стабилизации по по-
стоянному току.
Прн изменении постоянной составляющей тока транзистора из-
меняется крутизна характеристики коллекторного тока транзистора.
148
Это приводит к изменению уровня напряжения высокой частоты, в
том числе и иа варикапе,, и к изменению частоты генератора.
Включение резистора в цепь эмиттера транзистора, т. е. приме-
нение автосмещения, обеспечивает стабилизацию тока транзистора
благодаря отрицательной обратной связи по постоянному току. Об-
ратная связь характеризуется произведением крутизны на сопротив-
ление резистора в цепи эмиттера SR3. Поскольку крутизна имеет
вполне определенное значение, то для повышения стабильности
необходимо увеличивать сопротивления резистора в цепи эмиттера.
Но увеличение сопротивления резистора приводит к увеличению
падения напряжения на нем, это является фактором,
щим возможности использования данного спосо-
ба, учитывая невысокие значения напряжения пи-
тания.
Наиболее простым и экономичным решением
увеличения коэффициента стабилизации схемы по
постоянному току является применение вместо со-
противления в цепи эмиттера генератора стабиль-
ного тока (ГСТ) на полевом транзисторе, кото-
рый позволяет повысить коэффициент стабилиза-
ции по постоянному току более чем иа порядок
Рис. 10.6. Схема активной части КГ с ГСТ
ограничиваю-
FT5
Т1
TZ

прн падении напряжения иа нем, не превышающем несколь-
ко вольт. В схеме активной части генератора с ГСТ (рис. 10.6) со-
противление резистора R3 определяет напряжение затвор—исток
и3_и полевого транзистора Т2. В свою очередь, и3_„ определяет
ток полевого транзистора Т2 и транзистора Т1 генератора. Изме-
нение тока транзистора Т2,приведет к изменению напряжения и3_н
иа резисторе R3, которое вызовет обратное изменение тока транзи-
стора Tl, тем самым поддерживается постоянным ток транзистора.
Помимо требования обеспечения необходимой девиации часто-
ты при заданном управляющем напряжении и коэффициенте нели-
нейности, не превышающем определенного значения, к КГ предъяв-
ляется и требование обеспечения необходимой стабильности ча-
стоты.
Включение варикапа в КГ приводит к тому, что изменение его
емкости при изменении температуры, а также из-за старения при-
водит к изменению частоты генератора.
Для обеспечения возможности работы вблизи частоты последо-
вательного резонанса резонатора, последовательно с ним включает-
ся катушка индуктивности. Изменение индуктивности при изменении
температуры, из-за старения, при механических воздействиях при-
водит также к изменению частоты генератора. Свести к минимуму
влияние изменения параметров варикапов и катушек индуктивностей
в интервале температур можно соответствующим выбором темпера-
турных коэффициентов емкостей (ТКЕ) цепи обратной связи, вклю-
чением в частотозадающую цепь генератора дополнительного кон-
денсатора с определенным температурным коэффициентом ем-
кости .
Температурный коэффициент емкостей обратной связи, значе-
ния емкости и ТКЕ дополнительного конденсатора определяются
исходя из условия взаимной компенсации изменений реактивных со-
149
Противлений варикапов, индуктивностей и емкостен в интервале
температур.
Свести к минимуму изменение частоты генератора в результате
старения элементов можно, как применяя элементы с минимальным
изменением параметров во времени, так н осуществляя искусствен-
ное предварительное старение. Это достигается выдержкой при по-
вышенной температуре в течение определенного времени н воздейст-
вием на них температуры прн ее циклическом изменении (термо-
циклы).
Уменьшенные изменении частоты генератора прн механических
воздействиях, в основном свнзанного с изменением положении под-
строечников катушек индуктивностей, достигаются применением раз-
личных способов фиксации подстроечников.
Прн выполнении изложенных выше рекомендаций, тщательной
конструктивной проработке КГ удается свести к минимуму деста-
билизирующее влияние рассмотренных элементов на частоту ге-
нератора. В этом случае стабильность частоты КГ будет близка
к стабильности частоты используемого резонатора. Если необходима
более высокая стабильность частоты, то применяется компенсация
температурной нестабильности частоты. Термокомпенсацни была
подробно рассмотрена в разд. 7.
Изменение частоты из-за старения корректируется введением
периодической подстройки частоты, изменение частоты из-за меха-
нических воздействий уменьшается амортизацией резонатора или
генератора в целом для уменьшения изменения частоты от механиче-
ских воздействий.
10.3.	Генераторы с непосредственной частотной
модуляцией
Основные соотношения. Относительное изменение частоты КГ,
девиация частоты, прн воздействии на варикап модулирующего на-
пряжения определяется также (10.4), вкотором п = £7Мод/(Ен + <Рр).
т. е. представляет собой приведенное модулирующее напряжение.
Помимо обеспечения определенной девнацнн частоты к КГ с не-
посредственной частотной модуляцией предъявляется требование
минимальных нелинейных искажений модулирующего сигнала, ко-
торые обусловлены нелинейностью характеристик варикапа и резо-
натора.
Коэффициент нелинейных искажений с достаточной точностью
определяется выражением
1	( V-1	1	(
—	---— ухГи ------—------— {(1 — е0) —
* к *	*рн I *П.В к
При *п.в= хп °° н у = 1/2 (10.12) упрощается:
К/ — 0,25«m (1 /2—хрц).
Если искажения больше допустимого значения, то Необходимо
принимать специальные меры по нх уменьшению. Нелинейные иска-
жения подробно рассмотрены в [17, 23]. Показано, что наиболее
эффективным способом Нх уменьшения является включение катушки
индуктивности параллельно резонатору.
150
Значение приведенного сопротивления индуктивности
(1 — 2е0) уХрп х
о 1 I *П.В
(1 — 2е0) ?хрн ---;-----
„ __	\ •*рн + Л’п.в
* п-----;---------------------
Гу—1 ухрн	/ *п.в	У
2 ~г~ ~ ~х +7—+?Хрн ( ео) (—
L z	xPH"rxn.B	\ *рн“г*п.в / .
*п. в			*п.в	
Л’Рн4"Л'п.в	у	ео ух рп ।	хРн~^~хп. в	у
При еа = 0, хп.п = оо и 7=1/2 (10.13) упрощается и принимает
вид (10.11).
В данном случае коэффициент нелинейных искажений
При интегральном исполнении генератора данный способ не всегда
может быть достаточно просто реализован, поскольку параллельно
резонатору для уменьшения нелинейных искажений должна вклю-
чаться катушка с определенной индуктивностью. Прн интегральном
исполнении генератора для уменьшения нелинейных искажений при-
меняют различные способы формировании модулирующего напряже-
ния, обеспечивающие минимальные искажения прн нелинейной ха-
рактеристике управления частотой генератора [17]. Но наиболее
эффективным способом является все-таки включение катушки ин-
дуктивности параллельно резонатору. Минимум нелинейных иска-
жений получается в этом случае прн использовании варикапов с
V = 1 [23].
Способ осуществления непосредственной частотной модуляции
изменением напряжения на варикапе позволяет получить девиацию
частоты порядка ± 1000-10~° на частотах выше 10 Л1Гц при исполь-
зовании резонаторов, работающих на основной частоте, имеющих
плоские пьезоэлементы. На более Низких частотах, особенно ниже
5 МГц, получение большой девиации частоты затруднительно, по-
скольку на этих частотах пьезоэлементы резонаторов АТ имеют фор-
му двояковыпуклой линзы, а другие резонаторы позволяют получить
большую девиацию, но имеют во много раз хуже стабильность час-
тоты.
Поэтому иа ннзкнх частотах для получения большой девиации
прн высокой стабильности частоты используется выделение раз-
ностной частоты двух высокочастотных генераторов с непосредст-
венной частотной модуляцией (рис. 10.7).
151
Генератор выполнен по емкостной трехточечиой схеме на тран-
зисторе Т1. Частота определяется частотозадающей цепью Пэ1,
Cl, L1, Д1; частота /2 — Г1э2, С2, L2, Д2. Модулирующее напря-
жение подается на варикапы Д1 и Д2. Варикапы включены в часто-
тозадающне цепи таким образом, что девиация разностной частоты
равна сумме девиаций частот fa н /2.
Прн использовании варикапов с у = 0,5 нз (10.6), определяю-
щего нзмененне частоты генератора при изменении напряжения сме-
Рис. 10.7, Схема управляемого по частоте КГ с выделением разностной ча-
стоты
шення на варикапе (прн подаче па него модулирующего напряжения
с учетом того, что ит < 1), можно получить приведенную девиацию
частот Д н /2:
. ДЛ	I 1	1	1	, \
Де1= ]	——g “mi— g "ml + |6 “ml | ~~ хрп I Х
Y '«1 /1
/ 1	1	1 V /1
х \ 2 "mi ~ 8 Пб” —*₽н1 [ 2 Wmi
1	1 о У
—   /2 2 - -4- 1	//3 . 1 •
РП2 I 2 “т2 ~ 8 "m2 + 16 “m2 J —xpiit х
1
-- /о
О - 1 L
/ 1	I	I , \2 о / 1
2 "т2— 8 "m2 4“ |g “m2 J ~хрн2 2 “те —
•	1 о у
___— {,2 Л- //3 I
8	1 16 */ *
152
При подаче одного модулирующего напряжения на оба варика-
па и одинаковом начальном смещении на них ит1 = ит2 — ит, если
при этом равны еще и приведенные значения начальных сопротивле-
ний варикапов, что, вообще говоря, и выполняется прн использова-
нии в качестве Д1 н Д2 варикапов одного типа и в качестве резона-
торов Пэ1 и Пэ2 резонаторов одного среза, суммарная девиация
частоты
Лсобщ= Д<т + Де2 —- — “ тхрн~0,125и;2пхрн — 0,25и^х^н . (10.15)
Если ит = Um cos Qt, то (10.15) после несложных преобразо-
ваний преобразуется:
Деобщ ~ “ Um хрн cos £2/	£72( Хри—	Uftl хpU cos 2QZ —
10	1о
1	3
- -16- *рн cos ™ - -16" Um e°s •	(10.16)
Первый и пятый члены выражения определяют девиацию раз-
ностной частоты на основной частоте модулирующего сигнала Деи
второй член — сдвиг разностной частоты прн подаче модулирующе-
го сигнала Де0, третий и четвертый члены — девиацию частоты вто-
рой Де2 и третьей Де3 гармоник модулирующего сигнала.
Коэффициент нелинейных искажений модулирующего сигнала
Kf ^УДе24-Д^+... /Д^.	(10.17)
Подставив в (10.17) значения Aelt Де2 и Де3, нз (10.16) полу-
чаем
Kf= — Um----------------2--- (10.18)
10	о
Используя (10.12) и (10.18), можно определить выигрыш в ко-
эффициенте нелинейных искажений при формировании низкочастот-
ного частотно-модулированного сигнала выделением разностной
частоты двух высокочастотных сигналов с непосредственной частот-
ной модуляцией:
fl \ f 3	\ I г---------
5=4{t-Hv +~wu'!iX4l^ 1+t7«x₽H • (l0-19)
Анализ (10.19) показывает, что прн уменьшении хр„ (по абсолютной
величине) выигрыш уменьшается и прн хРа 0, В 2 при. увели-
чений Xptl выигрыш растет. Прн изменении Um наблюдается незна-
чительная зависимость выигрыша по нелинейным искажениям.
Формируя низкочастотный частотио-модулйрованный сигнал
выделением разностной частоты двух высокочастотных сигналов с
непосредственной частотной модуляцией, необходимо особое вни-
мание обращать на стабильность разностной частоты. При идентич-
ных ТЧХ исходных частот и /2,- т. е. когда выполняется условие
kfjfi ~	относительная нестабильность разностной частоты
/р равна относительной нестабильности исходных частот, т. е.
&fp!fp =	= kfJfz-
153
(10.20)
Если условие = Afi/fi ие выполняется, то прн разных
знаках ДЛ н Л/2 нестабильность разностной частоты возрастает.
Температурная нестабильность частоты КГ с непосредственной
частотной модуляцией, как у опорных генераторов, компенсируется
термозавнсимым изменением напряжения смещения на варикапе.
Однако здесь возможны два варианта: компенсация термозавнсимым
изменением напряжения на варикапе, с помощью которого осущест-
вляется частотная модуляция, или же использование для этой цели
дополнительного варикапа.
При использовании варикапа одновременно и для непосредст-
венной частотной модуляции и для термокомпеисации происходит
изменение девиации частоты. Как показал анализ, проведенный в
[231, изменение девиации обусловлено изменением напряжения сме-
щения иа варикапе при осуществлении термокомпеисации, что при-
водит к изменению емкости (приведенного начального сопротивле-
ния хрп) варикапа и приведенного значения модулирующего напря-
жения Um, и изменением начальной отстройки частоты генератора
относительно частоты последовательного резонанса резонатора.
Для у — 1/2, е0 = 0, ха = хп.в = оо относительное изменение
девиации частоты за счет изменения указанных величин опреде-
ляется следующими выражениями:
— (Л//Пн
т
Г	2
1	+ ~ Пн
L	т
2
т
~	2
1 +	(д///)н
т
J bf \	4
6 f =—(Д^)н
\ / До т
где (Л///)п — компенсируемая нестабильность ча<
Оценйв по (10.20)—(10.22) относительное изменение девиации
частоты, можно сделать вывод о допустимости использования варн-
капа одновременно н для частотной модуляции и для компенсации
температурной нестабильности частоты. Если изменение девиации
превышает допустимое значение, то для осуществления термокомпен-
сацнн включается дополнительный варикап. В данном случае отно-
сительное изменение девиации, обусловленное компенсацией темпе-
ратурной нестабильности частоты, определяется лишь изменением
начальной отстройки, т. е. нз выражения (10.22).
Частоту КГ в процессе эксплуатации целесообразно корректи-
ровать также с помощью варикапов, что позволяет это делать ди-
станционно, Если генератор представляет собой функционально за-
конченный герметичный блок, коррекция частоты с помощью варн-
капа особенно удобна, поскольку не требует нарушения герметич-
ности блока, как это требуется при коррекции частоты с помощью,
допустим, перестраиваемой катушки индуктивности.
(10.21)
(10.22)
154
Корректировать частоту можно изменением смещения кйк На
варикапе, с помощью которого осуществляется модуляция, так и на
варикапе, с помощью которого осуществляется компенсация темпе-
ратурной нестабильности частоты, если Для этой цели используется
отдельный варикап. При этом относительное нзменеияе девиации
частоты или дополнительная температурная нестабильность ТККГ
определяется также по (10.20)—(10.22). При этом вместо (А///)н
подставляется относительное отклонение частоты, выбираемое при
проведении коррекции.
Кроме того, при определении дополнительной температурной
нестабильности ТККГ необходимо учитывать изменение ТКЕ ва-
рикапа нз-за изменения напряжения смещения.
Из [102] известно
ТКЕ=—;	ТК ФР + (1-?) ТКе,
( +Ан/<рр)
где ТК фр — температурный коэффициент контактной разности
потенциалов фр, типичное значение ТК Фр порядка —3-10~3 К-1;
ТКе — температурный коэффициент диэлектрической проницае-
мости.
По данным [90] для кремниевых варикапов ТКе = 120 — 150 X
X 10-° К-1, по данным [30] его значение несколько больше:
200- 10~6 К-1. Изменение ТКЕ варикапа при изменении напряжения
смещения приводит к изменению ТЧХ генератора: при уменьшении
напряжения смещения ТЧХ генератора разворачивается по часовой
стрелке, при увеличении — против. Анализ различных вариантов
коррекции изменения частоты КГ показал, что из-за изменения ТКЕ
дополнительная температурная нестабильность ± (0,5— 1,5)-10-в.
Конструктивно КГ с непосредственной частотной модуляцией
могут быть выполнены самым различным образом, в зависимости от
требований к параметрам. Они могут быть частью общего тракта уст-
ройства и размещаться на общей печатной плате с остальными кас-
кадами; представлять собой функционально законченные блоки, вы-
полненные с применением дискретных корпусных элементов или
бескорпусных элементов и интегральной технологии.
Пример расчета. Исходные данные: частота f — 15 МГц; деви-
ация частоты ± 5 кГц при модулирующем напряжении пмод 2,5 В;
коэффициент нелинейных искажений- К<^5%; напряжение пи-
тания 12 В ± 20% .
1.	Выбираем резонатор АТ, работающий на основной частоте.
Параметры резонатора RK — 40 Ом; т= 4-10~3; Со = 5,5 пФ.
2.	Выбираем транзистор КТ324, крутизна характеристики ко-
торого при токе коллектора 1—2 мА составляет 35—50 мА/В.
3.	Определяем управляющее сопротивление генератора
Ry = l/«Yi (6) = 1/(35-10-3-0,2) = 143 Ом.
Сопротивление Ry определено для минимального значения кру-
тизны 35 мА/B н коэффициента запаса по возбуждению К3 = 5
(Vi (0) = 0,2).
4.	Находим значения емкостей обратной связи генератора
Х1 = V^k/STi (6) Xft = У40/35-10-3-0,2-0,4 = 120Ом,
т. е. С3_к » 91 пФ; Х2 =	= 0,4-120 = 48 Ом, т. е. Сб-Э =
= 220 пФ.
155
5.	Как следует Из исходных данных, минимальное напряжение
питания 9,6 В, максимальное 14,4 В. Для уменьшении изменения
частоты генератора от изменения напряжения питания необходима
стабилизация напряжения питания.
Поскольку минимальное напряжение питания 9,6 В, то уровень
стабилизированного напряжения обычно составляет 6—8 В. Такой
уровень обеспечивается стабилитронами КС168А. Амплитудное зна-
чение модулирующего напряжения равно 2,5 X 1,41 = 3,525 В,
поэтому для предотвращения открывания варикапа модулирующим
напряжением и напряжением высокой частоты выбираем напряже-
ние смещения на варикапе равным 5 В. Приведенное значение моду-
лирующего напряжения ит = 3,525/(5 + 0,5) = 0,641.
Из (10.6) находим
	W---------
Хрн~ /п/-----------------------------_./А/	1
5000/15-10®
= ----------------------------------------=-0,71.
, / 5000	\
(1/1 + 0,641 — 1)	—о,5-4-10“3
\ 15, 10®	/
Определяем емкость варикапа прн напряжении смещения 4 В:
I
(05+4\2
—д—!—	=8,56 пФ.
0,5+5 /
Из серийно выпускаемых варикапов такую емкость можно
обеспечить, используя последовательное соединение двух варика-
пов, КВ 112Б (емкость 12—18 пФ прн напряжении смещения 4 В).
Для удобства схемной реализации используем встречно-последо-
вательное соединение, когда варикапы соединяются последовательно
в частотозадающую цепь генератора и параллельно по отношению
к модулирующему напряжению н напряжению смещения.
Из (10.9) определяем индуктивность катушки, которую необ-
ходимо включить последовательно с резонатором для обеспечения
иозможностн работы вблизи частоты последовательного резонанса
резонатора. Находим для двух граничных значений емкости вари-
капов КВ112Б значение индуктивности
_ _^з_£рн+^£^рн+£з_£<_ _
со2 С pjj С3 С4
220-(6 <- 9)- 1р-2«+91 -(6 -Ь 9) - 10-2*+220-91 • 10~24
(2-3,14-15- Ю®)2 (6 4- 9)-220-91 • Ю-3®
= 20,5—14,3 мкГн.
Среднее значение индуктивности £ср = (20,5+ 14,3)/2= 17,4 мкГн.
Катушка индуктивности должна быть перестраиваемой с коэффи-
циентом перекрытия ± 20%, т. е. при среднем положении подстро-
ечннка должна обеспечиваться индуктивность 17,4 мкГн, прн вве-
денном подстро.ечннке 20,5 мкГн, при выведенном (индуктивность
катушки без подстроечника) 14,3 мкГн.
Можно использовать и неперестранваемую катушку с индуктив-
ностью 20,5 мкГн, а номинальное значение частоты устанавливать
156
изменением емкости конденсатора, включенного последовательно с
катушкой индуктивности. Прн индуктивности 14,3 мкГн номиналь-
ную частоту устанавливать изменением емкости конденсатора, под-
ключаемого параллельно катушке индуктивности. Вместо конден-
сатора в обоих рассматриваемых вариантах можно использовать н
дополнительный варнкап. Подробно этот вопрос рассмотрен в [23].
Из (10.10) определяем коэффициент нелинейных искажений
К} = 0,25ит (1/2 — хрн) = 0,25-0,641 -(0,5 + 0,71) = 0,194, т. е.
коэффициент нелинейных искажений равен 19;4%, что значитель-
но превышает значение, заданное в исходных данных (5%). Для
уменьшения Kf подключаем катушку индуктивности параллель-
но резонатору. Приведенное сопротивление индуктивности опреде-
Z72 100к
“ “0(Ллл л.
ЯП 750 А
Рис. 10.8. Схема частотно-модулнрованного КГ с открытым входом
ляем нз (10.11): хп = — 2хрн/(1 - 2хрн) = 2-0,71/(1 + 2-0,71) =
— 0,587, Поскольку хп = <о£/|ХС(>| = <о2£С0, то L = хп/<о2Со;
Lt = 0,587/(6,28-15-106)2-5,5-IO-»2 = 12 мкГн.
Проверяем коэффициент нелинейных искажений с учетом вклю-
чения параллельно резонатору катушки индуктивности. Используя
(10.14) для у = 1/2, е0 = 0 и хпв ~ °°> получаем
Kf = 0,25«m [1/8 - 0,25хрН (1 - 1/хп) + 0,25хрн (1 — 1/хп)а] =
= 0,25-0,6412• [0,125 + 0,25-0,71 (1 — 1/0,587) + 0,25-0,712 X
X (1 — 1/0.587)2] = 0,0064.
Таким образом, включение катушки индуктивности параллель-
но резонатору позволяет уменьшить коэффициент нелинейных ис-
кажений до 0,64%, т. е. обеспечить требования по нелинейным ис-
кажениям.
Для предотвращения паразитного возбуждения через катушку
индуктивности L1 необходимо последовательно с ней включить ре-
зистор. Сопротивление резистора обычно не превышает 150—300 Ом,
конкретное значение определяется в процессе экспериментальной
отработки макета генератора.
Схема генератора приведена на рис. 10.8. Экспериментальная
проверка макета подтверждает результаты расчета. Девиация А/ =
157
= -t S кГц обеспечивается при модулирующем напряжении пмод ==*
= 2,2 В, коэффициент нелинейных искажений ие превышает 1%.
В рассмотренном варианте генератора для получения задан-
ного значения емкости использовано встречно-последовательное со-
единение двух варикапов. Иногда, особенно когда емкость варика-
па незначительно отличается от определенной расчетным путем,
для получения заданного значения девиации частоты при заданном
модулирующем напряжении используется включение реактивного
сопротивления параллельно варикапу.
Если емкость варикапа меньше заданной, то параллельно ему
включается конденсатор, при емкости варикапа больше заданной
параллельно ему включается катушка индуктивности
R3 51 к
Рис. 10.9. Схема управляемого по частоте КГ с индуктивностью, параллельной
варикапу
При включении катушки индуктивности параллельно варикапу
необходимо соблюдать условие |Хд| > |ХРИ| на частоте генерации,
при |XL| — |ХрН| резонансная частота контура, образованного
индуктивностью н емкостью варнкапа, равна частоте генератора,
и генерация невозможна.
При |XL| < |ХРн| контур на частоте генерации имеет индук-
тивную реакцию, при этом увеличиваются потери в цепи резонатора,
увеличивается коэффициент нелинейных искажений.
Схема генератора с катушкой индуктивности, параллельной
варикапу, приведена на рис. 10.8. При индуктивности 12 мкГи
крутизна характеристики управления возрастает более чем в 2,8 ра-
за по сравнению с тем, когда катушка индуктивности параллельно
варикапу не включается.
10.4. Генераторы с частотной манипуляцией
Рассмотрим схемы КГ с частотной манипуляцией, которые по-
зволяют обеспечить скорость манипуляции до нескольких десятков
тысяч бод с разносом частот манипуляции, составляющим несколько
процентов при высокой стабильности частоты.
158
Кварцевые генераторы с частотной манипуляцией являются раз-
новидностью КГ, управляемых по частоте. Особенности работы КГ
с частотной манипуляцией рассмотрены в [17, 6, 101). При частот-
ной манипуляции, в отличие от частотной модуляции, необходимо
получить и передать два значения частот маиипулиции, соответст-
вующих посылке отжатия /0 и посылке нажатня /н. Основными пара-
метрами КГ с частотной манипуляцией являются: значения частот
манипуляции /0 и /н; разнос между частотами манипуляции fa —fH
и -скорость манипуляции — число элементарных посылок, переда-
ваемых в одну секунду.
Самым простым способом осуществления частотной манипуля-
ции является применение двух КГ, частота одного из которых рав-
на частоте посылки отжатия /0, а второго — посылки нажатия [н.
При низкой .скорости манипуляции можно получить частотно-маии-
пулированный сигнал с помощью двух генераторов, частота одного
нз которых равна/о, а другая/н, и коммутации их по цепи питания.
Время установления колебаний в генераторе f = AQlf, где t —
время, мс; Q — добротность резонатора; f — частота, МГц; А —
коэффициент, зависящий от потерь, вносимых элементами генера-
тора в цепь резонатора, и запаса по возбуждению; обычно А =
= 0,2 4- 0,5.
