УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПОБОЧНЫХ РЕЗОНАНСОВ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ
APPARATUS FOR MONITORING SECONDARY RESONANCE OF QUARTZ-CRYSTAL RESONATORS

Изобретение относится к области радиоизмерительной техники и может быть использовано при разработке и проверке кварцевых резонаторов и управляемых по частоте (модулированных) кварцевых генераторов.
Известно устройство, содержащее электронно-управляемый генератор, четырехполюсник с измеряемым кварцевым резонатором, амплитудный детектор, пороговое устройство, триггер и индикатор (см. авторское свидетельство №460510, кл. G01R 23/10). Устройство обеспечивает измерение частоты экстремума модуля импеданса динамической ветви кварцевого резонатора. В метрологическом отношении предпочтительно измерять резонансную частоту динамической ветви, то есть частоту, на которой импеданс динамической ветви имеет нулевую фазу (колебательная система ведет себя при этом как чисто активный элемент). Эти характерные частоты существенно отличаются друг от друга (особенно на высоких частотах), что определяет большую погрешность измерения как основного, так и побочных (паразитных) резонансов фазы кварцевых резонаторов.
Известен также измеритель спектральных частотных характеристик кварцевых резонаторов (см. Смагин А.Г. и др. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы, М., ″Энергия″, 1970, с. 321), содержащий внешний генератор, каскад нейтрализации, представляющий собой мост, плечами которого являются внутренние сопротивления триодов лампы, кварцевый резонатор и конденсатор переменной емкости, компенсирующий его статическую емкость; усилитель, ламповый вольтметр, фильтр нижних частот (ФНЧ), гетеродин и преобразователь частоты. В рассматриваемом измерителе применено преобразование частоты для расширения частотного диапазона измерений, но ему также присущи недостатки устройства (см. авт. свид. СССР №460510, кл. G01R 23/10).
Наиболее близким техническим решением к изобретению является измеритель параметров кварцевых резонаторов (см. авт. свид. СССР №728091, кл. G01R 27/00), который выбран в качестве прототипа.
Указанный измеритель параметров кварцевых резонаторов содержит последовательно соединенные электронно-управляемый генератор гармонических сигналов, четырехполюсник с измеряемым кварцевым резонатором, амплитудный детектор, усилитель низкой частоты, фазовый детектор, выход которого соединен через интегратор со входом управления частотой электронно-управляемого генератора гармонических сигналов; модулирующий генератор прямоугольных сигналов, выход которого соединен со входом фазового детектора, а также блок электронного управления реактивным элементом четырехполюсника, вход которого подключен ко второму выходу модулирующего генератора, а выход - ко второму входу четырехполюсника.
В зависимости от соотношения частоты сигнала от электронно-управляемого генератора и резонансной частоты измеряемого кварцевого резонатора изменяется фаза огибающей выходного сигнала, который поступает на фазовый детектор, где вырабатывается сигнал постоянного тока с полярностью, соответствующей величине перестройки частоты генератора в сторону резонансной частоты кварцевого резонатора.
В данном устройстве обеспечивается точное измерение резонансных частот динамических ветвей кварцевого резонатора, то есть устранен один из недостатков упомянутых выше устройств.
<mrow><mi>T</mi><mo>≥</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>F</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>628</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>6</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>с</mi></mrow>
Недостатком известного измерителя параметров кварцевых резонаторов является низкое быстродействие, ограниченное быстродействием цепи управления частотой электронно-управляемого генератора и инерционностью измеряемого кварцевого резонатора. Период следования импульсов модулирующего генератора прямоугольных сигналов должен быть больше постоянной времени измеряемого кварцевого резонатора, поэтому частота модулирующего сигнала не превышает F=100 Гц, то есть время измерения
.
В настоящее время находят применение широкополосные методы частотной модуляции (ЧМ) колебаний кварцевого генератора, как, например, в передатчике частотно-модулированных сигналов изделия ″Мост″. В передатчике ЧМ сигналов используется комбинированный метод получения ЧМ колебаний кварцевого генератора, основанный на суммировании спектров непосредственно управляемого по частоте кварцевого генератора (УКГ) низкочастотными составляющими модулирующего сигнала и фазовой модуляции результирующих колебаний кварцевого генератора высокочастотными составляющими спектра сообщения. В этом передатчике обеспечивается потенциальная возможность передачи кодовой импульсной информации с такими тактовыми частотами, что для эффективной борьбы с паразитными резонансами в процессе работы необходимо обеспечивать измерение параметров кварцевых резонаторов за время не более единиц мкс, что более чем на два-три порядка выше быстродействия рассматриваемого прототипа. При этом особо опасными являются паразитные резонансы кварцевых резонаторов вдали от несущей - в полосе сотни кГц - единицы МГц от несущей для высокочастотных (ВЧ) кварцевых резонаторов.
