ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в составе систем синхронизации радиосвязи в качестве высокостабильных источников опорных колебаний, генераторов опорных частот, тактовых генераторов.
Кварцевые генераторы (КГ) могут применяться в радиолокационной, связной, измерительной аппаратуре. Основным фактором нестабильности КГ является температурная зависимость резонансной частоты кварцевого резонатора, что обуславливает отклонения опорной частоты КГ при изменении температуры среды.
Известен термокомпенсированный КГ, описанный в способе температурной компенсации частоты КГ, например, патенты US №3713033 от 23.01.1973, US №4746879 от 24.05.1988, основанный на подстройке частоты генератора управляемого напряжением (ГУН) путем изменения уровня выходного напряжения цифро-аналогового преобразователя, подключенного к управляющему входу ГУНа. Недостатками подобных решений повышения температурной стабильности частоты КГ являются сопровождающее работу цифровых схем ухудшение спектральной чистоты и увеличение уровня фазовых шумов выходного колебания.
В патенте US №5117206 от 26.05.1992 предложена схема генератора для повышения температурной стабильности частоты КГ которая заключается в применении массива коммутируемых емкостей в схеме генератора. Недостатками данного метода является ухудшение спектральной чистоты выходного сигнала и увеличение фазовых шумов в моменты переключения коммутируемых конденсаторов, а так же сложность реализации температурной компенсации с высокой точностью, требующей большого количества конденсаторов.
Известны аналоговые синтезаторов компенсирующих функций описанные, например, в патентах US №5025231 от 18.06.1991, US №5648741 от 15.07.1997, US №6002291 от 14.12.1999. Основным недостатком которых является относительно невысокая точность результирующей компенсирующей функции, невозможность подстройки схемы компенсации под конкретный кварцевый резонатор с технологическим уходом частоты и температурной зависимости. Это ограничивает их применение в устройствах, где требуется высокая точность поддержания частоты выходного колебания и низкий уровень фазовых шумов.
Наиболее близким по построению генератора к заявляемой полезной модели является описанный в патенте US №6603364 от 05.08.2003 г. «Термокомпенсированный кварцевый генератор и метод температурной компенсации». Схема которого содержит содержащий датчик температуры, выход которого соединен с аналоговым синтезатором термокомпенсирующей функции (СКФ) и со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выход которого соединен с постоянным-запоминающим устройством (ПЗУ), которое соединено с цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП),причем выходы ЦАП и СКФ подключены к входам сумматора компенсирующих воздействий, выход которого подключен к управляющему входу генератора, управляемого напряжением (ГУН), Достоинством данного термокомпенсированного генератора является совмещение аналогового СКФ и цифровой системы термокомпенсации на одной кремниевой подложке, что позволяет иметь меньшее число разрядов ЦАП и меньший объем памяти кодов коррекции цифровой части, выполняющей дополнительную коррекцию сигнала термокомпенсации, синтезируемого аналоговым СКФ.
Основным недостатком термокомпенсированного генератора по патенту US №6603364 является неудовлетворительная точность при отклонении температурно-частотной характеристики (ТЧХ) от кубической, относительная неэффективность компенсации технологического разброса ТЧХ резонаторов, высокий уровень фазовых шумов, обусловленный работой цифровой части схемы.
Задачей, которую решает предлагаемая полезная модель, является повышение температурной стабильности частоты выходного сигнала КГ в широком диапазоне температур при сохранении низкого уровня фазовых шумов выходного сигнала, уменьшение влияния технологического разброса ТЧХ кварцевых резонаторов.
Данный технический результат достигается тем, что в схему термокомпенсированного генератора с датчиком температуры, сумматором компенсирующих воздействий, ГУН, аналоговым СКФ, АЦП, ПЗУ, ЦАП, согласно предложенному техническому решению, дополнительно введены блок оперативной памяти (ОЗУ), процессорное ядро совместимое с 8051 архитектурой, блок последовательного интерфейса SPI, фильтр низких частот, два компаратора с программируемым порогом срабатывания, введения в аналоговый СКФ ЦАП линейного коэффициента, ЦАП квадратичного коэффициента, ЦАП кубического коэффициента, ЦАП коэффициента четвертой степени, сумматора, а так же умножителя, формирующего квадратичный сигнал температуры, умножителя, формирующего кубический сигнал температуры, умножителя, формирующего сигнал температуры четвертой степени, умножителя линейного коэффициента, умножителя квадратичного коэффициента, умножителя кубического коэффициента, умножитель коэффициента четвертой степени.
Состав цифровой части схемы, содержащей АЦП, ЦАП и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), согласно заявляемому техническому решению существенно расширяется путем введения в цифровую часть процессорного ядра, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), блока последовательного интерфейса.
На фиг. представлена структурная схема термокомпенсированного кварцевого генератора для синхронизации систем радиосвязи.
