Кварцевая стабилизация частоты.

Используются следующие методы стабилизации: параметрическая стабилизация частоты, метод синхронизации внешними колебаниями, кварцевая стабилизация частоты, стабилизация с применением систем автоматической подстройки частоты (АПЧ), стабилизация с применением квантовых генераторов.

Стабильность частоты автогенератора повышается, если использовать в нём колебательную систему с высокой эталонностью и добротностью. Этими свойствами обладают пьезоэлектрические резонаторы, изготовленные из некоторых искусственных кристаллов, например кварца. Кварц – это природный минерал, представляющий собой разновидность кремнезёма (SiO₂). Форма таких кристаллов напоминает шестигранную призму с пирамидами в основаниях (рис. 3.5). Для изготовления резонатора из призматической части кристалла вырезают прямоугольные или круглые плоскопараллельные пластины, ориентированные определённым образом к осям кристалла.

Рис.3.5. Кристалл кварца

Устройство простейшего кварцевого резонатора напоминает устройство плоского конденсатора.

Переменное напряжение, приложенное к электродам резонатора, вызывает механическую деформацию пластины (сжатие – растяжение, сдвиг, изгиб и т.д.), интенсивность которой пропорциональна напряжённости электрического поля. В свою очередь, деформация кварцевой пластины приводит к возникновению зарядов на электродах резонатора. Эти явления обусловлены действием обратного и прямого пьезоэлектрического эффекта, присущего кристаллам кварца. Таким образом, в цепи кварцевого резонатора в дополнение к току, соответствующему обычной статической емкости С₀, создаётся ток стекания зарядов (пьезоток). Величина пьезотока резко возрастает при совпадении частоты приложенного напряжения с каждой (из многих) собственной резонансной частотой упругих механических колебаний пластины кварца. Это объясняется тем, что при совпадении частоты приложенного напряжения с одной из его собственных частот наступает резонанс, и интенсивность механических колебаний достигает наибольшей величины. При этом заряды на гранях кварцевой пластины имеют максимальное значение, а следовательно, максимальное значение имеет и амплитуда тока стекания зарядов. Подобное изменение тока характерно для последовательного колебательного контура. Поведение резонатора в электрической цепи в районе одной из его собственных частот (основной) соответствует схеме, представленной на рис. 3.6. Эта схема является эквивалентной схемой кварцевого резонатора и состоит из параллельно соединённых статической ёмкости С₀ и последовательного колебательного контура L_кв ,С_{кв ,}r_кв. моделирующего изменение кварца при изменении его частоты вблизи основной механической резонансной частоты.

Рис. 3.6. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Ёмкость С₀ ~ 3…10 пФ представляет собой сумму ёмкостей конденсатора с кварцевым диэлектриком диэлектриком, кварцедержателя и выводов. Индуктивность L_кв (очень большая) и ёмкость С₀ (очень маленькая) характеризует соответственно инерционные и упругие свойства пластины кварца, а сопротивление r_кв (очень маленькое) – потери энергии в ней (на трение и излучение звуковых и ультразвуковых колебаний). Параметры эквивалентной схемы кварца можно определить как путём расчёта, так и экспериментально.

Следует подчеркнуть, что изготовить обычный колебательный контур с такими параметрами не представляется возможным. Так, например, добротность серийных кварцевых резонаторов на основной частоте составляет несколько десятков тысяч, а у специальных (прецизионных) достигает нескольких миллионов, в то время как у лучших LС-контуров она не превышает 150…200 в коротком диапазоне и десяти тысяч в диапазоне СВЧ. Кроме того, кварцевый резонатор обладает высокой эталонностью.