Термокомпенсированный кварцевый генератор ударного возбуждения Советский патент 1983 года по МПК H03B5/32 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в качестве источника высокостабильных колебаний, например в синтезаторах стабильных частот передатчико приемников, прецизионных частотноизмерительных, комплексах.

Известен кварцевый генератор, содержащий первую активную часть, уножитель частоты, фильтр высокой частоты цепи механической гармоники смеситель, фильтр нижних частот, частотный дискриминатор, функцио. нальный преобразователь и элемент управления частотой, вторую активную часть, подключенную через фильт высокой частоты цепи основной частоты к другому входу смесителя, при этом кварцевый резонатор между первой и второй активными частями, а также реверсивный счетчик, запомингищее устройство, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к другому входу элемента . управления частотой, блок синхронизации, формирователь временных интервсшов, первый и второй ключи, в котором повышение температурной стабильности частоты производится за счет использования кварцевого резонатора в многомодовом режиме, причем роль датчика температуры выполняет одна из мод колебаний генератора 1 .

Недостатком является то, что наличие двух нелинейных элементов и элетромеханической связи между .модами колебаний в пьезОэлементе приводит к значительным паразитным частотной и фазовой модуляциям и невозможности практического разделения мод колебаний лучше, чем на 40 дБ, хотя уровень старения датчика темпера туры и величина шумов схемы управления находится на приемлемом

уровне.

Наиболее близким к предлагаемому является термокомпенсированный кварцевый генератор ударного возбуждения, содержащий последовательно соединенные мультивибратор, полосовой кварцевый .фильтр, элемент с регулируемой реактивностью и резонансный усилитель, выход которого соединен с входом мультивибратора.

В этом термокомпенсированном кварцевом генераторе ударного возбуждения, который размещен в термостате, достигается высокая стабильность частоты при изменении питающих напряжений. Минимизация паразитных частотной и фазЬвой модуляции, а также кратковременной нестабильности частоты обеспечивается за счет нагрузки кварцевого резонатора полосового кварцевого фильтра на малые сопротивления в цепи обратной связи

Однако его предельную температурную стабильность частоты будет определять температурно-динамический коэффициент частоты (ТДКЧ,) кварцевого резонатора, динамический коэфициент частоты и температурно-динамические характеристики прецизионных кварцевых резонаторов. В тако термокомпенсированном кварцевом генераторе возможно улучшение метрологических характеристик генерируемого сигнала, если будет использован дополнительный контур введения поправок на частоту при возникновении температурных воздействий на кварцевый резонатор. Точность введения поправки зависит от быстродействия его работы. Это можно выполнить лишь цифровыми методами. Датчик, регистрирующий отклик кварцевого резонатора на воздействие температуры, должен иметь высокую чувствительность и постоянную времени, равную постоянной времени пьезоэлемент резонатора. Ударное возбуждение квацевого резонатора и локальный захват пьезоэлементом энергии возбуждащих импульсов с последующим выделением одной из частот, выполняющей роль температурного датчика, обеспечивают идеал.ьную развязку основного и температурного колебаний генератора, т.е. в этом случае не наблюдается нелинейного взаимодействия мод колебаний.

Использование температурной мода колебаний в качестве датчика температуры контура управления подогреJBOM термостата вновь приводит к влиянию ТДКЧ, т.к. термокамера обладает постоянной времени, отличной от постоянной времени кварцевого резонатораf2J.

Недостатком известного термокомпенсированного кварцевого генератора ударного возбуждения является недостаточно высокая температурная стабильность частоты.

Цель изобретения - повышение температурной стабильности частоты.

Указанная цель достигается тем, что в термокомпенсированном кварцевом генераторе ударного- возбуждения , содержащем последовательно соединенные мультивибратор, полосовой кварцевый фильтр, элемент с регулируемой реактивностью и резонансный усилитель, выход которого соединен с входом мультивибратора, между выходом полосового кварцевого фильтра у( управляющим входом элемента с регулируемой реактивностью введены последовательно соединенные полосовой фильтр, усилитель-формирователь прямоугольных импульсов, счетчик импульсов, вычитатель, первый регистр, вычислитель компенсируюпдай функции, накапливающий сумматор, цифроаналоговый преобразователь и фильтр нижних частот, между дополнительным выходом мультивибратора и входом синхронизации счетчика импульсов введен делитель частоты, между выходом счетчика импульсов и вторым входом нычитателя введен второй регистр, а входы синхронизации первого и второго регистров вычитателя, вычислителя компенсирующей функции и накапливающего сумматора соединены с соответствующими выходами введенного формирователя хронирующих импульсов.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - аппроксимирующий ряд температурно-частотных характеристик ( ТЧХ кварцевых резонаторов; на фиг. 3 - алгоритм работы вычислителя компенсирующей функции.