Данный способ можно применять при скорости манипуляции,
бод, не более
А/ С 500/MQ.	(10.23)
При этом время установления колебаний не превышает 1/4 дли-
тельности элементарной посылки. Из анализа (10.23) вытекает, что
при таком способе скорость манипуляции не превышает 100—150 бод.
Примерно такую же скорость манипуляции можно обеспечить,
применяя переключение резонаторов в одном генераторе.
Наиболее высокую скорость манипуляции можно получить при
переключении двух КГ по выходному напряжению. В данном слу-
чае оба генератора находятся в рабочем состоянии, а их выходы с
помощью специальных ключей коммутируются на нагрузку.
Недостаток такого способа частотной манипуляции — слож-
ность ключей, с помощью которых осуществляется манипуляция, так
как они должны обеспечить необходимое подавление частоты f0
при передаче посылки, соответствующей частоте /н, и, наоборот,
подавление частоты /н при передаче посылки, соответствующей ча-
стоте /0.
Общим недостатком двух рассмотренных выше способов частот-
ной манипуляции является то, что телеграфирование осуществляет-
ся с разрывом фазы посылки отжатия и нажатия, а это приводит к
расширению спектра частотно-манипулированного сигнала.
Наиболее широкое применение в настоящее время получил спо-
соб частотной манипуляции изменением реактивного сопротивления,
включенного в частотозадающую цепь генератора. Причем реактив-
ное сопротивление изменяется электронной коммутацией конденса-
торов или катушек индуктивностей или изменением напряжения
смещения на варикапе.
На рис. 10.10 приведена схема КГ, в котором манипуляция осу-
ществляется подключением индуктивности L1 параллельно конден-
сатору С2, включенному последовательно с резонатором Пэ1, с по-
мощью диода Д1. Частота посылки отжатия обеспечивается при зак-
рытом диодеД!, когда с ключа подается положительное напряжение,
159
запирающее диод. Это напряжение должно превышать подаваемое
на диод иаприженне с делителя Rl, R3. Значение частоты отжатия
определяется емкостью конденсатора С2, номинальное значение f0
устанавливается с помощью катушки индуктивности L2. Посылка
нажатия формируется, когда напряжение, поступающее на диод
Д1 с ключа, равно нулю, и днод Д1 через резистор R4 и ключ соеди-
няется с корпусом. Днод Д1 открывается напряжением с делителя
Rl, R3, катушка индуктивности L1 подключается параллельно
конденсатору С2. Прн этом обеспечивается индуктивный характер
реактивного сопротивления контура L1C2.
Рис. 10.10. Схема КГ с частотной маннп-уляцнсй нзмснсннсм реактивного со-
противления
Из условия обеспечения работы генератора па частоте отжатия
емкость
= - Со (fo (I -Во) - f к [ I + о. 5m (I - е0)я - Col} /(/о - w,
где е0 — приведенная начальная отстройка частоты генератора от-
носительно fK до включения в генератор конденсатора С2.
Для обеспечения работы на частоте нажатня /я необходимо
д __ Ср Рн (1 —ер)—Гк [1 +0,5т (1 —ер)2— gpl} + Рп—/к) (Са + С3)
0,2 С3 {(fa—/к) Сг + {fa (1 —ео) — fn 11+0,5т (1 —е0)“—е0]} Со)
(10. 24)
Учитывая, что конденсатор СЗ разделительный, т. е. его емкость
С, > С2, выражение (10.24) можно упростить:
^-1= Рн /к)/®2 {(/и /к) С2-f- Рн (1 ей)
—/к [1+0,5m (1 —е0)2—е0]} Со}.
Номинальное значение fa устанавливается изменением индук-
тивности Lj, поэтому катушка LI должна быть перестраиваемой.
Прн номинальных значениях элементов, приведенных на рнс. 10.10,
160
и прн использования резонатора АТ с т. = 4-Ю-3, Со = 10 пФ,
fK = 10 МГц обеспечивается разнос частот манипуляция Л/= ЮкГц.
Схема проста в регулировке, позволяет осуществлять манипу-
ляцию со скоростью несколько сотен бод, не требуя стабнлнзацнн
напряжения питания.
Более высокую скорость манипуляции можно получить, если
осуществлять манипуляцию изменением уровня напряжения смеще-
ния на варикапе, включенном в генератор (рнс. 10.11). Напряжение
смещения подается на варикап с делителя R1—R4. Посылка отжатня
формируется прн разомкнутом резисторе R4, это обеспечивает вы-
Рис. 10.11. Схема КГ с частотной манипуляцией изменением уровня напряже-
ния на варикапе
сокнй уровень напряжения смещения на варикапе Д1. Номинальное
значение частоты посылки отжатия f0 устанавливается с помощью
резистора R4.
Для формирования частоты посылки иажатня fH резистор R4
закорачивается с помощью ключа. Номинальное значение частоты
нажатия устанавливается с помощью катушки индуктивности L1.
Причем прн регулировке генератора сначала ключ замыкается н
устанавливается с помощью L1 частота/н, потом прн разомкнутом
ключе с помощью R4 устанавливается частота f0 для предотвра-
щения изменения частоты f0 прн регулировке fn и наоборот.
Частота посылки отжатня
/o = Zk( 1-4- т	(10.25)
\	2	1 — Хуо/
где Хуо= X/д -Ь Хрно “Ь *с2 хсз + xci’’ хи ~	—
приведенное реактивное сопротивление катушки индуктивности
L1; Хрно — приведенное реактивное сопротивление варикапа- при
напряжении смещения, соответствующем посылке отжатня.
Переход с частоты отжатня на частоту нажатия, осуществляе-
мый изменением напряжения смещения на варикапе, обеспечивается
изменением хрн() на
Ax=(fH—f0)/(l — е0) [(fH—f0)—0,5mfK (1—e0)J,	(10.26
161
где е0 = (f0 — fK)/0,5mfK — приведенная отстройка частоты отжа-
тия относительно частоты последовательного резонанса резонатора.
С другой стороны, изменение хрнд на Дх обеспечивается изме-
нением напряжения смещения на варикапе от Етах до Emjn:
Лх=хрн0(1/Т+й~1),	(10.27>
где и = (Emin — Етах)1(Етах + <рр) — приведенное изменение на-
пряжения смещения на варикапе.
Минимальное напряжение смещения выбирается таким, чтоб»
варикап не открывался под действием напряжения высокой часто-
ты; обычно Emin =14-1,5 В. Максимальное напряжение Етах
выбирается обычно близким к напряжению питания или к стабили-
зированному напряжению, как на рнс. 10.11. Это позволяет полу-
чать максимальный перепад напряжений прн переходе от fH к
н обеспечить заданный разнос частот манипуляции прн максималь-
ной емкости варикапа, что, в свою очередь, уменьшает дестабилизи-
рующее влияние изменения емкости варикапа из-за старения, а так-
же от механических и климатических воздействий на частоту гене-
ратора.
Порядок расчета элементов цепи управления прн частотной ма-
нипуляции изменением напряжения смещения на варикапе следую-
щий:
нз (10.26) находится Дх;
нз (10 27) прн выбранных значениях Ет-1П и Етах находится
*pho'>
по найденному значению хрн0 определяется заданная емкость,
варикапа при напряжении смещения 4 В: Срн = — Со X
4- ~1'/'(Етах 4“ ФР)/(4В 4- <рР)/хрн0;
нз (10.25) определяется ху0 н по известному значению ху0 на-
ходятся Хд, н £j.
Прн манипуляции изменением напряжения смещения на вари-
капе скорость манипуляции может достигать нескольких десятков
тысяч бод. Прн этом должны предъявляться жесткие требования к
моночастотности резонатора. Разнос частот манипуляции может
быть (1000—2000)-10 6. Для обеспечения большего разноса частот
манипуляции применяют другие способы и схемные решения полу-
чения частотно-маннпулнрованного сигнала.
В [6] описан КГ с частотной манипуляцией, в котором часто-
та отжатия и нажатия формируется благодаря некратностн частот
основного колебания резонатора н колебаний высшнх порядков.
Резонатор в таком генераторе возбуждается на частоте колебания
n-го порядка, что может соответствовать частоте посылки отжатия
или нажатия в зависимости от параметров резонатора эта частота
может быть как меньше, так н больше умноженной в п раз частоты
основного колебания.
С помощью электронного ключа в генераторе производят соот-
ветствующие переключения и обеспечивают фазовые соотношения на
основной частоте. Схема такого генератора приведена на рнс. 10.12.
Генератор собран по емкостной трехточечной схеме на транзисторе
Т2 прн разомкнутом ключе н закрытом дноде Д1, контур L2CS
настроен так, что фазовые н амплитудные соотношения выполняются
для определенного порядка колебаний. Причем для колебаний бо-
лее низкого порядка этот контур имеет индуктивную реакцию, т. е.
фазовые соотношения не выполняются, а для колебаний более вы-
162
сокого порядка не выполняются амплитудные соотношения. Прн за-
мыкании ключа параллельно конденсатору С5 включается конденса-
тор С8 (конденсатор СЮ — блокировочный, т. е. его емкость
Сю » С8 я ее можно не учитывать), частота настройки контура по-
нижается, что обеспечивает фазовые н амплитудные соотношения
для колебания более низкого порядка. Такой способ частотной мани-
пуляции позволяет получить разнос между частотами манипуляции
в несколько процентов прн высокой стабильности частоты н высо-
кой скорости манипуляции.
Перспективным направлением, особенно с учетом развития ин-
тегральной технология, является применение в КГ с частотной ма-
нипуляцией специальных резонаторов. На одном пьезоэлементе раз-
Рис. 10.12. Схема КГ с частотной манипуляцией изменением фазовых соотно
шеннй
мещаются два акустически связанных резонатора, частоты которых
равны соответственно f0 н fH. Акустическая связь позволяет осущест-
влять манипуляцию с большой скоростью, габаритные размеры ге-
нератора получаются минимальными. Данный способ частотной ма-
нипуляции является частотным случаем многочастотных КГ и под-
робнее рассмотрен в разд. 11.
Для повышения температурной стабильности частот посылок
отжатая н нажатня f0 н fH широко применяется термокомпенсацни.
Отличительной особенностью, по сравнению с опорными генерато-
рами, здесь является то, что термокомпенсацни должна быть на
двух частотах, характеризующихся различными отстройками отно-
сительно частоты последовательного резонанса резонатора. Здесь н
далее будем рассматривать вариант реалнзацнн генератора с ча-
стотной манипуляцией, когда манипуляция осуществляется изме-
нением реактивного сопротнвлення в частотозадающей цепи гене-
ратора.
Прн частотной манипуляции переключением индуктивностей
нли емкостей наиболее целесообразно строить генератор по функцио-
нальной схеме, приведенной на рнс. 10.13. В данном случае исполь-
зуется одни термозависнмый потенциометр для компенсаций темпе-
163
ратурной нестабильности частот /я н f0. Для этого производится све-
дение ТЧХ частот /о и /я, при этом достигается совпадение ТЧХ
fa и /н. Сведение ТЧХ производится с помощью реактивных сопро-
тивлений предварительной компенсации хпр.к.о и хпр.к.н частот от-
жатия и нажатия соответственно. Обычно хпр.к — это коиденса-
Рис. 10.13. Функциональная схема ТККГ с частотной манипуляцией
торы определенной группы по ТКЕ. Изменением величины емкос-
ти этих конденсаторов и производится сведение ТЧХ. Посколь-
ку термокомпенсацня производится изменением напряжения сме-
щения на варикапах Д1 н Д2, то использовать один ТЗП можно лишь
при одинаковой крутизне характеристики управления, что и до-
Рис. 10.14. Функциональная схема КГ с частотной манипуляцией при исполь-
зовании одного варикапа для частотной манипуляции и термокомпеисации:
flt—при отсутствии дополнительных реактивных сопротивлений; б — при
их коммутации
стигается с помощью Хвыр.о и ^выР.и-С помощью этих реактивных
сопротивлений регулируется и выравнивается крутизна. Так как
обычно это конденсаторы, то изменяется их емкость.
В [8] приведена схема ТККГ с частотной манипуляцией, в ко-
тором верхняя и ннжняя частоты манипуляции обеспечиваются из-
менением уровня напряжения смещения на варикапе.
Если частотная манипуляция осуществляется изменением уров-
ня напряжения смещения на варнкапе, то наиболее целесообразна
164
термокомпенсация термозавнсимым изменением напряжения па
этом же варикапе при использовании двух ТЗП. Функциональная
схема такого генератора приведена на рис; 10.14, а.
В данном случае температурная нестабильность частоты нажа-
тия /и компенсируется с помощью ТЗП1, подключенного к варикапу
через диод Д1. С помощью ключа подается напряжение на ТЗП2,
который, в свою очередь, через диод ДЗ подключается к варикапу
Д2. Напряжение на варикапе повышается на величину, необходи-
мую для обеспечения работы генератора на частоте отжатия fa- Диод
Д1 этим напряжением запирается и отключается от варикапа Д2.
В том случае, когда необходимый разнос частот манипуляции не мо-
жет быть обеспечен изменением напряжения смещения на варикапе,
одновременно с изменением напряжения на варикапе производит-
ся н коммутация реактивных сопротивлений XI и Х2, как это пока-
зано на функциональной схеме рис. 10.14, б.
Применение термокомпеисации позволяет обеспечить высокую
стабильность частот манипуляции в широком интервале температур.
Элементы цепей термокомпеисации рассчитываются точно так же,
как и в разд. 7.
11.
МНОГОЧАСТОТНЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
11.1.	Многокварцевые генераторы
Для получения большого числа высокостабяльных частот целе-
сообразно использовать опорные КГ с синтезатором частоты.
Для получения малого числа стабильных частот, например в
малоканальной аппаратуре связи, рекомендуется использовать КГ
на несколько частот. Наиболее широко в этом случае применяется
способ переключении резонаторов с помощью электронных ключей,
которые обеспечивают дистанционное переключение и сравнительно
большие скорости переключения. В качестве электронных ключей
могут быть использованы полупроводниковые диоды.
Коммутационные диоды должны иметь малое сопротивление в
открытом состоянии и малую проходную емкость в закрытом со-
стоянии. Одним из таких диодов ивляется кремниевый диод КД512А.
Его прямо? сопротивление равно 20—40Ом прн токе в прямом на-
правлении 5—10 мА, емкость менее 1 пФ прн напряжении не ме-
нее 5 В, габариты 0 1,2 X 2,8 мм. Диоды включаются последова-
тельно с резонаторами. Наиболее простой являбтся схема с включе-
нием коммутационных диодов в низкопотепцнальную цепь. Для
уменьшения паразитных емкостей неработающих резонаторов и ин-
дуктивностей коррекции частоты относительно земли целесообразно
включать коммутационные диоды в высокочастотную часть. Одна
из таких схем показана на рис. 11.1.
Диоды Д1—ДЮ служат для коммутации резонаторов. Работаю-
щий резонатор подключен к базе транзистора Т1 через открытый
диод с помощью подачи на соответствующий контакт напряжения
«кл! остальные диоды заперты падением напряжения на резисторе
R11. Конденсаторы С1—С10 — блокировочные. Прн необходимости
коммутации большего числа резонаторов можно разделять резона-
торы на группы, которые, в свою очередь, коммутируются дополни-
165
тельными диодами. Следует отметить, что включение коммутацион-
ных диодов несколько ухудшает условия возбуждения и приводит
к увеличению нестабильности в интервале температур из-за изме-
нения параметров диодов.
В тех случаях, когда целесообразно не ухудшать стабильность
частоты и условия возбуждения генератора и уменьшить ток по-
требления цепей коммутации, целесообразно применять коммутацию
ие резонаторов, а кварцевых генераторов, при этом обеспечивается
повышенная стабильность частоты из-за отсутствия коммутацион-
ных диодов в цепях резонаторов. Повышенная экономичность до-
стигается коммутацией по базам транзисторов. Вариант такой схемы
показан иа рис. 11.2. Эта схема состоит нз 10 генераторов, которые
Рис. 11.1. Схема с коммутацией кварцевых резонаторов
Рис. 11.2, Схема с коммутацией КГ
166
работают по емкостной трехточечной схеме с включением в цепь кол-
лектора транзистора входного сопротивления усилительного кас-
када на транзисторе Т11 с общей базой [5].
Такое включение позволяет повысить стабильность выходного
напряжения прн малом токе потребления. Для включения нужного
канала следует подать на клемму икЛ соответствующее напряжение.
Рис. 11.3. Схема мпогокварцевого ТККГ с термокомпеисацией частоты
На других клеммах напряжение должно отсутствовать. При этом
другие генераторы работать ие будут н соответственно не будут по-
треблять энергию. В качестве напряжения, подаваемого на соот-
ветствующие клеммы, может быть использовано напряжение Еа, ко-
торым питаются генераторы.
Рис. 11.4. Схема мпогокварцевого ТККГ с одним (общим) варикапом
Для повышения стабильности частоты необходимо применять
термокомпенсацню. Целесообразно термокомпеисировать каждый
резонатор (генератор) индивидуально. Одни нз вариантов термоком-
пенсацнн четырех резонаторов показан на рис. 11.3 прн использо-
вании одной (общей) активной части генератора. В этой схеме по-
следовательно с резонаторами включаются варикапы (Д1—Д4),
на которые подаются напряжения необходимой формы с термозавнен-
мых потенциометров (ТЗП1—ТЗП4). Следует отметить, что в данных
167
схемах компенсируется и изменение частоты генератора в интерва-
ле температур, обусловленное влиянием ключей.
Можно использовать в таких схемах один (общий) варикап
(рис. 11.4). При включении соответствующего ключа необходимый
резонатор и соответствующий термозависимый потенциометр подклю-
чаются через один из диодов Д1— Д4 в варикапу Д5, другие дноды
в это время закрыты, чем и достигается отключение остальных ТЗП.
В схемах (см. рнс. 11.3 и 11.4) не показаны корректоры частоты, ко-
торые при необходимости включаются последовательно с резонато-
рами. При малых расстройках (примерно 2—10 кГц на 10 МГц)
можно использовать одни резонатор для стабилизации ряда близко-
расположенных частот.
11.2.	Генераторы на несколько близкорасположенных
частот с одним кварцевым резонатором
В некоторых случаях необходимо получить ряд стабильных ча-
стот с малым интервалом между ними. Такая необходимость появля-
ется, в частности, в современных связных радиостанциях с малым
числом каналов связи и малым разносом частот между ними. Следует
отметить, что по мере повышения частоты связи относительный раз-
нос между соседними каналами связи уменьшается; прн разносе
25 кГц относительные разносы равны 156-10-®; 76-10~® и 55-10~®
на частотах связи 160, 330 и 450 МГц соответственно. По мере
уменьшения разноса между каналами и дальнейшего повышения ча-
стот связи интервал частот будет еще меньше. В этих случаях целе-
сообразно использовать одни резонатор для стабилизации ряда близ-
корасположенных частот. Переход с одного канала на другой осу-
ществляется коммутацией реактивных элементов, включенных обыч-
но последовательно с резонатором.
Число каналов связи, которые можно стабилизировать одним
резонатором, определяется в основном диапазоном частот, разносом
между каналами связи, допустимой стабильностью частоты, влияни-
ем элементов одного канала на другой и устойчивостью генератора
к паразитному возбуждению. При разносе между соседними канала-
ми 100 — 200-10_® практически ограничиваются 4—10 соседними
каналами связи с использованием одного резонатора. Диапазон
частот таких генераторов целесообразно выбирать в пределах 10—
30 МГц прн работе резонатора по основной частоте. Сдвиг часто-
ты резонатора достигается включением в каждый канал реактив-
ного сопротивления
Хсдв =-------£канД^°----|Х I
Я (1 —е0) (1- екан) 1 Са|
Вариант четырехканального однокварцевого генератора пока-
зан на рнс. 11.5. Активная часть генератора обозначена через ЛЧГ.
Стабильность частоты такого генератора будет несколько меньше
стабильности частоты одноканальиого генератора за счет влияния
ключей, нестабильности сопротивлений Хсдв и изменения ТЧХ ре-
зонатора при изменений его частоты. При работе резонатора на
частоте канала, отличного от частоты последовательного резонанса,
изменение ТЧХ
Д///=ат(^кан-А<)(^-^)/А<.	(П-1)
168
Изменение ТЧХ резонатора иа различных каналах по отноше-
нию к ТЧХ резонатора на последовательном резонансе можно ском-
пенсировать включением последовательно с резонатором реактивно-
го сопротивления предварительной компенсации Хйр.к с темпера-
турным коэффициентом ар определенного знака. Вызванное вклю-
чением Хпр.к изменение ТЧХ
= OT<XP ~Г^Р *1 ([ —gHan)2(f —О1-2)
пр.к	I
Рис. 11.5. Схема четырехканального КГ с использованием одного кварцевого
резонатора
Величину Хпр.к (или его температурный коэффициент) можно най-
ти, приравнивая с обратным знаком правые части (11.1) н (11.2).
Тогда
v	„ । v । екан
ap^np.K--am|XcJ (1_екан)2	•
В таких схемах можно получить стабильность в интервале
температур от — 30 до + 60° С не хуже ± (15—20)- 10-в. Дальней-
шее повышение стабильности частоты может быть получено прн при-
менении термокомпеисации.
Рис. 11.6. Схема четырехканального ТККГ с отдельной термокомпенсацней
каждого канала
Хорошие результаты по повышению стабильности частоты дает
термокомпеисации каждого канала связи (рнс. 11.6). Прн этом в
каждый канал связи последовательно с Хсдв включен варнкап, на-
пряжение на котором определяется своим термозависимым потенцно-
169
метром. Для уменьшения габаритов и стоимости генератора Целесо-
образно использовать одни термозавнснмый потенциометр для ста-
билизации нескольких каналов связи. Трудности использования
одного ТЗП заключаются в том, что температурно-частотная ха-
рактеристика резонатора, крутизна характеристики управлении и
влияние реактивных сопротивлений, включенных для сдвига часто-
ты, изменяются прн переходе с одного канала связи на другой. Для
уменьшения влияния разброса ТЧХ различных каналов связи следует
предусмотреть в каждом канале реактивные сопротивления предва-
рительной компенсации Хпр,н с температурным коэффициентом
Рис. 11.7. Схема четырехканальиого КГ с использованием общего ТЗП
ар определенного знака н реактивные сопротивления Хвыр, под-
ключенные параллельно варикапам, выравнивающим крутизну
характеристик управления:
^выр——Хря! екая-	(11 • 3)
Величина ХПр.к или его температурный коэффициент могут быть
получень. нз (1Г.2).
Схема четырехкаиального однокварцевого генератора с одним
общим термозавнснмым потенциометром показана иа рнс. 11.7.
Возможен н другой вариант построения схемы многоканаль-
ного возбудителя с одним резонатором и одним ТЗП, в которой ис-
пользуется выравнивание эффекта компенсации по различным кана-
лам изменением компенсирующего напряжения Д{/к, подаваемого
на варикапы. Для этого необходимо между выходом ТЗП н варнкапа-
мй каналов включить согласующие устройства с коэффициентом
передачи напряжения
г, _ А{/Иан1  /1 — еканп \2
А перп-- .,,	— ( .	I '
Амцанп \ 1 екаи1 /
Можно использовать для термокомпенсацни одни ТЗП и одни
общий варнкап (рнс. 11.8). Прн подключении необходимого канала
170
одновременно тем же ключом обеспечивается подключение парал-
лельно варикапу реактивного сопротивления Лвыр, которое также
определяется из (11.3).
Рассмотрим более подробную принципиальную схему четырех-
каиального КГ, термокомпёнсированного по структурной схеме
рнс. 11.7. Генератор (рнс. 11.9) выполнен по схеме емкостной трех-
Рис. U.S. Схема четырехканального КГ с общими ТЗП н варикапом
точки на транзисторе Т2 КТ316Б. На каскодно включенном тран-
зисторе Т1 собран резонансный усилитель, Транзистор ТЗ н стаби-
литрон ДИ образуют стабилизатор питающего напряжения. Сдви-
RZ3
к М/С
Рис. 4.9. Принципиальная схема четырехканального КГ
частоты каналов осуществляется катушКамн индуктивности L1 —
L4, предварительная компенсация— с помощью конденсаторов С1,
С4, С7, СЮ, а выравнивание крутизны характернстнкн упоавлення
— конденсаторамн С2*, С5*, С8*, СИ*.
171
Каналы связи можно переключать с помощью автоматического
коммутатора каналов АКК. .Прн включении, например, первого ка-
нала связи АКК открывает ключ Кл1 н последовательное резона-
тором включаются все те реактивные элементы, которые определяют
характеристики первого канала связи. Одновременно остальные
ключи Кл2—Кл4 с помощью АКК надежно закрыты, чем исключа-
ется влияние остальных каналов связи ца работающий канал
(см. рис. 11.7). В качестве ключей используются дноды КД512А,
имеющие малую емкость (1 пФ при смещении 5 В). Дроссели Др 1 —
Др5, резисторы R15, R 17, R19, R21, R23, конденсаторы СЗ, Сб, С9,
С12 надежно блокируют каналы связи по высокой частоте от АКК-
Прн включении первого канала резистор R 15 через весьма малое
сопротивление открытых транзисторов, входящих в состав АКК,
подсоединяется к корпусу. Одновременно на остальные диоды, Д6,
Д8, ДЮ, от АКК подается запирающее напряжение + 9 В. На по-
ложительные выводы этих диодов поступает напряжение + 3,5 В,
образуемое делителем напряжения R23, R15. Таким образом, дио-
ды надежно закрыты напряжением, равным 5,5 В. После того как
каналы связи предварительно скомпенсированы конденсаторами
С1, С4, С7, СЮ, а крутизна характеристики управления выравнена
с помощью конденсаторовСЗ*, С5*, С8* и Cl 1 *, напряжение компен-
сации будет в равной степени воздействовать на частоты всех четырех
каналов связи н все онн будут термокомпеНснрованы. Схема термо-
компенсацнн аналогична схеме одноканального генератора и рас-
смотрена ранее в разд. 7.