Паразитные (побочные) резонансы кварцевого резонатора приводят к значительной паразитной девиации частоты, существенно искажающей полезный закон изменения частоты при частотной модуляции колебаний кварцевого генератора в случае, если в спектре модулированного ЧМ кварцевого генератора имеются частоты, совпадающие с побочными резонансами кварцевого резонатора. Рассматриваемым измерителем параметров кварцевых резонаторов принципиально невозможно измерить побочные резонансы управляемых кварцевых генераторов (УКГ), содержащих кварцевые резонаторы, параметры которых подвержены модуляции во время измерений. Также отсутствует возможность измерения требуемого подавления уровня модулирующих частот, совпадающих с побочными резонансными частотами кварцевого резонатора, которое обеспечивает допустимую паразитную частотную модуляцию.
Целью изобретения является повышение быстродействия измерения побочных резонансов кварцевых резонаторов и эффективности подавления побочных резонансов кварцевого резонатора в схемах, модулированных по частоте кварцевых генераторов для обеспечения допустимых искажений формы сигнала.
Цель достигается тем, что в измеритель параметров кварцевых резонаторов, содержащий модулирующий генератор прямоугольных сигналов, последовательно соединенные блок электронного управления реактивным элементом четырехполюсника и четырехполюсник с кварцевым резонатором, а также интегратор и электронно-управляемый генератор, дополнительно введены умножитель частоты, частотный детектор, индикатор, фазовый модулятор, фильтр верхних частот (ФВЧ), фильтр нижних частот (ФНЧ) и аттенюатор, причем выход модулирующего генератора прямоугольных сигналов через последовательно соединенные аттенюатор и ФНЧ соединен с входом блока электронного управления реактивным элементом четырехполюсника, а также через ФВЧ с входом интегратора, выход которого через последовательно соединенные фазовый модулятор, умножитель частоты, частотный детектор соединен с индикатором, выход электронно-управляемого генератора соединен со вторым входом фазового модулятора, а вход - с выходом четырехполюсника с кварцевым резонатором.
Использование в устройстве контроля побочных резонансов кварцевых резонаторов ФНЧ, ФВЧ, фазового модулятора, умножителя частоты, частотного детектора, индикатора и аттенюатора выгодно отличает его от указанного прототипа, так как обеспечивает повышение быстродействия определения побочных резонансов кварцевых резонаторов частотно-модулированных кварцевых генераторов (с времени Т=1,6 мс у прототипа до единиц мкс), что позволяет проводить определение побочных резонансов с тактовыми частотами ЭВМ, например, ЭВМ ″Карат″ станции ″Мост″ ГК1.640.016. Стало возможным также определение уровня требуемого подавления составляющих спектра модулирующих частот, совпадающих с частотами побочных резонансов кварцевого резонатора модулированных по частоте кварцевых генераторов, для обеспечения допустимых искажений формы передаваемых сигналов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены:
на фиг. 1 - блок-схема предлагаемого устройства контроля побочных резонансов кварцевых резонаторов частотно-модулированных кварцевых генераторов;
на фиг. 2 - временные диаграммы сигнала на выходе частотного детектора:
п
а) при несовпадении частот следования передаваемых импульсов F с частотами побочных резонансов f кварцевого резонатора;
п
б) при совпадении частоты следования передаваемых импульсов F с областью резонансной характеристики побочного резонанса кварцевого резонатора (для случая F<f);
п
в) для случая F>f;
п
г) для случая F=f;
д) при введенном аттенюаторе и равенстве частоты следования импульсов и частоты побочного резонанса кварцевого резонатора.
Устройство контроля побочных резонансов кварцевых резонаторов частотно-модулированных кварцевых генераторов (фиг. 1) содержит электронно-управляемый генератор 1, четырехполюсник с кварцевым резонатором 2, блок электронного управления реактивным элементом четырехполюсника 3, умножитель частоты 4, частотный детектор 5, индикатор 6, фазовый модулятор 7, интегратор 8, фильтр верхних частот 9, фильтр нижних частот 10, аттенюатор 11 и модулирующий генератор прямоугольных сигналов 12, причем выход модулирующего генератора прямоугольных сигналов 12 соединен через последовательно соединенные аттенюатор 11, ФНЧ 10, блок электронного управления реактивным элементом четырехполюсника 3, четырехполюсник с кварцевым резонатором 2, электронно-управляемый генератор 1 с первым входом фазового модулятора 7, выход которого соединен через последовательно соединенные умножитель частоты 4 и частотный детектор 5 со входом индикатора 6, а также через ФНЧ 9 и интегратор 8 соединен со вторым входом фазового модулятора 7.
