Кварцевые генераторы на гармониках. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

 Комментарии к статье

Используя схемы бесконтурных кварцевых генераторов (КГ) автора [1, 2], можно получить генерацию не только на первой (основной) гармонике кварца, но и на его третьей гармонике. При этом интересно отметить, что в этих схемах на третьей гармонике работают как специально предназначенные для генерации на гармониках кварцы (так называемые гармониковые), так и обычные.

Однако приведенные схемы далеко не исчерпывают схемотехнику бесконтурных обертонных кварцевых генераторов Еще одна схема из семейства таких генераторов на биполярном транзисторе приведена на рис. 1. Такой КГ проще схем из [1, 2].

На первый взгляд, эта схема похожа на хорошо известную схему емкостной "трехточки", однако она отличается от "классической" схемы. В генераторе отсутствует один из конденсаторов обратной связи (между базой и эмиттером транзистора) по сравнению с "классической" схемой КГ.

Помимо сокращения числа элементов, схема имеет и другие преимущества "Классический" КГ генерирует исключительно на первой гармонике кварца. Автору в многочисленных опытах никогда не удавалось получить генерацию на третьей (механической) гармонике. Схема, приведенная на рис 1, при достаточно малой емкости С3 (обычно несколько десятков пикофарад) легко запускается на третьей гармонике кварца. При этом по мере увеличения емкости С3 уровень выходного ВЧ-напряжения КГ постепенно уменьшается (также незначительно уменьшается частота генерируемых колебаний на десятки - сотни герц) При дальнейшем росте С3 происходит переход генератора в область двухчастотных колебаний, а далее - "перескок" генерируемых колебаний на частоту первой гармоники. Амплитуда генерируемых колебаний при этом вновь вырастает.

Рис. 1

При еще большем увеличении С3 происходит постепенное уменьшение амплитуды колебаний, сопровождаемое незначительным уменьшением частоты, и наконец, при достаточно большой емкости С3 (например, несколько нанофарад для кварца на частоту 27 МГц) колебания КГ срываются. Картина происходящих явлений в КГ по мере увеличения емкости С3 приведена на рис. 2.

Рис. 2

Амплитуда выходного напряжения КГ при генерации на первой гармонике (для "гармониковых" кварцев) оказывается больше, чем при генерации на третьей гармонике (для тех же кварцев). Таким образом, на рис. 2 представлен наиболее общий случай, когда для кварца возможна генерация как на первой, так и на третьей механической гармонике.

Иногда (весьма редко) все же встречаются кварцы, генерирующие только на первой гармонике. В этом случае на рис. 2 остается только один пик (правый), а левый пик и область двухчастотных колебаний исчезают. Для наблюдения "перескоков" частоты КГ при изменении емкости С3 необходимо присоединить к КГ через хорошие буферные каскады (с входным сопротивлением более 10 кОм и входной емкостью не более нескольких пикофарад) ВЧ-осциллограф и частотомер.

В качестве С3 используется КПЕ (12...495 пФ), включаемый в схему КГ либо непосредственно, либо через малые емкости (несколько десятков пикофарад). Подключение КПЕ к плате КГ выполняют толстыми неизолированными проводами минимально возможной длины.

Однако с точки зрения практического использования более удобна схема, представленная на рис. 3. В этом случае требования к буферному каскаду значительно снижаются. Тем не менее, и при работе такой схемы КГ в составе приемника или трансивера буферный каскад (хоты бы простейший) все-таки желателен. Необходимо также осуществить стабилизацию питания приведенных схем КГ. Следует особо обратить внимание на номиналы резисторов в схемах (рис. 1 и 3): их нельзя менять в широких пределах. Так, для схемы КГ по рис. 1 при напряжении питания 9...12 В должно выполняться условие:

R1 = R2 = 20*R3;

R3 = 470...2000 Ом (1)

КГ согласно рис. 3 при таком же напряжении питания требует выполнения условий:

R1 = R2 = 20*R4 (при R3 " R4);

R4 = 470.. 2000 Ом, (2)

или

R1 = 20*R4;

R2 = 10*R4 (при R3 ~= R4);

R4 = 470...2000 Ом;

R3 <= 1000 Oм. (3)

Только при выполнении условий (1), (2) или (3) схемы КГ будут вести себя как описано выше.

Выбор номиналов резисторов смещения производится с использованием рекомендаций из [3]. Выходное сопротивление КГ (рис. 3) практически равно R3.

Рис. 3

Буферные каскады для таких КГ можно использовать такие же, как и в [2]. Однако всегда следует помнить, что буферный каскад может дифференцировать (а в отдельных случаях интегрировать) входной сигнал, что приводит к искажению формы колебаний в случае синусоидальных сигналов.