Стабильность частоты генератора в интервале температур от
— 30 до + 50° С не хуже ± 4-10“в. Указанная стабильность ча-
стоты соответствует рекомендациям МККР н удовлетворяет требова-
ниям ГОСТ, в частности требованиям, предъявляемым к системе
подвижной УКВ радиосвязи «Алтай», работающей в диапазоне ча-
стот 300—346 МГц. При использовании в системе «Алтай» 24-кратно-
го умножения частоты н разноса между каналами связи приемопере-
датчика 25 кГц частота генератора должна быть в пределах от 12,5
до 15 МГц, а разнос между каналами связи генератора соответствен-
но составит 1 кГц. Прн разносе между каналами связи приемопере-
датчика 50 кГц эта величина равна 2 кГц.
Технические характеристики четырехканального генератора
Число каналов связи .................... 4
Разнос между каналами связи, кГц .	.	. I—2
Диапазон рабочих частот, МГц	.	.	. .	10—15
Температура окружающей среды, °C . . .От —30 до +50
Стабильность частоты в интервале температур	±(3—4)-l0~G
Напряжение питания, В........................ 12,6±Ю°/о
Потребляемая мощность, мВт ....	100
Выходное напряжение (на сопротивлении
100 Ом), мВ.................................. 200—400
Время подготовки к работе, с, не более .	1
Габаритные размеры, мм....................... 58X48X20
Использование многоканальных КГ с одним резонатором в ап-
паратуре связи позволяет уменьшить ее габариты н массу, а также
получить существенный экономический эффект благодаря умень-
шению числа резонаторов, элементов ТЗП н других элементов схемы.
172
Однако использование одного резонатора для стабилизации
ряда близко расположенных частот не позволяет получать большие
расстройки между частотами. Большие интервалы частот позволяют
получать полнчастотные резонаторы.
11.3.	Генераторы с поличгстотными кварцевыми
резонаторами
Использование одного резонатора для стабилизации ряда ча-
стот позволяет создать малогабаритные, экономичные генераторы
для сравнительных малых расстроек по частоте.
Получение значительно больших расстроек частоты затруднено
из-за изменения запасов по возбуждению: генератор возбуждается
па нежелательных частотах и ухудшается стабильность частоты.
Рис. 11.10, ЧстырсхкапальныЙ резонатор (а) н его схематическое изображе-
ние (б)
Можно получить от одной кварцевой пластины ряд частот с большим
разносом между частотами из-за нанесения на одной пластине не-
скольких пар электродов.
Возможность получения от одной кварцевой пластины несколь-
ких частот была доказана после создания Шокли «теории захвата
энергии», па основе которой были разработаны многоэлектродные
пьезоэлементы, явившиеся вначале основой пьезомеханнческнх
фильтров. Сущность «захвата энергии» заключается в том, что по
мере уменьшения соотношений частот кварцевой пластины с нане-
сенными электродами и без них колебания концентрируются в цен-
трах электродов.
Таким образом, на одной кварцевой пластине могут быть по-
лучены «точечные» резонаторы.
На одной кварцевой пластине, в зависимости от ее размеров н
толщины, может быть размещено два или более точечных резона-
торов, акустически изолированных друг от друга, настроенных на
различные частоты. Один нз вариантов многоэлектродпого пьезо-
элемента с четырьмя точечными резонаторами представлен на
рис. 11.10. Акустическая изоляция точечных резонаторов достигну-
та путем подбора толщины электродов н расстояний между нх
центрами.
Прн использовании поличастотиых резонаторов АТ, работаю-
щих на основной частоте, был получен разнос между крайними ча-
стотами порядка 1%,
173
Прн исследования многоэлектродных резонаторов было заме*
чено некоторое отлнчне ТЧХ отдельных точечных резонаторов. Оно
может быть обусловлено несколькими причинами: неплоскопарал-
лельноСтыо кварцевой пластины, дефектами сырья и т. д. Одиако
прн больших расстройках точечных резонаторов это отлнчне.может
быть связано с различной толщиной электродов. В [106] было отме-
чено, что ТЧХ резонаторов АТ поворачиваются по часовой стрелке
прн уменьшения частоты (увеличении массы электродов). В первом
приближении изменение ТЧХ может быть учтено как изменение
температурного коэффнцнеита первого порядка:
а0в = а00иач + «л	(11.4)
где А/к — изменение частоты резонатора прн изменении массы
электрода; ат — коэффициент, учитывающий изменение ТЧХ.
Ориентировочное значение коэффициента <хм для резонаторов
АТ равно —0,18-10-4. Прн сравнении с температурным коэффи-
циентом емкостного отношения т резонаторов АТ ат — 3-10-4,
характеризующим изменение ТЧХ резонаторов прн изменении рас-
стройки резонатора, видно, что прн использовании резонатора с раз-
личными электродами на несколько частот ТЧХ изменяется в 16
раз меньше, чем прн изменении расстройки. Для повышения ста-
бильности частоты и устранения нзмеиенни ТЧХ резонатора в ге-
нератор целесообразно включить сопротнвлення ХКомп- Его ТКЧ
может быть найден с учетом (11.4): ар — —2ам/тХКОмп-
Генератор с использованием полнчастотного резонатора бо-
лее устойчив к возбуждению на побочных колебаниях, а стабиль-
ность его частоты выше, чем у генератора с использованием одного
резонатора из-за отсутствия сопротивлений ХСдв я работы генера-
тора вблизи последовательных резонансов «точечных» резонаторов.
Кроме того, генераторы с использованием полнчастотного ре-
зонатора могут одновременно выдавать различные-частоты, причем
часть «точечных» резонаторов может работать на основных часто-
тах, а другая часть на колебаниях высших порядков. Включение и
выключение отдельных генераторов.прн этом не вызывет изменения
частоты других генераторов более чем на 1-10-6.
Используя кварцевую пластину среза АТ, можно- получить
стабильность частоты в интервале температур от — 30 до + 50 °C
не хуже ± 15-Ю-® и в интервале температур от — 50 до + 70° С
не хуже ±25-10-в.
Можно выполнить «точечные» резонаторы с акустической свя-
зью между ними. Такне полнчастотные резонаторы позволяют
уменьшить время перехода с одной частоты на другую как прн руч-
ном управлении, так н прн автоматическом поиске свободного ка-
нала связи по отношению к генераторам с использованием отдель-
ных резонаторов.
Прн необходимости повысить стабильность частоты целесооб-
разно применять термокомпенсацию. Схемы ТККГ с поличастот-
ным резонатором аналогичны схемам с использованием одного ре-
зонатора для стабилизации нескольких частот. Рассмотрим более
подробно вариант ТККГ с полнчастотным резонатором прн исполь-
зовании одного общего термозавнснмого потенциометра (рнс. 11.11).
Вследствие разб; оса динамических параметров полнчастотного ре-
зонатора иа различных частотах крутизна управления частотой по-
лучается.различной, йрнводя к.худшей компенсации. Для получения
174
одинаковой крутизны управления 5П параллельно варикапам
включаются реактивные выравнивающие сопротивления
^выр — pu.l~V т! тн—1 ’
где ХрН — сопротивление варикапа при начальном напряжении;
ти — емкостное отношение резонатора с электродами, на частоте,
принятой за начальную.
Прн приведении крутизны управления к частоте с минимальным
емкостным отношением в качестве выравнивающих сопротивлений
Рис. 11.11. Схема четырехканального ТККГ с использованием полнчастотного
кварцевого резонатора
применяются конденсаторы, подключение которых параллельно ва-
рикапам уменьшает крутизну управления. Такне ТККГ позволяют
получать температурную стабильность частоты около 3- 10-в. Бо-
лее высокую стабильность можно получить применением отдельных
ТЗП для компенсации «точечных» резонаторов. В этом случае мо-
жет быть получена стабильность частоты в широких температурных
интервалах около Ы0-в.
В тех случаях, когда необходимо получить еще больший разнос
между частотами одной кварцевой пластины, можно для образова-
ния «точечных» резонаторов на различные частоты использовать не
различные массы электродов, а различие толщин пьезоэлементов
резонаторов. Пьезоэлементы резонаторов иа одной кварцевой пла-
стине могут быть получены ионной обработкой пластины аналогич-
но резонаторам на одну частоту. Такне резонаторы рассматривались
в разд. 6. У таких полнчастотных резонаторов может быть получен
175
практически любой разнос частот в сторону повышения частот то-
чечных резонаторов по отношению к частоте кварцевой пластины.
Применение цолнчастотных резонаторов дает возможность по-
лучить высокие характеристики КГ, обеспечивающие современные
требования к аппаратуре народнохозяйственной связи при сравни-
тельно малой стоимости ее возбудителей и гетеродинов.
12.
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
12.1.	Кварцевые температурно-чувствительные
и массочувствительные резонаторы
Температурно-чувствительный резонатор отличается от резона-
торов, рассмотренных ранее, тем, что, в отличие от них, ориента-
ция (срез) пьезоэлемента выбирается такой, при которой зависимость
частоты от температуры получается максимальной. Часто стремят-
ся получить ТЧХ близкой к линейной, при.этом температурная чув-
ствительность может быть несколько меньше. Чувствительность по
температуре (термочувствительность)
Sr = df/dT = arf.
Наибольшую чувствительность по температуре имеют резона
торы «/-среза с колебаниями сдвига по толщине, у которых ТКЧ
a,j = 92 — 96-10-в/°С. Недостатком таких резонаторов является
большая нелинейность ТЧХ, что требует индивидуальной градуиров-
ки каждого измерительного генератора.
Существенно повысить линейность ТЧХ можно, используя ре-
зонаторы LC среза (ухЫ/-\- 1 Г9,5879°23'34") (82]. Температурная
чувствительность таких кварцевых датчиков около 34-IQ—e/° С.
Недостатком LC среза является необходимость очень точной ориен-
тации, превышающей 20—30'; указанное условие именно для
этого среза практически невыполнимо. Более простым в производст-
ве является срез «/xd//10°53'5679°44'51". Кварцевые датчики темпе-
ратуры с пьезоэлементамн указанного среза имеют температур-
ную чувствительность (34—37)  10-в/“ С, малую неидептичность
ТЧХ (около 0,3%) и малую нелинейность: примерно 0,07% в ин-
тервале температур 0—100° С и 0,27% в интервале температур от
— 60 до + 120° С.
По конструкции кварцевые датчики температуры не отличаются
от обычных кварцевых резонаторов. Выпускаются кварцевые дат-
чики температур на частоту 5 МГц [98, 82] для измерения в диапа-
зоне температур от — 60 до + 120°С: малоинерционный кварцевый
в корпусе типа М, работающий па основной частоте, и высокодоб-
ротный в вакуумированном стеклянном баллоне типа С, работаю-
щий иа колебаниях третьего порядка.
Герметизированные кварцевые датчики температуры имеют
«/= 37-1O-6, а вакуумные датчики а/ = 34-10~6. Благодари
большей стабильности вакуумные датчики позволяют получить по-
рог чувствительности примерно 5-10-0°С. Нелинейность темпера-
турных характеристик 0,07“ С в интервале температур 0—100° С
176
и 0,27% в интервале температур от — 60 до + 120° С. Повысить
точность измерения можно, используя градуировочные графики.
Из анализа основных параметров [98, 82] видны высокие ха-
рактеристики кварцевых датчиков температуры (табл. 12.1): по
диапазону измеряемых температур, погрешности и чувствительности
измерений. Кварцевые датчики температуры весьма устойчивы к
механическим Воздействиями выдерживают вибрационные нагрузки
в диапазоне частот 5—2500 Гц с ускорением до 15 g н одиночные уда-
ры с ускорением до 1000 g.
Таблица 12.1. Параметры кварцевых датчиков
Показатель	Датчик	
	малоинерционный |	высокодобротный
Порог чувствительности, °C	10-4	5-Ю-6
Погпешность градуировки, °C Старение, °C:	2-Ю-2	2-Ю-2
за 1 год	0,05—0,2	1  10-3—1 • I0-2
за 12 лет	0,1—0,5	2-Ю-3—2-10-2
Гистерезис в диапазоне 100°, °C Коэффициент	пьезоэле- мента’, °С/мВт:	(1—3)  10-2	1.10-6— МО-2
в воде	0,14	0,105
в воздухе Постоянная времени тепло- вой инерции:	0,17	0,12
в воде	1,2	3
в воздухе	56	30
Динамическое сопротивле- ние, Ом	20	40
Добротность, 106	0,1—0,2	2—3
Термочувствнтельность, Гц/°С	185	170
Кварцевые датчики температуры могут работать прн высоком
вакууме и в условиях повышенного давления. Они легко позволяют
производить дистанционные измерения температуры на больших
расстояниях.
Кварцевые датчики используются не только для измерения тем-
пературы, но н таких различных физических величин, как скорости
глубоководных течений, содержание газа в воздухе, степень ваку-
ума, тока, напряжения и мощности в широком диапазоне частот н
при произвольной форме сигнала. Для этой цели применяются подо-
гревные кварцевые датчики температуры, в которых частота за-
висит не только от температуры резонатора, по и от мощности нагре-
вателя н условий отвода тепла от резонатора.
В качестве нагревателя могут быть использованы электроды
специальной формы или дополнительные пленки, нанесенные иа пье-
зоэлемент, гальванически не связанные.с электродами пьезоэлемен-
та. Последний вариант более предпочтителен, так как упрощает по-
177
строение схемы вследствие разделения электродов и пленки нагре-
вателя. Подогревные электроды необходимо наносить в специальных
местах пьезоэлементов, чтобы температурные градиенты, возникаю-
щие в кварцевой пластине, не приводили к искажению ТЧХ датчика
[128]. Принцип действия подогревного датчика заключается в том,
что его температура, а следовательно, н частота изменяются прн из-
менении мощности нагревателя прн постоянных условиях теплоот-
дачи резонатора илн прн нзмененнн условий теплоотдачи датчика
температуры при постоянной мощности нагревательной пленки. По-
догревные кварцевые резонаторы (ПКР) позволяют легко измерять
давление газов. Структурная схема измерений показана на
рис. 12.1, а.
Рис. 12.1. Структурная схема измерения давления:
а — с подачей иа подогревной кварцевый резонатор постоянной мощности;
б — при изотермическом режиме резонатора
При нзмененнн давления изменяются условия теплоотдачи дат-
чика температуры н изменяется температура (частота) его прн пода-
че на нагреватель постоянной мощности. По измеренной частоте су-
дят о давлении газов.
Для повышения точности и быстродействия измерения, целесо-
образно применять изотермический режим, т. е. поддерживать прн
нзмененнн давления постоянную частоту (температуру) соответст-
вующим изменением мощности (напряжения) нагревателя. По изме-
ренной мощности (напряжению) нагревателя судят о давлении газа.
Структурная схема показана иа рис. 12.1, б. Чувствительность изме-
рения давления достигает единиц миллипаскалей (около 10“5 мм
рт. ст.), причем эта чувствительность не является предельной и мо-
жет быть увеличена повышением мощности подогрева и стабильно-
сти генератора.
С помощью подогревных кварцевых датчиков температур изме-
ряют и электрические величины. Под действием тока происходит на-
гревание датчиков и, следовательно, изменение температуры и ча-
стоты, по которым и судят об измеряемых величинах с большой точ-
ностью. Например, мощность измеряют с погрешностью 0,02—
0,05% [98, 97].
Массочувствительные резонаторы являются преобразователями
массь/, присоединяемой к поверхности пьезоэлемеита или его электро-
ду, в изменение частоты резонатора. Их характеризуют высокая
чувствительность, быстродействие, малые масса и габариты.
178
Частота резонатора f = "]/p^E/2h = N/h, где h — резонанс-
ный размер для сдвиговых колебаний по толщине—толщина пла-
стины; рк — плотность кварца (2,65 г/см’); Е — модуль; N — ча-
стотная постоянная, определяемая в первом приближении срезом
пьезоэлемеита.
Прн увеличении толщины на ДЯ (ДЯ Я) частота изменится на
Д/, причем
Д/// = — ДЯ/Я = — ДЯркЗп/ЯркЗп = — \М/М = — ДЯ/Ztf =
= - ДМ//МркЗп,
где SK — площадь пластины; М = hpKSK — масса пьезоэлемеита;
ДМ = ДЯркЗк — изменение массы.
Таким образом,
ДМ
3 р = —СмЬМ,	(12.1)
'* Рк °к
где См =	= p/Np„SK — чувствительность по массе.
Это соотношение справедливо н для случаев, когда плотность
материала пленки не равна плотности кварца.
Прн нзмененнн толщины присоединенного покрытия ДЯП изме-
нение массы ДМ = ДЯпрпЗп. Прн равенстве 5П = SK нз выражения
(12.1) можно получить
&f=-~aPn F=-ChAhn,	(12.2)
"Рк
где Од = /Зрп/^Рк) — чувствительность по толщине.
Из (12.1) н (12.2) видно, что чувствительности по толщине н
массе повышаются по мере повышения частоты н поэтому целесо-
образно применять высокочастотные массоцувствнтельные резона-
торы. Как видно нз (12.2), чувствительность по массе не зависит от
материала пленки н составляет для частот 5,10 н 20 МГц 56,4; 226
н 9б4 Гц/мкг соответственно.
Значения чувствительности по толщине для различных материа-
лов приведены в табл. 12.2.
Таблица 12.2. Чувствительность по толщине пленки Сд
для пьезоэлементоц. АТ срезов
Металл	Плотность. г/см3	Чувствительность по толщине, 103 Гц/мкм, для частот /к. МГц		
		5	10	20
Алюминий	2,7	15	61	245
Золото	19,3	ПО	436	1740
Медь	3,96	51	200	810
Молибден	10,2	57	230	920
Никель	8,9	50	200	800
Серебро	10,5	59	237	948
Хром	7,2	41	163	652
179
С помощью массочувствительных датчиков можно измерять
приращения массы в пределах 10"’ —10~11 г и измеиеиия толщины
10-’—10-11 мм; эта разрешающая способность на три порядка выше
разрешающей способности других способов измерений. Оптималь-
ными пьезоэлементамн являются пьезоэлемеиты со сдвиговыми ко-
лебаниями по толщине, при этом практически для массочастотных
характеристик нелинейность 11—21%. Для повышения линейности
целесообразно увеличивать площадь покрытия и несколько увели-
чивать начальные электроды [98].
Следует отметить малые предельные значения измеряемых ве-
личин с помощью массочувствительных датчиков: по толщине пле-
нок — не более 1—2 мкм; по присоединяемым массам — не более
2 мг/см
Рис. 12.2. Структурная схема измерения толщины пленок
Наиболее широко датчики применяются для измерения толщи-
ны полупроводниковых, Проводящих и диэлектрических плеиок
при их нанесении в производстве гибриднопленочных и интеграль-
ных микросхем.
Рассмотрим подробнее применение датчиков для измерения
толщины плеиок в процессе их вакуумного напыления (рис. 12.2).
Датчик (обычно с пьезоэлементом АТ среза) устанавливается в
специальную кассету с отверстием (центр отверстия совмещен с
центром пьезоэлемеита), через которое испаряемое вещество осаж-
дается на электрод пьезоэлемеита датчика. Кассета помещается в ва-
куумной напылительной установке рядом с подложками, иа которые
наносится пленка с тем, чтобы на пьезоэлемент датчика и на под-
ложки осаждалась пленка одинаковой толщины. Датчик включает-
ся в генератор ИГ, который, как правило, располагается вне объема
камеры. Для повышения точности измерения вблизи датчика целе-
сообразно располагать кварцевый резонатор опорного генерато-
ра ОГ.
Еще больше повысить температурную стабильность можно, если
пьезоэлемент датчика и пьезоэлемеит резонатора опорного генера-
тора располагать иа одной кварцевой пластине.
Разностная частота измеряется частотомером. Для автоматиче-
ского отключения процесса напыления пленок служит реле Р1,
которое под действием напряжения, пропорционального изменению
частоты, отключает в нужный момент нагреватель испарителя. При
180
необходимости ограничения скорости напыления плеиок напряжение
Ua дифференцируется цепями ДС и сличается с заданным сигналом,
пропорциональным максимально допустимой скорости роста С/о-
При dUn'dt > 1/0 сигнал разбаланса по скорости, усиленный уси-
лителем УС1 (обычно используются тиристорные усилители), умень-
шает ток нагревателя, что приводит к уменьшению его температуры,
а следовательно, и уменьшению количества напыляемого вещества.
В таких генераторах нужно после каждого напыления произ-
водить калибровку. Это можно устранить применением сдвоенных
массочувствительных резонаторов, размещаемых в зоне напыления
пленки [98]. Заслонка закрывает один из резонаторов, который в
данное время выполняет роль эталонного резонатора. В процессе
напыления пленки в определенный момент времени заслонка от-
крывает один резонатор и закрывает тот резонатор, который ранее
выполнял роль эталонного. При такой работе при повторном напы-
лении калибровку производить не нужно.
Кварцевые массочувствительные датчики могут быть исполь-
зованы в качестве преобразователей влажности в частоту и приме-
няться для измерения влажности. Для этого иа пьезоэлементах дат-
чиков наносится специальное сорбирующее влагочувствительиое по-
крытие. При изменении влажности изменяется масса воды, сорбиро-
ванной влагочувствительиым покрытием пьезоэлемеита датчика, и
вследствие этого изменяется частота датчика. Как правило, в каче-
стве пьезоэлементов датчиков используются высокочастотные квар-
цевые пластины АТ среза с тонкопленочным сорбционным покры-
тием. В качестве сорбента в большинстве случаев дли измерения
влаги применяются кремнезем, сульфированный полистирол, раст-
вор капрона в муравьиной кислоте, обеспечивающие высокую чув-
ствительность, малое старение и практически отсутствие гистерезиса.
Измерители влажности с кварцевыми массочувствительными
датчиками строятся, как правило, по дифференциальной схеме с
двумя пьезоэлементамн; один используется в массочувствнтельном
датчике с сорбированным покрытием, а другой, без сорбированного
покрытия, — в кварцевом резонаторе опорного генератора.
Порог чувствительности таких приборов составляет сотые доли
процента, а погрешность измерения — несколько процентов.
С помощью массочувствительиых датчиков можно построить
газоанализаторы. Датчики отличаются от датчиков для измерения
влаги только составом сорбирующей пленки: например, для анализа
сероводорода в качестве сорбента нужно применять ацетат свинца,
серебро, медь — антрахинон — дисульфокислоту, для паров спир-
та — ацетат целлюлозы.
12.2.	Кварцевые силочувствительные резонаторы
Силочувствительные резонаторы (датчики) являются преобра-
зователями механических воздействий, приложенных к резонаторам
в изменение их частоты. Преобразование механических воздействий
в изменение частоты резонаторов основано на влиянии на частоту
резонатора изменения размеров и механических напряжений в пье-
зоэлементах. Влияние на частоту механических усилий рассматри-
валось в разд. 9 с точки зрения нахождения таких точек крепления
пьезоэлемеита, в которых механическое воздействие не оказывало
влияния на частоту. В данном случае влияние механических воз-
действий является полезным явлением.
181
Эффективность силочувствительиых резонаторов может быть
охарактеризована чувствительностью по силе'.
SF—dfldF=KRf2IDn,	(12.3)
где — коэффициент, зависящий от ориентации пьезоэлемента
и направления приложения силы (иногда его называют коэффициен-
том Ратайского); D — диаметр круглого пьезоэлемента или ширина
прямоугольной пластины; л — порядок колебаний.
Из анализа (12.3) видно, чтр чувствительность по силе возраста-
ет пропорционально квадрату частоты и уменьшается при увеличе-
нии размеров пьезоэлементов и повышении порядка колебаний.
Одним из требований, предъявляемых к пьезоэлементу датчи-
ков, является условие локализации механических колебаний в объе-
ме пьезоэлемента. Кроме того, пьезоэлемеит должен удобно сочле-
няться с элементами конструкции. Это условие обеспечивается иа
низких частотах при изгибных колебаниях и иа высоких частотах
при сдвиге по толщине. При сдвиговых колебаниях по толщине это
условие выполняется наиболее полно и просто из-за сосредоточения
основной энергии в центре пьезоэлемента, в то время как края пье-
зоэлемента практически свободны от колебаний.
Высокочастотные резонаторы обладают большой линейностью
характеристик, большей температурной и временной стабильностью
и лучшей механической устойчивостью, чем низкочастотные резона-
торы с колебаниями изгиба, и благодаря этим преимуществам нашли
широкое применение. Ниже будут рассматриваться высокочастотные
резонаторы (с колебаниями сдвига по толщине) с рабочими деформа-
циями сжатия—растяжения в плоскости пьезоэлемента. Пьезоэле-
менты при сжат-ии выдерживают нагрузку в 24 раза больше, чем при
растяжении. В большой степени чувствительность по силе зависит
от ориентации кварцевой пластины. Максимальной силочувстви-
тельиостью обладают пьезоэлементы АТ среза. Высокая температур-
ная стабильность датчиков этого среза обусловила их широкое
применение в качестве силочувствитёльиых датчиков.
