Устройство термокомпенсации кварцевого генератора Советский патент 1985 года по МПК H03B5/32 

Устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в системах стабилизации частоты.

Цель изобретения - повышение точности термокомпенсации.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства термокомпенсации кварцевого генератора; на фиг. 2, 3 и 4 - диаграммы его работы.

Устройство термокомпенсации кварцевого генератора содержит термодатчик 1, анаг лого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, сумматор 3, блок4 постоянного запоминания, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 5, фильтр 6 нижних частот, кварцевый генератор 7, первый широтно-импульсный модулятор 8, второй широтно-импульсный модулятор 9, тактовый генератор 10, делитель 11 частоты, элемент совпадения 12, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13. Совокупность сумматора 3, первого и второго широтноимпульсных модуляторов 8 и 9, делителя 11, элементов совпадения 12, элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 образуют формирователь адреса 14.

Устройство термокомпенсации кварцевого генератора работает следующим образом.

Весь рабочий интервал температур разбит на2-1 участков шириной Т, названных интервалами интерполяции. Границам интервалов соответствуют температуры То, Ti,...,T,...,T2 -1 (узлы интерполяции), где Тс - нижняя граничная температура; Ta-i - верхняя граничная температура.

Примем следующие обозначения: DO Ui...Ui...U2p-i - значения термокомпенсирующих напряжений в .,, , ,узлах интерполяции;

Uo Ui...U ...U2P-1 - значения термокомпенсирующих напряжежений в узлах интер,поляции;

То T| ...Ti...Т2Р-2 -значения температур расположенных в серединах интервалов интерполяции,

О, 1, 2...i... - номера интервалов интерполяции (фиг. 2).

В блоке 4 имеются две области. Количество слов первой области равно 2, а во второй - 2 -1. Причем, первая область соответствует адресам со старшим разрядом, равным логическому нулю, а вторая - со старшим разрядом, равным логической единице. В порядке возрастания номеров адреса в первой области записаны коды напряжений Uo, Ui,...Ue..., а 1 во второй области коды напряжений ио, Ui...U ...U2P-2, где напряжения из второй области определяются по формуле

Ul 2Ui- i i Q,l,...2 (1). .

Код температуры, получаемый с помощью термодатчика 1 и АЦП 2, условно делится на р старших и q младших разрядов. Формирователь адреса 14 в

соответствии с кодом старших разрядов равным номеру интервала интерполяции, допустим i, формирует периодическую последовательность адресов напряжений Ui, ul и Lt.Последовательность адресов преобразуется в последовательность кодов напряжений с помощью блока 4, а затем в последовательность самих напряжений с помощью ЦАП 5. Период последовательности равен tn. Вид последовательности зависит 0 от относительного положения температуры окружающей среды внутри интервала интерполяции. Введем относительную координату I- -, ,

-Ь-(2)

где Тс - температура окружающей среды.

В пределах интервала интерполяции Тс изменяется от нуля до единицы. Получая информацию о в цифровом виде с q младших выходных разрядов АЦП 2, формирователь адреса 14 задает суммарные

0 длительности импульсов напряжения Lt-и. напряжения Ui -tj и напряжения Ui+i -ti за период tj,:

Ti(l-|)2tn

(1-)Ь(3)

5Tu,|2tn

Сумма Ti, Ti, Ti + i равна tn. Фильтр нижних частот 6 выделяет постоянную составляющую U( i) периодической последовательности напряжений Ui, Ui и Uf+i за период tn:.

U(|:i)..% (4) Напряжение U(|:i) поступает на управляющий вход кварцевого генератора 7. На фиг. 3 изображены зависимости усредненных за период напряжений Ui, Ui, Uivi и U(|:i) от относительной координаты |. Кривой а соответствует наггряжение Ui, кривой в - напряжение Ui, кривой с - напряжение , кривой d - напряжение Ui(|:i). Покажи аналитически, что термокомпенсирующее напряжение U(|:i) в пределах интервала интерполяции изменяется по квадратичному закону и включает точки (Ti Ui) (TiUi), (Ti-M, ). Подставим в выражение (4) формулы (1) и (3): и (|:i) Ui (1 -I) (1 -21) +4Ui (1 -g) +

+Ui-n|(2|-l) ,(5)

j Напряжение U(|:i) действительно представляет собой полином второй степени координаты I, а следовательно, и температуры окружающей среды (2). Учитывая, что

. (Т1.Ц-Tf) 2 (Ti-TD, 0 вычислим значения | в указанных выше точках и подставим их в формулу (5): Ш (0:i) ,5 lU(0,5;i)Ui 5;Tc Ti.f,

lU(l;i)Ui-n

Формула (5) действительно включает указанные точки.

