Термокомпенсированный кварцевый генератор ударного возбуждения

СОВЕТСКИХ Н 9) 8( ) О СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН ВН 03 ТЕЛЬСТВ ВТОРСКОМУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИИ(71) Новороссийское высщее инженерное морское училище(56) 1. Авторское свидетельство СССР Р 934568, кл. Н 03 В .5/32, 1980.2. Плонский А.ф. "Пьезоэлектрический генератор с ударным возбуждением колебаний и обратной связью на субгармонике. Известия Вузов СССР. - "Радиотехникаф, 1961, Р 5 (прототип) (54)(57) ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫЙ КВАР ЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕ НИЯ, содержащий последовательно сое" диненные мультивибратор, полосовой кварцевый фильтр, элемент с регулйруемой реактивностью и резонансный усилитель, выход которого соединен с входом мультивибратора, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения температурной стабильностичастоты, между выходом полосовогокварцевого фильтра и управлякщим входом элемента с регулируемой реактивностью введены последовательносоединенные полосовой,фильтр, усилитель-Формирователь прямоугольныхимпульсов, счетчик импульсов, вычитатель, первый регистр, вычислителькомпенсирующей Функции, накапливающий сумматор, цифроаналоговый преобразователь и фильтр нижних частот,между дополнительным выходом мультивибратора и входом синхронизациисчетчика импульсов введен делительчастоты, между выходом счетчикаимпульсов и вторым входом вычитателя введен второй регистр, а входысинхронизации первого и второго регистров, вычитателя, вычислителякомпенсирующей Функции и накапливающего сумматора соединены с соответствующими выходами введенного Формирователя хронирующих импульсов.Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться вкачестве источника нысокостабильных колебаний, например в синтезаторах стабильных частот передатчиков,приемников, прецизионных частотноизмерительных комплексах.Известен кварцевый генератор,содержащий первую активную часть, ум"ножитель частоты, фильтр высокойчастоты цепи механической гармоники, 10смеситель, Фильтр нижних частот,частотный дискриминатор, функциональный преобразователь и элементуправления частотой, вторую активную часть, подключенную через фильтрвысокой частоты цепи основной частоты к другому входу смесителя, приэтом кварцевый резонатор между первой и второй активными частями, атакже реверсивный счетчик, запоминающее устройстно, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к другому входу элементауправления частотой, блок синхронизации, Формирователь временных интервалов, первый и второй ключи, 25в котором повышение температурнойстабильности частоты производитсяза счет использования кварцевогорезонатора в многомодовом режиме,причем роль датчика температуры выполняет одна из мод колебаний генератора 1 1 .Недостатком является то, что наличие двух нелинейных элементов и электромеханической связи между модами З 5колебаний в пьезОэлементе приводитк значительным паразитным частотной и Фазовой модуляциям и невозможности практического разделения модколебаний лучше, чем на 40 дБ, хотяуровень старения датчика темпера -туры и величина шумов схемы управления находится на приемлемомуровне.Наиболее близким к предлагаемомуявляется термокомпенсированный кварцевый генератор ударного возбуждения, содержащий последовательно соединенные мультивибратор полосонойкварцевый Фильтр, элемент с регулируемой реактивностью и резонансныйусилитель, выход которого соединенс входом мультивибратора,В этом термокомпенсированном кварцевом генераторе ударного возбуждения, который размещен в термостате,достигается высокая стабильностьчастоты при изменении питающих напряжений. Минимизация паразитныхчастотной и фазЬвой модуляции, атакже кратковременной нестабильности частоты обеспечивается за счет 60нагрузки кварцевого резонатора полосового кварцевого Фильтра на малыесопротивления в цепи обратной связи,Однако его предельную температурную стабильность частоты будет определять температурно-динамический коэффициент частоты ( ТДКЧ ) кварцевого