Термокомпенсированный кварцевый генератор ударного возбуждения

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(59 Н 03 В 5 32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙ

К АВТОРСН05АУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3316421/18-09 (22) 15.07 .81

j(46) 07.10.83. Бюл. В 37 (72) Ю.С.Иванченко, С.Н.Петряшов и Л.B.Øîëêèíà (71) Новороссийское высшее инженерное морское училище (53) 621.373.5 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 934568, кл. Н 03 В .5/32, 1980.

2. Плонский A.Ф.."Пьезоэлектрический генератор с ударным возбуждением колебаний и обратной связью на субгармонике. Известия Вузов СССР.—

"Радиотехника", 1961, Р 5 (прототип). (54)(57) ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫИ KBAP

ЦЕЛЫЙ ГЕНЕРАТОР УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕ» .

НИЯ, содержащий последовательно соединенные мультивибратор, полосовой кварцевый фильтр, элемент с регулируемой реактивностью и резонансный усилитель, выход которого соединен с входом мультивибратора, о т л -и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения температурной стабильности частоты, между выходом полосового кварцевого фильтра и управлякщим 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 вычита- Я теля введен второй регистр, а входы синхронизации первого и второго регистров, вычитателя, вычислителя компенсирующей функции и накапливаю- С щего сумматора соединены с соответствующими выходами введенного фор- O мирователя хронирующих импульсов.

1046900

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в качестве источника высокостабильных колебаний, например в синтезаторах стабильных частот передатчиков, приемников, прецизионных частотно- 5 измерительных комплексах.

Известен кварцевый генератор, содержащий первую активную часть, ум" ножитель частоты, фильтр высокой частоты цепи механической гармоники, 10 смеситель, фильтр нижних частот, частотный дискриминатор, функциональный преобразователь и элемент управления частотой, вторую активную часть, подключенную через фильтр высокой частоты цепи основной частоты к другому входу смесителя, при этом кварцевый резонатор между первой и второй активными частями, а также реверсивный счетчик, запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к другому входу элемента управления частотой, блок синхронизации, формирователь временных интервалов, первый и второй ключи, 25 в котором повышение температурной стабильности частоты производится за счет использования кварцевого резонатора в многомодовом режиме, причем роль датчика температуры вы- 30 полняет одна из мод колебаний генератора 1 1) .

Недостатком является то, что наличие двух нелинейных элементов и электромеханической 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 60 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 коэффициент частоты и температурно-динамические характеристики прецизионных кварцевых резонаторов. В таком 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 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. в этом случае не наблюдается нелинейного взаимодействия мод колебаний.

Использование температурной моды колебаний в качестве датчика температуры контура управления подогре}вом термостата вновь приводит к влиянию ТДКЧ, т.к. термокамера обладает постоянной времени, отличной от постоянной времени кварцевого резонатора/2J.

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 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 мультивибра1046900 тора 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 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, усили-тель-формирователь 6 прямоугольных . импульсов, делитель 7 частоты, счетчик 8 импульсов, вычитатель 9, второй регистр 10, первый регистр 11 вычислитель 12 компенсирующей функ ции накапливающий сумматор 13, цифроаналоговый преобразователь (ПАП)

14, формирователь 15 хронирующих импульсов, фильтр 16 нижних частот.

Устройство работает следующим образом.

Сформированная на первом выходе мультивибратора 1 последовательность прямоугольных импульсов ударно воз- буждает в ПКФ 2 свободные колебания температурной и стабилизируе— мой частот. Частота стабилизируемых колебаний, будучи усиленной резонансным усилителем 4, поступает по цепи синхронизации на один иэ 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 сформированный 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 второго 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

5 результате вычитания на выходе вычитателя 9 появляется значение приращения температуры ПКФ 2 относительно температуры точки перегиба его ТЧХ с соответствующим знаком. (p Работа с приращением температуры, а не с ее абсолютным значением, позволяет значительно сократить разрядность вычислителя 12 компенсирующей функции, а следовательно, время. с вычислений и повысить их точность.

Код приращения температуры с выхода вычитателя 9 записывается в первый регистр 11, одновременно с этим во второй регистр 10 записывается код температуры, находящий2О ся в счетчике 8 импульсов. Содержим мое первого регистра 11 является аргументом компенсирующей функции, вычисляемой вычислителем 12 компенсирующей функции.

