КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
QUARTZ SHOCK-EXCITED OSCILLATOR

Изобретение относится к области радиотехники, и в частности, к генерированию фазостабильных прецизионных колебаний с кварцевой стабилизацией частоты.
Известно, что микропроцессорные комплексы, хронируемые от прецизионных автоколебательных систем, требуют практически мгновенной готовности опорного генератора к работе. При этом вхождение в режим автоколебаний должно происходить без разрыва фазы. Аналогичные требования выдвигают для систем связи, организованных в виде цепочки радиорелейных станций, синхронизированных от одного прецизионного базового автогенератора, с последующей синхронизацией всего ствола станций, причем без разрыва фазы на каждой станции при пропадании сигнала синхронизации. В обоих вариантах используется принцип ударного возбуждения кварцевого резонатора, что позволяет в момент включения генератора обеспечить значительное количество энергии, достаточное для запуска автогенератора. Здесь в схему кварцевого генератора дополнительно встраивают блок ударного возбуждения кварцевого резонатора, обеспечивающий в момент включения генератора «подкачку» энергии резонатору на субгармонике импульса или радиоимпульса, с последующим переводом генератора в режим автоколебаний и отключением блока ударного возбуждения [1] или сохранением его в виде синхронизированного мультивибратора [2]. В указанных вариантах исполнения генераторов начальная фаза колебаний кварцевого резонатора определяется длительностью фронта ударного возбуждающего импульса или радиоимпульса и время вхождения в синхронизм определяется лишь величиной запасенной энергии в кварцевом резонаторе.
В случае ударного возбуждения кварцевого резонатора от мультивибратора кварцевый генератор входит в самосинхронизм после воздействия ударных импульсов мультивибратора и, в зависимости от настройки колебательного контура линейного усилителя, кварцевый резонатор по цепи обратной связи компенсирует возникающую разницу начальных фазовых сдвигов, что позволяет после одного или нескольких импульсов мультивибратора обеспечить синхронный режим работы генератора, близкий к изохронному [2, 3]. Однако такой генератор не свободен от недостатков. Первое - принципиальное наличие паразитной амплитудной модуляции (ПАМ), «засоряющей» спектр выходных колебаний, которая уменьшается с ростом добротности кварцевого резонатора. Второе - ударное возбуждение кварцевого резонатора импульсом мультивибратора (особенно на больших номерах субгармоник) не обеспечивает у него в первоначальный момент надежной синхронизации мультивибратора по цепи обратной связи, что требует двух, а то и трех, ударных импульсов, особенно при работе генератора в микрорежиме. Все это не обеспечивает в первоначальный момент включения генератора его мгновенную готовность.
Наиболее близким к заявляемому можно назвать кварцевый генератор ударного возбуждения [1], построенный по схеме Батлера с блоком ударного возбуждения кварцевого резонатора сформированным одиночным видеоимпульсом в момент включения питания, с последующим отключением блока ударного возбуждения и переводом генератора в синхронный режим работы на частоте кварцевого резонатора.
Здесь кварцевый генератор, выполненный по схеме Батлера, с ударным возбуждением кварцевого резонатора на основной частоте свободен от ПАМ. Однако он не свободен от недостатков. Первое - принципиально невозможно точно настроить колебательный контур усилителя на частоту кварцевого резонатора, что приводит к биениям после возникновения в контуре ударных свободных колебаний с возникшими свободными колебаниями в кварцевом резонаторе, что уменьшает величину энергии, передаваемой колебательным контуром кварцевому резонатору. Тем более что фазовая и реактивная нестабильности в схеме, с целью их взаимной компенсации и получения минимальной режимной нестабильности частоты, требуют изначальной расстройки колебательного контура относительно частоты последовательного резонанса кварцевого резонатора на величину порядка 0,03% [2]. Отсюда такая работа вызвана отсутствием синхронизации колебаний указанных звеньев на протяжении всего периода ударного видеоимпульса. Эта расстройка приводит также к несинфазности колебательных звеньев и к неполной передаче энергии от ударно возникающего радиоимпульса колебательного контура к кварцевому резонатору, из-за образования цуга колебаний с декрементом затухания, зависящим от точности настройки колебательного контура. Второе - при создании прецизионных кварцевых генераторов в микрорежиме с мгновенной готовностью к работе (например, в инверсном режиме работы биполярных транзисторов) возникает жесткое требование к точности настройки или расстройки колебательного контура относительно частоты высокодобротного кварцевого резонатора с целью передачи максимальной энергии от контура к кварцу, что становится практически невыполнимым. Отсюда возникает противоречие между максимально достижимой режимной стабильностью частоты автогенератора и минимально достижимым временем готовности его к работе.
Целью настоящего изобретения является уменьшение времени установления колебаний генератора в первоначальный момент его включения и повышение стабильности частоты путем синхронной передачи колебаний от колебательного контура кварцевому резонатору на протяжении всей длительности первого ударного видеоимпульса.