Чувствительность по силе зависит в большей степени от направ-
ления приложения силы, при ф = 90° она становится максималь-
ной. Чувствительность по силе изменяется в интервале температур,
причем температурный коэффициент силочувствительиости (Т'КС)
может иа несколько порядков превышать ТКЧ пьезоэлемента. Тем-
пературный коэффициент силочувствительиости также зависит от
направления приложения силы, и выбором ф можно существенно
его уменьшить. Целесообразно работать при угле ф = 50°, при ко-
тором ТКС=0, а чувствительность по силе уменьшается от макси-
мального значения всего иа 10%.
Основные параметры высокочастотных силочувствительных
кварцевых датчиков приведены в табл. 12.3.
Пьезоэлементы закрепляются в соответствующих конструкциях
с помощью пайки или клея, и усилия действуют непосредственно иа
пьезоэлемент. Одиако при непосредственном воздействии на пьезо-
элемент конструкция получается неустойчивой к механическим воз-
действиям. Повысить механическую устойчивость и улучшить рабо-
чие параметры можно применением упругого элемента (УЭ) (присо-
единенного параллельно резонатору), иа который воздействуют из-
меряемые усилия. Применение упругих элементов также позволяет
обеспечить выбор диапазона рабочих нагрузок, снижает чувстви-
тельность к поперечным воздействиям и термоударам.
182
Таблица 12.3. Параметры высокочастотных силочувствительных
кварцевых датчиков
Показатель	Пьезоэлемент типа	
	лннза	плоская пластина
Диапазон рабочих частот, МГц	0,5—10	5—100
Допустимое усилие на рас- тяжение, Н	50—5000	10—1000
Допустимое усилие на сжа- тие, Н	5-10*—5-10*	10—1000
Чувствительность по силе, Гц/Я	0,3—100	10—104
Полезные изменения часто- ты	0,5-10-10-’	0,5—3-10-’
Порог чувствительности	(1—10) -10-7	(1—10)-io-’
Температурный коэффици- ент чувствительности по си- ле	ю-5	ю-5
Нелинейность	одиорезо- нансной схемы, %	0,1—0,2	0,1—0,2
Нелинейность дифферен- циальной схемы, %	ю-’	ю-’
При конструировании необходимо соблюдать, чтобы контакт
между пьезоэлементами силочувствительного резонатора и упругим
элементом осуществлялся только в местах пьезоэлементов, свобод-
ных от колебаний. Большое влияние может оказать упругий эле-
мент иа ТЧХ резонаторов, линейно поворачивая температурные.ха-
рактеристики резонаторов.
Большое влияние иа характеристики силочурствительных дат-
чиков оказывает и материал упругого элемента (стабильность его
упругих свойств, отличие их температурных коэффициентов линей-
ного расширения от коэффициента линейного расширения кварца).
Влияние упругого элемента иа ТЧХ кварцевого резонатора можно
ослабить применением дифференциальных схем включения сило-
чувствительных резонаторов.
Большое влияние иа характеристики силочувствительных дат-
чиков оказывает и материал упругого элемента (стабильность его
упругих свойств, отличие их температурных коэффициентов линей-
ного расширения от коэффициента линейного расширения кварца).
Один из вариантов конструкции датчика дифференциального
типа показан на рис. 12.3, а. В этом датчике сжатие упругого эле-
мента УЭ приводит к растяжению пьезоэлемента Пэ! и к сжатию пье-
зоэлемента Пэ2, при этом изменяется разностная нх частота. При-
менением упругих элементов специальной конструкции можно уве-
личить измеряемые нагрузки в 100 раз. Одна нз таких конструкций
представлена на рнс. 12.3 [98].
Уменьшая расстояние I < 10, можно уменьшать чувстви-
тельность датчика и соответственно увеличить диапазон номиналь-
ных нагрузок.
183
В некоторых случаях, например для измерения малых усилий,
необходимо увеличить чувствительность по силе датчиков. Это
можно достигнуть, применяя специальные конструкции упругого
элемента (рис. 12.3, б). Прн условии, что / > /0, действительно чув-
ствительность увеличивается в /Стр = 1/10 раз.
Хорошие результаты по повышению чувствительности по силе
дает конструкция (рис. 12.3, в), в которой резонаторы могут быть
включены по дифференциальной схеме. В этой конструкции упругий
Рис. 12.3. Конструкции кварцевых силочувствительных резонаторов:
а — дифференциального с двумя пьезоэлементами; б—со специальным упру-
гим элементом и одним пьезоэлементом; в — дифференциального повышенной
чувствительности с двумя пьезоэлемеитами
элемент имеет малую жесткость вдоль рабочей оси н большую в дру-
гих направлениях. Возможность использования дифференциальной
схемы основана на том, что в этой конструкции пьезоэлементы при
нагрузке имеют разную деформацию (один нз них сжатия, а дру-
гой растяжения, Ктр =0,5 1/1в). Та-
кне схемы позволяют повысить чув-
ствительность по силе в 100 раз.
Для получения высокой темпе-
ратурной стабильности в дифферен-
циальной схеме необходимо, чтобы
пьезоэлементы имели одинаковые
ТЧХ, что достигается подбором ре-
зонаторов. Устранить необходимость
подбора и получить идентичные ТЧХ
можно размещением двух силочув-
ствнтельных резонаторов на одной
кварцевой пластине.
Одни из вариантов такого диф-
ференциального датчика показан на
рнс. 12.4, а. Механическое усилие в
датчике прикладывается к центру
кварцевой пластины. Другим вари-
антом дифференциального датчика
с преобразованием малых усилий (аналогичного по действию с
конструкцией рис. 12.3, б) является датчик, показанный на
рнс. 12.4, б. Приложенная сила вызывает сжатие верхнего и растя-
жение нижнего пьезоэлементов. В дифференциальных датчиках из-
меряется разностная частота и обеспечиваются высокая точность
и температурная стабильность.
С помощью снлочувствительиых резонаторов можно измерять
давление. Для измерения давления в газах можно использовать за-
а)
Рис. 12.4. Конструкции силочув-
ствительных резонаторов диф-
ференциального типа с одной
кварцевой пластиной:
а — с использованном сжатия—
растяжения; б — повышенной
чувствительности
Лз1

Пз2

184
висимость частоты от давления, которая характеризуется чувст-
вительностью к всестороннему давлению Sp = dftdp.
На принципе зависимости сопротивления резонатора от давле-
ния среды, где помещен пьезоэлемент, могут быть выполнены аку-
стические датчики давления газа. Измеряя RK (или добротность)
можно определить давление. Из-за малой чувствительности к все-
стороннему давлению, а также из-за возможности засорения пьезо-
элемента этот способ измерения давления практически не приме-
няется.
Для измерения давления применяют описанные выше сило-
чувствительные резонаторы с использованием мембран или сильфо-
нов. Одни нз вариантов использования снлочувствнтель кого дат
Рис. 12.5. Конструкции кварцевых датчиков давления:
а — с одним пьсзозлемептом; б — с двумя пьезозлементами; а — с двумя пье-
зоэлементами для измерения разности давления
чика для измерении давления показан на рнс. 12.5, а. Сила, прило-
женная к резонатору, пропорциональна площади мембраны.
Такая конструкция датчика позволяет измерять давление от
0,025 до 500 МПа.
Интервал измерения давления может быть расширен принсполь-
оваиии упругих элементов. Одни из таких датчиков дифференци-
ального типа приведен на рис. 12.5, б.
Для измерения избыточного давления можно использовать ана-
логичный датчик с дополнительной мембраной (рис. 12.5, в).
Силочувствительиые резонаторы могут примениться как пре-
образователи ускорения в частоту и использоваться для измерения
линейных ускорений в очень широком диапазоне. Для измерения
ускорения необходимо подключить инерционную массу т к кварце-
вому датчику. Тогда при ускорении а на кварцевый силочувстви-
тельный датчик будет действовать сила F = та. Чувствительность
по ускорению Sa = df/da = mdf/dF = mSp. Обычно m — 1 4-
500 г, тогда Sa — 1 4- 500 Гц с2/м.
Силочувствительиые датчики позволяют измерять ускорения от
10~? до 103 м/с2.
В качестве датчиков используют высокочастотные пьезоэле-
менты, включенные по дифференциальной схеме. На выходе измеря-
ется разностная частота двух датчиков (рнс. 12.6, а). Вариант дат-
чика с двумя пьезозлементами на одной пластине показан иа
рнс. 12.6, б.
Одной нз наиболее простых является конструкция дифферен-
циального датчика, показанная на рнс. 12.6, в, позволяющая повы-
185
сить его чувствительность и механическую устойчивость. Резонаторы
включаются в генераторы, и по разнице частот судят об измеряе-
мом ускорении. В некоторых случаях, например при измерении виб-
рационных ускорений, применяется другое включение резонаторов
(рис. 12.7). Один из резонаторов, Пэ1, подсоединяется в схему
генератора, другой — Пэ2 — служит фильтром, преобразующим
частоту в амплитуду. На выходе фильтра при вибрационных нагруз-
ках появляется высокочастотное напряжение, пропорциональное
Рис. 12.6. Конструкции кварцевых датчиков ускорения:
а — с двумя пьезоэлементамн; б — с двумя пьезоэлементамн иа одной квар-
цевой пластине; в — с двумя пьезоэлементамн повышенной чувствительности;
М — инерционная масса; УП — упругий подвес
ускорению; после детектирования и усиления напряжение поступа-
ет на измерительный прибор. Данная схема позволяет на частоте
5 МГц при резонаторах АТ получить крутизну не менее 50 мВ-с/ма.
Для повышения линейности измерения можно применять трех-
кварцевую схему или включать параллельно кварцевому резонато-
ру катушку индуктивности. Измерители ускорений с использова-
ние. 12.7. Структурная схе-
ма измерителя ускорения:
ИГ — измерительный гене-
ратор; УС — усилитель;
ИИ — измерительный при-
бор
нием силочувствительных резонаторов имеют высокую линейность
рабочих характеристик, стабильность, малые габариты, что и обус-
ловило нх широкое применение в измерителях ускорений (акселе-
рометрах).
С помощью силочувствительных резонаторов можно создать
клинометры — приборы, измеряющие отклонение заданного на-
правления от горизонтального или вертикального направлений с
большой чувствительностью, порядка 1-10-4, и погрешностью изме-
рения менее 0,2%.
Кварцевые датчики позволяют также измерять угловые скоро-
сти. Работа таких датчиков основана на действии сил Корнолнса,
возникающих во вращающемся пьезодатчнке, причем угловая ско-
рость пропорциональна амплитуде деформации, а следовательно,
и амплитуде напряжения на электродах пьезоэлемеита. Такой изме-
ритель угловой скоро.сти (виброгироскоп) имеет малые габариты,
массу и нелинейность менее 0,5%.
186
С помощью кварцевых датчиков могут быть построены измерите-
ли микроперемещений. Работа датчиков основана также на увели-
чении сопротивления Рк или уменьшении добротности пьезоэлемеита
При вхождении его поверхности в контакт с перемещающимся от-
носительно его изделием^ Порог чувствительности таких измерите-
лей составляет около сотых долей ангстрема.
12.3.	Особенности построения измерительных КГ
Малое влияние элементов схемы генераторов. Ранее были рас-
смотрены резонаторы (датчики), используемые для преобразования
различных измеряемых величин в изменении параметров (в основ-
ном частоты) генераторов. Генераторы могут оказывать влияние иа
погрешность измерения, поэтому рассмотрим особенности схем из-
мерительных КГ сточки зрения повышения точности измерения. Из-
менение частоты измерительных КГ, например, в интервале темпера-
тур или в результате действия механических воздействий может при-
вести к увеличению погрешности измерения. Для оценки погрешно-
сти измерения воспользуемся общей формулой, связывающей изме-
нение измеряемой величины ДФ и изменение частоты А/п, т. е.
А/п = $фДФ, где $ф — чувствительность резонатора по вели-
чине Ф.
Тогда изменение нестабильности частоты Д/нс приводит к
погрешности измерения
Дф = Д/нс/5ф.	(12.4)
Из (12.4) видно, что для уменьшения погрешности измерения необ-
ходимо повышать чувствительность резонатора и уменьшать не-
стабильность частоты измерительного генератора.
При измерении температуры с помощью высокодобротного ре-
зонатора (ST = 170 Гц/°С, частота 5 МГц) при нестабильности из-
мерительного генератора &f/f = НО*1 погрешность измерения
температуры из-за нестабильности генератора будет равна пример-
но 3- ю-*° С.
Малая мощность рассеяния резонатора. Режим генератора ока-
зывает большое влияние на мощность, рассеиваемую в резонаторе.
Изменение мощности рассеяния под действием дестабилизирующих
факторов приводит к изменению частоты, а следовательно, и к по-
грешности измерения. Механизм влияния изменения мощности на
частоту состоит в изменении градиентов механических деформаций
и температуры резонатора, особенно сильно действует изменение
температуры на погрешность измерения при использовании темпера-
турно-чувствительных резонаторов.
Изменение температуры резонатора Д/нс ~ ЛтДР = КтКнр,
где Кн — коэффициент, характеризующий изменение мощности
рассеяния в резонаторе от дестабилизирующих факторов.
У высокодобротного резонатора для измерения температуры
(7СТ = 0,12° С/мВт) при /Сн — 0,1 н р = 0,5 мВт погрешность из-
мерения температуры нз-за изменения мощности рассеяния состав-
ляет 6- Ю-з ° с.
Для повышения точности измерения следует уменьшать мощ-
ность рассеяния в резонаторе.
Одним из вариантов схемы КГ, имеющего малую мощность рас-
сеяния на резонаторе (40—60 мкВт) при достаточно большом запасе
187
R8 390	„
! I р СП
'Тг-^тгв.
R2
22к
03
из
20Q
Т1 Т.0,01
05 0,01
oi'eax
R3,
ЗК
6*2
0,01 122л
Т2
01	™
^Оь-З^М22^
ТЗ
04
У? П/?7_1£7
J47K Юк ~150
Рис. 12.8. Схема КГ с малой мощностью
рассеивания на кварцевом резонаторе
ПО возбуждению, является схема, приведенная На рис. 12.8. Собст-
венно генератор собран иа транзисторах Т2 и ТЗ, и каскад па тран-
зисторе Т1 фактически является эмиттсрным повторителем, обеспе-
чивающим на нагрузке 1 кОм выходное напряжение не менее
300 мВ. Генератор проверен в диапазоне частот 5—15 МГц в широком
интервале температур.
Дальнейшим путем повышения точности измерений является
уменьшение коэффициента Кп с помощью схем автоматической ре-
гулировки амплитуды (АРА), которая позволяет уменьшать амплиту-
ду напряжения на резонаторе в соответствии с коэффициентом регу-
лирования, равным произведению коэффициентов передачи усилите-
лей, и детектора между точ-
кой съема напряжения с ге-
нератора и входом цепи его
смещения. Использование
АРА приводит также к про-
порциональному ослабле-
нию влияния изменений
уровня возбуждения резо-
натора, связанного с воз-
действием различных де-
стабилизирующих факто-
ров, например изменением
температуры, напряжения
питания и т. д. Кроме то-
го, малый уровень возбуж-
дения способствует повы-
шению долговременной ста-
бильности частоты, умень-
шая старение резонатора
по сравнению со случаем,
когда уровень возбужде-
ния является неконтроли-
руемым.
Рассмотрим две схемы КГ*— с простой н сложной АРА. Прин-
цип работы этих генераторов заключается в необходимом изменения
тока транзистора генератора, а следовательно, и уровня напряжения
на элементах генератора, в том числе и резонаторе, благодаря воз-
действию управляющего напряжения, определяемого коэффициен-
том регулирования. В случае простой схемы АРА (рис. 12.9) для
диапазона частот 10—20 МГц усиливается только напряжение с ге-
нератора, которое затем подается на детектор, что обеспечивает коэф-
фициент регулирования, пропорциональный произведению коэффи-
циента усиления усилителя и коэффициента передачи детектора.
Наппяжение на вход усилителя, собранного на транзисторе
Т2, подается с базы транзистора генератора через конденсатор С4.
Усиленное напряжение детектируется диодами Д1 и Д2, входящими
в удвоитель выпрямленного напряжения. Управляемое напряжение,
снимаемое с нагрузки детектора R8, изменяет напряжение смещения
на базе транзистора Т1, которое определяется напряжением на
резисторе R7.
Рассмотрим кратко работу АРА. Предположим, что напряжение
иа выходе усилителя увеличилось. Тогда возрастает выпрямленное
напряжение, т. е. падение напряжения на резисторе R8. Это значит,
что результирующее напряжение смещения транзистора Т1, пред-
188
ставляющее собой разность падений напряжений на резисторах R7
н R8, уменьшается. Прн этом уменьшается крутизна транзистора
Т1, а значит, и амплитуда напряжения генерации. Соответственно
уменьшаются напряжения на элементах генератора, в том числе
снижается напряжение, а следовательно, и мощность, рассеиваемая
в резонаторе.
Сложная схема АРА (рис. 12.10), кроме усиления переменного
напряжения до детектора, содержит усилитель постоянного тока,
включенный после детектора. Такой генератор позволяет повысить
коэффициент регулирования более чем на порядок при сохранении
Рис. 12.9. Схема КГ с простой АРА
устойчивости и стабильности самой системы регулирования. Это
достигается как благодаря правильному распределению усиления
между каскадами переменного и постоянного напряжений, так и ис-
пользованием в качестве усилителя постоянного тока дифференци-
ального каскада, обладающего повышенной стабильностью своих
параметров.
Напряжение с базы генератора, собранного на транзисторе Т1
сборки У1, через конденсатор С12 и резистор R9 подается на базу
эмиттерного повторителя, который служит для развязки генератора
от влияния нагрузки. Напряжение, усиленное резонансным усили-
телем па транзисторе'Т5, поступает на удвоитель напряжения, со-
стоящий из диодов. Д1 и Д2, конденсаторов С5 и СЮ и резистора R8.
Продетектированиое напряжение, выделенное на резисторе
R8, используется для управления током транзистора ТЗ, эмиттер
которого соединяется с эмиттером дополнительного транзистора Т2
В результате изменения тока транзистора ТЗ вызывает противопо-
ложное по знаку изменение тока, транзистора Т2, а следовательно,
н тока транзистора Т1, включенного с транзистором Т2 последова-
тельно.
Любое изменение напряжения иа базе транзистора Т1 генера-
тора приводит, благодаря описанному кольцу АРА, к появлению
1S9
управляющего воздействия, стабилизирующего амплитуду напряже-
ния иа базе генератора и иа резонаторе.
Схемы АРА уменьшают влияние мощности рассеяния, но не
устраняют это влияние, так как при вариациях динамического со-
противления резонатора мощность рассеяния будет изменяться да-
же при постоянном напряжении иа резонаторе.
Достаточный запас генератора по возбуждению. При измерении
толщины (или массы) уровня влажности и силы динамическое со-
противление может увеличиваться или уменьшаться в несколько
раз, поэтому генератор должен иметь достаточный запас по возбуж-
дению и устойчиво работать при вариациях динамического сопротив-
ления. Это достигается выбором режима генератора. В тех случаях,
Рис, 12.10, Схема КГ со сложной АРА
190
когда необходимо сочетать
большой запас по возбуж-
дению и малую мощность,
рассеиваемую в резонаторе,
целесообразно применять
АРА.
Применение иёрезоиан-
сиых схем. В некоторых
случаях, например при из-
мерении массы или толщи-
ны пленок, изменение ча-
стоты генераторов может до-
стигать 200—300 кГц. Из-за
этого целесообразно не при-
менять настроенные конту-
ры. Одна.из схем таких ге-
нераторов была показана
на рис. 12.8.
Малая мощность потреб,
леиии. Иногда, например
при измерении температу-
ры, источником погрешно-
сти может быть изменение
Рис. 12.11. Схема КГ с малой мощ-
ностью потребления
мощности потребления генератором н вследствие этого температуры
резонатора. Для повышения точности измерения целесообразно
уменьшать мощность потребления генератора. Одна из схем такого ге-
нератора показана на рис. 12.11. Оиа аналогична схеме, показанной
иа рис. 12.8, ио в ней по-другому подаются напряжения иа базы
транзисторов. Генератор потребляет мощность около 1 мВт при на-
пряжении питания 5 В и 1/вых ж 200 мВ иа нагрузке 1 кОм.
12.4.	Измерительные КГ с длинной линией
Для ослабления влияния генератора в некоторых случаях це-
лесообразно разнести резонатор и генератор, т. е. ие подвергать
генератор воздействию, под которым оказывается кварцевый датчик.
В частности, использование такого генератора повышает пределы
измерения температуры, так как предельные температуры иа дат-
чики намного превышают температуру работоспособности совре-
менных полупроводниковых приборов.
В этих случаях резонатор соединяется с генератором через
длинную линию. Возбуждение подключенного к генератору через
длинную линию резонатора рассмотрено в [100, 32, 53, 156, 157].
Анализ, приведенный в этих работах, показывает, что при опреде-
ленных длинах линии эквивалентная добротность резонатора с уче-
том линии остается достаточно высокой и возможно получение вы-
сокой стабильности частоты, а следовательно, и точности измерения.
При работе резонатора вблизи последовательного резонанса и ис-
пользовании схем, в которых эквивалентное сопротивление колеба-
тельного контура минимально, длина линии должна быть кратной
Т.к/2. В этом случае длина линии (обычно коаксиального кабеля)
lM = ISOn/Kf,	(12.5)
где п = 1, 2, 3, ...; К. — коэффициент укорочения длины волны в
длинной линии; f, МГц.
191
Коэффициент укорочений Длины волны характеризует умень-
шение скорости распространения электромагнитной энергии в ка-
беле по сравнению со скоростью распространения его в свободном
пространстве:
К=с! = V = ® >
где е — диэлектрическая постоинная изоляционного материала
кабеля.
Коэффициент ускорения длины волны для коаксиального ка-
бели со сплошной полиэтилениой изоляцией (рабочий интервал
температур от — 60 до + 85° С) составляет 1,52, а для кабелей со
Рис. 12.12. Схема КГ с подключением кварцевого резонатора через коакси-
альный кабель с l^K/2
сплошной фторопластовой изоляцией (рабочий интервал температур
от — 60 до + 200° С) — 1,41 —1,44. В [531 описана конструкции
коаксиального соединения, работоспособная до +400° С.
Максимально, допустимую длину, задаваясь допустимым
уменьшением добротности резонатора л = Ок^Окд.л. можно опреде-
лить из соотношения, приведенного в [156]:
л(<^-1)«
X 1п--------—1 	'    	... ’
2dw ± |/4<ф-л2 (лг- 1)2 (d-f-1)2
где dw — RK/W; W — волновое сопротивление кабеля; а — ко-
эффициент затухания кабеля.
При работе резонатора с расстройкой эквивалентная доброт-
ность будет уменьшаться с увеличением длины линии значительно
сильнее, чем при е = 0, а экстремум эквивалентной добротности
в этом случае смещается от I, определенной по (12.6), на 10.
Выражение для Zo можно получить, нспользун формулу, при-
веденную в [156], при е	0,3:
.	1	. .a wn(l—e)e
10 — ——Г" arctg 2------------ ,
20	ш„(1 —е)а—е2
где wn = W7|Хо|; 0 — коэффициент фазы.
192
Рассмотрим одну из схем КГ [32], использующего возбуждение
резонатора с коаксиальным кабелем длиной Л/2 (рис. 12.12). Ге-
нератор собран на двух транзисторах ГТ3088, причем транзистор
Т2 представляет собой эмиттерный повторитель. Изменением со-
противления резистора R5 можно регулировать мощность, рассеи-
ваемую иа резонаторе, который включен между базой транзистора
Т1 и землей. Сопротивление резистора R1 иа входе коаксиального
кабеля подбиралось из условия устойчивости генератора при от-
сутствии кварцевого резонатора Пэ1. Для устранения паразитных
колебаний контур C2L1 должен обладать высокой избирательно-
стью, коэффициент связи а; 0,1.
Рис. 12.13. Схема КГ с длинной линией с трансформацией резонансов кварце-
вого. резонатора
В этой схеме резонатор возбуждается на частотах, близких
к последовательному резонансу. Генератор проверялся на часто-
тах 2,7; 5; 10; 15 и 30 МГц.
Для возбуждения резонаторов через отрезок длинной линии
можно применять схемы КГ с трансформацией последовательного
резонанса резонатора в параллельный резонанс схемы. Одни из
вариантов такой схемы [7, 157] представлен на рис. 12.13. По своему
начертанию она аналогична двухкаскадной схеме генератора с ре-
зонатором в цепи обратной связи, включенной между эмиттерами
транзисторов (между выходом эмиттерного повторителя и входом
усилительного каскада с «общей базой»). В данной схеме между
эмиттерами включены конденсаторы СЗ и С6, а между их общей
точкой и землей включена длинная линия, нагруженная на конце
резонатором. Оптимальная длина длинной линии кратна Хк/4.
