Термостатированный высокостабильный генератор

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к источникам высокостабильных колебаний, и может быть использовано при разработке термостатированных автогенераторов с пьезоэлектрическими резонаторами. Техническим результатом является обеспечение возможности выбора температуры статирования при любой требуемой температуре независимо от точек экстремумов температурно-частотной характеристики (ТЧХ) резонатора при одновременном повышении стабильности частоты кварцевого генератора в широком интервале температур и снижении требований к точности регулирования температуры термостата преимущественно для резонаторов SC-среза. В автогенератор, в колебательную систему или цепь обратной связи которого включен кварцевый резонатор, помещенный в термостат с регулятором температуры, датчиком температуры и нагревателем, размещенными в термостате, введена дополнительная термозависимая цепь, обеспечивающая термокомпенсацию ТЧХ генератора в пределах изменения температуры термостата, которая размещена внутри термостата. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к источникам высокостабильных колебаний, и может быть использовано при разработке термостатированных автогенераторов с пьезоэлектрическими резонаторами.

Кварцевые генераторы находят широкое применение в самых различных областях техники, в том числе в устройствах генерирования и формирования радиосигналов, в телекоммуникационных и навигационных системах, в космической технике, в системах сбора и обработки информации, в устройствах мобильной связи, микропроцессорах и др. В частности, использование кварцевых генераторов в навигационном оборудовании и космической аппаратуре предъявляет к ним высокие требования по стабильности частоты в широком диапазоне термператур, к массогабаритным характеристикам и энергопотреблению.

Чтобы обеспечить термостабильность частоты в широком диапазоне температур в автогенераторах используют термокомпенсацию или термостабилизацию. Рассмотрим их соответственно.

Полученные в настоящее время достижения в области проектирования термокомпесированных кварцевых генераторов с резонаторами AT-среза позволяют реализовать температурную стабильность частоты Δf/f=±(1...5)·10^-6. Однако на практике производство таких высокостабильных генераторов связано со значительными трудностями вследствие немонотонности температурно-частотных характеристик (ТЧХ) кварцевых резонаторов. Обычно это выражается в скачке частоты ТЧХ при определенных температурах. Вероятность возникновения скачка частоты зависит от многих факторов: частоты резонатора (толщины пьезоэлектрической пластины), его конструктивных особенностей, технологии изготовления, качества применяемого кварца и др. Количество резонаторов с немонотонными ТЧХ колеблется в пределах (5-30)% от общего количества изготовляемых резонаторов. Установлено, что причиной возникновения немонотонности ТЧХ является наличие у кварцевых резонаторов паразитных колебаний, частоты которых находятся вблизи основной рабочей частоты. Температура различным образом влияет на основную частоту и паразитные колебания пьезоэлектрической пластины. Поэтому частоты основного рабочего и паразитных колебаний при некоторых значениях температур могут совпадать. В результате при этих температурах может происходить захват частоты паразитного колебания и перескок частоты с основного резонанса на частоту паразитного колебания с изменением параметров резонатора.

Несмотря на то, что проблема немонотонности ТЧХ кварцевых резонаторов среза AT известна уже более 30 лет, кардинального решения ее до сих пор не предложено.

Значительно более высокой стабильностью частоты в широком диапазоне температур обладают термостатированные кварцевые генераторы. Рассмотрим достижения в этой области более подробно.

В настоящее время в диапазоне высоких и сверхвысоких частот, от единиц до сотен МГц, в источниках высокостабильных колебаний используются в основном кварцевые резонаторы AT и SC-срезов. Однако по форме температурно-частотных характеристик (ТЧХ), динамическим параметрам, добротности и емкостному коэффициенту они имеют существенные различия. Семейство характеристик ТЧХ кварцевых резонаторов AT-среза для конкретных значений срезов представлены в [1], стр.37. ТЧХ имеет два экстемума, один при отрицательных температурах с максимальным значением, другой при положительных температурах - с минимальным значением. Экстремум, где ТЧХ имеет минимальные уходы частоты, конкретно при положительных температурах, как правило, выбирается в качестве температуры статирования термостата. При этом выбирают резонаторы в основном со срезами, у которых минимальное значение ТЧХ находится в диапазоне температур от +65 до +85°С.

