Кварцевые генераторы

Кварцевый резонатор представляет собой пластинку монокристалла кварца с запыленными на поверхности электродами. Приложение электрического потенциала к кварцевой пластине вызывает ее деформацию и наоборот, деформация пластины приводит к появлению на поверхности пластины электрических зарядов. Приложение переменного электрического потенциала приведет к возбуждению механических колебаний пластины. Если частота этих колебаний близка к частоте собственного механического резонанса пластины, то амплитуда колебаний значительно возрастает, увеличивается величина зарядов, обусловленных пьезоэффектом. В этом случае кварцевый резонатор, включенный в электрическую цепь, проявляет себя эквивалентно колебательному контуру. Частота резонанса зависит от геометрии пластины. Но у кварцевой пластины низкий температурный коэффициент расширения, высокий модуль упругости. Благодаря этим свойствам частота резонанса практически не зависит от колебаний температуры и величины возбуждающего напряжения. Для большей стабильности колебаний пластина вырезается из кварцевого монокристалла вдоль кристаллографических осей, у которых минимальный температурный коэффициент и конструктивно размещается в вакуумном баллоне.

Если в любой из схем мультивибратора рис 7.7 конденсатор заменить кварцевым резонатором, то частота и стабильность выходных импульсов будет определяться частотой резонатора. Для возбуждения колебаний на высших гармониках кварцевого резонатора (в генераторах высоких частот) иногда используют схему 7.7в, в которой конденсатор С1 позволяет подавить генерацию на первой (основной) гармонике.

Относительная стабильность частоты генератора, стабилизированного кварцем, составляет Df/f~10^-6 1/град. Такая стабильность частоты достаточна для большинства применений, таких как синхронизация работы микропроцессора, компьютера, канала передачи информации. Электронные часы с кварцевой стабилизацией обеспечивают точность 1 секунда в течении 10⁶ секунд, что соответствует ошибке около 3 секунд в течении года.

Частота кварцевого резонатора зависит от геометрических размеров пластины и типа механических колебаний. Чем выше частота, тем тоньше пластина и на частотах несколько десятков МГц толщина пластины недостаточная для обеспечения механической прочности. На высоких частотах (свыше 30-50 МГц) используют возбуждение кварцевого резонатора на гармониках, кратных резонансной частоте, либо резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

В цифровых измерительных приборах (частотомеры, вольтметры и т.д.) требуется более высокая стабильность частоты. Это достигается температурной стабилизацией кварцевого резонатора, когда кварцевый резонатор размещается в термостате, температура которого поддерживается стабильной с высокой точностью. Относительная нестабильность частоты при этом составляет около Df/f~10^-8 ¸ 10^-9 1/град и ошибка на одну секунду набегает за 3 ¸30 лет.

В прецизионных физических измерениях (при измерениях траекторий космических объектов) требуется еще более высокая стабильность частоты от Df/f~10^-10 и выше. Такую стабильность обеспечивают квантовые стандарты частоты, основанные на высокой стабильности энергетических уровней в атомах. Современные лазерные стандарты времени обеспечивают стабилизацию частоты до Df/f~10^-16, что обеспечивает погрешность в одну секунду за сотни миллионов лет.