Кварцевый генератор с температурной компенсацией Советский патент 1989 года по МПК H03B5/32 

4 СО

СО QD

Итобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в высокостабильных источниках электрических колебаний,

Цель изобретения - повьппение долговременной стабильности частоты выходных колебаний.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема кварцевого гене- ю ратора с температурной компенсацией; на фиг. 2 - структурная электрическая схема частотно-фазового компаратора на фиг. 3 - температурно- частотные характеристики первого и 15 второго кварцевого автогенераторов.

Кварцевый генератор с температурной компенсацией содержит первый кварцевый автогенератор 1, в состав которого входит первый кварцевый 20 резонатор 2, второй кварцевый автогенератор 3, в состав которого входит второй кварцевый резонатор 4, переключатель 5, частотно-фазовый компаратор 6, формирователь 7 импуль- 5 са сброса, датчик 8 температуры, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, первый 10 и второй 11 регистры хранения, вычитатель 12 кодов, сумматор 13 кодов, ждупщй мультивибратор 14 30 и делитель 15 частоты.

Частотно-фазовый компаратор 6 (фиг. 2) состоит из элемента И 16, частотного компаратора 17, фазового детектора 18, компаратора 19, эле- ,r мента ИЛИ 20, формирователя 21 импульса, инвертора 22 и триггера 23.

Кварцевый генератор с температурной компенсацией работает следующим образом.

На фиг. 3 приведены температурно- частотные характеристики (ТЧХ) первого 2 и второго 4 кварцевых резонаторов f,(T ) и (1 ) с идентичными дз температурными коэффициентами, но с различными значениями температур инверсии Тр и TQ, полученными при различных углах среза. Кривые ТЧХ имеют параболическую форму и охваты- вают диапазон температур от Т, до ,с, в котором обеспечивается температурная компенсация. Принцип получения сигнала со стабильной частотой fo заключается в попеременном переключении с периодом t .на общий выход выходов первого 1 и второго 3 кварцевых автогенераторов, частоты выходных колебаний которых равны со1494194

ответствемис) f, и f. на время соот- ветственис) { и f-,

Преимуществом такого решения является то, что оно позволяет получить сигнал с частотой f путем изменения длительности времени переключения, изменяющейся по линейному закону в зависимости от температуры. Частота f соответствует частоте выходных колебаний кварцевых автогенераторов 1 и 3 при температуре Т, при этом

Т,п

Toi-t-T

91

Однако датчик 8, выполненный, например, в виде терморезистора, имеет низкую долговременную стабильность частоты (так для терморезисторов она приводит к оползанию его характеристики параллельно первоначальной со скоростью 0, в сутки. Поэтому, если невозможно вручную производить периодическую градуировку датчика 8, то необходимо автоматически корректировать сползание характеристики, при этом следует учесть, что скорость старения плохо поддается прогнозированию и, следовательно, не может быть смоделирована с достаточной степенью точности.

Датчик 8 может быть выполнен и с использованием кварцевых резонаторов. Однако в этом случае зависимость его выходного напряжения от температуры нелинейна и конструкция значительно усложняется.

Поэтому датчик 8 вьшолнен в виде линейного датчика температуры, а его характеристика автоматически корректируется с помощью кварцевых резонаторов 2, 4. Для этого к вьгходу переключателя 5 подключен делитель 15, на выходе которого формируются импульсы с периодом С.

Управление переключателем 5 осуществляется ждущим мультивибратором 14, который запускается с периодом 1 , а длительность О, импульса ждущего мультивибратора 14 линейно зависит от температуры. В качестве датчика 8 используется любой датчик температуры с линейной характеристикой, например термометр сопротивления, диод и другие. Аналоговый сигнал датчика 8 преобразуется при помощи АЦП 9 в цифровой код, управляющий длительностью импульса ждущего мультивибраТ,п

Toi-t-T

91

Однако датчик 8, выполненный, например, в виде терморезистора, имеет низкую долговременную стабильность частоты (так для терморезисторов она приводит к оползанию его характеристики параллельно первоначальной со скоростью 0, в сутки. Поэтому, если невозможно вручную производить периодическую градуировку датчика 8, то необходимо автоматически корректировать сползание характеристики, при этом следует учесть, что скорость старения плохо поддается прогнозированию и, следовательно, не может быть смоделирована с достаточной степенью точности.