Высокочастотный сигнал с выхода электронно-управляемого генератора 1, стабилизированный по частоте кварцевым резонатором, помещенным в четырехполюсник 2, поступает на каскадно соединенные фазовый модулятор 7, умножитель частоты 4, частотный детектор 5 и индикатор 6. Сигнал с выхода модулирующего генератора прямоугольных сигналов 12 через ФВЧ 9 и интегратор 8 поступает на второй вход фазового модулятора 7. Этот же сигнал с выхода модулирующего генератора прямоугольных сигналов 12 через аттенюатор 11, ФНЧ 10, блок электронного управления реактивным элементом четырехполюсника 3, четырехполюсник с кварцевым резонатором 2 поступает на вход электронно-управляемого генератора 1.
Конкретное выполнение и работа электронно-управляемого генератора, фазового модулятора, умножителя частоты, частотного детектора, ФНЧ, ФВЧ и интегратора описаны в научно-технической литературе, например, в книге Верещагин Е.М. и др. ″Транзисторно-варакторные генераторы″, Киев, ″Технiка″, 1979. Четырехполюсник с кварцевым резонатором представляет собой, например, мост, в одном плече которого установлен исследуемый кварцевый резонатор, а в другом - управляемая емкость, например, варикап (блок электронного управления реактивным элементом четырехполюсника), с помощью которого можно изменять частоту электронно-управляемого генератора путем изменения емкости варикапа под воздействием управляющего сигнала с выхода ФНЧ. Возможно применение и другой схемы управления частотой электронно-управляемого генератора.
В качестве модулирующего генератора прямоугольных сигналов и аттенюатора может быть использован стандартный прибор-генератор типа Г5-53 (генератор импульсов калиброванной амплитуды) содержащий в себе измеритель частоты следования импульсов и выходной аттенюатор. Может использоваться также сигнал импульсов информации, формируемый специальной ЦВМ. В качество индикатора может быть использован, в простейшем случае, осциллограф С1-65, а при большом количестве исследуемых кварцевых генераторов и для автоматизации анализа и измерений - ЭЦВМ.
В схему частотного детектора (ЧД) может входить ограничитель паразитной амплитудной модуляции (AM), а также преобразователь частоты, содержащий гетеродин и смеситель, если используемый ЧД рассчитан на работу в диапазоне частот, отличном от выходной частоты умножителя, а также решающее устройство, фиксирующее отклонение девиации частоты от номинального значения при совпадении частоты следования модулирующих импульсов с побочными (паразитными) резонансами кварцевого резонатора.
Устройство работает следующим образом.
При установке кварцевого резонатора в схему четырехполюсника 2 возбуждается электронно-управляемый генератор 1. Непрерывный сигнал электронно-управляемого генератора 1 поступает на вход ЧД 5, пройдя через ФМ 7 и умножитель частоты 4, при этом на выходе ЧД появляется сигнал, соответствующий постоянной составляющей (частотная модуляция электронно-управляемого генератора до подачи модулирующего сигнала отсутствует). С модулирующего генератора прямоугольных сигналов 12 на вход блока электронного управления реактивным элементом четырехполюсника 3 поступает сигнал, прошедший аттенюатор 11 и ФНЧ 10, который изменяет реактивное сопротивление четырехполюсника с кварцевым резонатором 2, вызывая изменение частоты электронно-управляемого генератора 1 на определенную величину, равную требуемой девиации частоты. При этом закон изменения частоты соответствует закону изменения напряжения на выходе ФНЧ 10 (проинтегрированный импульс). После прохождения частотно-модулированного (ЧМ) сигнала через фазовый модулятор 7 и умножитель частоты 4 огибающая ЧМ сигнала наблюдается индикатором 6 на выходе частотного детектора 5.
Одновременно с выхода модулирующего генератора прямоугольных сигналов 12 на второй вход фазового модулятора 7 поступает сигнал, прошедший ФВЧ 9 и интегратор 8. При этом происходит дополнительная частотная модуляция колебаний электронно-управляемого генератора 1, причем выбором постоянных времени ФВЧ 9 и интегратора 8 добиваются такого положения, чтобы закон изменения частоты на выходе фазового модулятора 7 соответствовал закону изменения напряжения модулирующего сигнала с выхода модулирующего генератора прямоугольных сигналов 12.
Суммарный частотно-модулированный сигнал, полученный в результате комбинированной модуляции колебаний электронно-управляемого генератора 1 низкочастотными составляющими спектра модулирующего сигнала и фазовой модуляции высокочастотными составляющими спектра, после умножителя частоты 4 поступает на вход частотного детектора 5 и огибающая ЧМ сигнала, соответствующая закону модуляции, наблюдается на индикаторе 6 (см. фиг. 2, а). Ослабление аттенюатора при этом минимально возможное.