Максимальный коэффициент передачи цепи обратной связи бу-
дет при максимальном входном сопротивлении (параллельный ре-
зонанс) отрезка длинной линии, нагруженной резонатором; при этом
резонатор работает на частоте минимума полного сопротивления
(вблизи последовательного резонанса).
193
n.
АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КГ
13.1.	Аппаратура для частотных измерений
Электронно-счетные частотомеры. Принцип их работы основан
на-измерении числа периодов колебаний за определенный интервал
времени измерения, который, в свою очередь, задается высокоста-
бильным генератором [134, 149, 27].
Если частоту высокостабильного генератора обозначим ft,
а через п — значение коэффициента деления, то интервал времени
измерения n!fa — пТ0. Если за это время счетчик показал М пе-
риодов Тх, то fx — l/Tx = N/nTt = Nft/n — АГ/тсч.
При выполнении условия fjn = 10*. где k — произвольное
целое число, величина М будет соответствовать значению частоты
в заданных единицах. Время счета (тсч = пТ0) обычно выбирается
равным 1; 10; 100 мс или 1; 10 с.
Частотомер состоит из высокостабильного генератора, блока
делителей частоты, формирующего устройства, временного селек-
тора, электронного счетчика с запоминающим устройством, систе-
мой цифровой индикации. Относительная погрешность измерения
= <6кв.г + !7хтсч) = ^кв.г + Тх!пТа, где 6КВ.Г — относитель-
ная нестабильность высокостабильного опорного генератора.
В качестве опорного генератора обычно применяется термо-
статированный кварцевый генератор с высокостабильным резона-
тором иа 5 МГц, работающий с колебаниями пятого порядка. Вре-
мя прогрева прибора обычно 2 ч. Частотомеры имеют возможность
корректировать частоту опорного генератора или работать от внеш-
него источника опорной частоты, обычно 5 МГц, в этом случае вре-
мя готовности прибора ие превышает 1 мин. В основном питание ча-
стотомеров осуществляется от сети переменного тока напряжением
220 В ± 10% и частотой 50 Гц. Многие приборы допускают работу
от сети переменного тока 400 Гц. Современные электроино-счетиые
частотомеры позволяют измерять частоту в широком диапазоне ча-
стот от долей герца до 500 МГц, а с преобразователями —до 70
ГГц (табл. 13.1).
Точность измерения может быть повышена использованием вы-
сокостабильиого источника опорной частоты.
Частотомеры кроме измерения частоты позволяют измерять пе-
риод колебаний, интервалы времени-, отношение частот. Например,
частотомер 43-54 изменяет интервал времени в диапазоне от 0,1 до
10s мкс при внутренних частотах заполнения 10s, 104, 10s, 10s, 10’,
10s Гц.
Некоторые частотомеры позволяют делить частоту входного
сигнала и выдавать сигналы стабильных частот. Например, частото-
меры 43-38 и 43-54 могут делить входной сигнал до 2 МГц в 10, 102,
10s и 10* раз и выдавать частоты 0,1, 1, 10, 100 Гц; 1, 10, 100 кГц;
1, 5, 10, 50 МГц.
Стандарт частоты — прибор, предназначенный для воспроиз-
ведения высокостабильных частот и служит для проверки и калиб-
ровки измерителей частоты, а также для обеспечения высокой ста-
бильности измерителей частоты. Стандарты частоты подразделяют-
195
194
Продолжение табл. 13.1
43-57	0,1- — 1’10®	0,1-10	•*» 1  о 1	1 1 1 1 ~ 1 to	220х 150х хЗОО	к •в S 0 Л Ев С Ев S
	00	£	г* з*	X	п
	1 ©	i *	3>	0»	в» 00	|	|		
1.Э	J =-	1 «	1	1	°	1	1	© © © СО	00 S	S
еО	*	— о	О	© ?	© © — — О	—		э
*т*	►со	-с	»—•	1	<ННГ	•	•	•"*		
	° 1	о —	•	• ©	• to ю	© х	3
	1	1	—.	— —« со сч	о	
		1	— сч		2
О	1 ©	100	00	X to	S U
43-5	0,01- -32-1	1 to о	1	1 1 1 i 1 1 Й S СО	— to Д X 8х	я и
	1	с>			
					
				х	S
	. «о	о	г*		О
	1 2	о	1	1	1	1	1 О 1 О	оо	СЧ1О	OCQ
43-	0,01 -12-	7	I 31 IS*	8х	"7 'J.
	1	©	СЧ		«и
					
	со ©			X со to	-=£ » й
	1О	to		СО г—	с?
	|	1	1	1 I I |	| I « ю		
ео	1	1	1	1 1	1 1	1	1 со	—•	>< X	
5*	*	Л.		© '	
	О	о		оо.	
					к£> &
					
	СО о	©		X	°3 т°
04		о	03	3* з*	о о	
	•		1	3	1	COqO	
	сч	1	©	t f I I © © to	00		м н
еЗ S’	1	1	-у	1	1	1	1 — -7 00	—	*Х	
	о		—<	lO to	©	
	м	©	«к	«к	о	
			—' СЧ	^6	©•
					X .
					г во
	&		о	X	
*	-2-1	© сч 1	♦4 О> 03	00 г» 0» 1	1	1	1	1	1 J	© © © © © © © ь-	8S со	п 4
?	1	1 сч	1	—«	—•	г-»	XX	
			— to со со ю ю	^^6	О „
		©*	•> * «.	С* )	
			—•	—« сч	СО	
					
					=» о
	о		о	X	
«0 еО	tO	© 1	Z 0 4-0 4-0 8-0 в-о т-0 6-0	© © СО об	Is
5	1	1		-- I	~	о —	XX	1й
		ж	со	—*	со со to to	©	
	о	©	—* сч	©	X П ь
					S о
	, Гц	со	ча МОШ.	<и S п W	А ° 2 2
Л	О			Q.	« г
О S	и со	£	83	S 5		«1
«3 си я К	азон ч	X и »х о X	1» X	X =Г 5 «И U ”о О	>, &	*§ - я	ш 3 §.2	ЕО <в 5® то
	с	е(	2 3 — — — и » «о о, л £	£• 2	*—•
	О X' d	О X со	Sa J Н X и	Е я 2	Габг ры,	г—or •
196
ся иа кварцевые и квантовые. В свою очередь, квантовые стандарты
частоты могут быть как пассивные, так и активные [134, 153].
Рассмотрим вначале кварцевые стандарты частоты, т. е. стан-
дарты в которых частота стабилизируется с помощью кварцевого
резонатора.
В кварцевых стандартах частоты имеется опорный кварцевый
генератор, использующий высокодобротиый кварцевый резонатор
с добротностью более 2-10°. Для повышения стабильности частот
служит система АРА, поддерживающая весьма малую мощность рас-
сеяния с высокой точностью. Кварцевый генератор с системой АРА
и буферным каскадом помещается в термостатирующее устройство
с точностью поддержания температуры менее 0,1° С. Для улучшения
соотношения сигнал—шум используется узкополосный кварцевый
фильтр. Входные частоты стандартов частоты 5 МГц, 1 МГц и
100 кГц.
В стандартах частоты предусматривается возможность коррек-
ции частоты. Питание стандартов частоты производится от сети
переменного тока 220 В ± 10%.
Параметры кварцевых стандартов частоты 41-40 и 41-53 приве-
дены в табл. 13.2. Стабильности частоты указаны после 24 ч прогре-
ва. При меиьшем времени прогрева стабильность частоты сущест-
венно хуже. Например, стабильность частоты стандарта частоты
41-53 за сутки равна ± 5-10-8 после 2 ч прогрева и ± 2-10~8 пос-
ле 8 ч прогрева.
Кварцевые стандарты частоты имеют малые габариты, мощность
потребления и могут быть использованы для измерения частот квар-
цевых генераторов. Их недостатком являются необходимость дли-
тельного прогрева и малая долговременная стабильность частоты,
обусловленная в основном старением кварцевого резонатора. Бо-
лее высокостабильиы квантовые стандарты частоты (КС4).
Рассмотрим вначале пассивные КС4, принцип работы которых
основан иа частотной автоподстройке кварцевого генератора по
частоте квантового дискриминатора. Используются цезиевые и ру-
бидиевые КС4 (табл. 13.2).
Более высокие характеристики имеет рубидиевый стандарт ча-
стоты 41-50. Прибор 41-48 (его параметры, отличающиеся от прибора
41-50, приведены в таблице в круглых скобках) имеет дополнитель-
но часовой блок. В этих приборах можно перестраивать частоту маг-
нитным полем в пределах ± 0,9-10~*; предусмотрено резервное пи-
тание, которое обеспечивает нормальную работу прогретого прибо-
ра в рабочих условиях в течение 30 мии. Относительная погреш-
ность воспроизведения частоты от включения к включению ие бо-
лее 5-10—и.
Приборы допускают непрерывную круглосуточную эксплуата-
цию в рабочих условиях.
Наиболее высокую стабильность частоты имеют активные кван-
товые стандарты частоты. Принцип их работы также, как и у пас-
сивных квантовых стандартов, основан иа стабильности частоты
электромагнитного излучения атомов вещества при переходе из
одного энергетического состояния в другое однако, в отличие от
пассивных КС4, в активных КС4 возбуждаются незатухающие ко-
лебания. Весьма высокую стабильность имеют активные водород-
ные КС4.
Квантовый водородный генератор работает иа частоте 1420,
4 057 516 МГц. По сигналу водородного генератора происходит
197
Таблица 13.2. Параметры стандартов частоты
Активные водородные	41-46	0061 х xszsxoze оее оое '96 n-01-Z H-0I-S si-oi-e и-01 S‘ I
	41-44	0001 0023 ет-Ol'S si-01-9 гт-OI -Z 3i-0I -S ei-01 -Z
Пассивные рубидие- вые	О 00 Ю гГ	5-10~12 з-io-11 2-10-11 2-10-11 ±6-10-n 4 40 (46) 21(25) 480xl60x x475
	41-43	о	-и	S	X ~ ~ * 3 f	<£> 1	I I I I о	££ 1	о о о о —	о ю 9: — — ~	•	QO	СО X ** — Ю Ю Ю	S
Пассивные цезиевые	41-47	X 7	7 1	2 | | 2 1 * К « 1.0	сч	о 00
	41-42	110-1’ Ы0~10 5-10-U 2-10-п 4 180 80 480Х240Х Х475
Кварцевые	41-53	2	Я	3	о	2	X 1	1111	Ю ю о	о	о	о	о	со г- ~	_ _	1	_ —. СЧ Ю	О •	•	•	1	СЧ	СЧ V \/ ~	СЧ	СЧ	Ю	Ю	х\	х -в	-в	-в	-в	-в	S
	41-40	©ее©	\z «Ч	<4	,4	<4	©	в»	/\ 1	i	1	1	1	1	ою О	ООООО	СЧ г- ~	_	_	_	_	_	СО О	О	— io	—	—	ио	ю	—	"*	м	XX -н	-н чч -н -н -н	8
Показатель		6	СЯ	в* X	£ X ч. s'	§	s Г	Г 2	ОЭ {-•	X 2	eg о	Н	СХ й и	£	к	о 3	о	2	х	к ж X	а	о	И	х О.	X	О.	2	а	.	а н из са	£? о	,	3 й S § « о	« « 2 чса * Н 2.5 о и °	о *	%	«	F-	«	Ь gg«3	s	«	gx	3	§-s 55 •& CJ С	О h fj У Ю - £-ч (T) нС Q	CQ Сч X	U—< CX,
Примечание. Параметры 41-40 и 41-53 даны после 24 я работы, нестабильность за месяц — после месяца работы.
198
фазовая автоподстройка высокостабильного кварцевого гене-
ратора.
Выходные частоты водородных КСЧ 5 МГц, 1 МГц и 100 кГц.
Некоторые параметры водородных КСЧ приведены в табл. 13.2.
Наиболее высокие параметры имеет водородный КСЧ 41-46, поэтому
рассмотрим характеристики этого стандарта частоты подробнее.
Прибор обеспечивает указанные параметры через четверо суток пос-
ле его включения. Для уменьшения времени в стандарте предусмо-
трено раздельное включение термостатирующих устройств стандарта.
При предварительно прогретом термостатирующем устройстве
время готовности стандарта частоты 2 ч. Для обеспечения надежной
работы в приборе предусмотрено автоматическое переключение иа
сеть постоянного тока при отключении сети переменного тока. Для
нормальной работы стандарта частоты следует регулярно его вклю-
чать не реже 1 раза в 10 суток для поддержания рабочего вакуума.
В стандарте частоты предусмотрена возможность частотных и
фазовых измерений долговременной и кратковременной нестабиль-
ности частоты сигналов с частотой 5; 1 и 0,1 МГц с погрешностью
± 7-10-11; ± 7-10~12 и ± 7-10~13 при времени счета 1; Юн 100 с
соответственно. Для точной настройки резонатора водородного ге-
нератора на частоту спектральной линии и упрощения проверки
стандарта в комплект поставки входят два прибора 41-46.
Приемиики-компараторы. Проверить стандарты частоты по
их отклонению от номинальных значений можно при использовании
приемников — компараторов. Эти приборы специально предназна-
чены для определения отклонений частоты стандартов частоты от
эталонных сигналов. Эталонные сигналы передаются более чем по
200 каналам в различных диапазонах частот. Рассмотрим более под-
робно приемники — компараторы 47-9 и 47-10, которые работают
в диапазоне СДВ и ДВ. Приборы состоят из приемника, синтезатора
частоты и следящей системы. Приемники выполнены по схеме с двой-
ным преобразованием частоты. Синтезатор частоты формирует сиг-
налы первого и второго гетеродинов. Применение в качестве гетеро-
динов синтезатора частоты обеспечивает быструю настройку прием-
ника на заданную частоту. Гетеродин при замкнутой следящей си-
стеме синхронизирован сигналом принимаемой эталонной частоты.
Параметры приборов 47-9 и 47-10 приведены в табл. 13.3.
Максимальное измеряемое относительное отклонение частот»
не более !• 10~’. Входное сопротивление приемного тракта 50 Ом.
Существуют приемники сигналов точного времени, работающие в
диапазоне КВ (47-8) и работающие в диапазоне как КВ, так и ДВ
(47-13). Эти приемники служат для сличения частот кварцевых ге-
нераторов с частотой Государственного эталона.
Частотные компараторы. Существенно повысить точность из-
мерения генераторов можно Использованием частотных компарато-
ров. Компараторы предназначены для измерения нестабильности
частоты высокостабильных источников сигналов, а также для изме-
рения кратковременной нестабильности частоты и оценки спектраль-
ной плотности фазовых флуктуаций сигналов.
Принцип работы частотных компараторов основан на повыше-
нии точности измерений нестабильности входных сигналов путем
умножения разности их частот А/при сохранении частоты, неизмен-
ной на выходе и входе прибора. При умножении разницы частот в
N раз разрешающая способность измерений также повышается в
N раз. При этом должно выполняться условие N103 Гц.
199
Таблица 13.3. Параметры приемников—компараторов
Показатель	47-9	47-10
Диапазон частот, кГц	10—29,9 через	66(6); 200
Чувствительность, мкВ	0,1 кГц 1	1
Уровень входных сигналов,	0,5—1,5	0,5—1,5
В Частота выходного сигна-	100	100
ла, кГц Погрешность измерения ча- стот за время: 4 ч	±1-ю-9	±1-10-’
24 ч	±5-К)-"	±5-10-“
Потребляемая мощность, В-А	50	30
Масса, кг	24	22
Габаритные размеры, мм	490X135X475	490X135X475
Рабочая температура, °C	—5 +50	—50 -Н +50
Влажность, %, при 40°C	98	98
Компаратор частоты состоит из четырех аналогичных декад
умножения разности входных сигналов, блоков фазовых детекторов
и преобразователя. Коэффициент умножения зависит от частоты
входного сигнала и составляет для сигнала с частотой 1 МГц 1; 10;
100; 1000 и 10 000.
Таким образом, при прямом умножении частоты электронно-
счетным частотомером во столько же раз повышается разрешающая
способность измерения частоты, которая составляет, например, для
времени усредненяя 1; 0,1 и 0,01 с соответственно ± 1-Ю-10;
± 1 • 10~9 и ± 1-10-8. Такая точность измерения может оказаться
недостаточной для измерения кратковременной нестабильности ча-
стоты. Точность измерения можно повысить измерением периода ко-
лебаний. В этом случае измеряемая частота задает время измерения,
а частота заполнения задается внутренним генератором частотомера
и может быть для прибора 43-54 10" Гц, где п = 3; 4;, 5; 6; 7; 8,
т. е. частота заполнения может изменяться от 1 кГц до 100 МГц.
При частоте заполнения 100 МГц измерением периода колебаний с
выхода 10 кГц можно измерить нестабильность частоты с гораздо
большей точностью: например, при времени усреднения 1; 0,1 и
0,01 с соответственно ± 1-Ю-12; ± 1 -10—11 и ± 1-Ю-10.
Основные параметры частотных компараторов приведены в
табл. 13.4.
Высокая точность измерения нестабильности частоты, в том
числе и за малые промежутки времени, обеспечивает возможность
измерения кратковременной нестабильности частоты. Для измерения
кратковременной нестабильности следует произвести 20—50 заме-
ров частоты на заданном времени измереняя, и среднеквадратиче-
ское отклонение частоты будет характеризовать кратковременную
нестабильность частоты опорного генератора.
200
Таблица 13.4. Параметры частотных компараторов
Показатель	47-5	47-12
Частота сигналов, МГц	1; 2,5; 5	1; 5
Напряжение сигналов. В-	0,5—1,5	0,5—1,5
Коэффициент умножения		
разности частот для частот:		
1 МГц	10, 102, 103, 10*	10, 102, 10’, 10*
2,5 МГц	4, 40, 400, 4000	—
5 МГц	2, 20, 200, 2000	2,20,200,2000
Нестабильность частоты за		
время усреднения, с:		
0,001	—	1•10-»
0,01		ыо-* * * В * 1»
0,1	1.10-1»	ыо-11
1	±1-10-11	ыо-'2
100	±ыо-12	2-10-’3
. дБ, при отстройках		
частоты:		
15(20)** Гц	120(100)	130(120)
50 Гц	—	120(110)
100 Гц	—	120(110)
1000 Гц	135(115)	140(130)
Время готовности, ч	0,5	1
Потребляемая	мощность,	15	15
В-А		
Масса, кг	15	15
Габаритные размеры, мм	490X136X475	490X135X475
• Отношение мощности сигнала Рс к мощности шума компаратора Рт
при полосе анализа 6±2 Гц на частотах сигналов 1 МГц (в скобках—5 МГц).
•• При отстройках 15 Гц для 47-5; 20 Гц для 47-12.
Частотные компараторы совместно с аиализаторамя спектра
позволяют измерить спектр фазовых флуктуаций. Можно измерять
спектр фазовых флуктуаций без яспользования выходных устройств.
В этом случае используется выход компаратора с частотой 1 Л4Гц,
а измерение производится анализатором спектра С4-16 (С4-46).
Если в качестве эталонного генератора используется генератор с
идентичным спектром фазовых флуктуаций, измеренные значения
шумовых составляющих следует разделить на ~\/2 вследствие того,
что мощности шумов некогерентных сигналов складываются.
При измерении спектра фазовых флуктуаций с блоком фазовых
детекторов анализ спектра производится при нулевой разности ча-
стот низкочастотным анализатором спектра (например, С4-48, СК4-55,
СК4-56). Для поддержания нулевой разницы исследуемый генера-
тор может синхронизироваться по опорному генератору с помощью
фазового детектора.
201
202	203
Таблица 13.5. Параметры цифровых вольтметров
Показатель	В7-18	В7-22А	В7-25	B7-27A	Й7-28	BK2-17
V	тч Напряжение, В: постоянного тока	1-10-5—1000	1-10-’—1000	1-10-’—100	 1-10-’—1000	1-10-’—1000	1-10-’—1000
переменного тока	1-10-’—100	1 • 10-’-300	ыо-’—юо	3-10-7—300	1-10-’—300	—
Диапазон частот при измерении на- пряжения, Гц	10-1-10’	45-1-10’	—	20-6-10’	20-1-Ю’	—
Постоянный ток, А	1-10-’—1-10-2	1 • 10~7—2	1-IO-11—10-2	1-10-’—0,2	—	—
Сопротивление, Ом	1-Ю7	0,1-2-10’	1-Ю-1—1-Ю7	hlO"’- 2-107	1-10-’—1-107	10-2-10’
Диапазон измеря- емых частот, Гц	10-1-10’	—	10-1-IO7	—	—	—
Погрешность из- мерения: напряжения постоянного тока, %	±(0,054-0,02	±(0,154-0,4 ku)	±(0,014- 4~0»005 ku)	±(0,354- 4-0.15 (ftu—1)1	±(0,0254- 4-0,005 ku)	±(0,15+ +0,05 ku)
напряжения переменного тока, %	±(0,54-0,2 ku)	±(1-4,5)	±(0,oi4- 4-0,005 ku)	± К 1-5)4- +(0,5—2,5X X (*«-!)]	±((0,15±0,9)4- 4-(0,05±0,15)x X ku)	—
тока, %	±(0,14-0,1 ki)	±(0,254- 4-0,25	±(0,024- ±0,02 ki)	±[0,44-0,2X X(*i—D]	—	——
сопротивления, %	±(0,14-0,1 М	±(0,3+ 4-0,25 kr)	±[(0,015± ±0,05) kr]	±[0,5+0,2X	±(0,04+ +0,01 kr)	±(0,24-0,5 M
частоты	+(2,5-10-’+ 4-1/fx тсч)	—	i(^/r4-l/fiTc4)	—	—	——
Входное сопротив- ление, МОм	0,1—10	10-100	10—10 000	1-10	—	0,18—ip
Входная емкость, пФ	100	200	—	45	—	—
Потребляемая мощность, В-А	130	10	—	35	35	85
Масса, кг	20	1,9	18	6	9	23
Габаритные раз- меры, мм	490X135x475	215X65X177	480X135X555	260X120X322	340X135X330	562x240X465
Примечания: 1. Диапазон измерения напряжения для В7-18 —с прибором В9 I. 2. ka, kt. kr — отношения измеряемых величин
к верхнему значению установленного поддиапазона напряжения, тока, сопротивления соответственно: /х — измеряемая частота-
Тсч — время счета.
13.2.	Аппаратура для измерений параметров КГ
Универсальные цифровые вольтметры. Применение цифровых
вольтметров постоянного тока повышает точность измерения по-
стоянного напряжения и сопротивлении, что особенно необходимо
при проектировании и регулировке генераторов с цифровой компен-
сацией температурной нестабильности частоты.
Интегрирующие цифровые вольтметры измеряют среднее зна-
чение напряжения за заданный интервал времени и, как правило,
используют преобразование напряжения в частоту.
Универсальные цифровые вольтметры позволяют измерить с вы-
сокой точностью (десятые н даже сотые доли процентов) напряжение
постоянного тока в широком диапазоне напряжений.
Этот класс вольтметров измеряет и переменное напряжение иа
частотах до 1—6 МГц с высокой точностью, а также силу постоян-
ного тока и сопротивления с точностью десятых сотых долей про-
цента. Некоторые приборы, например В7-18, В7-25, позволяют с вы-
сокой точностью измерять частоту, а прибор В7-27А — температуру
от — 30 до 100° С с точностью до ± 2° С. Основные параметры вольт-
метров приведены в табл. 13.5.
Селективные вольтметры позволяют измерять напряжение в
узкой полосе частот, в отличие от широкополосных вольтметров.
Они используют узкополосные фильтры, обеспечивающие полосу
пропускания примерно 1 кГц. Обычно селективные вольтметры име-
ют и более широкую полосу пропускания — около 10 кГц. Вольт-
метры обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном
измерения и позволяют производить измерение отдельных спек-
тральных составляющих сложных сигналов. Диапазон частот при-
боров — от 20 Гц до 35 МГц. Селективные вольтметры, по существу,
представляют собой чувствительный приемник, как правило, су-
пергетеродинного типа. Погрешность вольтметров составляет 6—
25% в зависимости от типа прибора, диапазона частот и пределов из-
мерения. Собственные шумы селективных вольтметров малы и не
превышают 0,7 мкВ. Параметры селективных вольтметров приведе-
ны в табл. 13.6.
Анализаторы спектра. Для определения спектра колебаний при-
меняются анализаторы спектра, имеющие узкие полосы, примерно
3—5 Гц, и больший диапазон частот по сравнению с селективными
вольтметрами. Они позволяют последовательно во времени выделить
спектральные составляющие сигнала в рабочем диапазоне частот.
Анализаторы спектра широко используются для изучения спектра
периодических процессов и стационарных шумов. Низкочастотные
приборы позволяют анализировать частоты, начиная с 10 Гц, в то
время как высокочастотные работают до частот десятка гигагерц
(табл. 13.7).
Некоторые анализаторы спектра имеют высокую чувствитель-
ность — до 0,03 мкВ и динамический диапазон до 90 дБ (приборы
СК4-55, СК4-56). Эти приборы, как и приборы СК4-57 и СК4-58,
отличаются типами применяемых индикаторов. Приборы СК4-55
и СК4-57 имеют стрелочные индикаторы, позволяющие уменьшить
погрешность измерения, а приборы СК4-56 и СК4-58 используют
электронно-лучевые трубки, дающие возможность наглядно сравни-
вать спектральный состав различных сигналов. Эти приборы выпол-
нены полностью на полупроводниковых элементах и микросхемах.