Приведенные выше схемы КГ могут быть рекомендованы для широкого использования в радиолюбительских конструкциях. Особенно удачной, по мнению автора, является схема на рис. 3, имеющая 50-омный выход по ВЧ (при номиналах R1=R2=10 кОм, R3=51 Ом).

Данные схемы КГ являются по классификации [5] "двухточечными", способными работать как на первой, так и на третьей гармонике кварца. Например, кварц РК-169 в схеме по рис. 3 (R3=51 Ом) генерировал с частотой 27411 кГц при С3=51 пФ, и с частотой 9142,42 кГц при С3=330 пФ, в то время как на корпусе кварца была указана частота 27,41 МГц.

Теперь рассмотрим генераторы, сконструированные автором на основе прототипа - генератора Пирса, который представляет собой генератор с емкостной связью через конденсаторы С2 и С4 (рис. 4).

Рис. 4

Кварцевый резонатор при работе в генераторе Пирса имеет индуктивное реактивное сопротивление, поэтому такой генератор работает в области частот, находящейся между частотой последовательного fs и параллельного fp резонанса кварца. Согласно [4], кварц в этом генераторе генерирует на частоте, близкой к fp, однако в [6] отмечается, что частота генерации ближе к fs, нежели к fp. В этой связи деление таких КГ на генераторы последовательного и параллельного резонанса не совсем удачно вследствие зависимости генерируемой частоты от значений реактивностей, входящих в схему (например, на рис. 5 это С2 и С4).

Рис. 5

На рис. 4 резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения для создания необходимого напряжения смещения базы транзистора VT1. Для получения высокой температурной стабильности рабочей точки используется цепь ООС по постоянному току R3-C3.

Конденсаторы С1 и С3 - блокировочные, они при достаточной емкости не влияют на частоту КГ. В то же время, конденсаторы С2 и С4 непосредственно участвуют в генерации колебаний, и от их емкости зависит частота. Реактивное (индуктивное) сопротивление дросселя L1 весьма велико (намного больше реактивных сопротивлений конденсаторов С2, С4 и кварца ZQ1), поэтому роль дросселя L1 в схеме КГ Пирса сводится исключительно к разделению постоянного и ВЧ-токов. По этой причине L1 можно заменить каким-либо другим источником тока (даже резистором). Особо следует отметить, что применение подобных дросселей (особенно с высоким значением добротности Q) в ряде случаев может приводить к возбуждению генератора совсем не на частотах кварца. Введение дросселя снижает надежность КГ, поэтому по возможности лучше отказаться от него.

Рабочая схема КГ приведена на рис. 5. Выбирая емкости конденсаторов С2=C3 достаточно малыми, получаем генерацию на третьей гармонике кварца. По мере увеличения указанных емкостей начинает повторяться картина, показанная на рис. 2, и при достаточно больших величинах этих емкостей получаем генерацию на первой гармонике кварца.

На транзисторах VT2 и VT3 выполнен буферный каскад, представляющий собой включенные один за другим эмиттерные повторители. Резисторы R3 и R7 - антипаразитные, служат для повышения устойчивости работы буферного каскада. Если принять, что С2=С3, то при работе КГ на третьей гармонике эти емкости можно определить из выражения

С2 = С3 = L, (пФ)

где L - длина волны для третьей гармоники, м.

Для надежной работы на первой гармонике эти емкости надо выбирать в 3, а лучше в 5 раз большими.

На рис. 6 приведена схема ВЧ-приставки к вольтметру с высоким входным сопротивлением, при помощи которой и с использованием градуировочного графика определялось ВЧ-напряжение на коллекторе VT1 (рис. 5). Приставку подключают к высокоомному (RBX>1 МОм) вольтметру в режиме измерения постоянного напряжения.

Рис. 6

Данные, полученные для одного из гармониковых кварцев (46,516 МГц), представлены в табл.1. Как видно из таблицы, для кварцев на частоту около 50 МГц вполне хватает тех емкостей, которые имеют монтажная плата и сам транзистор. Для кварца на 27 МГц генерации на третьей гармонике в отсутствии С2 и С3 не наблюдается.

Используемые для построения кварцевых генераторов(КГ)биполярные транзисторы (БТ) характеризуются достаточно большими емкостями между электродами (Сбэ, CKg, Скэ), присущими собственно транзистору. Будем называть их внутренними емкостями транзистора Из-за значительных внутренних емкостей БТ работа КГ на этих транзисторах определяется уже не только емкостями конденсаторов, но и внутренними емкостями БТ. СВЧ-полевые транзисторы (ПТ) с одним или двумя изолированными затворами имеют весьма малые внутренние емкости, которые на порядок (или даже более) меньше, чем внутренние емкости ВЧ БТ. Поэтому работа КГ на СВЧ ПТ будет определяться в основном только емкостями конденсаторов, а также паразитными емкостями монтажа.