Кривые ТЧХ кварцевых резонаторов SC-среза по форме подобны кривым ТЧХ резонаторов AT-среза. Однако экстремум ТЧХ при положительных температурах, где производная по температуре минимальна, находится при температурах выше 130°С, а точка перегиба ТЧХ, где производная по температуре максимальна, смещена в область более высоких температур, порядка 90°С, в то время как у резонаторов AT-среза она находится вблизи температуры 28°С. Температура термостатирования, в основном, выбирается в пределах от +65 до +85°С, поэтому автогенераторы с резонаторами SC-среза имеют значительно меньшую стабильность частоты, чем генераторы с резонаторам AT-среза, поскольку в области данных температур резонаторы AT-среза обладают минимальной крутизной ТЧХ, а SC-среза - близкой к максимальной. При этом необходимо учитывать, чем выше температура термостатирования, тем больше старение резонатора и, следовательно, уходы частоты автогенератора с течением времени. Поэтому температуру термостатирования стараются брать не выше 85°С.

Температурная стабильность частоты в большой степени зависит как от точности поддержания температуры в термостате регулятором температуры, так и от конструкции самого термостата. С учетом влияния различных дестабилизирующих факторов, использования современных технологий и материалов удается обеспечить в диапазоне температур от -50°С до +65°С минимальную нестабильность частоты до ±5·10^-7 при использовании резонаторов AT-среза и как минимум на порядок хуже для резонаторов SC-среза.

Известен термостатированный кварцевый генератор по патенту Франции №2660499, МПК Н03В 5/32, 5/04, содержащий генератор с кварцевым резонатором, размещенным в термостате, и схему термостатирования, состоящую из нагревательного элемента, датчика температуры и терморегулятора. Данный генератор, однако, не может обеспечить высокую стабильность частоты в широком диапазоне температур для резонаторов SC-среза, у которого при температуре термостатирования в пределах от 65°С до 85°С резонаторы имеют близкую к максимальной крутизну ТЧХ. А для получения высокой стабильности частоты генераторов с резонаторами AT-среза в широком диапазоне температур требуется высокая точность поддержания температуры в термостате, что сопряжено с трудностями в реализации конструкции термостата и большим потреблением мощности на обогрев термостата при низких температурах.

Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому генератору являются термостатированные кварцевые генераторы, блоки которых и связи между ними описаны в справочном пособии Г.Б.Альтшуллер, Н.Н.Елфимов, В.Г.Шакулин. Кварцевые генераторы. М.: Радио и связь, 1984, с.100-121. Известный генератор с кварцевым резонатором, размещенным в термостате, содержит схему термостатирования, состоящую из нагревательного элемента, датчика температуры и терморегулятора. Однако данный генератор не может обеспечить высокую стабильность частоты в широком диапазоне температур для резонаторов SC-среза, у которого при температуре термостатирования в пределах от 65°С до 85°С резонаторы имеют близкую к максимальной крутизну ТЧХ. А для получения высокой стабильности частоты генераторов с резонаторами AT-среза в широком диапазоне температур требуется не только высокая точность поддержания температуры в термостате, но и достаточно сложная и громоздкая конструкция термостата. Кроме того, при низких температурах на обогрев термостата требуется большое потребление энергии.

Задачей, которую решает данное изобретение, является обеспечение возможности выбора температуры статирования при любой требуемой температуре независимо от точек экстремумов ТЧХ резонатора при одновременном повышении стабильности частоты кварцевого генератора в широком интервале температур или снижении требований к точности регулирования температуры термостата преимущественно для резонаторов SC-среза.