204
Таблица 13.6. Параметры селективных вольтметров
X
																ш	О	
В6-10	0,1-30	О о LQ 1 LQ -н	О о 77 7 Г о о со			ь-. 7 О СЧ о +1			о	7? X о о сч			«о со X ап о ш —* со сч сч X о а>				ев Е X 5 О с о о X	
																	5 ч	
В6-9	с-ol—s-oi-г	|	еОТ—е-01  1 е01~ е-01-l			о о		(6-15)	о	1(20 Гц)		1	|	о еч еч —		490X175X355	в о S я н V 2 X 3 X	
																	3 и	
В 6-7	0,015—30	+ еч" о о 41	0,3-10-’—10*	0,3-10-’—10*		0,2-3 0,5—10		[(! »^)t+0l]+	о	0,5(100 кГц)		00.00 о о о сч еч				490X215X335	к о. и X X к X X о Я к о. с я	
																	о	
В6-1	0,15—35	±2,5	« * о о 1 1 л л 1 1 О О еч еч			1	[	±(10-25)	о	0,01(35 МГц)			о	оеч о со еч		520X350X350	о 2 о X о. Q 2 tn Ж X ж X о X X m	
		гы, %								(на ча-							0> X и э о X ь	
Показатель	Диапазон частот, МГн. Погрешность установки часто' (кГц)		CQ S аГ я X 0) (U 5 О О. о Е СЗ о Я с Ф »х S S ф сп к >» ф* CQ 2 си £	ф о <=: о с «X р о Н CQ	0) 0) с; о о ф со US ф S о z о Sg ж с >»»х a g л £ х >> а со о £		ф о с; о с >х р о X 5 а	к X X ф сх о 2 СП X ►а У X 3 ф сх о С	е с Л 1 S О) к сз X о к CQ	S О ф X X ф «=: CQ X О с о о ф о X < £ 8 2 СП Q	Ё1 X К X X сз X и к о сх X сз о е; о С	К сз X сп	к сз X о X а	Потребляемая мощность, В-А Масса, кг		Габаритные размеры, мм	• До 1 В с делителем. ku — о	«С X 3 X X о. X я X
205
Таблица 13.7. Параметры
Показатель	С4-45	С4-48	С4-49	
Диапазон частот, Гц Полоса обзора, кГц:	1-105—27-107	10-2-10* 10-6-10**	10-2-10’	
плавно	0,1-50		0,1—10	
дискретно Полосы	пропускании (на уровне —3 дБ), Гц:		—*	—	
дискретно	5; 30; 150 1200	5; 150	3—50 300-103	
плавно	—		—	
Динамический диапа- зон, дБ	60	60	60—70	
Уровень собственных** шумов, мкВ (дБ, дБ/мВт) Погрешность измерения:	65-70 дБ	0,1—0,5	1(4)**	
уровня, %	±(10—15)	±(5-10)	±(10—15)	
частоты, Гц	f 10-4-10	0,01/4-10	2%	
Входное сопротивление, Ом	50	10*	50	
Потребляемая мощность, В-А	140	16	160	
Масса, кг	2X35	18	35 и 20	
Габаритные размеры, мм	496X256X487; 496X256X475	492X175Х Х355		
• С внутренним гетеродином. ** Уровень собственных шумов С4-49 1 мкВ н
Измерители девиации частоты и иелииейпых искажений. Для
измерения характеристик частотно-модулированных кварцевых ге-
нераторов требуется аппаратура для измерении девиации частоты
и нелинейных искажений.
Измерители девиации частоты и модуляции (в режиме ЧМ)
представлиют собой высококачественный приемник ЧМ сигналов.
Переменная составляющая с частотного дискриминатора поступает
на отсчетные устройства приборов, которые проградуированы в
зиачениих девиации частоты. Эти приборы проверяют амплитудно-
частотные характеристики частотно-модулированных кварцевых
генераторов.
Измерители девиации и модуляции (табл. 13.8) позволяют из-
мерить параметры ЧМ кварцевых генераторов в диапазонах частот от
100 кГц до 1000 МГц в большом диапазоне модулирующих частот от
30 Гц до 200 кГц; основная погрешность не превышает 5%. Многие
206
анализаторов спектра
	С4-53	СК4-55 СК4-56	СК4-57 СК4-58	СК4-59	C4-6O
	20-5-105	10—6-10* 60—3-10е*	400—6-105	1 • 104— 1-1-10'	1-10'— 39,6-10»
	0,2—20	0,05—50	0,2-200	10s	50-2-10»
	—	1; 2, 5	1; 2; 5	—	1; 2; 5; 10
	5; 30; 150	3; 10; 30 100; 300	100; 300; 1000; 3000	1; 3; 5	1; 3; 5 1—
	—	—	—	0,1—300-103	300-10»
	60	80—90	70	70	60
	0,6—12	0,03; 0,2; 0,5	0,14	0,71	100— 70 дБ/мВт
	±10	±5 4- ±8; ±3	5	± (4-6)	±6
	3%	—	—	—	±(io-’f+ + D-10
	50-Ю3	10s; 50	50; 600; 10s (100 пФ)	50	50
	50	130 (150)	250	220	350
	35	21 (22)	25; 18 (30; 18)	29 и 25	3X30
	490Х255Х	480X160Х	480X160X475	480X160X	480x160x555
	Х487	Х475 . (480ХЮ0Х Х555)	480X120X555 (480X160X555, 480X120X555)	X555 480X160X X555	480x160x555 480x160x555
в диапазоне 10—100 МГц: 4 мкВ в диапазоне частот >100 МГц.
приборы измеряют ие только параметры генераторов в режиме ЧМ,
но и в режиме AM, что делает возможным, например, измерять пара-
зитную амплитудную модуляцию генераторов.
Для оценки нелинейных искажений служат измерители нели-
нейных искажений. Принцип работы этих приборов основан иа раз-
дельном измерении среднеквадратичных значений напряжений
высших гармоник и основной частоты сигнала. Подавление основ-
ной частоты сигнала производитси режекториым фильтром.
Приборы позволяют учитывать напряжение высших гармоник
до пятой гармоники включительно. Как правило, измерители нели-
нейных искажений позволяют измерять напряжение, выполняя в
этом случае функции квадратичного широкополосного вольтметра.
Параметры измерителей нелинейных искажений приведены в
табл. 13.9.
207
Таблица 13.8. Параметры измерителей девиации частоты
(режим ЧМ)
Показатель	CK3-39	СКЗ-40	СКЗ-41	СКЗ-43
Диапазон частот, МГц	0,1—50	4—1000	10—10 000	4—1000
Диапазон частот модуляции, кГц	0,03—15	0,03—200	0,03—200	0,03—60
Пределы измерения, кГц	1 -10-*—30	0,5—500	1—1000	1—500
Чувствительность, мВ	50	50	50	50
Погрешность*, %	5	3	3	—
Допустимый уровень фона или шума,	1 (0,3—3,4 кГц)	15-60 (да 20 кГц)	30—60 (до 20 кГц)	
Гц (для частот модуляции)	2(0,03—20 кГц)	50—300	100—200	
		(да 200 кГц)	(до 200 кГц)	
Коэффициент гармоник**, % (при	2 (10 кГц)	0,2—0,9	0,2—0,9	0,2—1
девиации)	4 (20 кГц)	(75—300 кГц)	(75-300 кГц)	
Потребляемая мощность, В-А	60	45	45	—
Масса, кг	18,5	17	17	9,5
Габаритные размеры, мм	490X215X360	490X215X360	490X215X360	335ХИ0Х500
• Погрешность СКЗ-43 0.05Д) + Д/ш. где Д/— девиация частоты; Д(ш — отклонение частоты из-за шума. •• Коэффициент гармоник
СКЗ-40. СКЗ-41 при частоте модуляции 60 кГц, СКЗ-43 — 150 кГц.
209
Таблица 13.9. Параметры измерителей нелинейных искажений
Показатель	С6-5	Сб-7	С6-8	С6-9
Диапазон частот, Гц, при измерении:				
нелинейных искажений	20—2-105	20—2-105	20—2-105	20— 1 -10®
напряжения	20—1-10е	20—1-10»	20—1-10а	20-5-10*
Пределы измерения:				
коэффициента гармоник kr, %	0,03—100	0,03—30	0,03—30	0,1—30
напряжения, В	3 10-*—100	1 -ю-«—100	1 • 10~*—100	310-*—100
Погрешность измерения, %:				
коэффициента гармоник	±(0,02ferx+5)*	±(0,lferx + 0,l)	~4~ (0,06ferx + +0,003^г.к+0,06)	± (0,1 ferx+0,05)
напряжения (мкВ)	±4**	±10	±(0,025«х+ +0,002ua±20)	±6
Масса, кг	14	15	20	20
Габаритные размеры, мм	490X135X355	490X135X355	490X175X480	490X175X480
• При частоте сигнала до 20 кГц; ± (0,1Агх+10)% в диапазоне частот 20—200 кГц. •• При частоте сигнала до 100 кГц;
±10% в диапазоне частот 100—1000 кГц.
Примечание. Величина с индексом х — измеряемая, с индексом к — верхнее значение установленного поддиапазона измере-
ния.
13.3.	Измерение параметров кварцевых резонаторов
Для расчета КГ и их настройки необходимо знание параметров
кварцевых резонаторов таких, как частота последовательного ре-
зонанса, добротность, емкостное отношение, статическая и динами-
ческая емкости, динамическая индуктивность, динамическое сопро-
тивление и сопротивление резонатора при расстройке. При работе
КГ необходимо обеспечивать малую мощность, рассеиваемую иа
резонаторе, поэтому необходимо измерять или вычислять значение
этой мощности. Согласно рекомендации международной электротех-
нической комиссии (МЭК) [ 152] рекомендуется измерять резонаторы,
работающие в диапазоне частот до 30 МГц пассивным методом. Этот
Рис. 13.!. Схема изме-
рения параметров квар-
цевых резонаторов в
пассивном режиме
метод основан иа измерении частоты и модуля минимального пол'
иого сопротивления пассивного четырехполюсника, в последова'
тельную ветвь которого между двумя резисторами включен измеряв'
мый резонатор (рис. 13.1). Для измерения емкостного отношения ди-
намических индуктивности и емкости последовательное резонатором
с помощью ключа К1 включается конденсатор С1.
В качестве генератора может быть использован управляемый
по частоте КГ или синтезатор частоты.
Для преобразования частоты опорного генератора в синтеза-
торах частоты используются смесители, умножители и делители
частоты. Для повышений стабильности частоты можно использовать
внешний стандарт частоты. Малая дискретность частоты 0,1 и
0,01 Гц делает эти приборы удобными для использования их при
измерений параметров резонаторов. Параметры синтезаторов приве-
дены в табл. 13.10.
Частота генератора (или синтезатора частоты) устанавливается
такой, чтобы был максимум выходного напряжения. Эта частота
соответствует частоте — частоте минимума полного сопротив-
ления резонатора. Относительное отклонение частоты от частоты по-
следовательного резонанса может быть оценено следующим соот-
ношением:
(fm-fK)//K »-mr’/2= - 1/(2Q* m).
Это отклонение в зависимости от добротности показано на
рнс. 13.2 для различных значений емкостного отношения. Для сред-
них значений т= (0,5—5)-10-3 н добротностей (100 —200)-103 от-
носительное отклонение не превышает 1-10~7. Точность настройки
зависит от чувствительности вольтметров н составляет (0,5—1)-10~8
в зависимости от частоты, добротности кварцевого резонатора и
чувствительности вольтметра. Существенно повысить точность на-
стройки можно при настройке по нулевому сдвигу фазы напряже-
ний UBX и ивых. В этом случае частота генератора (или синтезато-
210
Таблица 13.10. Параметры синтезаторов частот
Показатель	46-31	45-58
Диапазон частот, Гц	50—50-10®	50-50-10*
Дискретность установки ча- стоты, Гц	0,1	0,01
Напряжение выходного сиг- нала, В Сопротивление нагрузки, Ом Нестабильность частоты за время:	0,5	1±3 дБ
	50	50
1 с	±5-10-9 (±5-10-1°)	±5 10® (±1-10-’) ±5-10-9
1 сутки Ослабление спектральных составляющих с частотами, дБ:	±1-ю-®	(±5-10-9)
кратными	—	25
некратными	60	70
кратными	54	60
Потребляемая мощность, В-А	105	120
Масса, кг	61	65
Габаритные размеры бло-	490X135X475	490X135X475
КОВ, мм	490X295X475	490X295X475
Примечание. Нестабильность частоты без скобок — при
скобках— 10 МГц для Чб-З! и 5 МГц для 46-58.
частоте
МГЦ;
ра частоты) соответствует частоте fr, прн которой полное сопро-
тивление резонатора—число активное, отличие частот fr от fK такое
же, как и fm от fK, но обратного знака (рнс. 13.2). В качестве инди-
каторов настройки на частоту могут быть использованы измерители
разности фаз Ф2-16 (в диапазоне частот 20 Гц — 2 МГц) и ФК2-12
(в диапазоне частот 1 —1000 МГц), точность измерения илн разре-
шающая способность не превышает 0,2°. Точность настройки при
этом может быть оценена по формуле
kflf = ± Д<р7114.6Q.
Для добротностей (100—200)-103 и погрешности измерения
(индикации) фазового угла < 1° точность настройки составляет
(0,5—1)-10~7, т. е. на порядок лучше, чем прн использовании в ка-
честве индикатора вольтметров.
Сдвиг частот fm или fr от частоты последовательного резонанса
может быть скомпенсирован включением параллельно измеряемому
резонатору катушки с индуктивностью £0 такой, чтобы |1/(<оС0)| =
= |ш£0|, прн этом fm = fT — fK. Статическая емкость резонатора
может быть измерена аналогично емкости конденсатора на частотах,
отличных от резонансных частот резонатора, например, измерителя-
211
ми емкостей Е8-4 или универсальными измерителями параметров
Е7-9, Е7-11.
Для измерения емкостного отношения, динамических емкости
и индуктивности резонаторов следует измерить изменение частоты
А/, прн котором будет максимум передачи напряжения или нулевой
сдвиг фазы при включении последовательно с резонатором конден-
сатора с емкостью Ct.
Рис. 13.2. Зависимость отклонения частот от частоты последовательного
резонанса от добротности кварцевого резонатора
Используя выражение для расстройки Ae1 = АД / J. mfH= — ху1Г
(I — *01) —	+ Co) с учетом того, что ху1 = ХС1'/|ХСе| ~
= — Со/С1, получаем расчетные формулы для определения парамет-
ров резонатора:
(l + Q/Co)/^;
CH=2A/1 (Co + Cj)/ fK;
Lk 4л2/кСн 4л^к ДЛССо+СО ’
Значение динамического сопротивления /?к можно определить
методом замещения или рассчитать по измеренным величинам (7Bbix
и UBx при отсутствии конденсатора С1:
„ __ ^вх —	_
К.
Ь'вЫХ
Соответственно можно определить добротность кварцевого резона-
тора:
I
Qk Ск Rlt ~ 4nA/t (Со-Ь Q) RK
212
Способ измерения с помощью пассивного четырехполюсника обес-
печивает высокую точность измерения, но является трудоемким.
Более производительным является генераторный (осциллятор-
иый) способ, прн котором измеряемый резонатор возбуждается в ге-
нераторной схеме последовательного резонанса. В качестве измери-
тельной схемы генератора обычно используется двухтранзисторная
схема с включением измеряемого кварцевого резонатора в цепь об-
ратной связи между двумя резисторами с малыми сопротивлениями
(рнс. 13.3). Один нз каскадов генератора, обычно второй имеет пере-
страиваемый колебательный- контур, настройкой которого на мак-
симум показаний напряжения U2 обеспечивается режим генератора
вблизи последовательного резонанса.
Рис. 13.3. Схема измерения параметров кварцевых резонаторов в активном
(генераторном) режиме
Процесс измерения динамических параметров резонатора ана-
логичен описанному выше способу пассивного четырехполюсника.
По такой схеме построены приборы типа ТГК [791, предназначенные
для настройки кварцевых резонаторов в диапазоне частот от 500 Гц
до 105 МГц вблизи последовательного резонанса н допускающие из-
мерение динамического сопротивления резонаторов до 30 МГц. Ос-
новные параметры приборов типа ТГК приведены в табл. 13.11.
В таблице указаны данные для резонаторов с добротностью не ме-
нее 50-Ю3.
Воспроизводимость частоты можно повысить при использовании
фазовой ннднкацнн. В этом случае можно получить большую точ-
ность измерения частоты, примерно ± 0,5-10-®. В некоторых при-
борах частота генератора автоматически настраивается на частоту,
прн которой фазовый сдвиг на резонаторе равен нулю, с помощью
фазового дискриминатора. Фазовые способы индикации н настройки
измерительного генератора используются в ряде приборов для из-
мерения параметров резонаторов.
Приведем параметры одного из таких приборов для диапазона
частот 10—150 МГц.
Воспроизводимость частоты в одном приборе не хуже ± (5-10~’ +
+ -1—), а в различных приборах данного типа не хуже ± (5-10-7 +
30 Q
+ ^). Точность измерения динамических индуктивностей и ем-
кости резонаторов до 100 МГц ± 5% для частот 100—150 МГц ± 10%.
Диапазон измеряемых динамических сопротивлений 5—400 Ом с
213
Таблица 13.11. Параметры приборов ТГК
Показатель	ТГК-1	ТГК-2	ТГК-3	ТГК-4
Диапазон частот, кГц	0,5-70	50—ЫО3	1-Ю3— —30-Ю3	ЗОЮ3— -105-10’
Точность воспроизведе- ния частоты, 10-8	±1	±2	±2	±2
Диапазон измерения ди- намического сопротив- ления, Ом Погрешность измерения сопротивления, %	100-200Х Х103	10-50-10s	5—300	—
	±15	±20	±(0,2Яж+ + 1 Ом)*	—
Потребляемая мощность, В.А	60	96	60	60
Масса, кг	10	13	12,5	13
Габаритные	размеры,	355х275х	400х290х	420x264 х	300 х 464 X
ММ	х230	Х225	х240	х240
точностью + (6% + 1 Ом) для частот 10—100 МГц и + (10%+ 2 Ом)
для частот 100—150 МГц.
Высокую точность измерения эквивалентных параметров ре-
зонаторов обеспечивает метод свободных затухающих колебаний.
Этот метод измерений основан иа зависимости времени затухания
свободных колебаний от добротности резонатора. Действительно,
измеряя время t, при котором свободно затухающие колебания умень-
шаются с амплитуды Лн до амплитуды Л1г можно найтн значение
добротности резонатора:
Для определения указанным методом эквивалентных парамет-
ров резонатора необходимо измерить эквивалентную добротность
резонатора с учетом последовательного включения с резонатором
эталонного активного сопротивления /?доп.
По двум значениям добротностей, QK1 и QK2, можно найтн зна-
чение динамического сопротивления резонатора
о „ ^доп
Qki/Qkz— I
а по известным значениям частоты добротности и динамического
сопротивления легко найти величины LK и С1(.
Метод свободных затухающих колебаний обеспечивает высокую
точность измерений, особенно прецизионных резонаторов. На этом
методе созданы измерители эквивалентных параметров резонаторов:
в диапазоне частот 10 — 1000 кГц — ИПР-1; в диапазоне частот
10—30 МГц — ИПР-2.
214
Приборы обеспечивают погрешность, %:
добротности......................................... ±3
эквивалентного сопротивления ................... 3—4
реактивных параметров...............................±6—7
Для намерения расстройки достаточно намерить частоту в дан-
ном генераторе, по известным т, fH вычислить значение
e=-L-zk..
0,5т fK
По известной расстройке могут быть вычислены величины
гКв=П</(1—е)2;
Мощность, рассеиваемую в резонаторе, можно вычислить, измерив
напряжение на резонаторе:
кв КВ % кв |ХСо| {И (1-е)-4)Р + г2}
Напряжение на резонаторе необходимо измерять селективным мик-
ровольтметром.
Приложение 1. Основные обозначения и сокращения
RK — динамическое сопротивление кварцевого резонатора
/?кв —• активное сопротивление кварцевого резонатора прн
расстройке прн последовательном замещении
Хкв — реактивное сопротивление кварцевого резонатора прн
расстройке прн последовательном замещении
LK — динамическая индуктивность кварцевого резонатора
Ск — динамическая емкость кварцевого резонатора
Со — статическая емкость кварцевого резонатора
QK — добротность кварцевого резонатора
Хс — сопротивление статической емкости кварцевого резо-
натора
т — емкостное отношение кварцевого резонатора
fK — частота последовательного резонанса кварцевого ре-
зонатора
af — температурный коэффициент частоты
ат — температурный коэффициент емкостного отношения
е — расстройка относительно последовательного резонанса
е0 — начальная расстройка
еу — расстройка при включении управляющего элемента
Де — изменение расстройки
Ху — приведенное сопротивление управляющего элемента
«Об^ое-^ое — температурные коэффициенты 1, 2 и 3-го порядков
соответственно
*н — приведенное начальное сопротивление
215
у — показатель степени зависимости емкости варикапа от
напряжения
<рр — контактная разность потенциалов варикапа
и — приведенное изменение напряжения на варикапе
£н — начальное напряжение на варикапе
хра — приведенное начальное сопротивление варикапа
&е1 — приведенная девиация частоты
Де0 — изменение начальной расстройки при модулиции
(сдвиг частоты)
Де2 — приведенная девиация второй гармоники
Де3 — приведенная девиация третьей гармоники
ит — приведенная амплитуда модулирующего напряжения
К/ — коэффициент нелинейных искажений
Su — крутизна’ термокомпенсацни
/?у— управляющее сопротивление генератора
Рр — мощность рассеивания в кварцевом генераторе
ы — угловая частота
ТЧХ — температурно-частотная характеристика
ТККГ — термокомпенсированный кварцевый генератор
ТСКГ — термостатированный кварцевый генератор
ВТХ — вольт-температуриая характеристика
АРА — автоматическая регулировка амплитуды
ТКЧ — температурный коэффициент частоты
КГ — кварцевый генератор
АЧГ — активная часть генератора
Приложение 2. Термины и определения
В настоящем справочнике используются термины и определения
по ГОСТ 22866—77 и применяемые в технической литературе по
кварцевым резонаторам и генераторам (отмечены*).
Интервал рабочих температур, в котором параметры генера-
тора должны оставаться в пределах норм, установленных в норма-
тивно-технической документации.
*	Интервал предельных температур, в пределах которого ге-
нератор работоспособен.
*	Условия эксплуатации, в которых генератор обеспечивает
заданные в нормативно-технической документации параметры.
Номинальная частота, установленная нормативно-технической
документацией.
Рабочая частота — частота, измеренная в заданном рабочем
режиме.
Температура настройки, при которой в процессе изготовления
устанавливается или подстраивается рабочая частота.
Точность настройки — максимальное отклонение рабочей ча-
стоты генератора от номинальной частоты (или частоты дополнитель-
но оговоренной) при температуре настройки.
Температурно-частотная характеристика (ТЧХ) — зависи-
мость рабочей частоты генератора от окружающей температуры.
Температурная нестабильность частоты—изменение рабочей
частоты, вызванное изменением окружающей температуры.
Нестабильность частоты от напряжения питания — измене-
ние рабочей частоты генератора, вызванное изменением напряже-
ния питания.
216
Нестабильность частоты от нагрузки — изменение рабочей
частоты КГ, вызванное изменением сопротивления нагрузки, из-
меренное в заданном рабочем режиме.
Кратковременная нестабильность частоты—случайные изме-
нения частоты КГ относительно рабочей за заданный интервал вре-
мени.
Долговременная нестабильность частоты — изменение рабочей
частоты КГ за заданный интервал времени, происходящее в задан-
ном режиме и вызванное необратимыми изменениями, происходя-
щими в элементах КГ.
*	Нестабильность частоты от воздействия различных деста-
билизирующих факторов—изменение рабочей частоты КГ в про-
цессе и после воздействия различных дестабилизирующих факторов.
*	Суммарная нестабильность частоты — общее изменение ча-
стоты КГ от воздействйя дестабилизирующих факторов, оговоренных
в нормативно-технической документации.
Допускаемое отклонение частоты — максимальное отклонение
частоты КГ, работающего в заданных условиях относительно номи-
нальной частоты при воздействиях дестабилизирующих факторов.
Мощность, потребляемая в установившемся режиме, — макси-
мальная мощность, которую потребляет КГ от источника питания
после установления рабочей частоты.
Мощность, потребляемая во время включения — максималь-
ная мощность, которую потребляет КГ от источника питания до
момента установления рабочей частоты.
Время установления частоты — интервал времени, за который
устанавливается частота после включения КГ с заданной точностью
от установившегося значения.
*	Время готовности — интервал времени, за который частота
КГ оказывается в пределах заданного допуска.
Перестройка частоты — преднамеренное изменение частоты КГ.
Погрешность коррекции частоты КГ относительно номинальной
или дополнительно оговоренной частоты.
*	Периодичность коррекции частоты — интервал времени, по
истечении которого необходима коррекция частоты для обеспечения
оговоренного в нормативно-технической документации допускаемо-
го отклонения частоты.
*	Сопротивление нагрузки — значения активных и реактивных
сопротивлений на выходе КГ,
*	Выходное напряжение — напряжение рабочей частоты, изме-
ряемое на нагрузке.