Устройство содержит мультивибратор 1, полосовой кварцевый фильтр (ПКФ 2, элемент 3 с регулируемой реактивностью, резонансный усилитель 4, полосовой фильтр 5, усилитель-формирователь 6 прямоугольных импульсов, делитель 7 частоты, счетчик 8 импульсов, вычитатель 9, второй регистр 10, первый регистр 1 вычислитель 12 компенсирующей функ ции накапливающий сумматор -13, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, формирователь 15 хронирующих им пульсов, фильтр 16 нижних частот.

Устройство работает следующим образом.

Сформированная на первом выходе мультивибратора 1 последовательност прямоугольных импульсов ударно возбуждает в ПКФ 2 свободные колебания температурной и стабилизируемой частот. Частота стабилизируемых колебаний, будучи усиленной резонансным усилителем 4, поступает по цепи синхронизации на один из входов мультивибратора 1, тем самым синхронизируя последовательность ударных импульсов. После чего наступает установившийся режим генерирования стабилизируемой частоты.

Отклик температурно-зависимой моды колебаний на выходе ПКФ 2 выделяется полосовым фильтром 5 и сфомированный в последовательность прямоугольных импульсов усилителемформирователем б, поступает на счетный вход счетчика 8 импульсов. На управляющий вход счетчика 8 импульсов поступают импульсы разрешения счета с выхода делителя 7 частоты, на вход которого поступают импульсы со дторого выхода мультивибратора 1. Длительность импульсов синхронизации делителя 7 частоты определяется необходимой точностью измерения температуры ПКФ 2. С выхода счетчика 8 импульсов цифровой код температуры ПКФ 2 поступает на первый вход вычитателя 9,На второй

вход вычитателя 9 поступает Цифровой код температуры точки перегиба температурно-частотной характеристики (ТЧХ) (ПКФ)2, предварительно записанного во второй регистр 10. В результате вычитания на выходе вычигателя 9 появляется значение приращения температуры ПКФ 2 относительно температуры точки перегиба его ТЧХ с соответствующим знаком. Работа с приращением температуры, а

0 не с ее абсолютным значением, позволяет значительно сократить разрядность вычислителя 12 компенсирующей функции, а следовательно, время, вычислений и повысить их точность.

5

Код приращения температуры с выхода вычитателя 9 записывается в первый регистр 11, одновременно с этим во второй регистр 10 записывается код температуры, находящий0ся в счетчике 8 импульсов. Содержимое первого регистра 11 является аргументом компенсирующей функции, вычисляемой вычислителем 12 компенсирующей функции.

5

Алгоритм вычислений определяется из следующих соображений.

Известно, что ТЧХ кварцевых резонаторов АТ-среза в интервале температур между экстремумами аппроксимируется степенным рядом

0 I

--cioe V-ToHCoeUrTo), , о .11;

где (,- нестабильность частоты от5носительно стабилизируемой частоты fp }

ое, Ср

температурные коэффициентыj т - текущая температура-, TO - температура точки перегиба ТЧХ кварцевого резона0тора .

За пределами указанного диапазона температур аппроксимации при помощи ряда (1) невозможна, так как он за пределами температур экстремумов

5 ТЧХ является незнакопеременным.

Более приемлемый аппроксимирующий ряд для широкого диапазона температур имеет вид функцису1альной зависимости

0

iU))

(2)

.Эта функция является знакопеременной в области определения аргумента от -1 до +1 имеет вид, показанный на фиг, 2.