Коды адресов напряжений U: LJi и Ui+i получаются с помощью формирователя адреса 14. Старший адресный разряд блока 4 образуется выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13. При наличии на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 логического нуля из блока 4 извлекаются коды напряжений LJi и Uf+i (из первой области), а при наличии логической единицы код напряжения иГ (из второй области). Код младших разрядов адреса образуется на выходных шинах сумматора 3 при суммировании кода р старших выходных разрядов АЦП 2 и логического состояния выхода элемента совпадения 12. Если на выходе элемента совпадения 12 устанавливается логическая единица, то номер сформированного адреса увеличивается на единицу, например адрес напряжения Ui изменится на адрес напряжения Ui + i. Пусть температура окружаюш,ей среды равна Тс, которой соответствует интервал интерполяции i и относительная координата I, отличающаяся от | тем, что может принимать только дискретные значения от нуля до единицы, кратные 1/2. Частота тактового генератора 10 определяет период следования импульсов на выходе первого щиротно-импульсного модулятора 8, равный tn/2 и, на выходе второго щиротно-импульсного модулятора 9, равный tn. Код, поступающий с q младщих выходных разрядов АЦП 2, преобразуется первым и вторым широтно-импульсными модуляторами 8, 9 в последовательности импульсов с длительностями |tn/2 и gtn соответственно. За период Ь на выходе элемента совпадения 12 появится - 2 импульсов с длительностями gtn/2. Импульсы на выходе элемента совпадения 12 формируют адрес напряжения Ui+i, так как во время их появления на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 устанавливается логический нуль. Суммарная длительность импульсов напряжения за период tn составит

Ti,-(|)-tn(6)

На выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 за период tn появятся две группы импульсов. А первой группе содержится g 2 импульсов с длительностями (1-|)tn/2, а второй группе - (1-|) 2 импульсов с длительностями |tn/2. Во время их появления на выходе элемента совпадения 12 присутствует логический нуль, следовательно, эти импульсы формируют адрес напряжения Ui . Суммарная длительность импульсов напряжений на выходе ЦАП 5 за период tn составит:

(l-I)tn.(7)

В остальные моменты времени, когда на выходах элемента совпадения 12 и элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 одновременно присутствует логический нуль, формируется адрес напряжения Ui. Суммарная длительность импульсов напряжения Ui определяется по формуле

Ti tnTi Tifl

Подставим выражения (7) и (6)

(l-gV.

0 На фиг. 4 изображены эпюры напряжений для ( и 1, где цифрами обозначены:

I - выход первого щиротно-импульсного модулятора 8; П - выход второго щиротно-импульсного

5 модулятора 9;

III- выход элемента совпадения 12;

IV- выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13;

V- выход ЦАП 5.

Частота среза фильтра 6 нижних частот

0 по уровню 3 дБ определяется из условия fc«J ,tn

где с - частота среза.

Проведенные исследования показали, что в устройстве термокомпенсации кварцевого

5 генератора в пределах каждого интервала интерполяции в температурно-частотной характеристике полностью устраняется влияние линейной и квадратичной составляющих. Модуль максимальной ошибки термокомпенсации может быть определен по формуле

(ДТ)

0

где Qa - коэфициент при кубическом характере температурно-частотной характеристики;

ДТ - величина интервала интерполяции.

Для кварцевого генератора с параметрами резонатора ai-4,228- ,28. lOt; ,276- 10° при интервале интерполяции 10°С температурная нестабильность частоты составляет 6,5- , а для интервала интерполяции 5°С - 7,6- 10. При этом для 10-градусного интервала интерполяции в интервале температур

-60|-90°С в блоке 4 необходимо хранить

31 слово, а при 5-градусном интервале интерполяции - 63 слова. Максимальная ошибка термокомпенсации остается постоянной во всем интервале рабочих температур.

К достоинствам устройства термокомпенсации кварцевого генератора следует отнести технологичность его настройки, повышение помехоустойчивости.

Снижение пульсаций на выходе фильтра 6 нижних частот может быть достигнуто уменьшением его частоты среза или повышением частоты тактового генератора 10.

Xl

/

Uj

I

o

2 «-

0 TO TQ ГУTI T- .

i/2.2

V

u,p

1

УСТРОЙСТВО ТЕРМОКОМПЕНСАЦИИ КВАРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА, содержащее термодатчик, аналого-цифровой преобразователь и последовательно соединенные блок постоянного запоминания, цифроаналоговый преобразователь, фильтр нижних частот и кварцевый генератор, отличающееся тем, что, с цельюповышения точности термокомпенсации введены первый и второй широтно-импульсные модуляторы, тактовый генератор, делитель частоты, элемент coBi. i.eHHH, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и сумматор, при этом выходы р старших разрядов аналого-цифрового преобразователя соединены с первой группой входов сумматора, выходы q младших разрядов аналого-цифрового преобразователя соединены с информационными входами первого и второго широтноимпульсных модуляторов, выход тактового генератора подключен к тактирующему входу первого широтно-импульсного модулятора и к входу делителя частоты, выход которого подключен к тактирующему входу второго широтно-импульсного модулятора, выход первого широтно-импульсного моду лятора соединен с первыми входами элемента совпадения и элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход второго широтноимпульсного модулятора соединен с вторыми входами элемента совпадения и элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к входу старшего адресного разряда блока постоянного запоминания, выход элемента совпадения подключен к входу младшего разряда второй группы входов сумматора, входы других разрядов которой соединены с общей шиной, выходы сумматора соединены с оответствующими адресными входами блока постоянного запоминания, а выход термоатчика подключен к входу аналогоифрового преобразователя.

(ir

I

i П П ПЛЛ in S

0 III i

JUl

D

/ П П rh П П П ПI rm «

0

.4

i

2tn

tРЛ

pfft

n

Л

2tn f1 П П П nJUUl fer . t