Поставленная цель достигается тем, что сокращение времени готовности генератора к работе и повышение стабильности его частоты получают путем реализации синфазности колебаний колебательного контура усилителя с колебаниями кварцевого резонатора в начальный момент действия ударного импульса. С этой целью в него введены схема импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) и управляющий элемент колебательного контура. Первый вход ИФАПЧ, на который поступает ударный видеоимпульс, подсоединен к эмиттеру первого транзистора, а второй вход ИФАПЧ, на который поступают колебания цуга колебаний контура, подсоединен к колебательному контуру, и третий вход ИФАПЧ, на который поступают колебания цуга колебаний кварца, подсоединен ко второму выводу кварцевого резонатора, а выход ИФАПЧ подключен к управляющему элементу, подсоединенному параллельно колебательному контуру. При этом исключается получение асинхронных биений колебаний частоты заполнения радиоимпульса и частоты ударно возбуждаемых колебаний кварцевого резонатора на периоде длительности ударного видеоимпульса.
Введение ИФАПЧ с управляющим элементом в схему генератора снимает ограничения на выбор номера субгармоники длительности видеоимпульса. В зависимости от добротности колебательного контура, длительность видеоимпульса может быть сформирована кратной любой нечетной субгармонике кварцевого резонатора, она только ограничивается временем готовности к работе кварцевого генератора, при условии передачи максимальной энергии радиоимпульса кварцевому резонатору. Это становится существенным при работе кварцевого генератора в режиме микротоков с добротностью кварцевого резонатора около одного миллиона.
На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого технического решения кварцевого генератора с ударным возбуждением.
Кварцевый генератор с ударным возбуждением содержит усилитель 15, состоящий из первого транзистора 1, второго транзистора 2, параллельного LC-контура 3, первого резистора 4, второго резистора 5, первого делителя 6 напряжения, второго делителя 7 напряжения, блокировочного конденсатора 8, разделительного конденсатора 9, а также кварцевый резонатор 10, ключ 11, формирователь 12 видеоимпульса, дифференцирующую цепь 13, дополнительный резистор 14, управляющий элемент 17, схему импульсно-фазовой автоподстройки частоты 16, в состав которой входят RS-триггер, выход которого подключен к резистору 18, электронный ключ управления RS-триггером, вход которого подключен к 20, усилители - формирователи импульсов, входы которых подключены соответственно к 19 и 21.
Кварцевый генератор работает следующим образом.
При включении напряжения питания дифференцирующая цепь 13 формирует видеоимпульс длительностью n/2, где n - номер нечетной субгармоники колебаний кварцевого резонатора 10.
Видеоимпульс с дифференцирующей цепи 13 поступает на вход формирователя 12, который формирует на выходе видеоимпульс прямоугольной формы положительной полярности. С выхода формирователя 12 видеоимпульс положительной полярности и прямоугольной формы поступает на эмиттер первого транзистора 1, на выход электронного ключа 11 и первый вход ИФАПЧ 16. Тем самым транзистор 1 и ключ 11 запираются, а схема ИФАПЧ 16 устанавливается в рабочее состояние путем открытия ключа по входу 20. При запирании транзистора 1 в его параллельном LC-контуре в нагрузке 3 возникают свободные ударные колебания с частотой, близкой к частоте кварцевого резонатора. Колебательный процесс в контуре (цуг колебаний) длится пропорционально длительности видеоимпульса, получаемого на выходе формирователя 12. Одновременно с началом формирования радиоимпульса колебательным контуром 3 и ударным возбуждением свободных колебаний кварцевого резонатора 10 колебания с колебательного контура 3 и с выхода кварцевого резонатора 10 поступают на второй 19 и третий 21 входы ИФАПЧ 16, где сравниваются по фазе, и на выходе 20 ИФАПЧ 16 образуется сигнал подстройки частоты колебательного контура 3, поступающий на управляющий элемент 17, что приводит к нулевой разности фаз свободных колебаний колебательного контура 3 и кварцевого резонатора 10 на протяжении всей длительности радиоимпульса. По окончании действия видеоимпульса ИФАПЧ 16 прекращает работу. Функционально электронный ключ 11 устраняет «обратную» работу, т.е. исключает прохождение ударного импульса с эмиттера первого транзистора 1 на кварцевый резонатор 10. С окончанием ударного импульса ключ 1 и транзистор 1 открываются и усилитель плавно, без разрыва фазы, переходит в режим незатухающих колебаний. Введение ИФАПЧ 16 и управляющего элемента 17 в схему генератора позволяет реализовать максимум передачи энергии возбуждающего радиоимпульса кварцевому резонатору 10 и снимает требования к точности настройки колебательного контура на частоту кварцевого резонатора, что существенно сокращает время установления колебаний кварцевого генератора ударного возбуждения.
Сокращение времени установления колебаний кварцевого генератора с использованием принципа ударного возбуждения кварцевого резонатора с помощью радиоимпульса, сформированного в цепи колебательного контура, и введения ИФАПЧ становится наиболее актуальным при разработке автогенераторов в микроминиатюрном исполнении, особенно прецизионных, в которых при отсутствии вводимой цепи ИФАПЧ время установления колебаний с момента включения питающего напряжения достигает единиц секунд и не позволяет сохранить высокой режимную стабильность частоты.
Литература
1. Кварцевый генератор с ударным возбуждением. АС № 1197036, бюл. № 45, 1985.
2. Иванченко Ю.С. Многочастотная кварцевая стабилизация.- Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова, 2007. - 506 с.
3. Воронцов А.И. и др. Ударно возбуждаемый кварцевый фильтр. Труды МЭИ, вып. 12, 1965 г.