резонатора, динамический коэфФициент частоты и температурно-динамические характеристики прецизионных кварцевых резонаторов. В таком термокомпенсированном кварцевом генераторе нозможно улучшение метрологических характеристик генерируемого сигнала, если будет использован дополнительный контур введения попранок 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 ноздействие температуры, должен иметь высокую чувствительность и постоянную времени, равную постоянной времени пьезоэлемента резонатора, Ударное возбуждение кварцевого резонатора и локальный захват пьезоэлементом энергии возбуждающих импульсов с последующим выделением одной из частот, выполняющей роль температурного датчика, обеспечивают идеальную развязку основного и температурного колебаний генератора, т.е. н этом случае не наблюдается нелинейного взаимодействия мод колебаний.Использование температурной моды колебаний в качестве датчика температуры контура управления подогревом термостата вновь приводит к влиянию ТДКЧ, т,к. термокамера обладает постоянной времени, отличной от постоянной времени кварцевого резонатора 2.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 и, управляющим нходом 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 мультинибратора 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 регистроввычитателя, вычислителя компенсирующей функции и накапливающего сумматора соединены с соответствующимивыходами введенного формирователяхронирующих импульсов,На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема предлагаемого устройства; на Фиг. 2 - аппроксимирующий ряд температурно-частотных характеристик ( ТЧХ ) кварцевыхрезонаторов; на фиг. 3 - алгоритмработы вычислителя компенсирующейфункции.Устройство содержит мультивибратор 1, полосовой кварцевый фильтр. импульсов, делитель 7 частоты, счетчик 8 импульсов, вычитатель 9,второй регистр 10, первый регистр 11вычислитель 12 компенсирующей функции накапливающий сумматор 13, цифроаналоговый преобразователь (ПАП)14, формирователь 15 хронирующих импульсов, фильтр 16 нижних частот. Устройство работает следующимобразом,Сформированная на первом выходемультивибратора 1 последовательностьпрямоугольных импульсов ударно воз-буждает в ПКФ 2 свободные колебания температурной и стабилизируемой частот. Частота стабилизируемыхколебаний, будучи усиленной резонансным усилителем 4, поступает поцепи синхронизации на один иэ входов мультивибратора 1, тем самымсинхронизируя последовательностьударных импульсов. После чего наступает установившийся режим генерирования стабилизируемой частоты.Отклик температурно-зависимой моды колебаний на выходе ПКФ 2 выделяется полосовым фильтром 5 и сформированный в последовательность прямоугольных импульсов усилителемФормирователем б, поступает на счетный вход счетчика 8 импульсов, Науправляющий вход счетчика 8 импульсов поступают импульсы разрешениясчета с выхода делителя 7 частоты,на вход которого поступают импульсы со второго выхода мультивибратора 1, Длительность импульсов синхронизации делителя 7 частоты определяется необходимой точностью измерения температуры ПКФ 2. С выходасчетчика 8 импульсов цифровой кодтемпературы ПКФ 2 поступает на первый вход вычитателя 9.На второйФ вход вычитателя 9 поступает цифровой код температуры точки перегибатемпературно-частотной характеристики (ТЧХ) (ПКФ)2, предварительнозаписанного во второй регистр 10. В5 результате вычитания на выходе вычитателя 9 появляется значение приращения температуры ПКФ 2 относительно температуры точки перегибаего ТЧХ с соответствующим знаком.1 О Работа с приращением температуры, ане с ее абсолютным значением, позволяет значительно сократить разрядность вычислителя 12 компенсирующейфункции, а следовательно, время .свычислений и повысить их точность.Код приращения температуры с выхода вычитателя 9 записывается впервый регистр 11, одновременно сэтим во второй регистр 10 записывается код температуры, находящий 20 ся в счетчике 8 импульсов. Содержиа мое первого регистра 11 являетсяаргументом компенсирующей Функции,вычисляемой вычислителем 12 компенсирующей функции.25 Алгоритм вычислений определяется из следующих соображений.