5.19. Осцилатори с кристални резонатори

RC осцилатор може лесно да постигне стабилност от порядъка на 0,1% с начална точност на честотата от 5 до 10%. Това е напълно задоволително за много приложения, като например мултиплексния индикатор на джобен калкулатор, където цифрите на многоцифрено число се маркират една след друга с бързо редуване (обикновено 1 kHz). В даден момент свети само едно число, но окото вижда цялото число. Ясно е, че точността тук не е много важна. Стабилността на LC генераторите е малко по-добра - около 0,01% за разумен период от време. Това е напълно достатъчно за локалните осцилатори на радиоприемници и телевизори.

За да се получат наистина стабилни трептения, са необходими кварцови осцилатори. Те използват парче кварц (изкуствен - силициев диоксид), изрязано и полирано по такъв начин, че да има определена честота на вибрациите. Кварцът е пиезоелектрик (неговата деформация причинява появата на електрически потенциал и обратно), поради което еластичните вибрации на кристала могат да бъдат причинени от прилагането на електрическо поле и тези вибрации, от своя страна, генерират напрежение на кристалните повърхности . Поставяйки контакти на повърхността на кристала, можете да го превърнете в истински елемент на веригата, еквивалентен на някаква RLC схема, предварително настроена на определена честота. Всъщност еквивалентната схема на този елемент съдържа два кондензатора, даващи двойка близко разположени резонансни честоти - серия и паралелен резонанс (фиг. 5.47), различаващи се помежду си с не повече от 1%. Резултатът от този ефект е рязка промяна в реактивното съпротивление с честота (фиг. 5.48). Високият Q на кварцовия резонатор (обикновено около 10 000) и добрата стабилност го правят естествен. 5.48. приложение като главен елемент в генератори и филтри с подобрени параметри. Кварцовите вериги, като LC осцилатори, въвеждат положителна обратна връзка и осигуряват адекватно усилване на резонансната честота, което води до самоколебания.

На фиг. 5.49 показва някои диаграми на кристални осцилатори. На фиг. 5.49, а показва класически осцилатор на Пиърс, който използва конвенционален полеви транзистор (вж. Гл. 3). На фиг. 5.49, b показва генератор на Колпиц с кварцов резонатор вместо LC верига. На диаграмата на фиг. 5.49, като обратна връзка се използва комбинация от биполярен n-p-n транзистор и кварцов резонатор. Останалите вериги генерират изходен сигнал с логически нива при използване на цифрови логически функции (Фигура 5.49, d и e).

Фигура: 5.49. Вериги с кварцови резонатори, a - генератор на Pierce, b - генератор на Colpitz.

Последната диаграма показва кристалните вериги на генератора, изградени от Motorola MC12060/12061 IC. Тези микросхеми са предназначени за използване с кварцови резонатори в честотния диапазон от 100 kHz до 20 MHz и са проектирани по такъв начин, че да осигуряват отлична стабилност на честотата на трептене, като същевременно внимателно ограничават нейната амплитуда с помощта на вградения амплитуден дискриминатор и прекъсвач . Те осигуряват формирането на изходни трептения, както синусоидални, така и правоъгълни (с TTL и ESL логически нива).

Кварцовите резонатори се произвеждат в диапазона от 10 kHz до 10 MHz, а в някои проби високите обертони достигат 250 MHz. Всяка честота се нуждае от собствен резонатор, но за най-често срещаните честоти резонаторите се произвеждат масово. Винаги е лесно да се получат резонатори за честоти от 100 kHz, 1, 2, 4, 5 и 10 MHz. Кварцов резонатор 3,5579545 MHz (струващ по-малко от долар) се използва в генератора на цветни импулси на телевизорите. За електронните ръчни часовници е необходима честота от 32,768 kHz (или 215 Hz) и като цяло често са необходими честоти, равни на 2 до някаква степен Hz. Кристалният осцилатор може да се управлява в малък обхват, като се използват последователни или паралелни кондензатори с променлив капацитет (вж. Фиг. 5.49, d). Поради ниската цена на кварцовите резонатори, винаги има смисъл да се разгледа възможността за тяхното използване в случаите, когато RC-релаксационните осцилатори работят на границата си.

