ТЕРМОСТАТИРОВАННЫЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР И СПОСОБ НАСТРОЙКИ ЕГО ТЕРМОРЕГУЛЯТОРА Российский патент 1998 года по МПК H03B5/32 

Область техники.

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности к генераторам частоты с пьезоэлектрическими резонаторами.

Уровень техники.

Известны различные варианты конструкций стабильных термостатированных кварцевых генераторов (см., например, патент США N 4985687 от 27.02.90, МПК H 03 B 1/02, 5/04, 5/32 и патент Франции N 2660499 от 27.03.90, МПК H 03 B 5/32, 5/04). При этом для достижения температурной стабильности до ±1•10^-8 обычно применяется одноступенчатая схема термостатирования, как позволяющая реализовать наиболее простую, экономичную и малогабаритную конструкцию генератора. Для достижения же стабильности выше ±1•10^-9 используется двухступенчатая схема термостатирования, обеспечивающая значительно большую точность термостатирования, но требующая более сложной, громоздкой и менее экономичной конструкции (см. например, Ингберман М.И., Фромберг Э.М., Гробой Л.П. Термостатирование в технике связи.- М.: Связь, 1979, с. 17, а также Годков В. Д. , Громов С.С., Никитин Н.В. Методы термостатирования радиотехнических устройств. Обзор. - М.: Госкомиздат, 1979, с. 46).

Известен также кварцевый генератор, построенный по одноступенчатой схеме термостатирования и содержащий наружный герметичный корпус и размещенную в этом наружном корпусе печатную плату с установленными на ней элементами схемы генератора, причем все термостатируемые элементы схемы, включая термостат с расположенными в нем кварцевым резонатором, нагревательными элементами, датчиком температуры и терморегулятором с термочувствительным мостом, сосредоточены в центральной части платы, которая отделена от остальной части платы сквозными по толщине прорезями и соединяется с остальной частью платы перемычками (см. патент РФ N 2081506 от 06.03.95, МПК H 03 B 5/32, 5/36). Этот генератор является наиболее близким к заявляемой конструкции и принят в качестве прототипа.

При очевидных достоинствах этого генератора, таких как простота, малогабаритность и экономичность, известная конструкция не позволяет получить температурную стабильность порядка ± 1 • 10^-9, что объясняется недостаточностью принятых конструктивных мер для обеспечения необходимой в этом случае равномерности температурного поля и недостаточно точным поддержанием температуры термостатирования.

Известен также способ повышения точности термостатирования путем введения в схему терморегулятора дополнительного датчика температуры и способ настройки такого терморегулятора путем подбора величин сопротивлений термочувствительного моста (см. Кейн В.М. Конструирование терморегуляторов.- М.: Сов. радио, 1971, с. 100-103). Этот способ принят в качестве прототипа заявляемого устройства.

К основным недостаткам прототипа следует отнести невозможность сведения к нулю относительно большой статической ошибки терморегулятора с небольшим коэффициентом усиления, но именно такие терморегуляторы предпочтительны, а зачастую единственно пригодны для малоинерционных малогабаритных термостатов благодаря своей устойчивости.

Сущность изобретения.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание термостатированного кварцевого генератора с температурной стабильностью частоты порядка ± 1 • 10^-9 и выше без применения схемы двойного термостатирования, а также разработка пригодного для крупносерийного производства способа настройки терморегулятора такого генератора.

Техническим результатом, который достигается в заявляемом изобретении, является устранение технического противоречия между жесткими требованиями к равномерности температурного поля по кварцевому резонатору, с одной стороны, что требует вынесения резонатора из области теплового потока и, следовательно, увеличения расстояния между кварцевым резонатором и нагревателем, а с другой стороны, для обеспечения высокой точности термостатирования необходимо устанавливать датчик температуры и нагреватель как можно ближе к резонатору. Указанное противоречие удалось разрешить путем использования описанных ниже конструктивных решений, принципиально разных и независимых для выполнения каждого из противоречивых требований.