Известно, что ТЧХ кварцевых резонаторов АТ-среза в интервале температур между экстремумами аппроксимируется степенным рядом= 06 0-Го 1 оЕ -Со),где ЬЯ - нестабильность частоты от 35 носительно стабилизируемой-г - текущая температура;Го - температура точки переги 40 ба ТЧХ кварцевого резонатора.За пределами указанного диапазонатемператур аппроксимации при помощиряда 1) невозможна, так как онэа пределами температур экстремумов1ТЧХ является неэнакопеременным.Более приемлемый аппроксимирующий ряд для широкого диапазона температур имеет вид функцисральной. Эта функция является знакопеременной в области определения аргумента от -1 до +1 имеет вид, показанный на Фиг. 2.При помощи функциональной зависимости 12) можно получить достаточно точную аппроксимацию ТЧХ кварце-,вых резонаторов АТ-среза, а следо- бО вательно, и компенсирующую Функциюв широком диапазоне температур.При этом в целях обеспечения лучшейсходимости экспериментальной и расчетной характеристик можно исполь зовать математйческие приемы, такие.,- х как нормализация реального диапазона температур к области определения функции ( 27, расширение реального диапазона температур при неизменной области определения Функции.Для определения коэффициентови И производятся два контрольных измерения частоты кварцевого резонатора ПКФ 2 при температурах, соответствующих линейному участку ТЧХ.При этомЬЬ ъ ЬЬ ъ- - =Ми(,Х 1-и), -- =л(1( )(, ) (3)о гдето,Ь 1 - отклонение частоты кварцевого резонатора отчастоты 1 о соответственно, при температурахизмерения Т и Т С;Х,И - нормализованные зйачения температур "и Топределяемые выражением(4) где о( - коэффициент нормализации,Температура точки перегиба определяется решением уравнения (.1) относительно То . Значение ЬЮферется из проведенных измерений контрольных частот.Коэффициент находится из выражения: где Р - коэффициент, определяемый точностью измерения температуры; Т - минимальная температурадиапазона компенсации, Т+ - максимальная температурадиапазона компенсации.После определения температуры точки перегиба ТЧХ кварцевого резонатора ПКФ,2, находят нормализованные значения температур х и х. Далее решается система (3) относительно коэффициентов м и иФормулы для определения м и И имеют вид д Х "датто о- о М1 ь 1уА - - .Х Так как в качестве аргумента Фун. кции ( 2) используется приращение температуры, то Формула 4 будет иметь вид ЬИ=ЬТЗ.-ГГо 6 Т 1 с - С,где С = с(ТЕсли в запоминающее устройствовычислителя компенсирующей функции12 записать коэффициенты Мю Эо10 и С, то один иэ 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 вычисленийсуммируются с содержимым накапливающего сумматора 13. Количество разрядов накапливающего сумматора 13 М20определяется точностью измерения темтемпературыи значениями максимального отклонения частоты отОни находятся из выражения:И=СоРД (.во(7)25 А =1 Ивакс + 1 мии 1,гдеи тм- соответствуют экстремокс тмиимальнйм зйачениям частоты ТЧХ кварцевого резонатора.Я30 Содержимое накапливающего сумматора 13 поступает на вход ЦАП14, на выходе которого включенФильтр 16 нижних частот. С выходаФНЧ 16, компенсирующий сигнал пос 35 Фтупает на упра яющий вход элементас регулируемой реактивностью 3, ( например, варикапа). Формирователь 15хронирующих импульсов предназначендля Формирования сигналов управлениявсеми этапами вычисления компенси 40 Таким образом, реализация термокомпенсации кварцевого генератораударного возбуждения по указанномупринципу использования в качестведатчика температуры отклика кварцевого резонатора на температурноймоде при его ударном возбуждении,дает воэможность обеспечить высокиеметрологические характеристики генерируемых колебаний стабилизируемойчастоты беэ применения прецизионныхтермостатируемых устройств, являю- "щих собой непреодолимый барьер поминимизации ТДКЧ в такого классагенераторах,писное 4/ илиал ППП "Патент", г. Ужгород, Ул. Проектная,750/55 Тира ВНИИПИ Госуд по делам 113035, МоскваЗаказ 7 ж 936арст вен но гоиэобретениЖ, Ра Пкомитета ССи открытийская наб.,