СПОСОБ ИНТЕГРАЦИИ КВАРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА В УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ И УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ, ПОЗВОЛЯЮЩЕЕ СНИЗИТЬ ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ГЕНЕРАТОРУ ТРЕБОВАНИЯ
METHOD OF INTEGRATING QUARTZ CRYSTAL OSCILLATOR INTO SYNCHRONISATION DEVICE AND SYNCHRONISATION DEVICE ENABLING REDUCTION OF REQUIREMENTS FOR SAID OSCILLATOR

Предлагаемое изобретение предназначено для целей изготовления высокостабильных источников опорных колебаний на базе кварцевых генераторов для использования в системах связи, в измерительной аппаратуре и в качестве самостоятельного источника электрических колебаний с эталонной частотой.
Известен способ интеграции кварцевого генератора в устройство синхронизации (патент US 5717402 A1), который заключается в следующем:
Подают выходные колебания кварцевого генератора, работающего в режиме свободной генерации, на входы двух синтезаторов частоты с разными коэффициентами преобразования. Получают с помощью фазового детектора сигнал разности фаз между сигналом с выхода первого синтезатора частоты и синхронизирующим сигналом, в качестве которого используются метки времени приемника сигналов системы спутниковой навигации GPS. Оценивают величину измеренной фазовой разности с помощью микропроцессорного устройства с встроенным аналого-цифровым преобразователем. Подстраивают с помощью микропроцессорного устройства коэффициент преобразования первого синтезатора частоты таким образом, чтобы измеренная с помощью фазового детектора разность фаз была минимальной. Подстраивают коэффициент преобразования второго синтезатора частоты с помощью микропроцессорного устройства таким образом, чтобы выходной сигнал второго синтезатора частоты имел требуемую, заранее заданную частоту, исходя из знания текущего коэффициента преобразования первого синтезатора частоты.
Известно устройство для синхронизации сигнала кварцевого генератора (патент US 6472943 B1). Устройство состоит из термостабилизированного кварцевого генератора, приемника сигналов системы GPS, микропроцессорного устройства, умножителя частоты, устройства сравнения частот сигналов, фильтра и синтезатора частоты. Выход кварцевого генератора подключен к входу умножителя частоты с фиксированным коэффициентом умножения. Выход умножителя частоты подключен к входу фазового детектора. Второй вход фазового приемника подключен к выходу временных меток приемника сигналов GPS. На основе измеренной разности частот микропроцессорное устройство устанавливает коэффициент преобразования выходного синтезатора частоты таким образом, чтобы значение частоты колебаний на выходе устройства было максимально близким к требуемому.
Наиболее близким к предлагаемому способу по совокупности существенных признаков является способ интеграции кварцевого генератора, описанный в патенте US 4525685 A1. Указанный способ заключается в том, что сигнал кварцевого генератора с помощью делителя частоты сдвигают в область частот, в которой находится спектр внешнего синхронизирующего сигнала. Сравнивают фазу полученного сигнала с фазой внешнего синхронизирующего сигнала. Из спектра полученной фазовой разности удаляют высокочастотные составляющие и полученный таким образом сигнал используют для подстройки частоты кварцевого генератора. Аналогичным образом получают второй фильтрованный сигнал фазовой разности между колебаниями кварцевого генератора и сдвинутыми по фазе на 90 градусов входными синхронизирующими сигналами. Полученную разность используют для контроля наличия входного синхронизирующего сигнала для выработки кода времени и для регулировки усилением входного сигнала.
