СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ СТАБИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
METHOD FOR GENERATION OF STABLE OSCILLATIONS

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для генерации стабильных колебаний низких и инфранизких частот.
Известен способ получения стабильных колебаний, реализованный в кварцевом генераторе (КГ) [1], содержащем последовательно соединенные инвертор и второй резистор, а также кварцевый резонатор (КР), один вывод которого соединен с другим выводом инвертора, одним выводом второго конденсатора и первого резистора, другой вывод которого соединен с точкой соединения инвертора и второго резистора, кроме того, первый конденсатор, один вывод которого соединен с другим выводом кварцевого резонатора, причем другие выводы первого и второго конденсаторов подсоединены к общей шине, третий конденсатор, один вывод которого соединен с выводом второго резистора, а другой вывод - с точкой соединения первого конденсатора и кварцевого резонатора.
Недостатком известного способа и генератора являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью генерации стабильных колебаний низкой и инфранизкой частоты.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ генерации стабильных колебаний, реализованный в двухмодовом кварцевом генераторе [2], построенном на основе двухчастотной модифицированной схемы генератора Колпитца, используемого в режиме одномодового возбуждения и одновременно в качестве частотно-зависимого фазовращателя для сигнала, поступающего из цепи фазовой автоподстройки частоты. При этом решается проблема получения спектрально чистого опорного колебания на выходе КГ с частотой моды С и получения информации о температуре пьезопластины двухмодового КР в виде частоты, равной разности частот мод В и С того же КГ, в широком диапазоне рабочих температур.
Эффект основан на извлечении информации из КГ о температуре КР в виде разности фаз между внешним модулирующим колебанием и откликом на него двухмодового КГ, работающего в одночастотном режиме, и преобразовании этой информации в петле фазовой автоподстройки частоты в частоту генератора, управляемого напряжением (ГУН).
-8
Одной из основных проблем стабилизации частоты является точное измерение температуры пьезопластины КР. Использование внешнего термодатчика приводит к возникновению статической и динамической ошибок измерения температуры из-за пространственного разделения объема пьезопластины КР и собственно термодатчика. Эффективным методом повышения точности измерения температуры пьезопластины является использование двухчастотного двухмодового возбуждения КР двухповоротных срезов. При этом колебания моды С используются как источник опорной частоты, а моды В - в качестве стабильного во времени температурного датчика. Двухчастотные двухмодовые кварцевые генераторы (КГ) являются основой для построения прецизионных термостатированных и термокомпенсированных опорных генераторов, способных обеспечить относительную температурную стабильность до ±5·10 и выше в широком диапазоне температур. Следует отметить, что в сравнении с одномодовым режимом работы автогенератора, требования к режиму двухмодового возбуждения КР в тех же условиях всегда жестче и трудновыполнимее.
Недостатками известного способа и устройства [1, 2] также является невозможность получения стабильных колебаний как в области высоких частот, так и в области низких и инфранизких частот, что ограничивает функциональные возможности известных технических решений.
1
2
Технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей, достигается в предлагаемом способе генерации стабильных колебаний, основанном на возбуждении в кварцевом резонаторе колебаний стабильной частоты ω в одной плоскости посредством подключения кристалла кварцевого резонатора двумя гранями в схему автогенератора, тем, что подключают кристалл кварцевого резонатора двумя другими гранями в схему дополнительного автогенератора и возбуждают колебания стабильной частоты ω во второй плоскости, ортогональной к первой, и обеспечивают круговое вращательное движение торца кристалла кварцевого резонатора с закрепленным на кварцевом резонаторе отражателем, причем на отражатель направляют световой луч и преобразуют отраженный световой луч в электрический сигнал низкого или инфранизкого диапазона частот с частотой
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- фиг.1 иллюстрирует изгиб бруска из кристалла кварца в плоскости под воздействием напряжения, приложенного к его двум противоположным граням;
- фиг.2 иллюстрирует вращение концов бруска из кристалла кварца под воздействием двух напряжений, приложенных к двум парам его противоположных граней;
- на фиг.3 показана схема двухмодового возбуждения кристалла кварца и картину электрических силовых линий в поперечном сечении кристалла;
- фиг.4 поясняет принцип оптоэлектронного преобразования кругового вращения конца бруска из кристалла кварца в соответствующий электрический сигнал;
- на фиг.5 показана механическая конструкция кварцевого генератора;
- на фиг.6 приведена функциональная схема предлагаемого генератора.
Устройство для осуществления предлагаемого способа (фиг.6) содержит кристалл кварцевого резонатора 1, основной автогенератор 2 и дополнительный автогенератор 3.
В задающий контур автогенератора 2 включен кристалл кварцевого резонатора 1 двумя гранями 4 и 5, а в задающий контур автогенератора 3 включен упомянутый кристалл 1 двумя другими гранями 6 и 7.
Устройство содержит также отражательный элемент 8, закрепленный на кристалле кварцевого резонатора 1, вблизи которого установлены излучатель 9 и фотоприемник 10, источник электропитания 11 и формирователь 12 низкочастотного сигнала.