*	Уровень гармонических составляющих — отношение напря-
жения гармонических составляющих к выходному напряжению КГ.
Паразитные колебания — колебания определенных частот, по-
являющиеся на выходе КГ и не являющиеся гармоническими со-
ставляющими напряжения рабочей частоты.
*	Девиация частоты — изменение частоты КГ при воздействии
определенного модулирующего напряжения.
*	Разнос частот — разность максимальной и минимальной
частот КГ, соответствующих частотам отжатия f0 и нажатия fK.
Модуляционная характеристика — зависимость рабочей ча-
стоты КГ от амплитуды модулирующего сигнала.
*	Коэффициент нелинейных искажений, — характеризующий
искажение модулирующего сигнала из-за нелинейности модуляци-
онной характеристики КГ.
217
Нелинейность амплитудной модуляционной характеристики —
отношение отклонения амплитуды колебаний от линейной модуля-
ционной характеристики к полному изменению частоты, выражаемое
в процентах.
Паразитная амплитудная модуляция — относительное изме-
нение выходного напряжения КГ прн частотной модуляции, выража-
емое в процентах.
*	Частотная модуляционная характеристика — зависимость
девиации частоты от частоты модулирующего сигнала.
*	Нелинейность частотной модуляционной характеристики —
отношение разности девиации КГ прн частоте модулирующего сиг-
нала Гмод и прн частоте Гмод == 1000 Гц к девиации при Гмод =
= 1000 Гц, выраженное в процентах.
*	Скорость маниппуяции К.Г — допустимая скорость переклю-
чения частот отжатия /0 и нажатия выражаемая в бодах.
*	Паразитная девиация частоты — изменение частоты КГ
прн отсутствии преднамеренного изменения частоты.
*	Отношение сигнал-шум —• отношение выходного напряжения
к напряжению шума, измеренному прн определенной отстройке от
рабочей частоты КГ и в определенной полосе, выраженное в де-
цибелах.
Приложение 3. Выбор направления разработки
и экспериментальная обработка кварцевых
генераторов
Частота генератора. Как было показано в разд. 4—6, наиболее
высокая стабильность частоты кварцевого генератора может быть
получена в диапазоне средних частот. Поскольку в начале разработ-
ки частота выходного колебания и допустимая ее нестабильность за-
даны, при выборе частоты генератора необходимо проанализировать
возможность обеспечения требуемой стабильности при работе непо-
средственно иа заданной частоте. Есл» заданную стабильность полу-
чить нельзя, целесообразно частоту выходного колебания получать
делением или умножением частоты генератора. После этого выбрать
оптимальный вариант генератора с точки зрения габаритных разме-
ров, времени готовности потребляемой мощности и т. д.
Корректор частоты. Одновременно с выбором частоты следует ре-
шить, применять ли корректор частоты для устранения неточности
настройки кварцевых генераторов и разброса параметров его эле-
ментов, а также изменения частоты в результате старения.
В качестве корректора можно применять катушку индуктивно-
сти, конденсаторы или варикапы. При применении варикапов в кон-
струкции генератора должна быть предусмотрена возможность под-
ключения внешних элементов корректоров частоты, резистора с пере-
менным сопротивлением. Резистор с переменным сопротивлением
позволяет более оперативно и с более высокой точностью корректи-
ровать частоту, однако ои имеет, как правило, большие габариты,
меньшую устойчивость при механических воздействиях.
Способ получения стабильности частоты. Когда трудно получить
заданную стабильность, необходимо предусмотреть возможность
применения термостатирования или термокомпеисации. Нестабиль-
ность частоты для различных частот приведены в разд. 7 и 8.
Обеспечение еще более высокой стабильности частоты возможно
218
лишь на определенных частотах н с помощью высокостабильных пре-
цизионных резонаторов. Особенности прецизионных генераторов
рассмотрены в разд. 9. Необходимая сетка частот формируется с по-
мощью синтезаторов.
Схема генератора определяется рабочей частотой, требования-
ми экономичности, уровнем мощности иа кварцевом резонаторе,не-
обходимым запасом по возбуждению. Оиа должна обеспечивать ус-
тойчивое и надежное возбуждение выбранного типа резонаторов во
всем интервале температур. Активная части генератора иа биполяр-
ных или полевых транзисторах и различных микросхемах определя-
ется базой аппаратуры. Применение цифровых микросхем позволяет
иметь выходной сигнал генератора в форме меандра, что бывает удоб-
но для его дальнейшего преобразования и т. д.
Экспериментальная обработка. Обеспечение требуемых парамет-
ров кварцевого генератора во многом зависит от экспериментальной
отработки схемы генератора. Наиболее простым по схеме и в настрой-
ке является одночастотный иеперестраиваемый кварцевый генера-
тор. При его экспериментальном исследовании необходимо прове-
рить работу генератора иа граничных значениях динамических со-
противлений. Прн минимальном значении динамического сопротив-
ления /?,да1п и максимальной крутизне транзистора проверяется
мощность, рассеиваемая на кварцевом резонаторе; она должна быть
меньше допустимой для выбранного типа резонатора. При макси-
мальном значении сопротивления и минимальной крутизне тран-
зисторов проверяется необходимый запас по возбуждению. Если
в кварцевом генераторе предусмотрена подстройка частоты, то не-
обходимо проверить ее пределы, которые должны обеспечивать воз-
можность установки номинальной частоты прн граничных разбросах
параметров элементов при минимальном емкостном отношении Ск/Са.
На высших порядках колебаний иногда вместо конденсатора, вклю-
чаемого между эмиттером и коллектором транзистора, используется
параллельный контур с емкостной реакцией на рабочей частоте /г,
что предотвращает возможность возбуждения генератора иа основ-
ной частоте. При экспериментальной отработке проверяется выпол-
нение условия /р 0,7/г, где — резонансная частота контура,
включенного между эмиттером и коллектором транзистора. В неко-
торых случаях кварцевый генератор используется в диапазоне час-
тот, перекрываемом при смене кварцевых резонаторов. В этом слу-
чае необходимо обеспечить требуемый запас но возбуждению и за-
данную рассеиваемую на кварцевом резонаторе мощность в диапа-
зоне частот.
При экспериментальной отработке кварцевого резонатора, пере-
стройка частоты в котором осуществляется изменением напряжения
смещения на варикапе, необходимо при заданных пределах измене-
ния этого напряжения ДЕц (при максимальной емкости варикапа
Ср.нтах 11 минимальном емкостном отношении CK/Cornin) проверить
возможность обеспечения заданных пределов перестройки по часто-
те. Если к кварцевому генератору с перестройкой частоты предъяв-
ляется требование к линейности характеристики управления, то
необходимо определить коэффициент нелинейности характеристики
управления, как об этом сказано в разд. 10, и проверить выполнение
условия Кп гС ТСц доп- Если коэффициент нелинейности больше до-
пустимого, то необходимо принять меры к его уменьшению.
В кварцевых генераторах с непосредственной частотной модуля-
цией (ЧМ генераторах) управление частотой генератора осуществляв
219
ется также изменением смещения на варикапе. В данном случае про-
веряется возможность обеспечения необходимой девиации частоты
А/ при заданном модулирующем напряжении {/мод и минимальном
Ск/Сопцп» а также выполнения условия Kf < Kf ДОп- Обычно де-
виация частоты и коэффициент нелинейных искажений, если это
ие оговорено особо, измеряются при частоте модулирующего напря-
жения /'=1000 Гц. Если к кварцевому генератору с непосредствен-
ной частотной модуляцией предъявляется требование модуляции в
широком диапазоне модулирующих частот, то в заданном диапазоне
частот измеряются Kf и А/. В этом случае обычно предъявляется
требование линейности частотной модуляционной характеристики
генератора. В зависимости от используемого способа уменьшения не-
линейных искажений в ЧМ генераторе измерение Kf и его регули-
ровка осуществляется либо при номинальной девиации частоты,
либо при нескольких ее значениях. Когда уменьшение нелинейных
искажений достигается включением катушки индуктивности парал-
лельно кварцевому генератору, регулирование иа минимальное зна-
чение Kf осуществляется следующим образом: от звукового генера-
тора на управляющий вход ЧМ генератора подается модулирующее
напряжение, необходимое для получения номинальной девиации
частоты, и вращением сердечника катушки устанавливается мини-
мальное значение Kf.
При экспериментальном исследовании всех разновидностей
кварцевых генераторов необходимо проводить их испытание в интер-
вале рабочих температур иа температурную нестабильность частоты.
Для этого генератор помещается в камеру тепла —холода, уста-
навливается граничная температура рабочего интервала и после
выдержки в течение определенного времени измеряется его частота.
Время выдержки зависит от теплофизических характеристик генера-
тора и может быть определено экспериментально. Для этого необхо-
димо, измерять частоты через равные промежутки времени. Время
выдержки равно времени, начиная с которого разница между сосед-
ними измерениями частоты не превышает заданного значения.
Учитывая нелинейный характер ТЧХ, измерение частоты гене-
ратора необходимо проводить через 5... 10° С во всем рабочем интер-
вале температур.
Снятие температурных характеристик — процесс длительный.
Для сокращения трудоемкости испытаний целесообразно их ав-
томатизировать.
Конструктивное исполнение. Конструкция генератора опреде-
ляется двумя факторами: а) требованиями к параметрам; б) условия-
ми эксплуатации. При эксплуатации элементы генератора подвер-
гаются воздействию изменяющейся температуры окружающей .сре-
ды, влажности и др. Поэтому высокую стабильность частоты генера-
тора можно сохранить, лишь выполнив его в виде отдельного функ-
ционально законченного-герметизнроваииого блока, где размещает-
ся печатная плата с элементами. Габаритные размеры корпуса гене-
ратора (вернее, нх соотношение) выбираются так, чтобы генератор
удобно компоновался с другими узлами и блоками аппаратуры.
Размещаться генератор в составе других блоков и узлов аппа-
ратуры должен так, чтобы вблизи него не было источников повышен-
ной температуры, по возможности не происходило резких измене-
ний температуры, связанных с изменением режима работы аппарату-
ры, не было сильных электромагнитных или магнитных полей. Рез-
кие изменения температуры приводят в действие механизм термоди-
220
иамики, что в итоге также проявляется как дополнительная неста-
бильность частоты. Изменение напряженности поля может привести
к изменению частоты.
Список литературы
1.	Абрамов В. А., Гильварг Б. А., Ливенский Г. А. Способ прог-
нозирования величины изменения частоты кварцевых резона-
торов со временем. — Электронная техника.’ Сер. 5, 1974,
вып. 4, с. 18—26.
2.	А. с. 151995 (СССР). Способ температурной компенсации часто-
ты кварцевого автогенератора на полупроводниковом триоде.
А. Д. Ванцеховский, Г. Б. Альтшуллер.
3.	А. с. 166745 (СССР). Пьезоэлектрический резонатор с нагрева-
тельным элементом. П. Г. Поздняков, Э. Г. Маркосян.
4.	А. с. 291313 (СССР). Пьезоэлектрический резонатор. Л. 3. Ру-
саков.
5.	А. с. 301809 (СССР). Кварцевый генератор с частотой манипуля-
цией. С. И. Лассовнк, Г. Б. Альтшуллер.
6.	А. с. 400969 (СССР). Кварцевый генератор. Б. Г. Парфенов,
Г. Б. Альтшуллер, В. И. Мурзнн.
7.	А. с. 557466 (СССР). Кварцевый генератор на транзисторах.
Ю. С. Иванченко, А. Ф. Плонскнй, В. И. Теаро.
8.	А. с. 585586 (СССР). Термокомпенснрованнын кварцевый гене-
ратор с частотной манипуляцией. Г. Б. Альтшуллер, Н. Н. Ел-
фимов.
"9	. А. с. 658705 (СССР). Термокомпенсированный кварцевый гене-
ратор с электронной перестройкой частоты. С. И. Лассовнк,
А. Д. Чернядьев, Г. Б. Альтшуллер, В. А. Яхонтов.
10.	Аксельрод 3. М. Проектирование часов и часовых систем. —
Л.: Машиностроение, 1981. — 328 с.
11.	Александров А. И. К расчету термокомпенсацни частоты квар-
цевых генераторов. — Электросвязь, 1962, № 2, с. 67—69.
12.	Александров А. И. Генераторы высокостабильных колебаний. —
М.: Связь, 1967. — 144 с.
13.	Альтшуллер Г. Б., Прохоров В. А. Компенсация температурных
изменений частоты кварцевых генераторов с помощью р—«-пере-
хода полупроводниковых приборов. — Радиотехника, 1960,
№11, с. 39—44.
14.	Альтшуллер Г. Б., Прохоров В. А. К выбору элементов схем тер-
.мокомпенсации изменений частоты кварцевых автогенераторов.
— Электросвязь, 1961, № 1, с. 24—32.
15.	Альтшуллер Г. Б., Шакулии В. Г. Линейно-дискретная компен-
сация уходов частоты кварцевых генераторов в широких ин-
тервалах температур. — Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРС,
1971, №4, с. 120—128.
16.	Альтшуллер Г. Б. Кварцевая стабилизация частоты. — М.:
Связь, 1974. — 272 с.
17.	Альтшуллер Г. Б. Управление частотой кварцевых генераторов.
— М.: Связь, 1975. — 304 с.
18.	Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулии В. Г. Особенности
термокомпенспрованных генераторов с использованием квар-
цевых резонаторов среза РТ. — Вопросы радиоэлектроники..
Сер. ТРС, 1974, № 4, с. 160 — 165.
19.	Альтшуллер Г. Б., Яхонтов В. А. Особенности влияния иелпней-
221
иости кварцевого резонатора на стабильность частоты генерато-
ра. — Техника средств связи. Сер. ТРС, 1977, вып. 4, с. 85—91.
20.	Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Ша'кулин В. Г. Кварцевый
генератор повышенной стабильности частоты с кусочно-нели-
нейной термокомпенсацией. — Техника средств связи. Сер.
ТРС, 1976, вып. 7, с. 111 — 119.
21.	Альтшуллер Г. Б., Лассовик С. И., Чериядьев А. Д. О темпера-
турной стабильности частоты опорных кварцевых генераторов
с термостатированным резонатором. — Техника средств связи.
Сер. ТРС, 1976, вып. 4, с. 151 — 156.
22.	Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н. Особенности проектирования
экономических термокомпенсированиых кварцевых генерато-
ров. — Техника средств связи. Сер. ТРС, 1976, вып. 7, с. 144.
23.	Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Экономич-
ные миниатюрные кварцевые генераторы. — М.:Связь, 1979. —
160 с.
24.	Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Завьялов В. Л. Цифровая
компенсации температурной нестабильности частоты кварцевых
генераторов. — Техника средств связи. Сер. ТРС, 1981, вып. 7,
с. 139—145.
25.	Альтшуллер Г. Б., Лассовик С. И., Чериядьев А. Д. Способ
повышения стабильности частоты опорных кварцевых генера-
торов с дистанционной коррекцией частоты. — Средства свя-
зи, 1981, вып. 2, с. 35—37.
26.	Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Завьялов В'. Д. Учет нели-
нейности ключей при кусочно-нелийейной термокомпеисации. —
Техника средств связи. Сер. ТрС, 1982, вып. 4, с. 96—105.
27.	Аппаратура для частотных и временных измерений/ Под ред.
А. П. Горшкова. —М.: Сов. радио, 1971. — 336 с.
28.	Баев Е. Ф., Фоменко Л. А., Цымбалюк В. С. Индуктивные эле-
менты с ферромагнитными сердечниками. — М.: Сов. радио,
1976. — 320 с.
29.	Baxandall Р. L. Transistor crystal oscillators and the design
of a 1-Mc/s oscillator circuit capable of good frequency stabi-
lity. — Radio and Electronic Engineer, 1965, v. 29, № 4,
p. 229—246.
30.	Берман Л. С. Нелинейная полупроводниковая емкость. — M.:
Фнзматгиз, 1963. — 86 с.
31.	Богаткииа В. Н., Герасимов Е. В., Ярославский М. И. Низко-
частотные кварцевые резонаторы с пьезозлементами среза АТ. —
Электронная техника. Сер. 9. Радиокомпоненты, 1970, вып. 6,
с. 14 — 18.
32.	Боруп Э. М., Масленников А. Н., Френкель А. Л. Автогенератор
дли возбуждения кварцевых резонаторов на коаксиальном ка-
беле. — Электронная техника. Сер. 10. Радиокомпоиенты,
1973, вып. 4, с. 99—101.
33.	Бондаренко Е. В., Кравец Э. Ф. Эффективная теплоизоляция
для прецизионных малогабаритных термостатов. — Вопросы
радиоэлектроники. Сер. ТРТО, 1978, вып. 3, с. 96—100.
34.	Berte М., Harteman Р. Quartz resonators at fundamental frequen-
cies greated thek 100 MHz. — Ultrason Symp. Prd., Cherry
Hill H. F., 1978, p. 148—151.
35.	Bechman R. Ober die temperaturfillissigkeit der frequenz von
.AT und ВТ quarzresonatoren. — Archiv der Electrischen Ober-
tragung, 1955, № 4, S. 47—53.
222
36.	Bechman R. Frequency-temperature—angle characteristics of
the AT tvpe resonators made of natural and synthetic quartz.
—Proc. IRE, 1965, №11. p. 1600—1667.
37.	Bechman R., Durana V. Variation with temperature of quartz
resonator characteristics. — Proc. IRE, 1956, v. 44, № 3, p. 377.
38.	Bechman R. Frequency-temperature-angle characterictics of
AT-and-BT-tupe quarts oscillators in an extended temperature
range. — Proc. IRE, 1960. v. 48, № 8, p. (494.,
39.	Bechman R. Influence of the order of overtone on temperature
coefficient of frequency of AT-type quartz resonators. — Proc.
IRE, 1955, №11, p. 1667—1668.
40.	Бехман P. Срез кварца с поперечными колебаниями по толщине
с малыми ТКЧ второго и третьего порядков (РТ-срез). —
ТИИЭР, 1961, т. 49, №9, с. 1686—1687.
41.	Бехман Р., Баллато А. Д., Лукашек Т. И. Температурные ко-
эффициенты высших порядков для упругих констант и модулей
альфа-кварца. — Труды института радиоинженеров, 1962, № 8,
с. 1853—1863.
42.	Browning I., Crabb I., Lewis M. F. A SAW frequency synthe-
sizer. — Ultrasonics Symp. — Proc. IEEE, 1975, p. 245—247.
43.	Bertrand A. Oscillateurs a quartz compenses en temperature
Calcul du reseau de compensation. — L’onde electrique, 1976,
v. 56, № 6—7, p. 303—307
44.	Бурбон M. H., Дейнега В. T., Королев С. П. Применение унифи-
цированных узлов для построения регуляторов температуры
прецизионных термостатирующих устройств.— Вопросы радио-
электроники. Сер. ТРТО, 1979, вып. 1, с. 84 —94.
45.	Варфоломеева Г. И., Дикиджи А. Н., Дикиджи Л. Ш. Гистерезис
частоты прецизионных резонаторов после температурных воз-
действий. — Электронная техника. Сер. 10. Радиокомпоненты,
1973, вып. 4, с. 22—29.
46.	Венгеровский Л. В., Вайнштейн А. X. Прецизионные полупро-
водниковые стабилизаторы. — Л.: Энергия, 1974. — 120 с.
47.	Вороховский Я. Л., Грузииеико В. Б., Петросян И. Г. Управ-
ление зоной термостабилизации резонатора — термостата с
саморегулирующимся позисторным нагревателем. — Электрон-
ная техника. Сер. 5, 1979, с. 48—55.	'
48.	Гавра Т. Д., Ермоленко И. А. Исследование флуктуационных
характеристик гармоннковых кварцевых генераторов. — Радио-
техника, 1972, № 10, с. 99—101.
49.	Галии А. С. Диапазонно-кварцевая стабилизация СВЧ. — М.:
Связь, 1976. — 256 с.
50.	Галаян Г. Б., Шириняи Р. А. Кварцевые генераторы прямоуголь-
ных сигналов. — Обмен опытом в радиопромышленности, 1976,
№3, с. 60—61.
51.	Генератор с дискретной перестройкой частоты, стабилизи-
рованный резонатором поверхностной акустической волны/
Г. Л. Гуревич, Е. И. Кошуринов, В. М. Пасхин, At. С. Сандлер.
— Радиотехника и электроника, 1978, № 10, с. 2204—2207.
52.	Гладков В. Д., ГромрвС. С., Никитин Н. В. Применение двух-
позицнопиой системы терморегулирования в наружных термо-
статах кварцевых генераторов. — Труды ВНИИФТРИ, 1970,
вып. 3 (33), с. 37—43.
53.	Голембо В. А., Котляров В. Л., Швецкий Б. И. Пьезокварце-
223
вые аналого-цифровые преобразователя температуры. — Львов:
Внща школа, 1977. — 171 с.
54.	Голембо В. А., Сидоров М. Н., Котляров В. Л. Цифровой квар-
цевый термометр. — Приборы и системы управлении, 1980,
№ 3, с. 29—31.
55.	ГОСТ 6503—67. Резонаторы, кварцевые герметизированные
ла частоты колебаний от 0,75 до 100 МГц.
56.	ГОСТ 11599—67. Резонаторы кварцевые вакуумные на частоты
колебаний от 4 кГц до 100 МГц.
57.	ГОСТ 18669—73. Резонаторы кварцевые. Термины н определе-
ние.
58.	ГОСТ 18708— 71. Резонаторы кварцевые герметизированные на
частоты колебании от 50 до 750 кГц.
59.	ГОСТ 20297—74. Резонаторы кварцевые. Классификация и
система условных обозначений.
60.	ГОСТ 22866—77. Генераторы кварцевые. Термины н определения.
61.	ГОСТ 23546—79. Резонаторы кварцевые. Общие технические
условия.
62.	Грабой Л. П. К вопросу уменьшения статической нестабиль-
ности (увода) температуры термостатирования методом тепло-
вой компенсации. — Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО-,
1967, вып. 2, с. 17—23.
63.	Грошковский Я. Генерирование высокочастотных колебаний и
стабильность частоты. — М.: ИЛ, 1953. — 364 с.
64.	Гербер, Сайкс. Кварцевые резонаторы н генераторы. Современ-
ный уровень техники, 1966, т. 54, №2, с. 5—19.
65.	Дворников А. А., Огурцов В. И., Уткин Г. М. Автогенераторы
на устройствах акустических поверхностных волн. — М.: МЭИ,
1980. — 81 с.
66.	Дульиев Г. Н., Семяшкин Э. М. Теплообмен в радиоэлектрон-
ных аппаратах. — Л.: Энергия, 1968. — 359 с.
67.	Действие проникающей радиации на изделия электронной тех-
ники/ Под ред. Е. А. Ладыгина. — М.: Сов. радио, 1980. —
244 с-
68.	ЕвтяиовС. И. Радиопередающие устройства. — М.: Связьиздат,
1950. — 669 с.
69.	Ефимов И. Е. Радиочастотные лннин передачи. — М.: Связь,
1977. — 408 с.
70.	Electronic circuit disign handbook (by the editors of IEEE —
magasine). — USA, TAB books, 1971. — 415 p.
71.	Жариков Э. Г., Чайкин В. П. Инженерный метод расчета пара-
метров двухпозицнонных регуляторов температуры в термоста-
тах. — Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО, 1967, вып. 2,
с. 125—133.
72.	Иигбермаи М. И., Фромберг Э. М., Грабой Л. П. Термостати-
рование в технике связи. — М.: Связь, 1979. — 143 с-
73.	Иноуэ X. Генераторы на ИС КМОП структуры.— Дэнси гид-
зюцу, 1979, т. 21, с. 28—29.
74.	Иванов А. А., Тереиько В. С.,. Тихомиров В. Г. К вопросу
проектирования кварцевых микрогенераторов.— Техника
средств связи. Сер. ТРС, 1979, вып. 10, с. 15—17.
75.	Ивлев Л.Е., Фромберг Э. М. Температурно-динамический коэф-
фициент частоты и требования к кварцевым термостатам. — На-
учные труды ОМИИТ, 1966, вып. 76, с. 53—57.
76.	Ивлев Л. Е. Температурно-динамический коэффициент частоты
224
и температурно-динамические характеристики прецизионных
кварцевых резонаторов.— Электронная техника. Сер. 9, 1967,
вып. 4, с. 20—28.
77.	Hohkawa Kohji, Yoshikawa Shokichiro. Temperature-compensa-
ted SAW oscillator construction employing multiple resonators.
— IEEE Trans. 1979, v. SU 26, N 5, p. 348-^353.
78	., Кампе-Немм А. А. Динамика двухпозиционного регулировании.
— M.: Госэнергонздат, 1955.— 117 с.
79.	Каныгин В. И., Павлов В. К. Измерительный технологический
кварцевый генератор "ТГК-1.— Обмен опытом в электронной
промышленности, 1969, № 7, с. 74—80.
80.	Карташов, Варис. Высокоточное воспроизведение единиц вре-
мени и частоты.— ТИЭР, 1972, № 5, с. 27—37, 196—198.
81.	Каганер М. Г. Тепловая изоляция в технике низких темпера-
тур.— М.: Машиностроение. 1966.—97 с.
82.	Кварцевые резонаторы как высокоточные температурные дат-
чики.— Электронная техника. Сер. 9. Раднокомпоненты, 1968,
вып. 5, с. 94—96.