Необходимая равномерность температурного поля по кварцевому резонатору достигается в термостатированном кварцевом генераторе, содержащем наружный корпус и размещенную в этом корпусе плату с установленными на ней элементами схемы, включая кварцевый резонатор и терморегулятор с нагревательными элементами и датчиком температуры, причем все термостатируемые элементы схемы генератора сосредоточены в центральной части платы, которая отделена от периферийной части платы сквозными по толщине прорезями и соединяется с периферийной частью платы перемычками между концами прорезей. Согласно изобретению кварцевый резонатор установлен на днище корпуса, выполненного в виде открытого короба с высокой теплопроводностью и снабженного высокотеплопроводными стержнями, проходящими сквозь указанную плату в ее центральной части вблизи каждой из указанных перемычек, причем днище корпуса плотно прилегает к плате через слой клея, имеющего высокую теплопроводность. Далее, нагревательные элементы и датчик температуры установлены на стенках указанного корпуса и там же с теплоизолирующим зазором относительно корпуса кварцевого резонатора установлена тонкая крышка из материала с высокой теплопроводностью. При этом на концах указанных теплопроводных стержней, выступающих над противоположной поверхностью платы, закреплена, с теплоизолирующим зазором относительно установленных на этой поверхности центральной части платы элементов схемы крышка из материала с высокой теплопроводностью.

Благодаря этим конструктивным мероприятиям на пути теплового потока, рассеиваемого в окружающую среду, от любой произвольно выбранной точки поверхности термостатируемых элементов в любом возможном направлении находится точка, отделенная от выбранной большим тепловым сопротивлением теплоизолирующего зазора и мало отличающаяся по температуре от выбранной. Таким образом, конструкция обеспечивает минимизацию тепловых потерь непосредственно с поверхности терморегулируемых элементов, а следовательно, и минимальность перепадов температур по объему термостатируемых элементов, в первую очередь резонатора.

Кроме того, для обеспечения высокой точности термостатирования в вышеописанном генераторе, согласно изобретению терморегулятор снабжен дополнительным термочувствительным плечом ( R*1

, R₂) с дополнительным термодатчиком (R₂), которое соединено с основным термочувствительным плечом ( R*4, R₅) с основным, установленным рядом с нагревательным элементом, датчиком температуры R₅ через резистор связи R*3, причем указанный дополнительный термодатчик размещен в любой точке генератора, имеющей при нормальных внешних условиях температуру ниже, чем температура кварцевого резонатора, по меньшей мере на 0,5^oC.

Согласно изобретению предложен также способ настройки терморегулятора термостатированного кварцевого генератора заявляемой конструкции, включающий регулировку величин сопротивлений термочувствительного моста и отличающийся тем, что указанную регулировку выполняют следующим образом:
- измеряют зависимость частоты генератора от величины R*4

при нормальных внешних температурных условиях и отключенном резисторе R*3 и выбирают такое значение R*4, при котором достигается экстремум этой зависимости,
- затем измеряют при нормальных внешних температурных условиях и отключенном резисторе R*3 напряжение между точками подключения резистора R*3 и выбирают такое значение R*1, при котором это напряжение равно нулю,
- измеряют при выбранных, как указано выше, значениях R*1 и R*4 и при другой, отличной от нормальных условий, температуре окружающей среды в интервале рабочих температур генератора зависимость частоты генератора от величины R*3 и выбирают такое значение R*3, при котором достигается экстремум этой зависимости.

В случае настройки терморегулятора термостатированного кварцевого генератора с кварцевым резонатором SC-среза и его модификаций последнюю из вышеперечисленных операций выполняют следующим образом: при указанной другой температуре окружающей среды в интервале рабочих температур генератора и при выбранных, как указано выше, значениях R*1

и R*4 выбирают такое значение R*3, при котором частота на нежелательном резонансе резонатора (мода B) равна частоте моды B при нормальных внешних температурных условиях, которую измеряют после выбора величины R*4. .

Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - упрощенный эскиз общего вида кварцевого генератора, поперечный разрез;
на фиг. 2 - вид сверху на печатную плату;
на фиг. 3 - электрическая схема термочувствительного моста.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