Датчик 8 может быть выполнен и с использованием кварцевых резонаторов Однако в этом случае зависимость его выходного напряжения от температуры нелинейна и конструкция значительно усложняется.

Поэтому датчик 8 вьшолнен в виде линейного датчика температуры, а его характеристика автоматически корректируется с помощью кварцевых резонаторов 2, 4. Для этого к вьгходу переключателя 5 подключен делитель 15, на выходе которого формируются импульсы с периодом С.

Управление переключателем 5 осуществляется ждущим мультивибратором 14, который запускается с периодом 1 , а длительность О, импульса ждущего мультивибратора 14 линейно зависит от температуры. В качестве датчика 8 используется любой датчик температуры с линейной характеристикой, например термометр сопротивления, диод и другие. Аналоговый сигнал датчика 8 преобразуется при помощи АЦП 9 в цифровой код, управляющий длительностью импульса ждущего мультивибратор.-) 1 t . Д|гя к()|)рек гирс Вки нро1еннп- г yxo/ia статической хярактеристики латчика 8 температуры от первоначальной применяются следующие меры. В момент включения формирователь 7 формирует импульс сброса регистров 10 и 11, поэтому на выходе вычитателя 12 имеется нулевой код, а на выходе сумматора 13 - выходной код АЦП 9. В мо мент, когда температура, окружающая кварцевые резонаторы 2 и 4, проходит через точку Т (фиг. 3) в первый газ на первом и втором выходах частотно- фазового компаратора 6 формируются короткие импульсы, производящие запись в регистры 10 и 11 выходного кода АЦП 9. В последующие моменты времени при равенстве частот и фаз колебаний кварцевых автогенераторов 1 и 3, т.е. есть при температуре Т, импульсы формируются только на втором выходе частотно-фазового компаратора 6, что приводит к смене данных во втором регистре 11 на новые, при этом, если статическая характеристика датчика 8 сместилась параллельно первоначальной, с течением времени код, хранящийся в-втором регистре 11, не будет равен коду, хранящемуся в первом регистре 10, поэтому код коррекции на выходе вычитателя 12 постоянно прибавляется к коду АЦП 9, компенсируя уход стати- ческой характеристики датчика 8.

;

Таким образом, так как температурная стабильность ТЧХ кварцевых резонаторов 2 и 4 намного выше стабильности статической характеристики датчика 8, в первый раз, когда темпера- тура Т становится равной значению Т, запоминаются показания датчика 8 преобразованные в цифровую форму, а затем, в последующие моменты времени имея опорную точку, при Т „, опре- деляют показания датчика 8 и корректируют их в соответствии с запомненным ранее значением так, чтобы разность показаний датчика 8 температуры в различные моменты времени при Т равна нулю.

