ТЕРМОСТАТИРОВАННЫЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР С МАЛЫМ ВРЕМЕНЕМ ГОТОВНОСТИ
TEMPERATURE-CONTROLLED QUARTZ GENERATOR WITH LOW READINESS TIME

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам формирования электрических колебаний со стабилизированной частотой, в частности к кварцевым генераторам.
Уровень техники
В настоящее время нашли широкое применение кварцевые генераторы электрических колебаний, в которых для стабилизации частоты колебаний применяются кварцевые резонаторы. На стабильность формируемых колебаний в таких генераторах влияют температурные условия, в которых находится генератор, и для исключения этого фактора или снижения его влияния применяется термостатирование. Термостатирование кварцевого генератора заключается в создании для кварцевого резонатора и, возможно, других элементов генератора стабильных температурных условий при, как правило, повышенной относительно окружающей среды температуре.
Из патента US 6646514 известен управляемый по температуре кварцевый генератор, содержащий кварцевый резонатор, схему генератора, температурный датчик и цифровой контроллер. Кварцевый генератор также содержит набор емкостей, которые цифровой контроллер переключает в схеме генератора в зависимости от показаний температурного датчика по заранее заданному соответствию. Недостатком такого генератора являются скачкообразное переключение емкостей, что приводит к резким изменениям частоты формируемых колебаний генератора. С другой стороны, описанный генератор будет иметь либо высокий уровень фазовых шумов и низкие кратковременную и долговременную стабильности в установившемся режиме, либо высокое отклонение частоты от заданной в момент запуска генератора. То, что в такой схеме указанные характеристики не могут быть соблюдены одновременно, вызвано тем, что используется лишь один кварцевый резонатор.
Известно, что, например, в термостатированных кварцевых генераторах, в зависимости от требуемых параметров, возможно использование кварцевых резонаторов либо АТ-среза, либо SC-среза. При этом, если к генератору предъявляются высокие требования по температурной, кратковременной и долговременной стабильностям и низким уровням фазовых шумов, то предпочтение отдается резонаторам SC-среза. А если требуется относительно малое отклонение частоты от номинальной в момент включения генератора, особенно при пониженной температуре окружающей среды, то используются резонаторы АТ-среза. В то же время уровень фазовых шумов резонаторов АТ-среза на 5-10 дБ выше, а кратковременная и долговременная стабильности существенно (в 3…10 раз) хуже аналогичных характеристик резонаторов SC-среза при работе того и другого в штатном режиме, а начальное относительное отклонение частоты при пониженной температуре (минус 50…60°С) составляет минус 30…40 ppm. В случае же использования резонатора SC-среза это отклонение составляет минус 250…300 ppm и уменьшается до минус 30…40 ppm только после некоторого разогрева генератора (не менее 40 секунд). Таким образом, требования, связанные с малым временем готовности аппаратуры после включения и возможностью автотестирования уже через 3…5 секунд при сохранении таких важных параметров, как стабильность и уровень фазовых шумов, после прогрева аппаратуры являются противоречивыми.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в предоставлении кварцевого генератора, обладающего малой величиной отклонения частоты через относительно малое время сразу после включения аппаратуры во время разогрева термостата, а также значительной стабильностью частоты и низкими фазовыми шумами после прогрева аппаратуры и выхода термостата на заданный температурный режим.
Данная задача решается с помощью кварцевого генератора, содержащего термостат и датчик температуры для измерения температуры в термостате, при этом генератор содержит два кварцевых резонатора, причем, по меньшей мере, один кварцевый резонатор установлен в термостате.
Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение непрерывной работы кварцевого генератора и отсутствие срыва колебаний или резких изменений частоты, которые могут привести к возрастанию шумов и помех при переключении кварцевых резонаторов, используемых для стабилизации частоты. Для решения дополнительной задачи кварцевые резонаторы соединены последовательно и включены в схему генератора, а генератор содержит ключ, установленный с возможностью закорачивания одного или другого кварцевого резонатора, а также схему управления ключом в зависимости от показаний датчика температуры.
В предпочтительном варианте выполнения генератора в термостате установлены оба резонатора, причем резонаторы могут иметь одинаковую частоту резонанса. Кроме того, в одном из вариантов один резонатор имеет SC-срез, а другой резонатор имеет АТ-срез. Кварцевый резонатор АТ-среза предназначен для обеспечения необходимой стабильности частоты во время разогрева термостата, а кварцевый резонатор SC-среза обеспечивает заданные стабильность частоты и величину фазовых шумов после прогрева термостата.
В этом варианте до установления в термостате заданного температурного режима закороченным является резонатор SC-среза, то есть стабилизация частоты формируемых генератором колебаний выполняется с помощью резонатора АТ-среза, обладающего малыми отклонениями частоты от заданной в зависимости от температуры. После прогрева термостата, то есть установления заданного температурного режима, закорачивается резонатор АТ-среза, а стабилизация частоты формируемых генератором колебаний выполняется с помощью резонатора SC-среза, который обеспечивает высокие параметры выходного сигнала, такие как температурная, кратковременная и долговременная стабильности частоты и низкий уровень фазовых шумов.