В одном из возможных вариантов выполнения изобретения согласно формуле изобретения кварцевый генератор (фиг. 1) содержит наружный герметичный корпус 1, внутри которого закреплена печатная плата 2, с установленными на ней элементами схемы генератора. Центральная часть 3 платы 2 отделена от остальной части платы 2 сквозными по толщине платы 2 прорезями 4 и соединена с остальной частью платы узкими перемычками 5 (фиг. 2). На центральной части 3 платы 2 сосредоточены все термостатируемые элементы схемы генератора. Корпус 6, выполненный в виде открытого короба из высокотеплопроводного материала, например меди или алюминиевого сплава, своим днищем плотно прилегает к поверхности центральной части 3 платы 2 и закреплен на плате слоем высокотеплопроводного клея 7. Корпус 6 снабжен стержнями 8 из высокотеплопроводного материала, концы которых проходят сквозь плату 2 по краям центральной части 3 вблизи перемычек 5 и выступают над противоположной поверхностью центральной части 3 платы 2. На днище корпуса 6 закреплен корпус 9 кварцевого резонатора, а на боковых стенках корпуса 6 установлены нагревательные элементы 10 и первый термодатчик 11. Корпус 6 накрыт тонкой медной крышкой 12, закрепленной на боковых стенках, причем между корпусом 9 резонатора и крышкой 12 имеется термоизолирующий зазор. Такой же зазор имеется между термостатируемыми элементами схемы и медной крышкой 13, закрепленной на концах стержней 8, выступающих над противоположной стороной платы 2. Пространство внутри герметичного корпуса 1, не занятое элементами конструкции, заполнено теплоизолятором 14.

На периферийной части платы установлен дополнительный термодатчик 15, включенный в схему обычного терморегулятора в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 3. Терморегулятор включает в себя постоянное плечо с резисторами R₆, T₇, основное термочувствительное плечо с первым термодатчиком R₆ (11), расположенным рядом с нагревательным элементом, и с подборным резистором R*4

, а также дополнительное термочувствительное плечо с дополнительным термодатчиком R₂ (15) и с подборным резистором R*1, соединенное с основным термочувствительным плечом подборным резистором связи R*3. Математический анализ работы терморегулятора с таким термочувствительным мостом показал, что при выполнении описанного далее способа настройки возможно достижение точности термостатирования 0,01 - 0,05^oC, даже если статическая ошибка терморегулятора порядка 0,5^oC и того же порядка разность температур между кварцевым резонатором и нагревателем (конструктивная статическая ошибка).

Настройку осуществляли следующим образом.

После монтажа и сборки генератора выполняли следующие операции:
- измеряли зависимость частоты генератора от величины R*4

при нормальных внешних температурных условиях и отключенном резисторе R*3 и выбирали такое значение R*4, при котором достигается экстремум этой зависимости,
- затем измеряли при нормальных внешних температурных условиях и отключенном резисторе R*3 напряжение между точками подключения резистора R*3 и выбирали такое значение R*1,, при котором это напряжение равно нулю,
- измеряли при выбранных, как указано выше, значениях R*1 и R*4 и при другой, отличной от нормальных условий, температуре окружающие среды в интервале рабочих температур генератора зависимость частоты генератора от величины R*3 и выбирали такое значение R*3, при котором достигается экстремум этой зависимости.

Для настройки терморегулятора термостатированного кварцевого генератора с кварцевым резонатором SC-среза и его модификаций указанную регулировку выполняли следующим образом:
- измеряли зависимость частоты генератора от величины R*4/

при нормальных внешних температурных условиях и отключенном резисторе R*3 и выбирали такое значение R*4, при котором достигается экстремум этой зависимости,
- затем измеряли при нормальных внешних температурных условиях и отключенном резисторе R*3 напряжение между точками подключения резистора R*3 и выбирали такое значение R*1, при котором это напряжение равно нулю,
- затем при указанной другой температуре окружающей среды в интервале рабочих температур генератора и при выбранных, как указано выше, значениях R*1 и R*4 выбирали такое значение R*3, при котором частота на нежелательном резонансе резонатора (мода B) равна частоте моды B при нормальных внешних температурных условиях, которую измеряли после выбора величины R*4 .

Например, при испытаниях кварцевого генератора, выполненного с использованием кварцевого резонатора SC-среза в корпусе HC-37 (производства фирмы NEL, Израиль), были получены следующие результаты:
Температурная стабильность - ± 4 • 10^-10
Точность термостатирования, ^oC
(по частоте на моде B) - +0,02
в интервале температур -20^oC - +70^oC - -0,01
Потребляемая мощность (при 25^oC), Вт - 1,5
Габаритный размер, мм - 51 • 41 • 25
Генератор заявляемой конструкции работает так же, как и другие известные термостатированные генераторы. При этом благодаря перечисленным выше конструктивным признакам и способу настройки терморегулятора обеспечивается температурная стабильность частоты порядка ± 1 • 10^-9 и выше без применения схемы двойного термостатирования.

