МАЛОШУМЯЩИЙ ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
LOW-NOISE TEMPERATURE-COMPENSATED QUARTZ SHOCK-EXCITED OSCILLATOR

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в качестве источника высокостабильных колебаний, например в синтезаторах стабильных частот приемопередатчиков, прецизионных частотно-измерительных комплексов, опорных генераторов аварийных радиобуев.
6
-10
Известны кварцевые генераторы с ударным возбуждением кварцевого резонатора и обратной связью на его субгармонике [1]. Такие генераторы на сегодня позволяют достигнуть наилучшей кратковременной нестабильности частоты (КНЧ), особенно на сверхнизких субгармониках [2]. Основу таких генераторов составляют мультивибратор, генерирующий последовательность симметричных прямоугольных импульсов, подаваемых на кварцевый фильтр; усилитель ударно возбуждаемых колебаний кварцевого резонатора; цепь обратной связи, обеспечивающая синхронизацию мультивибратора по одному из входов. Достижимая КНЧ на крыле спектральной линии с кварцевым резонатором AT - среза и добротностью порядка 1·10 составляет 1·10. Эти решения были положены в основу разработки серии малогабаритных термокомпенсированных кварцевых генераторов с цифровой цепью управления стабилизируемой частотой по отклику температурной моды двухмодового резонатора, например [2, 3, 4], или управления за счет возбуждения резонатора AT на механической гармонике с последующим смешением асинхронных частот механических гармоник и выделением разносной частоты с крутизной 2 Гц/С°, используемой в качестве датчика температуры в диапазоне температур термокомпенсации такого генератора. Однако у таких генераторов добротность кварцевого резонатора уменьшается из-за включения последовательно с ним цепи управления частотой, что приводит к уменьшению КНЧ примерно вдвое. Также недостатком таких генераторов является то, что наличие двух нелинейных элементов и электромеханической связи между модами колебаний в пьезоэлементе приводит к значительным паразитным частотной и фазовой модуляциям и невозможности практического разделения мод колебаний лучше, чем на 40 дБ, хотя уровень старения датчика температуры и величина шумов схемы управления находится на приемлемом уровне. Возбуждение резонатора на трех и более частотах в таком варианте решения только приводит к ухудшению спектра генерируемых колебаний. В этом случае становится затруднительным применение метода уменьшения шумов с использованием кварцевого резонатора в режиме генерирования эквидистантного спектра [5, 6 и др.], а его предельную температурную стабильность частоты будет определять температурно-динамический коэффициент частоты (ТДКЧ) кварцевого резонатора. В таком термокомпенсированном кварцевом генераторе возможно улучшение метрологических характеристик генерируемого сигнала, если будет использован дополнительный контур введения поправок на частоту при возникновении температурных воздействий на кварцевый резонатор. Точность введения поправки зависит от быстродействия работы контура. Это можно выполнить лишь цифровыми методами. Датчик, регистрирующий отклик кварцевого резонатора на воздействие температуры, должен иметь высокую чувствительность и постоянную времени, равную постоянной времени пьезоэлемента резонатора. Ударное возбуждение кварцевого резонатора и локальный захват пьезоэлементом энергии возбуждающих импульсов с последующим выделением одной из частот, выполняющей роль температурного датчика, обеспечивают идеальную развязку основного и температурного колебаний генератора, т.е. в этом случае не наблюдается нелинейного взаимодействия мод колебаний. Здесь же реализация эквидистантного спектра генерируемых частот возможна только при ударном возбуждении кварцевого резонатора, иначе не достигается развязка между модами кварцевого резонатора.
Наиболее близким к предлагаемому является термокомпенсированный кварцевый генератор ударного возбуждения [7], содержащий последовательно соединенные мультивибратор, полосовой кварцевый фильтр стабилизируемой частоты колебаний, элемент с регулируемой реактивностью и резонансный усилитель стабилизирумой частоты колебаний, выход которого соединен с входом мультивибратора; первый полосовой фильтр, выделяющий цуг колебания температурной моды колебаний; усилитель-формирователь прямоугольных импульсов термомоды, делитель частоты мультивибратора, счетчики импульсов мультивибратора и термомоды, вычитатель, второй регистр, первый регистр и вычислитель компенсирующей функции, накапливающий сумматор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), формирователь хронирующих импульсов, фильтр нижних частот.
Недостатком известного термокомпенсированного кварцевого генератора ударного возбуждения является недостаточно высокая кратковременная стабильность частоты.
Цель изобретения - повышение кратковременной стабильности частоты.