Технический результат достигается за счет того, что в автогенератор, в колебательную систему или цепь обратной связи которого включен кварцевый резонатор, помещенный в термостат с регулятором температуры, датчиком температуры и нагревателем, размещенными в термостате, введена дополнительная термозависимая цепь, обеспечивающая термокомпенсацию ТЧХ генератора в пределах изменения температуры термостата, которая размещена внутри термостата. Причем технический результат достигается независимо от того, как подключена соответствующая термозависимая цепь, параллельно или последовательно с кварцевым резонатором, а также помещены в термостат только термозависимая цепь с кварцевым резонатором или вместе с автогенератором.

При использовании в автогенераторах резонаторов SC-среза с помощью цепи термокомпенсации удается обеспечить минимальную крутизну ТЧХ и тем самым повысить стабильность частоты генератора при меньшей точности регулирования температуры термостата. При этом имеется возможность выбирать температуру статирования при любой требуемой температуре независимо от точки экстемума ТЧХ резонатора. Для обеспечения минимального старения кварцевого резонатора температуру термоститирования желательно выбирать минимальной, т.е. близкой к 60-65°С. Однако для аппаратуры специального назначения часто температуру термостатирования задают при температуре 80°С и даже 85°С, обеспечивая тем самым более широкий температурный диапазон. При подключении цепи термокомпенсации имеется возможность обеспечить высокую стабильность частоты при любой температуре.

Повышение стабильности частоты при одновременном снижении точности поддержания температуры в термостате также обеспечивается в генераторах с резонаторами AT-среза. Однако термозависимая цепь для компенсации должна быть несколько более сложной, чем в первом случае, близкой к квадратичной параболе, если температура статирования выбрана вблизи экстремума ТЧХ. Необходимо отметить, что при введении в термостат термозависимой цепи возможно также повысить температуру статирования, например, до 85°С.

Для реализации данного технического решения могут быть использованы например известные из [2], стр.86-100, цепи термокомпенсации.

На чертеже представлена функциональная схема термостатированного кварцевого генератора, выполненного согласно п.1 формулы изобретения.

Автогенератор 1 (генератор с самовозбуждением) содержит усилитель 2 с колебательной системой 3 и цепью положительной обратной связи. Кварцевый резонатор 4 с цепью термокомпенсации 5, включенный в колебательную систему или цепь обратной связи, размещен внутри термостата 6. Температурой внутри термостата 6 управляет регулятор температуры (терморегулятор) 7 с датчиком температуры 8 и нагревателем 9, которые также размещены внутри термостата 6.

В результате проведенных работ были созданы термостатированные генераторы с пьезоэлементами SC-среза на диапазон частот от 10 до 100 МГц с параметрами, приведенными в таблице 1.

Основные параметры термостатированных генераторов с пьезоэлементами SC-среза

Таблица 1
Диапазон частот, МГц	10...100
Точность настройки, Δf/f·10-8	±1
Температурная нестабильность частоты в интервале температур, Δf/f·10-8
От -60 до+85°С	±1
От -40 до +70°С	±0,5
От -10 до+60°С	±0,5
Долговременная нестабильность частоты, Δf/f·10-7	±1
Минимальная наработка на отказ, час	50000
Напряжение питания, В	+12
Выходное напряжение не менее, мВ	100
Уровень фазовых шумов на частоте 10 МГц
При отстройке: 1 Гц	-95 дБ/Гц
10 Гц	-125 дБ/Гц
100 Гц	-140 дБ/Гц
1000Гц	-150дБ/Гц
10000 Гц	-155 дБ/Гц

Источники информации

1. Патент Франции №2660499, МПК Н03В 5/32, 5/04, опубликованный 04.10.92.

2. Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шикулин В.Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. М.: Радио и связь, 1984. Стр.100-121.

1. Термостатированный высокостабильный генератор, содержащий автогенератор, в колебательную систему или цепь обратной связи которого включен кварцевый резонатор, помещенный в термостат с регулятором температуры, датчиком температуры и нагревателем, отличающийся тем, что в автогенератор введена дополнительная термозависимая цепь, обеспечивающая термокомпенсацию температурно-частотной характеристики (ТЧХ) генератора в пределах изменения температуры термостата, которая размещена внутри термостата.

2. Термостатированный высокостабильный генератор по п.1, отличающийся тем, что в термостат помещен также автогенератор.