При помощи функциональной зависимости (2) можно получить достаточно точную аппроксимацию ТЧХ кварце-, вых резонаторов АТ-среза, а следовательно, и компенсирующую функцию в широком диапазоне температур. При этом в целях обеспечения лучшей сходимости экспериментальной и расчетной характеристик можно использовать математические приены, такие как нормализация реального диапазона температур к области определения функции ( 2), расширение реально го диапазона температур при неизменной области определения функции, Для определения коэффициентов и h производятся два контроль ных измерения частоты кварцевого ре зонатора ПКФ 2 при температурах, соответствующих линейному участку ТЧХ. При этом .WlC)(,У,), (,Х,,) 3) . гдеЛ51, отклонение частоты квар цевого резонатора от частоты io соответственно, при температурах измерения Т и Т С; X.Xj- нормализованные значения температур Т и f определяемые выражением Г(Т,-То)с1, где d - коэффициент нормализаци Температура точки перегиба опр деляется решением уравнения (.1) носительно TO . Значение (ii/f epeTC из проведенных измерений контроль ных частот. Коэффициент находится из выр жения: ЬОТ-UTO где Ь - коэффициент, определяемы точностью измерения темп ратуры-, Т - минимальная температура диапазона компенсации, Т - максимальная температура диапазона компенсации. После определения температуры точки перегиба ТЧХ кварцевого рез натора ПКФ,2, находят нормализова ные значения температур х и х. лее решается система (.31 относительно коэффициентов гп и У . Формулы для определения км и vi имеют вид l о ii., ТГ Ч - Ч 21. f- 1 Так как в качестве аргумента функции ( 2 ) используется приращение температуры, то формула 4 будет иметь вид b)ti--uT oL- i7o--uT oi-c, где С difoЕсли в запоминающее устройство вычислителя компенсирующей функции 12 записать коэффициенты ht m / DC и С, то один из вариантов алгоритма работы вычислителя компенсирующей функции 12 при вычислении функции (2) представлен на фиг. 3. После окончания вычислений функции 2 для данного изменения температуры, результаты вычислений суммируются с содержимым накапливающего сумматора 13. Количество разрядов накапливающего сумматора 13 N определяется точностью измерения темтемпературы fb и значениями максимального отклонения частоты от fj. Они находятся из выражения: M-eo,jA-€og2|i, , ,,ц- соответствуют экстремальным значениям частоты ТЧХ кварцевого резонатора. Содержимое накапливающего сумматора 13 поступает на вход ЦАП 14, на выходе которого включен фильтр 16 нижних частот. С выхода ФНЧ 16, компенсирующий сигнал поступает на управляющий вход элемента с регулируемой реактивностью 3, ( например, варикапа). Формирователь 15 хронируквдих импульсов предназначен для формирования сигналов управления всеми этапами вычисления компеноирующей функции. Таким образом, реализация термокомпенсации кварцевого генератора ударного возбуждения по указанному принципу использования в качестве датчика температуры отклика кварцевого резонатора на температурной моде при его ударном возбуждении, дает возможность обеспечить высокие методологические характеристики генерируемых колебаний стабилизируемой частоты без применения прецизионных термостатируемых устройств, являю- гщих собой непреодолимый барьер по минимизации ТДКЧ в такого класса . генераторах.

(и.п«

т

LuTlfJ

п

.

ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕ . НИЯ, содержащий последовательно соединенные мультивибратор, полосрвой кварцевый фильтр, элемент с регулируемой реактивностью и резонансный усилитель, выход которого соединен с входом мультивибратора, отличающийся тем, что, с целью повииения температурной стабильности частоты, между выходом полосового кварцевого фильтра и управляющим входом элемента с регулируемой реактивностью введены последовательно соединенные полосовой фильтр, усилитель-формирователь прямоугольных импульсов, счетчик импульсов, вычитатель, первый регистр, вычислитель компенсирующей функции, накапливающий сумматор, цифроаналоговый преобразователь и фильтр нижних частот, между дополнительным выходом мультивибратора и входом синхронизации счетчика импульсов введен делитель частоты, между выходом счетчика импульсов и вторым входом вычитателя введен второй регистр, а входы синхронизации первого и второго регистров, вычитателя, вычислителя компенсирующей функции и накапливающего сумматора соединены с соответствующими выходами введенного формирователя хронирукядих импульсов.

Начало

Ввов данных , п, т, TO, и7i

« 4Т оС

I AI iu l-vcTo

fl(AXi)AXf

.

)--fl(Ml)

fl(X)--mfl(AXi)

( Останов. j