ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР
TEMPERATURE-COMPENSATED CRYSTAL-CONTROLLED OSCILLATOR

Изобретение относится к области разработки и создания высокостабильных кварцевых генераторов, используемых в приемо-передающих радиосистемах, радиолокации, радионавигации.
Известны термокомпенсированные кварцевые генераторы [1], в которых используют управление частотой колебаний стабилизированной моды С с помощью управляемого элемента - варикапа, на который подается корректирующее напряжение, получаемое на выходе температурно-зависимого моста, датчиком которого служит термистор. В этом случае получение высокой стабильности частоты в широком диапазоне изменений окружающих температур практически невозможно по причине старения термистора и наличия температурного динамического коэффициента частоты (ТДКЧ), определяющего предел достижимой стабильности частоты. Применение цифровых контуров управления стабилизируемой частотой в этом случае не дает каких-либо заметных улучшений.
Известны также термокомпенсированные высокостабильные кварцевые генераторы с прецизионным кварцевым резонатором, возбуждаемым двухчастотной схемой на двух модах колебаний [2]. При этом мода С - стабилизируемая, а мода В - температурная, используемая в качестве высокочувствительного датчика температуры. В стационарном варианте построения такого генератора показания датчика обрабатываются специальной микросхемой, которая выдает сигнал, компенсирующий изменение частоты моды С при изменении температуры генератора. Недостаток этой технологии в том, что компенсация производится на основе зависимости, которая рассчитана теоретически и имеет определенный уровень погрешности. Здесь также при быстром изменении температуры окружающей среды возникают отклонения стабилизируемой моды С кварцевого резонатора в виде ТДКЧ, который приводит к значительному отклонению частоты у прецизионных генераторов. В этом случае прибегают к построению теоретико-экспериментальной модели кварцевого резонатора или генератора в целом [3], что дает возможность частично устранить влияние ТДКЧ. Это связано с тем, что такая модель не обеспечивает заданной точности компенсации температурных уходов частоты от ТДКЧ от образца к образцу. Особенно это связано с конструктивными особенностями кварцевых резонаторов. Спектр такого выходного стабилизируемого колебания генератора содержит побочную гармонику температурной моды В, подавление которой удается не более 40 дБ, а улучшение спектральных характеристик требует подключения дополнительного кварцевого фильтра к выходу генератора. Ситуация усугубляется еще тем, что управляющий элемент является общим для обеих генерируемых мод колебаний.
Наиболее близким к заявляемому можно назвать одномодовый одночастотный кварцевый генератор с резонатором [4], содержащий схему возбуждения частоты стабилизируемой моды С линзового пьезоэлемента с нанесенными первым и вторым электродами возбуждения с обеих сторон в его центральной части, первым и вторым датчиками сигналов моды С в виде резонансных встречно-штыревых преобразователей (ВШП), напыленных на периферийную поверхность линзового пьезоэлемента в его не активной части, причем первый из ВШП размещен в области расположения элемента крепления линзового пьезоэлемента, а второй ВШП размещен относительно него под углом 90°, блок управления частотой, в состав которого входят ФНЧ, первый и второй усилители сигналов ВШП, фазовый детектор, управляющий элемент, при этом выходы первого и второго ВШП соединены соответственно со входами первого и второго усилителей фазового детектора, выходы которых соответственно подключены к первому и второму входам фазового детектора, а его выход подключен через фильтр нижних частот к первому входу управляющего элемента, причем выход управляющего элемента подключен к первому из возбуждающих электродов линзового пьезоэлемена, а второй вход управляющего элемента подключен к выходу схемы возбуждения стабилизируемой моды С, ко входу которой подключен второй электрод возбуждения линзового пьезоэлемента.
В этом случае отпадает необходимость построения сложной теоретико-экспериментальной модели пьезоэлемента и устраняется влияние технологического разброса его параметров.