С этой целью схема управления ключом выполнена с возможностью переключения ключа таким образом, что при показаниях датчика температуры ниже заданного порога закороченным с помощью ключа является резонатор SC-среза, а при показаниях датчика температуры выше заданного порога закороченным является резонатор АТ-среза. В одном из вариантов заданный порог соответствует температуре термостата 60-80°С.
В одном из вариантов в генератор входит устройство термокомпенсации, подключенное к кварцевому резонатору АТ-среза, которое отключается вместе с указанным резонатором после подключения резонатора SC-среза.
Благодаря предложенному кварцевому генератору удается получить малую величину отклонения частоты через относительно малое время сразу после включения аппаратуры во время разогрева термостата, а после прогрева аппаратуры и выхода термостата на заданный температурный режим возможно обеспечение заданной высокой стабильности частоты и низких фазовых шумов. Дополнительным результатом настоящего изобретения является обеспечение непрерывной работы кварцевого генератора и отсутствие срыва колебаний или резких изменений частоты при переключении кварцевых резонаторов, используемых для стабилизации частоты, благодаря тому, что кварцевые резонаторы включены в схему генератора последовательно и при переключении ключа с положения, в котором закорочен один резонатор, в положение, в котором закорочен другой резонатор, в течение промежутка времени, когда ключ не имеет соединения ни с одним выводом резонаторов, соединенных с генератором, в стабилизации частоты колебаний участвуют оба кварцевых резонатора.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена структурная схема кварцевого генератора согласно настоящему изобретению.
На фиг.2 представлены графики стабильности частоты в зависимости от температуры для кварцевых резонаторов.
Осуществление изобретения
На фиг.1 изображена структурная схема кварцевого генератора 1, содержащего термостат 2, в котором размещены кварцевый резонатор 3 АТ-среза, предназначенный для обеспечения необходимой стабильности частоты выходного сигнала 10 во время разогрева термостата 2, и кварцевый резонатор 4 SC-среза, обеспечивающий заданные стабильность частоты и величину фазовых шумов после прогрева термостата 2. В одном из вариантов кварцевый резонатор 3 АТ-среза может быть размещен вне термостата 2. В предпочтительном варианте резонаторы 3 и 4 имеют одинаковые резонансные частоты. Наличие у резонаторов 3 и 4 срезов AT и SC соответственно также относится к предпочтительному варианту осуществления.
Резонаторы 3 и 4 соединены последовательно и включены в схему 8 генератора 1 взамен одного кварцевого резонатора. Генератор 1 также содержит датчик 6 температуры, показания которого зависят от температуры в термостате 2.
Кроме того, кварцевый генератор 1 содержит ключ 5, установленный с возможностью закорачивания одного или другого кварцевого резонатора в зависимости от температуры термостата 2. Для осуществления переключения в генераторе 1 предусмотрена схема 7 управления ключом в зависимости от показаний датчика 6 температуры (Т). Благодаря такому схемотехническому решению ключ 5 установлен таким образом, что при переключении резонаторов 3 и 4 не происходит срыва генерации и, как следствие, пропадания выходного сигнала 10, что могло привести к серьезным сбоям в конечном устройстве.
В момент подачи напряжения питания на генератор 1 ключ 5 находится в положении закорачивания резонатора 4 SC-среза, так что генерация осуществляется схемой 8 генератора 1 на резонаторе 3 АТ-среза.
После прогрева термостата 2 до рабочей температуры резонатора 4 SC-среза схема 7 управления ключом переводит ключ в другое положение. В течение промежутка времени, когда ключ 5 разомкнут с обеими клеммами, соединенными с резонаторами 3 и 4, стабилизация колебаний осуществляется с помощью обоих резонаторов 3 и 4, соединенными последовательно. Далее, при окончании переключения ключа 5 закорачивается резонатор 3 АТ-среза и к возбуждающей схеме 8 генератора 1 подключен только резонатор 4 SC-среза.
Далее работа генератора 1 происходит на резонаторе 4 SC-среза в штатном режиме, обеспечивая требуемые параметры выходного сигнала 10.
Как было указано выше, для уменьшения отклонения частоты генератора до 3…4 ppm во время разогрева термостата 2 возможно применение устройства 9 термокомпенсации (ТК), подключенное только к АТ-резонатору 3 и отключающееся вместе с ним после включения SC-резонатора 4.
На фиг.2 показана зависимость отклонения частоты от температуры термостата для кварцевых резонаторов с разными срезами. Видно, что при температурах ниже 60-80°С кварцевый резонатор SC-среза имеет весьма значительную нестабильность, в то время как кварцевый резонатор АТ-среза имеет относительно низкие отклонения частоты. Поэтому до достижения рабочего диапазона температур термостата для стабилизации частоты используется кварцевый резонатор АТ-среза, а при температурах выше 60-80°С для стабилизации частоты используется кварцевый резонатор SC-среза.
Для соблюдения указанного температурного режима схема 7 управления ключом, показанная на фиг.1, выполнена с возможностью переключения ключа 5 таким образом, что при показаниях датчика 6 температуры ниже заданного порога закороченным с помощью ключа 5 является резонатор 4 SC-среза, а при показаниях датчика 6 температуры выше заданного порога закороченным является резонатор 3 АТ-среза. В предпочтительном варианте заданный порог соответствует температуре термостата 260-80°С.