Указанная цель достигается тем, что в термокомпенсированном кварцевом генераторе ударного возбуждения, содержащем последовательно соединенные мультивибратор, кварцевый фильтр, возбуждаемый на стабилизирумой частоте колебаний, первый управляющий элемент с регулируемой реактивностью и резонансный усилитель стабилизируемой частоты, выход которого соединен с входом мультивибратора, между выходом полосового кварцевого фильтра стабилизируемой частоты колебаний и управляющим входом первого элемента с регулируемой реактивностью последовательно соединены первый полосовой фильтр первой ангармоники колебаний стабилизируемой частоты, первый усилитель-формирователь прямоугольных импульсов, счетчик импульсов, вычитатель, первый регистр, вычислитель компенсирующей функции, накапливающий сумматор, цифроаналоговый преобразователь и первый фильтр нижних частот, между дополнительным выходом мультивибратора и входом синхронизации счетчика импульсов включен делитель частоты, между выходом счетчика импульсов и вторым входом вычитателя включен второй регистр, а входы синхронизации первого и второго регистров, вычитателя, вычислителя компенсирующей функции, накапливающего сумматора и ЦАП соединены с соответствующими выходами введенного формирователя хронирующих импульсов, а между входом первого полосовбго фильтра и вторым управляющим элементом дополнительно введены второй и третий полосовые фильтры второй и третьей ангармоник стабилизируемой частоты колебаний, соединенные последовательно с формирователями импульсов, смесителя ангармоник стабилизируемой частоты колебаний, включенного последовательно с делителем частоты на 2, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, второй вход фазового детектора соединен с выходом стабилизируемой частоты, а выход фазового детектора включен последовательно со вторым фильтром нижних частот и вторым управляющим элементом - регулируемой реактивностью, включенной в колебательный контур усилителя стабилизируемого колебания генератора.
На чертеже представлена структурная электрическая схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит мультивибратор 1, кварцевый фильтр (КФ) 2, элементы с регулируемой реактивностью 3 и 25, резонансный усилитель 4, полосовые фильтры 5, 17, 18, усилители-формирователи прямоугольных импульсов 6 19, 20, делители частоты 7, 22, счетчик импульсов 8, вычитатель 9, второй регистр 10, первый регистр 11, вычислитель компенсирующей функции 12, накапливающий сумматор 13, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, формирователь хронирующих импульсов 15, фильтры нижних частот 16 и 24, смеситель 21, фазовый детектор 23.
Устройство работает следующим образом.
Сформированная на первом выходе мультивибратора 1 последовательность прямоугольных импульсов ударно возбуждает в КФ 2 колебания ведомой стабилизируемой частоты и свободные цуги колебаний температурной и ведущих частот. Частота стабилизируемых колебаний, будучи усиленной резонансным усилителем 4, поступает по цепи синхронизации на один из входов мультивибратора 1, тем самым синхронизируя последовательность ударных импульсов. После чего наступает установившийся режим генерирования стабилизируемой частоты.
Отклик температурно-зависимой моды колебаний на выходе КФ 2 выделяется полосовым фильтром 5 и сформированный в последовательность прямоугольных импульсов усилителем-формирователем 6 поступает на счетный вход счетчика 8 импульсов. На управляющий вход счетчика импульсов 8 поступают импульсы разрешения счета с выхода делителя частоты 7, на вход которого поступают импульсы со второго выхода мультивибратора 1. Длительность импульсов синхронизации делителя частоты 7 определяется необходимой точностью измерения температуры КФ 2. С выхода счетчика импульсов 8 цифровой код температуры КФ 2 поступает на первый вход вычитателя 9. На второй вход вычитателя 9 поступает цифровой код температуры точки перегиба температурно-частотной характеристики (ТЧХ) КФ 2, предварительно записанного во второй регистр 10. В результате вычитания на выходе вычитателя 9 появляется значение приращения температуры КФ 2 относительно температуры точки перегиба его ТЧХ с соответствующим знаком. Работа с приращением температуры, а не с ее абсолютным значением позволяет значительно сократить разрядность вычислителя компенсирующей функции 12, а следовательно, время вычислений и повысить их точность.
Код приращения температуры с выхода вычитателя 9 записывается в первый регистр 11, одновременно с этим во второй регистр 10 записывается код температуры, находящийся в счетчике импульсов 8. Содержимое первого регистра 11 является аргументом компенсирующей функции, вычисляемой вычислителем компенсирующей функции 12. Далее, в соответствии с алгоритмом, изложенным в прототипе [7], проводится процесс температурной компенсации стабилизируемой частоты колебания. Для этого предварительно в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) вычислителя компенсирующей функции заносятся соответствующие коэффициенты аппроксимации ТЧХ кварцевого фильтра. После вычисления компенсирующей функции в 12 результаты суммируются с содержимым сумматора 13. Результирующее значение с выхода сумматора 13 поступает на вход ЦАП и через ФНЧ управляющий сигнал подается на вход первого управляющего элемента. Формирователь хронирующих импульсов 15 обеспечивает формирование сигналов управления всеми этапами вычисления компенсирующей функции.
