Список рекомендуемой литературы. 1. УДК 621.315. С71 Справочник по электротехническим материалам в 3-х т

⇐ ПредыдущаяСтр 12 из 13Следующая ⇒

1. УДК 621.315. С71 Справочник по электротехническим материалам в 3-х т. под редакцией Ю.В.Корицкого и др. Издание 3-е переработанное. - М. «Энергия». - 1988г.

2. УДК 621.319. К64 Конденсаторы. Справочник под редакцией Четверткова М. Радио и связь. 1993 – 392с.

3. Антонов, Н.Н. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / Н.Н. Антонов, И.М. Бузин, О.Г.Вендик и др.; Под ред. О.Г. Вендика. – М.: Сов. радио. – 1979. – 272 с.

Лабораторная работа № 8

«Изучение рабочих параметров активных пьезоэлектриков на примере кварцевого резонатора»

Цель лабораторной работы:изучение рабочих характеристик активных пьезоэлектриков на примере кварцевого резонатора. Установление основных функциональных параметров кварцевого резонатора, условий его эксплуатации и отличий между свойствами кристаллического и плавленого кварца.

Краткие теоретические сведения.

Использование кварцевых резонаторов в электрических генераторах позволяет обеспечить высокую стабильность частоты без значительного усложнения схемы. Электрические фильтры с кварцевыми резонаторами обладают значительно более высокими параметрами, чем фильтры с катушками индуктивности и конденсаторами. Заявляемые характеристики кварцевых резонаторов (Q_max»10⁵) получаются благодаря свойствам кварцевых пластин различного геометрического профиля работать как стабилизаторы резонансной частоты в широком частотном интервале. На рисунке 8.1 приводится общий вид кристалла кварца и направление срезов пластин, формируемых относительно указанных кристаллографических осей. Для ориентации отрезных и шлифовальных машин при получении кварцевых пластин используется свойство кристаллической решетки SiO₂-матрицы отражать рентгеновские лучи всегда под определенным углом, что позволяет с применением рентгеногониометров вырезать пластины, ориентированные в нужной плоскости с точностью до долей угловых минут.

В общем случае пьезоэлектрическим резонатором называется прибор (устройство), содержащее в своей структуре электромеханическую резонансную систему пьезоэлектрического типа. Классификация кварцевых резонаторов производится по 4-м основным признакам (видам):

- назначению: генераторный, фильтровой и т.д.

- способу герметизации корпуса: негерметизированный, герметизированный, вакуумный и др.

- порядку колебаний пьезоэлемента (1, 2, … , n).

- числу резонансных систем (электромеханических, т.е. непосредственно самих кварцевых пластин): одинарная, сдвоенная, и т.д.

Рис. 8.1 – Кристалл кварца с расположением срезов относительно кристаллографических осей X, Y, Z [1]

Стабильность эквивалентных параметров кварцевого резонатора зависит от свойств электро-механической колебательной системы, обеспечиваемой непосредственно самой кварцевой платиной. В общем случае, изменение индуктивности (емкости) контура, в который входит кварцевый резонатор, не вызывает отклонения частоты, т.к. это связано с резким изменением индуктивности самого резонатора (т.е. происходит компенсация этих изменений). На рисунке 8.2 приведена эквивалентная схема стандартного кварцевого резонатора. Указанные обозначения соответствуют следующим величинам: L_к – динамическая индуктивность, C_к – динамическая емкость, R_к – динамическое (активное) сопротивление, C₀ – статическая емкость кварцевого резонатора, C₁ – статическая емкость кварце-держателя. Все динамические параметры обусловлены пьезоэффектом и соответствуют численным значениям (справочным) для конкретного кварцевого резонатора.

Рис. 8.2 – Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Очевидно, что если на пластину пьезоэлемента (т.е. кварцевую пластину) действует переменное напряжение, то она должна испытывать механические колебания, что, соответственно, обуславливает протекание в цепи переменного электрического тока. В свою очередь, этот ток состоит из емкостного тока (зависти от емкости между обкладками) и тока самого пьезоэффекта (зависит от величины возникающих зарядов на платине кварца). Имеющийся фазовый сдвиг между пьезосоставляющей тока и напряжением может как опережать, так и отставать от вектора напряжения (т.е. отличаться от 90°).

В случае создания условий в колебательном контуре, близких к электромеханическому резонансу, как амплитуда тока, так и амплитуда колебаний (механических) кварцевого резонатора становятся максимальными. Если при этом определить значение не только амплитуды тока, но и фазового сдвига тока к напряжению, то можно подобрать условные значения эквивалентной схемы кварцевого резонатора (см. рисунок 8.2). Т.е. при измерении параметров реального кварцевого резонатора (см. рисунок 8.3) будет рассматриваться эквивалентная схема, содержащая участок последовательного колебательного контура L_к-C_к-R_к, для которой имеется собственная частота, равная:

(8.1)

где C=(C_к-C₀)/(C_к+C₀) является эквивалентной емкостью контура с учетом емкости кварцедержателя.

Только для участка L_к-C_к-R_к:

, (8.2)

Формула (1) соответствует резонансу токов (параллельный резонанс), а формула (2) – резонансу напряжений.

Вводятся следующие расчетные параметры:

p= C_к/С₀ – коэффициент включения;

Q_экв=p²×Q=p²/(2pC×R_к×f_рез1) – эквивалентное значение добротности.

*обычно Q_экв превышает реальное значение, что обуславливается погрешностью проводимого эксперимента.

Эквивалентная схема измерений параметров кварцевого резонатора (рисунок 8.3) содержит следующие обозначения: резонатор Q, резистор R с сопротивлением, соответствующим параметрам изучаемого кварцевого резонатора, а также сам генератор и измеритель амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик (АЧХ и ФЧХ, соответственно). В качестве измерителя обычно используется осциллограф. В промежутке между f_рез1 и f_рез2 реактивное сопротивление резонатора имеет чисто индуктивный характер (ток через резистор R, с которого снимается выходной сигнал напряжения, запаздывает почти на 90°).

Рис. 8.3 – Эквивалентная схема подключения кварцевого резонатора в испытательный стенд

В данной лабораторной работе рассматриваются основные характеристики герметизированных низкочастотных кварцевых резонаторов. Согласно данным работы [2], к низкочастотным кварцевым резонаторам относятся резонаторы, работающие в диапазоне частот 1-10³ кГц. В указанном диапазоне частот в пьезоэлементе совершаются колебания изгиба, кручения, сжатия/растяжения (продольные колебания), а также сдвиговые колебания (по контуру, толщине и «векторный» сдвиг).

Точная частота кварцевого резонатора корректируется подключением нагрузочного конденсатора C_g к общему проводу. Его емкость обычно составляет порядка 15–35 пФ (см. рисунок 8.4) и рассчитывается исходя из значения, что при известной емкости нагрузки (C_н) величина паразитной емкости составляет порядка 30 % от C_н, т.е. C_g=2×(С_н-0.3×С_н).

Рис. 8.4 – Эквивалентная схема согласования емкости и нагрузки (см. точную настройку кварцевого резонатора на примере генератора Пирса)

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 434; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8 9 10 111213 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!