Ако е необходимо, стабилната честота на кристалния осцилатор може да бъде "регулирана" електрически в малки граници с помощта на варактор. Тази схема се нарича VOCO (Voltage Controlled Crystal Oscillator) и комбинира отличната стабилност на кристалните осцилатори с управляемостта на LC осцилаторите. Закупуването на търговски OECG е може би най-доброто решение на вашите собствени дизайнерски проблеми. Стандартните UNCH осигуряват максимални отклонения на централната честота от номиналната стойност от порядъка на ± 10 -5 - ± 10 -4, въпреки че има проби с по-широк диапазон (до ± 10 -3).

С малко усилия кварцов резонатор може да осигури стабилност на честотата от порядъка на няколко ppm в нормалния температурен диапазон. Използвайки схеми за компенсация на температурата, можете да изградите термокомпенсиран кристален осцилатор (TKKG) с леко подобрени параметри. Както TKKG, така и некомпенсираният генератор се предлагат като готови модули от различни компании като Biley, CTS Knights, Motorola, Reeves Hoffman, Statek и Vectron. Те се предлагат в различни размери, понякога не по-големи от DIP пакет или стандартен TO-5 транзисторен пакет. Евтините модели осигуряват стабилност от порядъка на 10 -6 в диапазона от 0 до 50 ° С, скъпите - около 10 -7 в същия диапазон.

Генератори с компенсация на температурата. За да се получи свръхвисока стабилност, може да е необходим кристален генератор, работещ при постоянна температура. Обикновено за тези цели се използва кристал с почти нулев температурен коефициент при леко повишена температура (от 80 ° до 90 ° C), както и термостат, който поддържа тази температура. Генераторите, направени по този начин, се произвеждат под формата на малки цялостни модули, подходящи за монтаж и включени в устройства за всички стандартни честоти. Типичен генераторен модул с подобрена производителност е схемата 10811 на Hewlett-Packard. Той осигурява стабилност от порядъка на 10 -11 за време от няколко секунди до няколко часа при честота 10 MHz.

Ако температурната нестабилност се намали до много ниски стойности, тогава започват да доминират други ефекти: „стареене на кристалите“ (тенденция към намаляване на честотата с течение на времето), отклонения от номиналното захранване, както и външни влияния, като удар или вибрации ( последното е най-сериозният проблем при производството на кварцови ръчни часовници). Един от начините за решаване на проблема със стареенето: паспортните данни на генератора показват скоростта на намаляване на честотата - не повече от 5 · 10 -10 на ден. Ефектът на стареене отчасти се дължи на постепенното освобождаване на деформации, така че след няколко месеца от датата на производство, този ефект има тенденция да намалява непрекъснато, поне за добре направените кристали. Генераторът 10811, който взехме за проба, има ефект на стареене не повече от 10 -11 на ден.

В случаите, когато стабилността на термостатираните кристали вече не е достатъчна, се използват стандарти за атомна честота. Те използват микровълнови абсорбционни линии в напълнен с газ рубидиев елемент или честотите на атомни преходи в лъчи от атоми на цезий като стандарти, спрямо които се стабилизира кварцов резонатор. По този начин може да се получи точност и стабилност от порядъка на 10 -12. Цезиевият стандарт е официалният стандарт за времето в Съединените щати. Тези стандарти, заедно с времевите линии, са собственост на Националното бюро за стандарти и Морската обсерватория. Като крайна мярка за най-точните честоти, където е необходима стабилност от порядъка на 10 -14, може да се предложи атомен водороден мазер. Последните изследвания на прецизните часовници се фокусират върху техниките с „охладен йон“ за постигане на още по-добра стабилност. Много физици вярват, че крайната стабилност е 10 -18 .