Наряду с цепью цифровой термокомпенсации цуги обеих ангармоник стабилизируемой частоты колебаний (например, частоты цугов 1-й и 5-й механических гармоник) со входа первого полосового фильтра 5 поступают на входы полосовых фильтров 17 и 18, к выходу которых подключены соответственно усилители - формирователи прямоугольных импульсов 19, 20, а выходные сигналы 19, 20 поступают на первый и второй входы смесителя 21, суммарное колебание с выхода смесителя 21 поступает на вход делителя 22 и делится на 2, с выхода делителя 22 сигнал поступает на первый вход фазового детектора 23. На второй вход фазового детектора 23 с выхода усилителя 4 поступает колебание стабилизируемой частоты. С выхода 23 сигнал результирующих колебаний с точностью до фазы проходит через ФНЧ 24 и подается на вход второго управляющего элемента 25, включенного в цепь колебательного контура резонансного усилителя 4. Выбирая соответствующие уровни сигналов в вводимой цепи регулирования стабилизируемой частоты, можно обеспечить коэффициент взаимной связи ангармоник стабилизируемой частоты колебаний К=1[5,6], что обеспечивает дополнительное подавление шумов в спектре стабилизируемого выходного колебания генератора на 6-10 дБ за счет эквидистантности частот кварцевого резонатора.
Таким образом, реализация термокомпенсации кварцевого генератора ударного возбуждения по указанному принципу использования в качестве датчика температуры отклика кварцевого резонатора на температурной моде при его ударном возбуждении дает возможность обеспечить высокие метрологические характеристики генерируемых колебаний стабилизируемой частоты без применения прецизионных термостатирующих устройств, являющих собой непреодолимый барьер по минимизации ТДКЧ в такого класса генераторах.
Экспериментальные исследования подтвердили правильность полученных результатов для такого четырехчастотного генератора с ударным возбуждением. Для этого был взят кварцевый резонатор типа «Ромашка», AT - среза по третьей механической гармонике, выпускаемый серийно. Конструктивная добротность кварцевого резонатора составляла около 1,6 млн. Уровень шумов выходного спектра стабилизируемой частоты на частоте наблюдения 20 Гц составил минус 116 дБ, что сравнимо с уровнем шумов серийно выпускаемого термостатированного генератора «Гиацинт» с использованием указанной модели резонатора. В качестве стабилизируемого колебания использовалась частота 5 МГц, ангармоники частоты соответственно были 1,666666 МГц и 8,333333 МГц. В качестве температурного колебания была выделена гармоника 5,12 МГц, по активности незначительно уступающая основному стабилизируемому колебанию. Крутизна ТЧХ гармоники, используемой в качестве датчика температуры, составила 10 Гц/°С.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.Ф.Плонский, В.А.Медведев, Л.Л.Якубец - Якубчик. Транзисторные автогенераторы метровых волн, стабилизированные на механических гармониках кварца. М.: Связь, 1969. - 208 с.
2. Иванченко Ю.С. Многочастотные кварцевая стабилизация. - Новороссийск: МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова, 2007. - 506 с.
3. А.С. СССР 934568, МКИ Н03В5/32. Кварцевый генератор / Иванченко Ю.С. // Открытия, Изобретения, 1982. - №21.
4. А.С. СССР 760398, МКИ Н03В5/32. Кварцевый генератор / Л.С.Марьяновский, Г.В.Васецкий // Открытия, Изобретения, 1978. - №31.
5. А.А.Мальцев. Измерение флуктуации частоты в автоколебательной системе с эквидистантным спектром собственных частот. / ИВУЗов СССР, Радиофизика, т.18, №3, - 1975, с.455-458.
6. А.А.Мальцев. Экспериментальное исследование флуктуации частоты в системах взаимно синхронизированных автогенераторов. / Радиотехника и электроника, №7. - 1974, №7, с.1406-1414.
7. А.С. СССР 1046900, МКИ Н03В5/32. Термокомпенсированный кварцевый генератор ударного возбуждения / Ю.С.Иванченко, С.Н.Петряшов, Л.В.Шолкина // Открытия, Изобретения, 1983. - №37.