Кварцевые генераторы

Генераторы с кварцевыми резонаторами (обычно их называют просто кварцевыми генераторами) применяют тогда, когда необходимо получить колебания стабильной частоты. Кварцевый резонатор является высокодобротным фильтром, частотные свойства которого определяются геометрическими размерами и типом колебаний пластины.

Применение кварцевых резонаторов позволяет обеспечить относительное изменение частоты, не превышающее 10^-6 – 10^-9, что на несколько порядков лучше соответствующих параметров LC- и RC-генераторов.

Для изготовления кварцевых резонаторов используют природный или искусственный монокристаллический кварц. В нем существуют прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты. Прямой пьезоэффект характеризуется тем, что при приложении к пластине кварца механического напряжения на обкладках появляется электрический заряд, пропорциональный приложенному напряжению. Обратный пьезоэффект сводится к тому, что приложенное к пластине электрическое напряжение приводит к возникновению механических напряжений, изменяющих форму и размеры пластины. Механические колебания кварца возможны на резонансной частоте кварца, определяемой его геометрическими размерами.

Помещая на поверхность кристалла контакты, можно превратить его в схемный элемент, эквивалентный RLC-схеме, заранее настроенной на определенную частоту. Эквивалентная схема этого элемента содержит два конденсатора (рис.16.24, а), дающих пару близко расположенных резонансных частот – последовательного и параллельного резонанса (рис.16.24, б), отличающихся друг от друга не более чем на 1%. Высокая добротность кварцевых резонаторов (обычно около 10000) и хорошая стабильность делают эффективным его применение как задающего элемента в генераторах и фильтрах с улучшенными параметрами.

а) б)

Рис.16.24. Эквивалентная схема кварцевого генератора (а) и его частотная характеристика (б)

В схемах кварцевых генераторов, как и в LC-генераторах, вводят положительную обратную связь и обеспечивают надлежащее усиление на резонансной частоте, что обеспечивает автоколебания. Их можно выполнять по схемам, использующим как последовательный, так и параллельный резонансы в электрической цепи. На практике используют оба вида резонансов. Возможно также в небольших пределах регулировать частоту, на которой возбуждается кварцевый резонатор, включением последовательно или параллельно с ним конденсаторов.

Некоторые из возможных схем генераторов с кварцевой стабилизацией приведены на рис. 16.25, а, б, в. В генераторе прямоугольных импульсов (рис.16.25, а) использован последовательный резонанс. Микросхемы DD₁ и DD₂ используются в качестве усилителей (цифровая ИС К555ЛН1). Эта схема пригодна и для логических схем и для микропроцессоров.

Генератор (рис16.25, б) отличается от предыдущей схемы только тем, что в нем в качестве усилителя применен ОУ. Верхняя частота, на которой возможно самовозбуждение такого генератора, обычно не превышает несколько сотен кГц.

В генераторе (рис.16.25, в) используется параллельный резонанс. Кварцевый резонатор включен в цепь ООС. На частоте параллельного резонанса реактивное сопротивление кварцевого резонатора резко возрастает. Глубина отрицательной ОС уменьшается, а положительной – остается неизменной. Если результирующее значение обратной связи окажется положительным, то генератор возбудится. Ограничение амплитуды автоколебаний осуществляется за счет выхода ОУ в нелинейную область.

Рис. 16.25. Кварцевый генератор на микросхемах К55ЛН1 (а); генераторы на ОУ, использующие последовательный (б) и последовательный (в) резонансы

На рис.16.26 показаны схемы кварцевых генераторов, построенные на ИС МС12060/12061 фирмы Motorola. Эти микросхемы предназначены для использования совместно с кварцевыми резонаторами диапазона частот от 100кГц до 20МГц и спроектированы таким образом, что обеспечивают высокую стабильность частоты колебаний. Он обеспечивают формирование выходных колебаний как синусоидальной, так и прямоугольной формы (с уровнями логических элементов разных типов).

Рис.16.26. Кварцевый генератор на ИМС 12060 (12061)

Когда необходимо иметь выходное колебание только прямоугольной формы и не предъявляются предельные требования по стабильности, можно применять законченные модули кварцевых генераторов, выпускаемых и в металлических DIP корпусах, в корпусах для поверхностного монтажа. Эти кварцевые генераторы выпускаются для различных частот, и задача разработчика состоит только в том, чтобы подобрать готовый генератор заданной частоты и стабильности.

ГЛАВА 17