Предлагаемая схема КГ на ПТ (рис. 7) выполнена на основе истокового повторителя. Поскольку в настоящее время наибольшее распространение получили СВЧ ПТ с двумя изолированными затворами, а для сравнения работы КГ на биполярных и полевых транзисторах нужен однозатворный ПТ, такой ПТ получается из двухзатворного при соединении его затворов вместе. Учитывая, что используемые СВЧ ПТ работают в области частот до единиц гигагерц, они весьма склонны к самовозбуждению (печатные дорожки на плате "работают" как своеобразные СВЧ-контура).

Рис. 7

Для устранения самовозбуждения автор использовал антипаразитные SMD-резисторы с небольшим сопротивлением, номинал которых подбирался опытным путем (на рис. 7 это R3 и R4). Такие SMD-резисторы припаиваются к укороченным до минимально возможной для монтажа длины выводам ПТ Для устранения ухода частоты КГ в ходе измерений, к нему подключается буферный каскад из последовательно включенных истокового и эмиттерного повторителей. Полная схема исследуемого КГ на СВЧ ПТ представлена на рис. 8. Данный буферный каскад обладает значительно лучшими свойствами, чем буферный каскад на ВЧ БТ (рис. 5).

Рис. 8 (нажмите для увеличения)

На первый взгляд, схемы КГ на БТ и ПТ по принципу действия одинаковы (обе схемы выполнены на основе широкополосных повторителей напряжения), но эксперименты показали, что ведут они себя различно. В КГ на БТ (рис. 1), при некоторой (малой) емкости конденсатора в цепи эмиттера транзистора, возникает генерация на третьей гармонике. По мере увеличения емкости конденсатора, генерация по-прежнему происходит на той же гармонике кварца. И только при дальнейшем увеличении емкости указанного конденсатора генератор переходит в область сложных колебаний. Зона сложных колебаний обычно наблюдается в довольно узком диапазоне изменения емкости конденсатора (доли...единицы пикофарад). В этой же области наблюдается пик (максимум) выходного напряжения. Дальнейшее увеличение емкости конденсатора приводит к генерации на первой механической гармонике кварца.

В КГ на СВЧ ПТ, при использовании достаточно низкочастотного кварца (например, с первой механической гармоникой около 9 МГц), описанная выше смена состояний вообще не наблюдается, что можно в первом приближении объяснить весьма малыми внутренними емкостями ПТ.

Для проверки этого предположения с помощью специально включаемого конденсатора (6,8 пФ), обозначенного на рис. 7 и 8 как Сзи, искусственно увеличивалась соответствующая емкость транзистора, что делает работу КГ на БТ и ПТ сопоставимой. Данные для КГ на ПТ (частота и выходное напряжение) без конденсатора представлены в табл.2. В табл. 3 приведены данные для случая, когда устанавливался дополнительный конденсатор с емкостью 6,8 пФ. При этом использовался один и тот же кварц (27668 кГц), а также резисторы R1=R2=20 кОм. После установки дополнительного конденсатора Сзи рассматриваемый КГ стал вести себя аналогично КГ на БТ.

Если КГ на ПТ работают с высокочастотными кварцами (например, кварцем с первой механической гармоникой около 15 МГц), то внутренней емкости самого ПТ (Сзи) уже вполне хватает для нормальной работы КГ. Данные для КГ с высокочастотными кварцами представлены в табл. 4 (на 46,516 МГц). При этом R1=R2=20 кОм.

Зависимость частоты и выходного напряжения от величины С3 из табл. 2 и 3 представлены в графическом виде на рис. 9 и 10, а из табл. 4 - на рис. 11.

Рис. 9

Рис. 10

Рис. 11

Примечания:

1 При C3=20 пф существует зона двухчастотных колебаний.

2 Если R1=R2=1 МОм, генерация происходит только на частоте 15,52 МГц

Транзисторы генератора и буферного каскада всех рассмотренных схем КГ работают при значительных уровнях ВЧ-сигналов, и поэтому вносят существенные нелинейные искажения. На выходе КГ присутствуют со значительным уровнем также и электрические гармоники сигнала. Частота этих гармоник в целое число раз больше основной частоты (т.е. первой гармоники). При работе кварца, например, на частоте 9 МГц, на выходе КГ будут также присутствовать и частоты 18, 27, 36, 45 МГц и т.д. Однако, как правило, эти высшие гармоники на порядок или более слабее, чем первая гармоника. Механические гармоники кварца не точно в целое число раз больше одна другой. Поэтому первая и третья механические гармоники кварца будут отличаться по частоте в число раз, не равное трем.