Однако при построении двухчастотных термокомпенсированных генераторов с таким пьезоэлементом в спектре выходного колебания стабилизируемой частоты моды С не устраняется побочное колебание температурной моды В, связанное с наличием общих электродов для обеих мод С и В, а также за счет взаимодействия обеих нелинейных цепей автогенераторных колец возбуждения линзового пьезоэлемента кварцевого резонатора с общим для них управляющим элементом.
Целью настоящего изобретения является улучшение спектральных характеристик выходного стабилизированного колебания термокомпенсированного генератора и повышение его температурной стабильности.
Поставленная цель достигается тем, что для улучшения спектральных характеристик и повышения температурной стабильности частоты выходного стабилизированного колебания термокомпенсированного генератора на периферийную не активную часть линзового пьезоэлемента, встречно ко второму ВШП, напылен третий резонансный ВШП, введены схема цифровой температурной компенсации и схема усилителя сигналов третьего резонансного ВШП линзового пьезоэлемента моды В, причем третий резонансный ВШП подключен ко входу усилителя моды В, выход которого подключен к первому входу схемы цифровой температурной компенсации, а выход схемы возбуждения стабилизируемой моды С подключен ко второму входу схемы цифровой температурной компенсации и второму входу управляющего элемента, при этом выход схемы цифровой температурной компенсации подключен к третьему входу управляющего элемента.
c
В целом введение указанных элементов образуют двухчастотный термокомпенсированный кварцевый генератор, в котором, как и в прототипе, исключается влияние ТДКЧ на стабилизируемое колебание моды С. Такое построение генератора позволяет обеспечить минимальную связь между модами С и В за счет разнесенного акустического возбуждения и приема сигналов линзового пьезоэлемента резонатора и свести к минимуму наличие сигнала моды В в выходном спектре стабилизируемого колебания моды С, тем самым повысить стабильность частоты колебаний в широком диапазоне окружающих температур и чистоту спектра генерируемого колебания f.
Новым в изобретении является напыление на поверхность линзового пьезоэлемента резонансного ВШП моды В, на выходе которого получаемый сигнал за счет акустической связи анизотропного кристалла кварца, будучи усиленным отдельным усилителем, обеспечивает минимальный уровень побочной составляющей в выходном спектре стабилизируемого сигнала, одновременно позволяет реализовать высокую температурную стабильность генерируемых колебаний. Указанный выше технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.
Конструкция такого кварцевого резонатора и схема термокомпенсированного двухчастотного кварцевого генератора показаны на фиг.1.
Термокомпенсированный кварцевый генератор содержит вакуумированный стеклянный баллон 1, линзовый пьезоэлемент 2, электроды возбуждения линзового пьезоэлемента 3, элементы крепления (кварцедержатель) и выводы ВШП 4 линзового пьезоэлемента 2, резонансные ВШП 5, 6, 14, блок 7 управления частотой резонатора по ТДКЧ, содержащий усилители 8 и 9, фазовый детектор 10, фильтр нижних частот 11 и управляющий элемент 12, схему 13 возбуждения линзового пьезоэлемента на моде С, блок 17, содержащий схему 15 усилителя сигналов резонансного ВШП 14 линзового пьезоэлемента 2 моды В и схему цифровой температурной компенсации 16.
Термокомпенсированный кварцевый генератор работает следующим образом.
При включении автогенератора 13 в подэлектродной области 3 линзового пьезоэлемента 2 возбуждаются резонансные колебания сдвига по толщине моды С. Одновременно за счет упругой пьезоэлектрической связи в объеме линзового пьезоэлемента 2 возбуждаются колебания сдвига по толщине температурной моды В, которые поступают на вход усилителя 15 с резонансно настроенного на частоту моды В ВШП 14, образуя на выходе 15 колебания, достаточные по амплитуде для устойчивой синхронизации схемы цифровой термокомпенсации 16. В стационарном состоянии, т.е. при неизменной температуре внешней среды, линзовый пьезоэлемент 2 разогрет равномерно и скорости поверхностных акустических волн, распространяющихся из области 3 линзового пьезоэлемента 2 в направлении резонансно настроенных на частоту стабилизированной моды С ВШП 5 и 6, постоянны по величине, т.е. сигналы моды С, поступающие с ВШП 5 и 6, имеют некоторую постоянную, в частности нулевую, разность фаз, а постоянная составляющая сигнала на выходе фазового детектора 10 и на первом входе управляющего элемента 12 отсутствует. На третьем входе управляющего элемента постоянная составляющая, поступающая с выхода схемы цифровой термокомпенсации, пропорциональна температуре стационарного состояния линзового пьезоэлемента.