При этом оптические оси излучателя 8 и фотоприемника 9 направлены с двух сторон под углом к отражателю 8 с обеспечением попадания отраженного светового луча на оптический вход фотоприемника 10, причем излучатель 9 подключен к источнику 11 электропитания, а выход фотоприемника 10 соединен с входом формирователя 12 низкочастотного сигнала. Фотоприемник 10 выполнен в виде функционального фотодатчика с переменной по поверхности фотодатчика чувствительностью к световому излучению. Указанные элементы расположены в корпусе 13 (см. фиг.4 и фиг.5). На оптическом пути отраженного сигнала установлена собирающая микролинза 14.
Изгиб кварцевого стержня (фиг.1), ориентированного по оси Y, происходит, если на электроды, нанесенные на боковые грани кварцевого стержня, подать положительный потенциал на одну пару граней 4 и 5, а на вторую пару граней 6 и 7 - отрицательный потенциал. Для кварцевых стержней, изготовленных в форме параллелепипеда, совершающих колебания изгиба в плоскостях ХY, используется криволинейное электрическое поле специальной конфигурации (фиг.3). При этом возникает новая форма колебания кристаллического пьезоэлемента, отличная от ранее известных (фиг.2).
х
z
Электрическое поле вызывает деформацию кварцевого стержня. Вдоль длины стержня будет сжатие в одной его половине и растяжение в другой. В результате произойдет изгиб стержня в плоскости XY. Если приложить одновременно переменное напряжение к двум парам граней от автогенераторов 2 и 3, то электрическое поле в каждой точке поперечного сечения кварцевого резонатора 1 будет иметь вид, показанный на фиг.3 (вектора Е и E, результирующий вектор Е). В результате произойдет результирующая деформация КР. Результирующей деформацией будет кручение вокруг оси, пересекающей центры граней ZX (кристаллофизической оси Y).
Предлагаемый способ позволяет обеспечить двойное возбуждение кварцевого стержня с изгибными колебаниями по двум плоскостям XY и YZ. В зависимости от соотношения размеров поперечного сечения стержня и положительной обратной связи генератора пьезоэлемент изгибается как по ширине, так и по толщине.
Таким образом, кварцевый резонатор обладает двумя основными частотами и позволяет получить новый вид механических колебаний в плоскости XY и YZ: из двух изгибных колебаний, сдвинутых по фазе. В результате получается механическое кручение стержня, скорость вращения концов которого определяется разностью частот между генераторами, при этом угол прогиба кристаллического пьезоэлемента может достигать 7°.
Предлагаемый способ генерации стабильных колебаний реализуется в следующей совокупности операций над генерируемыми сигналами (описание проводится на примере схемы, приведенной на фиг.6, которая не является единственным вариантом технической реализации способа).
1
2
В кварцевом резонаторе 1 возбуждают колебания стабильной частоты ω в одной плоскости посредством подключения кристалла кварцевого резонатора 1 двумя гранями 4 и 5 в схему автогенератора 2. При этом в кварцевом резонаторе 1 одновременно возбуждают колебания другой частоты ω во второй плоскости, ортогональной к первой, посредством подключения КР двумя другими гранями 6 и 7 в схему дополнительного автогенератора 3 и обеспечивают круговое вращательное движение торца кристалла кварцевого резонатора 1 с закрепленным на кварцевом резонаторе отражателем 8.
Одновременно на отражатель 8 направляют световой луч и преобразуют отраженный световой луч в электрический сигнал низкого или инфранизкого диапазона частот с частотой
нч
Апертура отраженного луча движется на плоскости функционального фотоприемника 10 по окружности (фиг.4), засвечивая участки с различной чувствительностью к световому излучению. Используется фотоприемник с линейной функциональной зависимостью по одной из ортогональных координат на плоскости фотоприемника 10, на выходе которого формируется сигнал синусоидальной формы с частотой ω. Далее этот сигнал поступает на вход формирователя 12 низкочастотного сигнала, где он усиливается по амплитуде и по мощности и далее поступает на выход.
Управление основными частотами кварцевых генераторов дает возможность получить широкую перестройку низкочастотной составляющей (на низких частотах от 1-5 Гц) и на инфранизких частотах (менее 1 Гц).
Скорость кручения стержня выбирается соотношением ширины к толщине.
Известными методами отфильтровать разностную частоту в десятки и менее одного герца для получения синусоидальной формы сигнала практически невозможно.
Способ имеет промышленное применение.
Кристаллический пьезоэлемент (кварцевый резонатор 1) с излучателем 9 и фотоприемником 10, расположенными на основании 15, объединены в единую конструкцию достаточно малой массы и подвешены на амортизаторах в корпусе 13 (фиг.5). На основании 16 расположены элементы радиосхемы, а на основании 17 закреплены контактные выводы для подключения к внешнему устройству.
нч
1
1
2
Таким образом, предложен новый способ получения стабильных колебаний низкой и инфранизкой частоты. Стабильность полученной низкочастотной составляющей ω на порядок выше стабильности основной частоты ω кварцевого резонатора изгибных колебаний, получаемых известными способами за счет проведения операции вычитания частот ω и ω, при которой компенсируются девиации частоты от внешних факторов (изменения температуры внешней среды).
Источники информации
1. Патент РФ №31084, М.Кл. Н04В 5/00, опублик. 2003.07.10.
2. Патент РФ №49397, М.Кл. Н03В 5/32, опублик. 2005.11.10.