Используя эту особенность механических гармоник кварцев, можно различать собственно механические гармоники и гармоники электрические. Например, используя данные из табл 1, получим отношение частот

f3/f1 = (46518,46+46518,15)*2/(2*(15516,82+15513,54))=46518,3/15515,18=2,998 (4)

Частота резонаторов на механических гармониках определяется, согласно [9], выражением

fn = n(1 -Yn)*f1, (5)

где fn - частота n-й механической гармоники кварца, n - номер соответствующей гармоники (в данном случае целое нечетное число), f1 -частота первой механической гармоники кварца, Yn - поправочный коэффициент, зависящий от номера гармоники. Например, Y3=0,001 [9] Таким образом, выражение (5) для третьей механической гармоники приобретает вид:

f3=3*(1-0,001)*f1, (6)

откуда

f3/f1 = 3*(1 -0,001) = 2,997 (7)

Поскольку численные значения выражений (4) и (7) практически совпадают, можно говорить о том, что в генераторе возможна генерация как на первой, так и на третьей механической гармонике кварца.

Область сложных колебаний (рис. 2) существует во всех рассмотренных выше схемах КГ Ее можно обнаружить, подключив к выходу КГ осциллограф. На экране наблюдается сложная картина, далекая от обычной синусоиды. В зоне сложных колебаний сосуществуют колебания и первой, и третьей механических гармоник Увеличение емкости соответствующего конденсатора (С3) ведет к уменьшению амплитуды третьей гармоники и возрастанию амплитуды первой.

Во всех рассмотренных КГ при генерации на первой механической гармонике выходное напряжение оказывается несколько больше, чем при генерации на третьей. Колебания с частотой первой механической гармоники всегда "сильнее", чем колебания с частотой третьей, поэтому происходит увеличение выходного напряжения КГ в области двухчастотных колебаний при увеличении емкости "управляющего" конденсатора (С3). Увеличение емкости "управляющего" конденсатора вне зоны двухчастотных колебаний приводит, наоборот, к уменьшению выходного напряжения генератора.

Наблюдаемые отличия в работе КГ на БТ и ПТ, а также аномальная работа КГ на ПТ в случае использования достаточно низкочастотных кварцев, обусловлена разницей значений Сбэ для БТ и Сзи для ПТ (Сбэ"Сзи). Если сравнять Cбэ и Сзи путем подключения дополнительной емкости Сдоп (Сдоп ~= Сзи) между затвором и истоком ПТ, КГ на БТ и ПТ начинают вести себя примерно одинаково. Поскольку все рассмотренные выше схемы КГ работают как на первой, так и на третьей механической гармонике кварца, для анализа можно использовать эквивалентную схему кварца, показанную на рис. 12.

Рис. 12

Используя такую схему кварца, можно представить эквивалентную схему генератора на ПТ согласно рис. 13.

Рис. 13

Все рассмотренные схемы КГ не содержат никаких колебательных (резонансных) контуров, кроме самого кварца. Это значительно упрощает изготовление и настройку таких гармониковых КГ путем подбора в основном только емкости "управляющего" конденсатора.

Литература

1. Артеменко В. Бесконтурный кварцевый генератор. - Радиолюбитель, 2000, №8, с.27.
2. Артеменко В. Кварцевый обертонный бесконтурный генератор. - Радиомир KB И УКВ, 2002, №1, с.27-29.
3. Хоровиц П., Хилл У. Исскусство схемотехники. Том 1. - М.: Мир, 1984.
4. Хабловски И., Скулимовски В. Электроника в вопросах и ответах. - М.: Радио и связь, 1984.
5. Белоусов О. Двухточечный кварцевый генератор. - Радиомир, 2001, N7, С.33.
6. Мэзон У. Пьезоэлектрические кристаллы и их применения в ультраакустике.- М.: ИЛ, 1952.
7. Белоусов О. Кварцевый генератор - Радиоаматор, 2002, №6, с.25.
8. Артеменко В. Барьерные генераторы ВЧ на биполярных транзисторах. - Радиохобби, 2000, №2, с.35.
9. Лабутин Л. Кварцевые резонаторы - Радио. 1975, N3, с.13-16.