При изменении температуры окружающей среды длительность переходного процесса установления нового значения резонансной частоты моды С определяется как температурным коэффициентом частоты линзового пьезоэлемента, так и его ТДКЧ, т.к. линзовый пьезоэлемент 2 оказывается прогретым неравномерно, и основной «напор» тепла осуществляется по элементам кварцедержателя 4, имеющим локальный тепловой контакт с линзовым пьезоэлементом в местах крепления. В свою очередь, это приводит к различию скоростей распространения акустических волн от области 3 линзового пьезоэлемента 2 к ВШП 5 и 6 и, как следствие, к различию фаз детектируемых сигналов фазовым детектором. Балки, подводящие сигнал к ВШП, выполнены из тонкого нихрома, что обеспечивает высокое температурное сопротивление и не вызывает искажения температурного поля линзового пьезоэлемента резонатора 2. В свою очередь, резонансный ВШП 14 обеспечивает прием колебаний температурной моды В на новом ее среднем значении, а схема 16 реализует новое постоянное напряжение на третьем входе управляющего элемента, приводя частоту стабилизируемой моды С к ее заданному среднему значению, соответствующему новой средней температуре окружающей среды.
с
Результатом такой двойной петли регулируемой обратной связи на выходе фазового детектора 10 появляется знакопеременная составляющая сигнала, которая, пройдя через фильтр нижних частот (ФНЧ) 11, воздействует на первый вход управляющего элемента частотой моды С, что обеспечивает исключение влияния температурных динамических изменений окружающей среды на линзовый пьезоэлемент 2 кварцевого резонатора. Введение третьего резонансного ВШП 14, усилителя сигналов 15 частоты температурной моды В, схемы цифровой температурной компенсации 16 и цепи управления с выхода схемы 16 на третий вход управляющего элемента 12 обеспечивает заданную точность поддержания среднего значения стабилизируемой прецизионной частоты f на выходе схемы 13.
с
В целом введение указанных элементов образует двухчастотный термокомпенсированный кварцевый генератор, в котором также исключается влияние ТДКЧ, а нанесение на периферийную поверхность линзового пьезоэлемента третьего ВШП 14, наряду с повышением температурной стабильности прототипа, позволяет обеспечить минимальную связь между модами С и В за счет их разнесенного акустического возбуждения резонатора и свести к минимуму наличие сигнала моды В в выходном спектре стабилизируемого колебания моды С, тем самым повысить стабильность и спектральную чистоту генерируемых колебаний f в широком диапазоне окружающих температур, что исключает необходимость применения прецизионных фильтров на выходе такого генератора.
Актуальность такого решения продиктована созданием линейки прецизионных кварцевых генераторов [5], в которых на основе нанотехнологий используются в определенном сочетании термокомпенсация и термостатирование. Причем термостат представляет собой малоинерционный управляемый элемент.
Литература
1. Альтшуллер Г.Б. Управление частотой кварцевых генераторов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Связь, 1975. - 304 с.
2. Иванченко Ю.С. Многочастотная кварцевая стабилизация. - Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова, 2007. - 506 с.
3. А.В.Косых, Б.П.Ионов, A.M.Васильев. Температурно-динамическая модель и температурно-динамическая компенсация кварцевых генераторов. Электронная техника. Сер. Радиокомпоненты, вып. 4(85), 1991.
4. Иванченко Ю.С. и др. Авт.свид. №1136720, кл. Н03Н 9/19, 9/00  «Управляемый кварцевый резонатор», 1984 г.
5. Миниатюрные термокомпенсированные кварцевые генераторы. http//www.magicxtal.com/products_type6.htm, 02.03.2004.