Искусство схемотехники. Том 1 (Изд.4-е)

Без особых усилий можно с помощью кварцевого резонатора обеспечить стабильность частоты порядка нескольких миллионных долей в нормальном температурном диапазоне. Применяя схемы температурной компенсации, можно построить температурно-компенсированный кварцевый генератор (ТККГ) с несколько улучшенными параметрами. Как ТККГ, так и некомпенсированный генератор выпускаются в виде готовых модулей разными фирмами, например фирмами Biley, CTS Knights, Motorola, Reeves Hoffman, Statek и Vectron. Они бывают разных габаритов, иногда не больше корпуса DIP или стандартного корпуса для транзисторов ТО-5. Дешевые модели обеспечивают стабильность порядка 10^{– 6} в диапазоне от 0 до 50 °C, дорогие - порядка 10^{– 7} в том же диапазоне.

Температурно-компенсированные генераторы. Чтобы получить сверхвысокую стабильность, может понадобиться кварцевый генератор, работающий в условиях постоянной температуры. Обычно для этих целей используется кристалл с практически нулевым температурным коэффициентом при несколько повышенной температуре (от 80° до 90 °C), а также термостат, который эту температуру поддерживает. Выполненные подобным образом генераторы выпускаются в виде небольших законченных модулей, пригодных для монтажа и включаемых в приборы, на все стандартные частоты. Типичным модулем генератора с улучшенными характеристиками служит схема 10811 фирмы Hewlett-Packard. Она обеспечивает стабильность порядка 10^{– 11} в течение времени от нескольких секунд до нескольких часов при частоте 10 МГц.

Если температурная нестабильность снижена до очень малых значений, то начинают доминировать другие эффекты: «старение» кристалла (тенденция частоты к уменьшению с течением времени), отклонения питания от номинала, а также внешние влияния, например удары или вибрации (последнее представляет собой наиболее серьезные проблемы в производстве кварцевых наручных часов). Один из способов решения проблемы старения: в паспортных данных генератора указывается скорость снижения частоты — не более 5·10^{– 10} в день. Эффект старения возникает частично из-за постепенного снятия деформаций, поэтому через несколько месяцев с момента изготовления этот эффект имеет тенденцию к устойчивому снижению, по крайней мере для хорошо сделанных кристаллов. Взятый нами за образец генератор 10811 имеет величину эффекта старения не более 10^{– 11} в день.

В тех случаях, когда стабильность термостатированных кристаллов уже недостаточна, применяются атомные стандарты частоты. В них используются микроволновые линии поглощения в рубидиевом газонаполненном элементе или частоты атомных переходов в пучках атомов цезия в качестве эталонов, по которым стабилизируется кварцевый резонатор. Таким образом можно получить точность и стабильность порядка 10^{– 12}. Цезиевый стандарт является официальным эталоном времени в США. Эти стандарты вместе с линиями передачи времени принадлежат Национальному бюро стандартов и Морской обсерватории. Как последнее средство для самых точных частот, где нужна стабильность порядка 10^{– 14}, можно предложить мазер на атомарном водороде. Последние исследования в области создания точных часов сосредоточиваются на технических приемах, использующих «охлажденные ионы», которые позволяют достигать даже еще лучшей стабильности. Многие физики считают, что можно достичь окончательной стабильности 10^{– 18}.

Схемы, не требующие пояснений

5.20. Удачные схемы

На рис. 5.51 представлен набор удачных схем, большинство из которых взяты из руководств фирм-изготовителей и фирменных руководств по применению.

Рис. 5.51. а — моностабильный мультивибратор. Длительность входного импульса должна быть меньше, чем у выходного;

Рис. 5.51. б — активный имитатор катушки индуктивности;

Рис. 5.51. в — квадратурный генератор с частотой 1 Гц;

Рис. 5.51. г — релаксационный генератор;

Рис. 5.51. д — резонансный усилитель; работает в диапазоне частот от f₀ дo f_T/2Q. Proc. IEEE 60, 908 (1972);

Рис. 5.51.  е — умножитель емкости;

Рис. 5.51.  ж — эмиттерно-связанный LC-генератор;

Рис. 5.51. з – высокочастотный ЭСЛ-генератор;

Рис. 5.51. и — преобразователь напряжение/частота;

Рис. 5.51. к — фильтр Бесселя нижних частот 3-го порядка; для другого значения частоты среза необходимо провести масштабирование номиналов элементов;

Рис. 5.51.  л — широкодиапазонный ГУН (2 Гц-100 кГц) на усилителях с активной проводимостью.

Дополнительные упражнения

1. Спроектируйте 6-полюсный фильтр Бесселя верхних частот с частотой среза 1 кГц.

2. Спроектируйте фильтр-пробку на частоту 60 Гц с буферными ОУ на входе и выходе.

3. Спроектируйте генератор пилообразных колебаний с частотой 1 кГц, заменив резистор заряда в схеме генератора на таймере 555 транзисторным источником тока. Проверьте, что обеспечивается достаточный рабочий диапазон источника тока. Каково должно быть значение резистора R_B (рис. 5.33)?

4. Разработайте на схеме 555 генератор треугольных колебаний. Для этого используйте пару источников тока, а именноI₀ (втекающий ток) и 2I₀ (вытекающий ток). Используйте выходной сигнал ИС 555 для переключения источника вытекающего тока 2I₀. На рис. 5.50 показано одно из возможных решений.