Термокомпенсированный кварцевый генератор для синхронизации систем радиосвязи содержит аналоговый синтезатор термокомпенсирующей функции с программно-конфигурируемыми полиномиальными коэффициентами 8, в свою очередь содержащий четыре коэффициентных ЦАП 1, 2, 3, 4, подключенному к одному из двух входов умножителей 5, 6, 7, 8, выходы которых соединены со входами сумматора 9, в свою очередь выход которого соединен с одним из входов сумматора 10, выход которого соединен со входом фильтра низких частот (ФНЧ) 11, имеющим внешние выводы Сф для подключения емкостей фильтра, выход которого подключен к управляющему входу ГУН 12, имеющему внешние выводы XT AL для подключения резонатора и Uвых для вывода сигнала опорной частоты. Вторые входы умножителей 5, 6, 7, 8 соединены с выходом датчика температуры 13 для умножителя 5 и выходами умножителей 14, 15, 16 для умножителей 6, 7, 8 соответственно, выход умножителя 16 соединен со вторым входом умножителя 8, один из входов умножителя 16 подключен к выходу датчика температуры 13, второй вход умножителя 16 подключен к выходу умножителя 15, который одновременно подключен к одному из входов умножителя 7. Один из входов умножителя 15 подключен к выходу датчика температуры 13, второй вход подключен к выходу умножителя 14, который одновременно подключен к одному из входов умножителя 6, оба входа умножителя 14 подключены к выходу датчика температуры 13. Процессорное ядро совместимое с 8051 архитектурой 17 соединено с АЦП 18, с ЦАП 19, с двумя компараторами с программируемыми порогами срабатывания 20, 21, с ПЗУ 22, с ОЗУ 23, с блоком последовательного интерфейса 23, имеющим внешние выводы MOSI, MISO, SCLK, CS, с входящими в аналоговый синтезатор термокомпенсирующей функции с программно-конфигурируемыми полиномиальными коэффициентами 25 ЦАП 1, 2, 3, 4. Датчик температуры 13, подключен к АЦП 18, компараторам с программируемыми порогами срабатывания 20, 21, аналоговому синтезатору термокомпенсирующей функции с программно-конфигурируемыми полиномиальными коэффициентами 25
Технический результат - повышение температурной стабильности частоты выходного сигнала термокомпенсированных кварцевых генераторов для синхронизации систем радиосвязи в широком диапазоне температур при сохранении низкого уровня фазовых шумов выходного сигнала, уменьшение влияния технологического разброса ТЧХ кварцевых резонаторов на точность температурной компенсации кварцевых генераторов достигается за счет разбивки исходного температурного диапазона на поддиапазоны и синтеза аппроксимирующих функций, каждая из которых обеспечивает минимальную погрешность температурной компенсации в соответствующем температурном поддиапазоне, и перепрограммирования полиномиальных коэффициентов при переходе из поддиапазона в поддиапазон, путем увеличения в схеме количества программно-конфигурируемых компонент формирующих полиномиальные коэффициенты от постоянной составляющей и вплоть до четвертого порядка для синтеза аналоговой компенсирующей функции.
Термокомпенсированный кварцевый генератор для синхронизации систем радиосвязи работает следующим образом. После подачи питания датчик температуры 13 формирует напряжение, пропорциональное текущей температуре. Согласно загруженной через последовательный интерфейс 24 в энергонезависимую память (ПЗУ) 22 микропрограммой, процессорное ядро совместимое с 8051 архитектурой 17 производит определение текущей температуры при помощи блока АЦП 18, осуществляющего аналого-цифровое преобразование выходного сигнала датчика температуры 13. Затем, в соответствии с текущей температурой, процессорное ядро совместимое с 8051 архитектурой 17 производит программное конфигурирование порогов срабатывания компараторов 20, 21, определяющих границы температурных поддиапазонов, путем подачи соответствующего цифрового кода на встроенные в компараторы ЦАПы и установку соответствующих текущей температуре полиномиальных коэффициентов при помощи коэффициентных ЦАП 1, 2, 3, 4, после чего процессорное ядро уходит в режим ожидания с малым энергопотреблением. Умножитель 14 формирует квадратичный сигнал температуры, умножитель 15 формирует кубический сигнал температуры, умножитель 16 формирует сигнал температуры четвертой степени. Умножители 5, 6, 7, 8 формируют произведения сигналов температуры первого, второго, третьего, четвертого порядков с соответствующими полиномиальными коэффициентами. Сумматор 9 производит масштабирование и суммирование полиномиальных слагаемых, получаемых на выходах умножителей 5, 6, 7, 8. Сумматор 10 производит суммирование вырабатываемого в аналоговом синтезаторе термокомпенсирующей функции с программно-конфигурируемыми полиномиальными коэффициентами 25 компенсирующего воздействия с постоянной составляющей или дополнительным компенсирующим воздействием, формируемым цифровой частью. ФНЧ 5 производит фильтрацию результирующего сигнала температурной компенсации, подаваемого на управляющий элемент ГУН 12, тем самым производя подстройку выходной частоты ГУН в соответствии с текущей температурой. При выходе температуры из заданного поддиапазона происходит срабатывание соответствующего компаратора, процессорное ядро совместимое с 8051 архитектурой 17 возвращается в рабочий режим и в соответствии с текущим температурным поддиапазоном производит переконфигурирование полиномиальных коэффициентов путем изменения данных на входах ЦАП 1, 2, 3, 4, устанавливает новые пороги срабатывания компараторов 20, 21, переходит в ждущий режим с пониженным энергопотреблением.
-7
-6
-6
По результатам компьютерного моделирования, точность поддержания частоты, обеспечиваемая методом аналоговой кусочно-полиномиальной термокомпенсации полиномиальными компенсирующими функциями четвертого порядка составляет ±1,1·10…±0,5·10, что не уступает лучшим мировым образцам с нестабильностью ±0,5·10.