Известно устройство, которое реализует описанный способ (является частью описанного в патенте US 4525685 A1 устройству). Это устройство наиболее близко по совокупности существенных признаков к предлагаемому. Известное устройство состоит из кварцевого генератора, двух фазовых детекторов, двух фильтров низких частот, фазовращателя на 90 градусов, усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, делителя, умножителя, двух компараторов, интегратора и входного усилителя. Выход кварцевого генератора подключен к входу делителя, и одновременно является выходом опорных колебаний устройства с частотой 10 МГц. Выход делителя с коэффициентом деления 500 подключен к входу умножителя с коэффициентом умножения 3. С выхода умножителя колебания с частотой 60 кГц поступают на первые входы 2-х фазовых детекторов. Ко второму входу первого фазового детектора подключен выход усилителя входного сигнала с частотой 60 кГц. Выход первого фазового детектора подключен к входу первого фильтра низких частот. Выход первого фильтра низких частот подключен к входу управления частотой кварцевого генератора. Второй вход второго фазового детектора подключен к выходу фазовращателя. Вход второго фазовращателя подключен к выходу усилителя входного сигнала. На вход усилителя входного сигнала подают внешний синхронизирующий сигнал с соответствующих радиостанций, работающих в области длинных волн (60 кГц). Выход второго фазового детектора подключен к входу интегратора и к первому входу первого компаратора. Выход интегратора подключен к первому входу второго компаратора. На второй вход первого компаратора и на второй вход второго компаратора подается опорное напряжение с внешнего источника. На выходе первого компаратора получают метки времени. На выходе второго компаратора получают сигнал, указывающий на наличие входного синхронизирующего сигнала 60 кГц. Выход интегратора также подключен к входу управления усилением усилителя.
Основным недостатком описанных способа и устройства является отсутствие возможности обеспечить высокую точность частоты колебаний на выходе устройства в условиях продолжительного отсутствия входных синхронизирующих сигналов.
Технической задачей, решаемой предлагаемым способом интеграции кварцевого генератора в устройство синхронизации и устройством синхронизации сигнала кварцевого генератора, является обеспечение наличия электрических колебаний на выходе устройства, обладающих высокой стабильностью частоты и низким уровнем шумов при длительном отсутствии опорных сигналов синхронизации на входе устройства.
Поставленная задача решается предлагаемым способом интеграции кварцевого генератора в устройство синхронизации за счет того, что также как в известном способе, колебания кварцевого генератора с помощью делителя сдвигают в область частот спектра входных синхронизирующих сигналов, и их фазу сравнивают с фазой входных синхронизирующих колебаний. Подают управляющий сигнал на вход коррекции частоты колебаний кварцевого генератора.
Но в отличие от известного способа, в предлагаемом способе разность фаз между входными синхронизирующими сигналами и кварцевого генератора усредняют за нормированный период времени. Полученное последнее среднее значение фазовой разности суммируют с сигналами предсказания отклонения частоты колебаний кварцевого генератора в результате старения, изменения температуры окружающей среды и температурного гистерезиса. При наличии на входе устройства синхронизирующих сигналов, сигналом предсказания ухода частоты кварцевого генератора за счет старения пренебрегают.
Поставленная задача решается в предлагаемом устройстве за счет того, что оно, также как и известное устройство, содержит кварцевый генератор, делитель, фазовый детектор, микропроцессор, источник синхронизирующих импульсов. Выход кварцевого генератора подключен к входу делителя. Выход делителя подключен к входу фазового детектора. Второй вход фазового детектора подключен к входу микропроцессора, предназначенном для оценки разности фаз между колебаниями кварцевого генератора и опорными сигналами на входе устройства.
Но в отличие от известного устройства, в предлагаемом устройстве в качестве источника синхронизирующих импульсов использован приемник сигналов систем спутниковой навигации, в качестве источника опорного колебания используется термостатированный кварцевый генератор, введены термодатчик, буферные усилители, и микропроцессор, в состав которого входят модули аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователи, модуль компенсации температурного ухода частоты колебаний кварцевого генератора и температурного гистерезиса кварцевого генератора, модуль компенсации ухода частоты колебаний кварцевого генератора в результате старения, сумматор, накопитель с памятью, причем выход кварцевого генератора подключен к входам двух буферных усилителей, выход одного буферного усилителя является выходом устройства, а выход другого буферного усилителя подключен к тактовому входу микропроцессора, выход приемника сигналов систем спутниковой навигации подключен к второму входу фазового детектора, выход фазового детектора подключен к входу накопителя с памятью, выходы накопителя с памятью, модуля компенсации старения и модуля компенсации температурного ухода и температурного гистерезиса подключены к входам сумматора, выход сумматора подключен к входу подстройки кварцевого генератора, выход захвата приемника сигналов систем спутниковой навигации подключен к входу оценки микропроцессора для оценки уровня синхронизирующих сигналов.