При плавном изменении частоты следования импульсов модулирующего генератора от минимальной величины (от постоянной составляющей до максимальной частоты, определяемой исследуемым диапазоном побочных резонансов кварцевого резонатора), при некоторой частоте следования импульсов, равной ближайшему к основному побочному резонансу кварцевого резонатора, наблюдается значительное изменение девиации частоты и искажение формы закона изменения частоты на выходе частотного детектора (см. фиг. 2, б). Причем при изменении частоты следования импульсов в пределах полосы пропускания контура исследуемого паразитного резонанса форма огибающей на выходе частотного детектора 5 меняет знак ″перекоса″ плоской части импульса (см. фиг. 2, б, в). Моменту изменения знака ″перекоса″ импульса соответствует точное значение частоты следования импульсов, соответствующее точному значению резонансной частоты динамической ветви исследуемого кварцевого резонатора (см. фиг. 2, г).
min
max
При плавном изменении частоты следования импульсов модулирующего генератора от F (единицы КГц) до F (единицы МГц) можно определить все резонансные частоты побочных резонансов кварцевого резонатора, то есть частоты, отстоящие от резонансной частоты электронно-управляемого генератора 1 на частоты следования импульсов модулирующего генератора 12.
Необходимость введения в устройство контроля побочных резонансов кварцевых резонаторов ЧМ кварцевых генераторов цепи ФВЧ9-интегратор 8-фазовый модулятор 7 с предложенными связями обусловлено тем, что только в этом случае удается измерить с большой скоростью паразитные резонансы, так как управление частотой кварцевого генератора только посредством блока электронного управления реактивным элементом четырехполюсника 3 не позволяет исследовать паразитные резонансы с большой скоростью из-за инерционности электронно-управляемого генератора 1. Таким образом, введение вышеуказанных элементов позволяет значительно расширить полосу передаваемых модулирующих частот электронно-управляемого генератора 1 и повысить быстродействие всего устройства контроля побочных резонансов.
Обнаружив побочный резонанс кварцевого резонатора и установив частоту следования импульсов модулирующего генератора прямоугольных сигналов 12, соответствующей резонансной частоте побочного резонанса, вводится затухание аттенюатора 11 до величины, пока искажение формы закона изменения частоты и изменение девиации на выходе частотного детектора 5 будут отсутствовать (см. фиг. 2д). Такие значения требуемого затухания можно измерить для каждого из побочных (паразитных) колебаний кварцевого резонатора, что позволяет определить соотношение спектральных составляющих модулирующего сигнала, определить требования к цепям фильтрации составляющих спектра модулирующего сигнала для обеспечения допустимых (минимальных) искажений формы сигналов частотно-модулированных кварцевых генераторов.
Чувствительность устройства контроля высокая, позволяет обнаруживать и измерять частоты паразитных резонансов при соотношениях мощностей основного и паразитного резонансов более 100-105 дБ. Чувствительность устройства контроля ограничивается шумами электронно-управляемого генератора 1 с учетом умножителя частоты 4 и чувствительностью частотного детектора 5. Так, например, для частот следования модулирующих импульсов F>10 кГц спектральная плотность мощности флуктуаций фазы электронно-управляемого генератора 1 ниже уровня несущей на ≈160 дБ/Гц (см. Верещагин Е.М. и др. ″Транзисторно-варакторные генераторы″. К., ″Технiка″, 1979, стр. 32). При анализе в полосе частотного детектора 5 ≈1 мГц чувствительность устройства контроля побочных резонансов ≈-100 дБ относительно уровня основного резонанса.
Устройство контроля побочных резонансов кварцевых резонаторов частотно-модулированных кварцевых генераторов отмакетировано, входит в состав рабочего места для настройки и испытаний ряда узлов и блоков передатчика ЧМ сигналов станции ″Мост″.
При работе с быстродействующей СЦВМ станции ″Мост″ обеспечено время определения побочного резонанса, наиболее опасного с точки зрения искажений формы передаваемых сигналов, соответствующего частоте следования тактовых импульсов СЦВМ, равные 3,3 мкс.
<mrow><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>6</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>с</mi></mrow><mrow><mn>3</mn><mo>,</mo><mn>3</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn>500</mn><mtext> </mtext><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>з</mi></mrow>
Быстродействие устройства по сравнению с прототипом повышено в
.
Быстродействие устройства контроля определяется максимальной частотой модуляции, то есть параметрами ФВЧ 9, интегратора 8, полосой пропускания фазового модулятора 7, умножителя частоты 4 и частотного детектора 5, которая может достигать величины единицы-десятки МГц, то есть быстродействие устройства равно десяткам нсек и в принципе может неограниченно увеличиваться с ростом полос пропускания цепей составных узлов устройства контроля побочных резонансов.