Ждущий мультивибратор 14 запускается с периодом времени С , а длительность его импульса С, пропорциональна выходному коду сумматора 13. В течение действия этого импульса переключатель 5 подключает выход первого кварцевого автогенератора 1 на выход устройства, а в течение остального времени, входящего в период с , т.е. в течение времени Vj , на выход устройства подключается выход второго кварцевого автогенератора 3. В момент включения сигнал Сброс проходит через элемент ИЛИ 20 на вход стробирования компаратора 19, запрещая сравнение напряжений на его входах, поэтому на выходе последнего формируется О (поскольку после включения наблюдается переходной процесс, во время которого в один из моментов частоты и фазы колебаний могут быть равными, но это наблюдается не при температуре Т, а при температуре в момент включения, что приводит к ложной записи кодов в регистры 10 и 11). Импульс Сброс устанавливает триггер 23 в 1, В процессе работы, когда частоты f :| и f, не равны друг другу, на выходе частотного компаратора имеется 1, компаратор 19 заперт по входу стробирования. Когда частоты f и f становятся равными, на выходе частотного компаратора 17 формируется О, который поступает также на вход стробирования компаратора 19, разрешая сравнение сигналов на входах последнего, т.е. начинает работать кайал сравнения частот f и f по фазе, содержаЕций фазовый детектор 18 и компаратор 19. Когда фазы колебаний частот f, и f становятся равными после -рого, как f, f, на выходе компаратора 19 формируется перепад из О в 1, фиксирующий.равенство частот и фаз колебаний, на выходе формирователя 21 формируется импульс, производящий запись информации во второй регистр 11. Этот импульс инвертируется инвертором 22, следовательно, в момент формиров ания спада импульса на выходе форми рователя 21 триггер 23 устанавливается в О, поэтому на выходе элемента И 16 также формируется импульс, длительность которого равна длительности импульса формирователя 21. В первый регистр 10 производится запись информации. Так как после переброса триггера 23 на его R-входе постоянно присутствует 1, все оставшееся время работы с выхода элемента И 16 снимается О, а с выхода формирователя 21 в моменты равенства частот и фаз колебаний снимаются короткие импульсы, производящие обновление данных во втором регистре 11.

Формула изобретения Кварцевый генератор с температурной компенсацией, содержащий первый и второй кварцевые автогенераторы, переключатель, выход которого являет ся выходом кварцевого генератора с температурной компенсацией, а первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго кварцевых автогенераторов, и датчик температуры, отличающийся тем, что, с целью повышения долговременной стабильности частоты выходных колебаний, введены ждущий мультивибратор, выход которого подключен к управляющему входу переключателя, сумматор кодов, выходы которого поразрядно подключены к соответствующим входам управления длительностью импульсов ждущего нуль тивибратора, делитель частоты, который включен между выходом переключателя и входом запуска ждущего мультивибратора, вычитатель кодов, разрядный выход которого подключен к первому разрядному входу сумматора

5

10

15

20

25

кодов, первый регистр хранения, разрядный выход которого соединен с первым разрядным входом вычитателя кодов, второй регистр хранения, разрядный выход которого соединен с вторым разрядным входом вычитателя кодов, частотно-фазовый компаратор, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго кварцевых автогенераторов, а первый и второй выходы которого подключены к входам записи соответственно первого и второго регистров хранения, формирователь импульса сброса, выход которого подключен к установочным входам частотно-фазового компаратора, а также первого и второго регистров хранения, аналого-цифровой преобразователь, вход которого подключен к выходу датчика температуры, при этом выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационным входам первого регистра хранения , второго регистра хранения и к второму разрядному входу сумматора кодов.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в высокостабильных источниках электрических колебаний. Цель изобретения - повышение долговременной стабильности частоты выходных колебаний. Для достижения цели в кварцевый г-р введены частотно-фазовый компаратор 6, формирователь 7 импульса сброса, АЦП 9, два регистра 10, 11 хранения, вычитатель 12 кодов, сумматор 13 кодов, ждущий мультивибратор 14, делитель 15 частоты. Принцип получения сигнала со стабильной частотой F₀ заключается в попеременном переключении с периодом τ на общий выход выходов кварцевых автогенераторов 1,3, частоты выходных колебаний которых соответственно равны F₁ и F₂, на время соответственно τ₁ и τ-τ₁. Такое решение позволяет получить сигнал с частотой F₀ путем изменения длительности времени переключения, изменяющейся по линейному закону в зависимости от температуры. 3 ил.

«11.1

Редактор Л.Пчолинская

Составитель В.Рудай Техред Л.ОлийныкЗаказ 4129/55

Тираж 884

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

РЙ-

Корректор С .Шекмар

Подписное