83.	Кейн В. М. Конструирование терморегуляторов.— М.; Сов.
радио, 1971. —151 с.
84.	Королев В. С., Мат ин Е. Н. Низкочастотный кварцевый гене-
ратор на микросхемах.— Приборы и техника эксперимента,
1979, № 5, с. 150—151.
85.	Кунина С. Л. Автогенераторы с кварцем на полупроводниковом
триоде.— Электросвязь, 1961, № 4, с. 49—59.
86.	Крисилов Ю. Д. Автоматическая регулировка и стабилизация
усиления транзисторных схем.— М.; Сов. радио, 1972. —172 с.
87.	Кварцевые резонаторы для генераторов. Рекомендация МЭК.
Публикация 121 — 1,1964.— 32 с. Публикация 122—2,1964,—
— 47 с. Публикация 122—3, 1970.—52с.
88.	Kondo A. Silicon planar variable-capacitance diod with high-
voltage sensitivity.— Proc. IEEE, 1964, N 10, c. 41—47.
89.	Колобков В. Г., Матвеев В. В., Новиков Г. Н. Гармеинковые
кварцевые автогенераторы с селекцией мод. — Электронная тех-
ника. Сер. 10. Мнкроэлектроиные устройства, 1978, вып. 4,
с. 13-22.
90.	Лабутин В. К. Частотно-нзбирательные цепи с электронной
настройкой.— М.— Л.; Энергия, 1966.—208 с.
91.	Львовнч А. А., Гейсмаи Ю. В. Высокостабнльные кварцевые
генераторы на туннельных диодах.— М.: Связь, 1970.— 168 с.
92.	Лассовнк С. И. Альтшуллер Г. Б., Чернядьев А. Д. Расчет мос-
тового преобразователя температуры для термостата с компен-
сацией влияния температуры окружающей среды.— Средства
связи. Сер. ТРС, 1979, вып. 1, с. 16—20.
93.	Липко С. И., Негоденко О. Н., Дзюба А. П. Кварцевые авто-
генераторы на ограничителях тока.— Изв. вузов СССР. При-
боростроение, 1980, т. 23, №-6, с. 000.
94.	Левин В. А. Стабилизация дискретного множества частот.—М.:
Энергия, 1970.—328 с.
95.	Lawrence М. W. Surface acoustic wave oscillators.— Wave Elect-
ronics. 1976, vol. 2, N 1—3, p. 199—218.
96.	Lewis M. F. The- design, performance and limitation of SAW
oscillators.— International Specialists Seminar on Components
Performance and Systems Applied of Surface Acoustic Waves,
' IEEE, 1973, p. 63—72.
225
97.	Малов В. В. Пьезорезоиаисные датчики.— Измерения, конт-
роль, автоматизация, 1975, вып. 1, с. 14—28.
98.	Малов В. В. Пьезорезоиансиые датчики.— М.: Энергия, 1978.
—248 с.
99.	Мартынов В. А., Райков П. Н. Кварцевые резонаторы.— М.:
Сов. радио, 1976.—64 с.
100.	Масленников А, Н., Френкель А. Л. Способы возбуждения
кварцевых резонаторов иа отрезках коаксиальных линий.—
— Электронная техника. Сер. 9. Радиокомпоненты, 1971, вып.
4, с. 56—62.
101.	Магазаиик А. А. Управление частотой генераторов с кварце-
вой стабилизацией— Управляемые кварцевые'генераторы и
возбудители для частотного р’адиотелеграфирования. Сер.
Техника связи.— М.: Связьиздат, 1965, с. 5—132.
102.	Малахов А. Н. Флюктуации в автоколебательных системах.—
М.: Наука, 1969.— 660 с.
103.	Мардии В. В., Кривоносов А. И. Справочник по электронным
измерительным приборам.— М.: Связь, 1978.—416 с.
104.	Микроминиатюризация термокомпенснрованных кварцевых
геиераторов/Г. Б. Альтшуллер, Н. Н. Елфимов, С. И. Семнн,
В. Д. Завьялов.—Техника средств связи, Сер. ТРС, 1981, вып. 4,
с. 96—105.
105.	Миниатюрные кварцевые резонаторы на частоты 30—35 кГц.
— Электронная промышленность, 1977, Ns 1, с. 54—55.
106.	Некоторые вопросы проектирования микроминиатюрных вы-
сокочастотных кварцевых пьезоэлемейтов^С. С. Пашков, Л. А,
Кроп, В. С. Фролов, В. Я. Баржин.— Электронная техника.
Сер. 5, 1978, вып. 1, с. 27—33.
107.	Нечаев Н. Т. Вероятностные расчеты нестабильности частоты.
— М.: Энергия, 1969.— 224 с.
108.	Николаев В. Т. Кварцевый кристалл в радиоэлектронике.—М.:
Знание, 1975.—64 с.
109.	ОСТ И 338.002—75. Резонаторы кварцевые. Основные разме-
ры.
ПО. ОСТ 4 ГО. 299.002. Термостаты подогревные малогабаритные.
Методика расчета, 1974.
111.	Otto О. W., Weglein R. D. Surface acoustic wave oscillator
using reflective gratings.— Uetrasonics Symp. Proc., 1975,
p. 255—260.
112.	Парфенов Б. Г. Термокомпеисация различных форм темпера-
турно-частотных характеристик кварцевых резонаторов.—
Вопросы радиоэлектроники. Сер. Детали и компоненты ап-
паратуры, 1964, Ns 6, с. 68—84.
113.	Parker Т. Е., Schulz М. В. Stability of SAW oscillators. —
Ultrasonics Symp. Proc. IEEE, 1975, p. 261—263.
114.	Пат. 3373379 (США). Cristal oscillator with temperature con-
pensation/Beack P. W.
115.	Пат. 3508168 (США) Crystal oscillator temperature compensa-
ting circuit/Chan Y.T.
116.	Пат. 3713033. Digitally temperature compensated oszillator/
Marving E. Freking.
117.	Пат. 3970966 (США) Cristall oszillator temperature compenca-
ting circuit/Keller Anthony F., Marvin Dennis F.
118.	Пат. 3979697(США). ЧМ — генератор на акустической ли-
нии задержки.
226
119.	Пат. 4107629(США). Temperature compensator for a crystal
Oscillator/Ryssell L. Stone., Ir. Lynchburg.
120.	Пат. 4122414(США). Генератор с отрицательным сопротивле-
нием иа КМОП структурах-
121.	Пат. 3037131 (ФРГ). Генераторная схема с кварцевой стаби-
лизацией частоты.
122.	Пйт. 46—38644 (Япония).
123.	Певзнер В. В. Прецизионные регуляторы .температуры.—
М.: Энергия, 1973. —190 с.
124.	Петренко А. А., Мотрюк А. В. Система оптимального выхода
в режим термостатов для кварцевых резонаторов.— Вопросы
радиоэлектроники. Сер. ТРТО, 1978, вып. 3, с. 61—70.
125.	Плоиский А. Ф. Кварцевые генераторы На транзисторах.—
Киев; Техи1ка, 1966. — 202 с.
126.	Плоиский А. Ф., Теаро В. И. Стабильность частоты кварцево-
го автогенератора с отрезком линии.— Радиотехника, 1976,
№ 8, с. 49—54.
127.	Плоиский А. Ф., Медведев В. А., Якубец-Якубчик Л. Л.
Транзисторные автогенераторы метровых волн, стабилизи-
рованные иа механических гармониках кварца.— М.: Связь,
1969,— 208 с.
128.	Поздняков П. Г., Федотов И. М., Бирюков В. И. Кварцевые
резонаторы с пленочными нагревателями.—Электронная тех-
ника. Сер. 9, 1971, с. 27—37.
129.	Прак, Педьюто. Система температурной компенсации ухода
частоты иа основе цифровых ИС для задающих генераторов.—
Электроника, 1972, № 17, с. 63—66.
130.	Прецизионные опорные генераторы для подвижных средств
связи/ Яхонтов В. А., Чериядьев А. Д., С. И. Лассовнк и др.—
Техника средств связи. Сер. ТРС, 1978, вып. 7, с. 113—121.
131	Проектирование радиопередающих устройств/Под ред. В.В.
Шахгильдяна.— М.: Связь, 1976.—432 с.
132.	Проектирование радиопередающих устройств СВЧ/Под ред.
Г.М. Уткина—М.: Сов. радио, 1979.—320с.
133.	Радиотехнические схемы иа транзисторах и туннельных дио-
дах/Под ред. Р. А. Валитова.— М.: Связь, 1972.— 464 с.
134.	Радиоизмерительиые приборы; Каталог-проспект.—М.: Цент-
ральный отраслевой орган научно-технической информации
«Экое», 1980.—224 с.
135.	Расчет у каскадов полупроводниковых передатчиков/Под ред.
И. Л. Попова.— МЭИ, 1964.— 166 с.
136.	Резисторы: Справочиик/Под ред. И. И. Четверткова,— М.:
Эиергоатомиздат, 1981.— 352 с.
137.	Речицкий В. И. Акустоэлектроииые радиокомпоиенты: эле-
менты и устройства иа поверхностных акустических волнах.—
М.: Сов. радио, 1980.—264 с.
138.	Рыжков А. В., Демчук А. Д. Повышение спектральной чистоты
опорных колебаний.— Радиотехника, 1978, № 5, с. 107—110.
139.	Руел. Полупроводниковый датчик температуры и сравнение
его с температурными датчиками других типов.— Электроника,
1975, № 6, с. 56—61. .
140.	Сартасов Н. А., Едвабиый В. М., Грибии В.В. Коротковолно-
вые магистральные радиоприемные устройства.— М.: Связь,
1971.— 288 с.
227
141.	Семиглазов А. М. Кварцевые Генераторы.— М.:Радиои связь,
1982.—88 с.
142.	Смагии А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца
и кварцевые резонаторы.— М.: Энергия, 1970.—488 с.
143.	Смагии А. Г., Травкина С.Ф. Влияние амплитуды колебаний на
параметры и характеристики кварцевых резонаторов.— Элект-
ронная техника. Сер. 9, 1970, вып. 6, с. 34—37.
*144. Смолов В. Б, Диодные функциональные преобразователи.—
М.— Л.: Энергия, 1967.— 136 с.
145.	Соколов О. Т. Синтез датчиков управляющего напряжения при
компенсации частотно-температурных характеристик кварца
с помощью варикапов.— Изв. вузов. СССР. Сер. Радиотехника,
1965, № 6, с. 730—733.
146.	Соколов В. П., Меркушенков С. Е., Кулагин Е. В. О влиянии
АРУ на кратковременную стабильность частоты кварцевого ге-
нератора — Техника средств связи. Сер. РТ, 1978, вып. 2,
с. 67—70.
147.	Соколов В. П., Стародумов М. Н., Тифлов В. И. К вопросу о
миниатюризации высокостабильных кварцевых генераторов.
— Техника средств связи. Сер. РТ, 1980, вып. 6, с. 85—91.
148.	Справочник по кварцевым резонаторам/Под ред. П. Г. Поздня-
кова.— М.: Связь, 1978.—288 с.
149.	Справочник по радиоизмерительным приборам /Под ред. Насо-
нова.— М.: Сов. радио. Т. 1, 1976.—232 с.; т. 2, 1978.— 272
с.; т. 3, 1979,—424 с.
150.	Справочник по радиоизмерительным приборам.— М.: Энергия,
1976,— 624 с.
151.	Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и
интегральным схемам /Под ред. Н. Н. Горюнова.— М.: Энергия,
1979,—744 с.
152.	Стандартные определения и методы измерения пьезоэлектри-
ческих резонаторов, работающих до 30 МГц: Рекомендация
МЭК, Публикация 302, —М., 1971.—34 с.
153.	Стандарты частоты и времени па основе квантовых генерато-
ров и дискриминаторов/Под ред. Б. П. Фатеева.— М.: Сов.
радио, 1978,— 304 с.
154.	Судаков Ю. И., Елистратов Н. Ф., Чистяков П. Н. Мощные
однокаскадные кварцевые автогенераторы на сдвоенных сос-
тавных транзисторах.— Радиоэлектронные устройства, Ря-'
зань, 1977, вып.2, с. 134—140.
15,5	. Spears R. Thermally compensated crystals oscillators..—
J. Brit. IRE, 1958, № 10, p. 613—620.
156.	Teapo В. И. Возбуждение кварцевого резонатора через отре-
зок длинной линии. — Радноприборостроение и микроэлектро-
ника, Омск, 1975, вып. 4, с. 52—59.
157.	Теаро В. И. Кварцевый генератор с «трансформацией резо-
нанса». Межвузовский сборник научных статей. — Радиопри-
боростроенне, Новосибирск, 1977, с. 40—43. ‘
158.	Теренько В. С., Дикиджи А. Н. Влияние контактных меха-
нических напряжений на гистерезис частоты кварцевых резо-
наторов. — Электронная техника. Сер. 10, 1973, вып. 5,
с. 27—30.
159.	Термокомпенснроваиный высокостабнльный кварцевый ге-
нератор/В. Г. Шакулпн, Г. Б. Альтшуллер, В. А. Ляпин,
228
A. H. Иркутский. — Техника средств связи. Сер. 7, ТрС 1981
вып. 4, с. 86—95.
160.	Термостабилизирующие устройства для кварцевых резонато-
ров; Рекомендация МЭК. Публикация 314, — М., 1971, — 35 с.
161.	Титов В. Н., Вишииа А. В. Анахронизм кварцевых резонато-
ров и его роль в нестабильности частоты кварцевых генерато-
ров. Исследования в области измерений времени и частоты.—
Труды ВНИИФТРИ, 1970, вып. 3, с. 37—43.
162.	. Травкина С. Ф. Некоторые свойства кварцевых пластин раз-
личной ориентации. — Электронная техника, Сер. 7, 1972,
вып." 10, с. 28—32.
163.	Транзисторы дли аппаратуры широкого применения: Спра-
вочиик/Под ред. Б. Л. Перельмана. — М.: Радио и связь,
1981,— 656 с.
164.	Унифицированный кварцевый генератор для народнохозяй-
ственной аппаратуры/Г. Б. Альтшуллер, Н. Н. Елфимов,
В. И. Кузьмин, Н. С. Журбни. — Средства связи, 1977, № 4,
с. 21—22.
165.	Цифровой метод компенсации температурной нестабильности
кварцевых генераторов. — Электроника, 1978, № 19, с. 16—17.
166.	Чайкин В. П. Анализ стабильности двухпозициониого регу-
лятора температуры. — Вопросы радиоэлектроники. Сер.
ТРТО, 1969, вып. 1, с. 118—123.
167.	Челноков О. А. Транзисторные генераторы синусоидальных
колебаний. —М.: Сов. радио, 1975. — 272 с.
168.	Чериядьев А. Д., Лассовик С. И., Альтшуллер Г. Б. Проекти-
рование экономичных высокостабильиых кварцевых генерато-
ров на резонаторах—термостатах. — Техника средств связи."
Сер. ТРС, 1978, вып. 4, с. 150—157.
169.	Warner A. W. Design and performance of ultraprecise 2.5 Me,
quartz units; — Bell System T. L., 1960, № 5, 1193—1217.
170.	Шакулии В. Г., Альтшуллер Г. Б. Сохранение эффекта термо-
компенсации уходов частоты кварцевого генератора во време-
ни.— Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРС, 1971, №7,
с. 178—189.
171.	Шакулии В. Г., Иркутский А. Н., Болотов А. К. Использова-
ние ЭВМ при проектировании и регулировке термокомпенси-
рованных кварцевых генераторов. — Техника средств свизи.
Сер. ТРС, 1977, №4, с. 93—100.
172.	Шакулии В. Г-, Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н. Влиииие
цепей термокомпеисации на стабильность частоты кварцевых
 генераторов. — Техника средств связи. Сер. ТРС, 1980, вып. 4,
с. 131—136.
173.	Швецкий Б. И- Электронные цифровые приборы. — Киев:
Техника, 1981. — 247 с.
174.	Шефтель И. Т. Терморезнсторы. — М.: Наука, 1973. — 416 с.
175.	Шило В. Л. Линейные интегральные схемы. — М.: Сов. радио,
1979. — 205 с.
176.	Шитиков Г. Т. Стабильные автогенераторы метровых и деци-
метровых волн. М.: Радио и связь, 1983, 256 с.
177.	Шитиков Г. Т., Цыганков П. Я., Орлов О. М. Высокостабиль-
ные кварцевые автогенераторы. — М.: Сов. радио. 1974. —
396 с.
178.	Штерн Э. Т. Об эффективности использования сосудов Дьюара
229
для теплоизоляции малогабаритных кварцевых термостатов. —
Электронная техника, Сер. 9, 1968, вып. 3, с. 90—95.
179.	Shocley W., Curran D., Coneval D. Trapped energy modes in qu-
artz filter crystals. — J. Acoust. Soc. Amer., 1967, vol. 41, pt. 2,
№4, p. 981—993.
180.	Экономичный кварцевый генератор с термокомпенсацней/
А. А. Иванов. В. Г. Тихомиров, В. С. Теренько, Э. М. Фром-
берг. — Техника средств связи. Сер. ТРС, 1979, вып. 10,
с. 35—39.
.181. Ярославский М. И., Смагин А. Г. Конструирование, и?готов-
ление и применение кварцевых резонаторов. — М.; Энергия,
Предметный указатель
Активность резонатора 12
Анализатор спектра 204
Баллоны радиоламп 6
----типа Э, С, Д, Ж 6
Биполярные транзисторы 30
Варикап 26
Вольтметры цифровые 204,
табл. 13.0
— селективные 204
Виброгироскоп 186
Встречно-штыревой преобра-
зователь (ВШП) 74
Генератор кварцевый с длин-
ной линией 191
— многокварцевын 165
— термокомпенсированный 78
— управляемый напряжени-
ем 145
— с резонаторами на ПАВ 74
— частотно-модулнрованный
150
Датчики кварцевые 177,
табл. 12,1	1
----высокочастотные, сило-
чувствительные 183, табл. 12.3
----ускорении 186, рнс. 12.6
Динамический элемент 8
Диоды полупроводниковые 25,
табл. 3.8
Добротность резонатора 12, 34,
74
Долговечность конденсатора 24,
52
Емкостная трехточка 14, 16
Емкостное отношение 9, 33
Ёмкостной коэффициент 10
Емкость статическая 53
Измерение давления 185
— силы 181
Индуктивная трехточка 14
Измеритель девиации частоты
208
Искажения нелинейные 150
Катушка индуктивности 24
Кварцевый генератор 13
Кварцевые резонаторы низко-
частотные:
динамические параметры 50
статическая емкость 52
добротность 52
температурно-частотные ха-
рактеристики 43, 52
Кварцевые резонаторы средне-
частотные:
динамическое сопротивление 32
добротность 34
емкостное отношение 33
температурно-частотные харак-
теристики 34, табл. 4.2
Кварцедержатель 5
Классификация КГ 13
Клинометр 186
Колебание пьезоэлемента 4,
рнс. 1.1
---- паразитные 53
Компараторы частотные 199—
201
Конденсатор 23
Контур третьего вида 8
Корпус резонатора 5, 7, 40, 57,
табл. 1.1 —1.3
230
Коэффициент емкостной 10
—	второго порядка 11
—	рассеяния 21
—	• температурный 10
—	энергетической чувствнтсль-
йостн 21
Микросхемы 31
— цифровые 32
Моночастотность 12
Мощность рассеяния 12, 39, 53
Напряжение пробивное 27
Нестабильность частоты 33
--- временная 53
---высокочастотных резона-
торов 66
Параметры варикапов 28,
табл. 3.9
—	биполярных транзисторов 29,
табл. 3.10
—	диодов 26
—	катушек индуктивностей 25,
табл. 3.7
— конденсаторов 24, табл. 3.6
— корпусов резонаторов 7.9,
табл. 1.1, 1.2, рис. 1.3, 1.4
— микросхем 31, табл. 3.12,
3.14
—	операционных усилителей 31,
табл. 3.14
—	полевых транзисторов 30,
табл. 3.11
—	терморезнсторов 22, табл.
3.4
—	ТЧХ 54
Позисторы 21
Полевые транзисторы 30
Полупроводниковые приборы 25
Постоянная времени 21
Построение КГ 68, 81
Преобразователь встречно-шты-
ревой (ВШП) 75
Приведенная расстройка 10, 11
Пьезоэффект 4
Расстройка 10
Регулятор температуры ПО
Резисторы 9, 17
—	проволочные 20
—	силочувствительные 184
Резонатор вакуумный 9
—	высокочастотный 65
—	герметизированный 7
—	для ТККГ 78
—	для ТСКГ 100
— массочувствительиые 178
— низкочастотный 173
—	прецизионный 121
—	среднечастотиый 32
Синтезатор частоты 211
Сопротивление генератора уп-
равляющее 15
— динамическое 32
— приведенное 11
Срез пьезоэлемента 4
Стабильность частоты 10
--- кратковременная 129
--- температурная 10
Стандарты частоты 197
Старение резонатора 12, 53
Статическая емкость 52
Схема КГ 14, 71
— — с резонатором в цепи об-
ратной связи 45
— емкостнад трехточечная 42
Температурная стабильность
частоты
Температурно-частотные харак-
теристики 10, 52
Температурный коэффициент
частоты 11
Термокомпенсация цифровая
134
Термозависимые потенциометры
(ТЗП) 89, 91
Термостаты 107, табл. 8.4
Толщина покрытия 179
Транзисторы 29
Уменьшение нелинейных иска-
жений 151
Усилитель операционный 31
Устройства термокомпен.сирую-
щне 131
— экономичные 131
Формирователь термозависи-
мого напряжения 86
Характеристики резонатора 8
—	активности 12
—	добротности 12
—	генераторов 13, 47
— высокочастотных резона-
торов (ВТХ) 86
Частотомеры электронно-счет-
ные 194, табл. 13.3
Элемент резонатора 8
---динамический 8
231
Содержание
Предисловие ..................................................
1.	Кварцевые резонаторы......................................
1.1.	Конструкция...........................................
1.2.	Характеристики резонаторов .	.	................
2.	Общие характеристики кварцевых генераторов ....
2.1.	Классификация КГ......................................
2.2.	Характеристики схем КГ................................
2.3.	Основные соотношения для расчета КГ...................
3.	Элементы кварцевых генераторов............................
3.1.	Резисторы, терморезисторы .	...................
3.2.	Конденсаторы, катушки индуктивности...................
3.3.	Полупроводниковые приборы, микросхемы ....
4.	Кварцевые генераторы на средние частоты...................
4.1.	Кварцевые резонаторы на средние частоты ....
4.2.	Особенности построения КГ.............................
4.3.	Практические схемы КГ.................................
5.	Низкочастотные кварцевые генераторы.......................
5.1.	Низкочастотные кварцевые резонаторы .	.
5.2.	Особенности построения КГ .	...................
5.3.	Практические схемы КГ.................................
в. Высокочастотные кварцевые генераторы ......................
6.1.	Высокочастотные кварцевые резонаторы..................
6.2.	Особенности построения КГ ............................
6.3.	Практические схемы КГ .	....
6.4.	Генераторы с использованием устройств на поверхностных аку
стических волнах .	....	...
7.	Термокомпенсироваииые кварцевые генераторы ....
7.1.	Кварцевые резонаторы..................................
7.2.	Особенности построения ТККГ	....
7.3.	Формирователи термозависнмого напряжения ....
7.4.	Практические схемы ТККГ .	.	....
8.	Термостатированные кварцевые генераторы...................
8.1.	Кварцевые резонаторы для ТСКГ .	...
8.2.	Общие характеристики и составные части термостатирующи
устройств ...	.......................
8.3.	Регуляторы температуры................................
8,4.	Схемно-конструктивные особенности ТСКГ ....
9.	Прецизионные кварцевые генераторы .	.....
9.1.	Прецизионные кварцевые резонаторы .	....
9.2.	Термостатированные кварцевые генераторы
9.3.	Прецизионные термокомпенсированные кварцевые генераторы
10.	Управляемые и частотно-модулироваииые кварцевые генераторы
10.1.	Основные соотношения.................................
10.2.	Генераторы, управляемые напряжением
10.3.	Генераторы с непосредственной частотной модуляцией
10.4.	Генераторы с частотной манипуляцией ,
11.	Миогочастотные кварцевые генераторы ......
11.1.	Многокварцевые генераторы............................
11.2.	Генераторы на несколько близкорасположенных частот с од
ним кварцевым резонатором..................................
11.3.	Генераторы с поличастотными кварцевыми резонаторами
12.	Измерительные кварцевые генераторы........................
12.1.	Кварцевые температурно-чувствительные и массо-чувствитель
ные резонаторы ...	.	.	...
12.2.	Кварцевые снлочувствнтельные резонаторы ....
12.3.	Особенности построения измерительных КГ ....
12.4.	Измерительные КГ с длинной линией....................
13.	Аппаратура для измерения параметров КГ....................
13.1.	Аппаратура для частотных измерений...................
13.2.	Аппаратура для измерений параметров КГ ....
13.3.	Измерение параметров кварцевых резонаторов
Приложения .	........................................
Список литературы ......................................
Предметный указатель..............................
3
8
13
13
14
15
17
17
23
25
32
32
41
46
50
50
58
62
65
65
68
71
74
78
78
81
86
97
100
100
104
НО
116
121
121
127
132
139
139
145
150
158
165
165
168
173
176
176
181
187
191
194
194
204
210
215
221
230