Техническим результатом, достигаемым предлагаемыми способом и устройством, реализующим предлагаемый способ, является повышение стабильности частоты колебаний кварцевого генератора в условиях длительного по времени отсутствия внешнего синхронизирующего сигнала. В известном устройстве после пропадания синхронизирующих внешних сигналов уход частоты колебаний на выходе устройства начинается немедленно, и в течение короткого промежутка времени накопленная ошибка частоты колебаний достигает недопустимых для нормальной работы внешних устройств и систем значений, в то время как в предлагаемом устройстве при отсутствии внешних синхронизирующих колебаний, кварцевый генератор подстраивается с помощью модулей учета старения, температуры и температурного гистерезиса, что в совокупности с встроенным термостатом генератора позволяет сохранить высокую стабильность частоты выходных колебаний генератора в продолжении длительного интервала времени, сохраняя работоспособность устройства в целом. При поступлении на вход устройства синхронизирующих сигналов кварцевый генератор оказывается включенным в непрерывно работающую петлю ФАПЧ, благодаря чему его частота поддерживается постоянной с точностью, определяемой точности частоты внешнего синхронизирующего сигнала.
В предлагаемом устройстве в качестве источника синхронизирующих импульсов использован приемник сигналов систем спутниковой навигации, в качестве источника опорного колебания используется термостатированный кварцевый генератор, введены термодатчик, буферные усилители, и микропроцессор, на базе которого построены модули аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, модуль компенсации температурного ухода и температурного гистерезиса, модуль компенсации старения, сумматор, накопитель с памятью. Выход кварцевого генератора подключен к входам двух буферных усилителей. Выход одного буферного усилителя является выходом устройства, а выход другого буферного усилителя подключен к тактовому входу микропроцессора. Выход приемника сигналов систем спутниковой навигации подключен ко второму входу фазового детектора. Выход фазового детектора подключен к входу микропроцессора для оценки разности фаз. Микропроцессор производит накопление результатов измерения разности фаз и усредняет их за определенный отрезок времени, полученное среднее значение суммирует с результатами предсказания отклонения частоты кварцевого генератора в результате старения, изменения температуры окружающей среды и температурного гистерезиса генератора. Полученное значение микропроцессор выводит в виде напряжения на соответствующем выходе, который подключен к входу коррекции частоты кварцевого генератора. Выход состояния захвата приемника сигналов систем спутниковой навигации подключен к входу оценки микропроцессора для управления формированием сигнала предсказания ухода частоты колебаний кварцевого генератора в результате старения. Термодатчик подключен к соответствующему входу микропроцессора, который измеряет сопротивление термодатчика с целью определения температуры окружающей среды кварцевого генератора и динамики ее изменения для предсказания ухода частоты колебаний кварцевого генератора в результате изменения температуры окружающей среды и наличия температурного гистерезиса кварцевого генератора. Независимо от того, что используется термостатированный кварцевый генератор, имеет место остаточный уход частоты, связанный с влиянием изменений температуры окружающей среды. Компенсация производится путем интерполяции по математическим зависимостям, заложенным в память микроконтроллера, выполняющего функции модулей компенсации температурного ухода частоты, температурного гистерезиса и старения. На этапе производства устройства определяются и записываются в память микроконтроллера соответствующие коэффициенты подстройки. В случае восстановления приема сигналов спутниковых систем навигации, на выход захвата приемника сигналов систем спутниковой навигации появляется уровень, который указывает микропроцессору на возможность измерения фазовой разности между опорными синхронизирующими сигналами и колебаниями кварцевого генератора. При этом замыкается петля фазовой автоподстройки частоты кварцевого генератора. Сигнал предсказания ухода частоты генератора в результате старения в течение периода времени, равного постоянной времени регулировки петли фазовой автоподстройки частоты колебаний кварцевого генератора, достигает нулевого значения.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором приведена функциональная схема устройства.