25 Алгоритм вычислений определяется из следующих соображений.

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

1 . „0„=(о + ов ((„- о),, где ЬЯ вЂ” нестабильность частоты от35 носительно стабилизируемой .частоты 1 с"О,С вЂ” температурные коэффициенты ° т„ - текущая температура;

Го — температура точки переги40 ба ТЧХ кварцевого резонатора.

За пределами указанного диапазона температур аппроксимации при помощи

-ряда (1) невозможна, так как он эа пределами температур экстремумов !

ТЧХ является неэнакопеременным.

Более приемлемый аппроксимирующий ряд для широкого диапазона температур имеет вид функциональной, зависимости

1Ь) =v(w — и с) (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 AT-среза, а следо60 вательно, и компенсирующую функцию в широком диапазоне температур.

При этом в целях обеспечения лучшей сходимости экспериментальной и расчетной характеристик можно испольб5 зовать математйческие приемы, такие

1046900

" = (T1-Т )(ki (2. (n мт+) (5) 45

55 как нормализация реального диапазона температур к области определения функции (2), расширение реального диапазона температур при неизменной области определения функции.

Для определения коэффициентов и И производятся два контрольных измерения частоты кварцевого резонатора ПКФ 2 при температурах, соответствующих линейному участку

ТЧХ.

При этом ъ а3 ъ

- — -м(Х„-и)(„), =e(4 -иХ, ) (3) о где61,hJ — отклонение частоты кварцевого резонатора от частоты 1о соответственно, при температурах измерения Т„ и Т С;

Х„,И вЂ” нормализованные зйачения температур ".. и Т определяемые выражением (4) где d. — коэффициент нормализации, Температура точки перегиба определяется решением уравнения (.1) относительно То . Значение ЬЦ1ферется из проведенных иэмерений контрольных частот.

Коэффициент находится из выражения! где Р— коэффициент, определяемый точностью измерения температуры;

1 — минимальная температура диапазона компенсации, Т+ — максимальная температура диапазона компенсации.

После определения температуры точки перегиба ТЧХ кварцевого резонатора ПКФ,2, находят нормализованные значения температур х„ и х . Далее решается система (3) относительно коэффициентов р и n

Формулы для определения и и и имеют вид

Ит

Io o — -ч.— ( n=1 ь1 1 —. Х

Так как в качестве аргумента функции (2 ) используется приращение температуры, то формула 4 будет иметь вид

5 . ЬИ1 БТРАd, Гто 6Т1 4 с где С = о(Т,.

Если в запоминающее устройство вычислителя компенсирующей функции

12 записать коэффициенты ht m гЭо !

О и С, то один иэ вариантов алгоритма работы вычислителя компенсирующей функции 12 при вычислении функции (2) представлен на фиг. 3.

После окончания вычислений функ)5 ции 2 для данного изменения температуры, результаты вычислений суммируются с содержимым накапливающего сумматора 13. Количество разрядов накапливающего сумматора 13 М

20 определяется точностью измерения темтемпературы и значениями максимального отклонения частоты от

Они находятся из выражения: к=Со ;А-Свр р

2 1 (77

25 А =1 макс i+I f.мии1, де макси тмии - соответствуют экстремоКс тмии мальнйм зйачениям частоты ТЧХ кварцевого резонатора.

Я

30 Содержимое накапливающего сумматора 13 поступает на вход ЦАП

14, на выходе которого включен фильтр 16 нижних частот. С выхода

ФНЧ 16, компенсирующий сигнал пос35Фтупает на упраящй вход элемента с регулируемой реактивностью 3, (например, варикапа). Формирователь 15 хронирующих импульсов предназначен для формирования сигналов управления всеми этапами вычисления компенси40

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 воэможность обеспечить высокие метрологические характеристики генерируемых колебаний стабилизируемой частоты беэ применения прецизионных термостатируемых устройств, являюmx собой непреодолимый барьер по минимизации ТДКЧ в такого класса генераторах.

1046900

Фиг9

Составитель Г. Захарченко

РедактОр Ю. Середа Техред М. Гергель Корректор A,Èëüèí

Заказ 7750/55 Тираж 936 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., ф. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4