Автор: В.Артеменко, UT5UDJ, г.Киев

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Токсичность интернета преувеличена 07.01.2026

Социальные сети нередко воспринимаются как арена постоянной агрессии, оскорблений и распространения фейковой информации. Новое исследование Стэнфордского университета показывает, что реальность значительно отличается от популярного представления: интернет гораздо менее токсичен, чем многие пользователи считают. Ученые опросили более тысячи американцев, попросив их оценить долю пользователей соцсетей, которые ведут себя агрессивно или распространяют ненависть. Оказалось, что впечатления людей сильно преувеличивают масштабы проблемы. Например, респонденты считали, что почти половина пользователей Reddit хотя бы раз оставляла оскорбительные комментарии, тогда как фактические данные платформы показывают, что таких людей не более 3%. Аналогичная ситуация наблюдается с дезинформацией. Опрос показал, что большинство участников считали почти половину аудитории Facebook распространителями фейковых новостей, однако статистика говорит об обратном: фактическая доля таких пользователей состав ...>>

Процессоры Ryzen AI 400 07.01.2026

Современные вычисления все больше ориентируются на интеграцию искусственного интеллекта и высокую производительность в компактных устройствах, таких как ноутбуки и мини-ПК. Новая линейка процессоров AMD Ryzen AI 400 демонстрирует, как разработчики объединяют мощные центральные ядра, графику и нейросетевые ускорители в одном чипе, чтобы удовлетворять растущие потребности пользователей в играх, контенте и ИИ-приложениях. AMD представила процессоры серии Gorgon Point, которые включают до 12 ядер Zen 5 и до 24 потоков вычислений. Чипы поддерживают интегрированную графику RDNA 3.5, обеспечивают максимальную тактовую частоту до 5,2 ГГц и имеют энергопотребление от 15 Вт до 54 Вт. Особое внимание уделено NPU, способному обрабатывать до 60 триллионов операций в секунду (TOPS), что делает эти процессоры эффективными для задач с искусственным интеллектом. Конструкция Ryzen AI 400 сочетает ядра Zen 5 и Zen 5c, обеспечивая высокую гибкость и производительность. Несмотря на то, что архитектур ...>>

Женщины лучше распознают признаки болезни по лицу 06.01.2026

Способность распознавать, что кто-то нездоров, часто проявляется интуитивно: бледная кожа, опущенные веки, уставшее выражение лица могут сигнализировать о недомогании. Новое исследование международной группы ученых показало, что женщины в среднем точнее мужчин улавливают такие тонкие невербальные признаки болезни, что может иметь эволюционные и социальные объяснения. В отличие от предыдущих работ, где использовались отредактированные фотографии или имитация больных лиц, ученые решили проверить, насколько люди способны распознавать естественные признаки недомогания. Такой подход позволил оценить реальную чувствительность к изменениям в лицах, возникающим при болезни. В исследовании приняли участие 280 студентов, поровну мужчин и женщин. Участникам предложили оценить 24 фотографии, на которых изображены люди как в здоровом состоянии, так и во время болезни. Это дало возможность сравнить восприятие естественных признаков недомогания в реальных лицах. Для анализа состояния каждого ...>>

Случайная новость из Архива Усилитель сигнала Xiaomi Wi-Fi Amplifier 2 19.12.2016 Летом прошлого года Xiaomi представила усилитель сигнала Wi-Fi, устройство было выпущено под названием Wi-Fi Amplifier. Оно подключается к разъему USB, а сопряжение с роутером происходит автоматически, если это роутер Xiaomi. На этой неделе будет выпущена новая версия данного устройства, которая получила название Xiaomi Wi-Fi Amplifier 2. Антенна нового усилителя позволяет Xiaomi Wi-Fi Amplifier 2 работать в два раза более эффективно, чем предшественник. Максимальная скорость передачи данных была увеличена до 300 Мбит/с, а количество одновременно подключенных беспроводных устройств выросло до 16. Подключать Xiaomi Wi-Fi Amplifier 2 можно к роутеру любого стороннего производителя, а цена устройства составляет 7 долларов. Начало продаж Xiaomi Wi-Fi Amplifier 2 ожидается 15 декабря.

Другие интересные новости:

▪ Смарт-телевизоры TCL C11G Pro

▪ Смартфон OnePlus Ace 5 с функцией обходной зарядки

▪ Долгая память австралийских аборигенов

▪ Рестораны завтрашнего дня от Burger King

▪ Изменения климата сказываются на виноделии

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Аудио и видеонаблюдение. Подборка статей

▪ статья Быть не в своей тарелке. Крылатое выражение

▪ статья Что такое мидии? Подробный ответ

▪ статья Лечебно-профилактическое питание

▪ статья Простая схема бипера. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Простые опыты. Химический опыт

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026