Устройство содержит приемник сигналов систем спутниковой навигации 1, имеющий выход синхронизирующих сигналов, соединенный с первым входом фазового детектора 2 и выход состояния приемника «Захват». В качестве приемника сигналов систем спутниковой навигации может быть применен серийный мезонинный модуль, например фирмы uBlox для приема сигналов системы GPS, или российской фирмы КБ «НАВИС» для работы одновременно с системами GPS и ГЛОНАСС. Второй вход фазового детектора подключен к выходу делителя частоты 3. Выход фазового детектора подключен к входу накопителя с памятью 4, являющимся частью микропроцессора 5. В качестве микропроцессора используется серийно выпускаемый микроконтроллер с архитектурой RISK и развитой периферией, например из семейства AVR, производимого фирмой Atmel. Выход накопителя с памятью подключен к первому входу сумматора 6, тоже являющимся частью микропроцессора. Выход сумматора подключен к входу подстройки кварцевого генератора 7. Выход захвата приемника сигналов систем спутниковой навигации подключен к управляющему входу накопителя с памятью и к модулю компенсации ухода частоты кварцевого генератора за счет старения 8, выполненного на базе этого же микропроцессора. На второй вход сумматора поступает сигнал с модуля компенсации ухода частоты колебаний кварцевого генератора за счет температурной нестабильности и температурного гистерезиса 9, являющимся частью микропроцессора. Вход модуля компенсации ухода частоты за счет температуры и температурного гистерезиса подключен к температурному датчику 10. К выходу кварцевого генератора подключены буферные усилители 11 и 12. Выход одного из них - 11 используется для подачи колебаний опорной частоты на внешние устройства, выход другого - 12 - для подачи колебаний опорной частоты на тактовый вход микропроцессора. Выходы модулей компенсации ухода частоты за счет температуры и температурного гистерезиса, и модуля компенсации ухода частоты генератора за счет старения подключены к соответствующим входам сумматора. Выход накопителя с памятью дополнительно подключен к входу модуля компенсации ухода частоты колебаний кварцевого генератора в результате старения.
Подают колебания опорной частоты с термостатированного кварцевого генератора 7 на вход делителя частоты 3. Сравнивают фазу полученных на выходе делителя частоты 3 колебания с фазой сигналов на выходе приемника сигналов систем спутниковой связи 1 с помощью фазового детектора 2. Накапливают и усредняют полученные результаты измерений фазовой разности с помощью накопителя с памятью 4. Измеряют сопротивление датчика температуры 10 с помощью модуля компенсации ухода частоты колебаний кварцевого генератора за счет изменения температуры 9. Вырабатывают сигнал компенсации ухода частоты за счет изменений температуры и температурного гистерезиса. Суммируют усредненное за определенный интервал времени значение фазовой разности с сигналом компенсации ухода частоты кварцевого генератора за счет температуры и температурного гистерезиса и с сигналом с выхода модуля компенсации ухода частоты колебаний кварцевого генератора за счет старения 8 с помощью сумматора 6. Корректируют частоту колебаний на выходе кварцевого генератора 7 с помощью полученного суммарного сигнала. В случае неуверенного приема сигналов систем спутниковой навигации или его отсутствия в качестве фазовой разности используют только последнее вычисленное среднее значение фазовой разности. Для определения наличия или отсутствия приема сигналов с систем спутниковой навигации используют дополнительный выход «Захват» состояния приемника сигналов систем спутниковой навигации 1. В качестве модуля компенсации ухода частоты колебаний кварцевого генератора за счет старения 8, модуля компенсации ухода частоты колебаний кварцевого генератора за счет температуры и температурного гистерезиса 9, накопителя с памятью 4, и сумматора используют единое микропроцессорное устройство 5, тактируемое опорными колебаниями кварцевого генератора 7 через буферный усилитель 12.
Как видно из описаний способа интеграции кварцевого генератора в устройство синхронизации и устройства синхронизации сигнала кварцевого генератора, благодаря принятым мерам по использованию термостатированного кварцевого генератора и применению устройства компенсации ухода частоты, частота колебаний на выходе устройства остается стабильной в течение длительного периода времени как при наличии приема внешних синхронизирующих сигналов, так и во время его отсутствия.