Предложен термостатированный кварцевый генератор с температурной стабильностью частоты порядка ± 1 • 10^-9 и выше без применения схемы двойного термостатирования, а также пригодный для крупносерийного производства способ настройки терморегулятора такого генератора, включающий регулировку величин сопротивлений термочувствительного моста, что является преимуществом по сравнению с другими конструкциями. 3 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Термостатированный кварцевый генератор, содержащий наружный корпус и размещенную в этом корпусе плату с установленными на ней элементами схемы, включая кварцевый резонатор и терморегулятор с нагревательными элементами, термочувствительным мостом с опорным плечом и основным термочувствительным плечом с основным датчиком температуры, причем все термостатируемые элементы схемы генератора сосредоточены в центральной части платы, которая отделена от периферийной части платы сквозными по толщине прорезями и соединяется с периферийной частью платы перемычками между концами прорезей, отличающийся тем, что кварцевый резонатор установлен на днище корпуса, выполненного в виде открытого короба из материала с высокой теплопроводностью и снабженного высокотеплопроводными стержнями, проходящими сквозь указанную плату в ее центральной части вблизи каждой из указанных перемычек, причем днище корпуса плотно прилегает к плате через слой клея, имеющего высокую теплопроводность, нагревательные элементы и датчик температуры установлены на стенках указанного корпуса и там же с теплоизолирующим зазором относительно корпуса кварцевого резонатора установлена тонкая крышка из материала с высокой теплопроводностью, на концах указанных теплопроводных стержней, выступающих над противоположной поверхностью платы, закреплена с теплоизолирующим зазором относительно установленных на этой поверхности центральной части платы элементов схемы крышка из материала с высокой теплопроводностью, термочувствительный
мост снабжен дополнительным термочувствительным плечом (R₁ ^*, R₂) с дополнительным термодатчиком (R₂), которое соединено с основным термочувствительным плечом (R₄ ^*, R₅) с основным установленным рядом с нагревательным элементом датчиком температуры R₅ через резистор связи R₃ ^*, причем дополнительный термодатчик размещен в любой точке генератора, имеющей при нормальных внешних условиях температуру ниже, чем температура кварцевого резонатора по меньшей мере на 0,5^oC. 2. Способ настройки терморегулятора термостатированного кварцевого генератора по п. 1, включающий регулировку величин сопротивлений термочувствительного моста, отличающийся тем, что указанную регулировку выполняют следующим образом: измеряют зависимость частоты генератора от величины R₄ ^* при нормальных внешних температурных условиях и отключенном резисторе R₃ ^* и выбирают такое значение R₄ ^*, при котором достигается экстремум этой зависимости, затем измеряют при нормальных внешних температурных условиях и отключенном резисторе R₃ ^* напряжение между точками подключения резистора R₃ ^* и выбирают такое значение R₁ ^*, при котором это напряжение равно нулю, измеряют при выбранных, как указано выше, значениях R₁ ^* и R₄ ^* и при другой, отличной от нормальных условий, температуре окружающей среды в интервале рабочих температур генератора зависимость частоты генератора от величины R₃ ^* и выбирают такое значение R₃ ^*, при котором достигается экстремум этой зависимости. 3. Способ настройки терморегулятора термостатированного кварцевого генератора по п.1, включающий регулировку величин сопротивлений термочувствительного моста при условии выполнения кварцевого резонатора в виде кварцевого резонатора SC-среза и его модификаций, отличающийся тем, что указанную регулировку выполняют следующим образом: измеряют зависимость частоты генератора от величины R₄ ^* при нормальных внешних температурных условиях и отключенном резисторе R₃ ^* и выбирают такое значение R₄ ^*, при котором достигается экстремум этой зависимости, затем измеряют при нормальных внешних температурных условиях и отключенном резисторе R₃ ^* напряжение между точками подключения резистора R₃ ^* и выбирают такое значение R₁ ^*, при котором это напряжение равно нулю, затем при указанной другой температуре окружающей среды в интервале рабочих температур генератора и при выбранных, как указано выше, значениях R₁ ^* и R*4

выбирают такое значение R₃ ^*, при котором частота на нежелательном резонансе резонатора - моде В равна частоте моды В при нормальных внешних температурных условиях, которую измеряют после выбора величины R₄ ^*.