Система и способ управления механическим резонатором в электронном генераторе
SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING MECHANICAL RESONATOR IN ELECTRONIC OSCILLATOR

Настоящее изобретение относится к системе и способу управления механическим резонатором в электронном генераторе.
Такие механические резонаторы как кварцевые генераторы используются в электронной аппаратуре в качестве эталонов частоты и времени. Стабильность их частоты имеет первостепенное значение. Определение стабильности частоты обычно производят в трех временных периодах: высоко краткосрочном, краткосрочном и долгосрочном.
Высоко краткосрочная стабильность, обычно выраженная дрожанием развертки (джиттером) и фазовым шумом, ограничивается тепловым шумом, связанным с потерями в кристалле и шумом от контура электронного генератора.
6
Высоко краткосрочная стабильность в кварцевых генераторах считается очень хорошей. Кварцевые генераторы имеют очень малые потери, что выражается в их высоком значении добротности (до 10). Шум, создаваемый электронной аппаратурой, можно существенно снизить за счет тщательно продуманной конструкции генератора.
Краткосрочная стабильность ограничена уходом частоты за счет колебаний температуры.
Краткосрочная стабильность кварцевых генераторов обычно требует особого внимания. Для соответствия современным стандартам телекоммуникационного оборудования необходимо совершенствовать присущую резонатору краткосрочную стабильность. Поскольку температура является основной причиной кратковременной нестабильности, современные способы повышения краткосрочной стабильности генераторов направлены на улучшение их температурной стабильности.
Относительного данного типа оборудования известны следующие подходы к решению проблемы стабильности генератора.
Первый подход заключается в изоляции кристалла от температурных изменений и оптимизации температурного рабочего режима кристалла. Такой подход реализуется в так называемых термостатированных кварцевых генераторах (ОСХО). Специальные кристаллы SC-среза, которые демонстрируют нулевой температурный дрейф при температуре около 80 градусов по Цельсию, помещаются в печь с такой температурой. Термостатированная печь изолирует кристалл от изменений температуры окружающей среды, обеспечивая температуру, при которой им можно управлять. Недостатками термостатированных кристаллов являются их относительно большой размер, дороговизна и высокое потребление энергии.
Второй подход заключается в измерении, калибровке и коррекции температуры. Такой подход используется в кварцевых генераторах с температурной компенсацией (ТСХО) и в кварцевых генераторах с микропроцессорным управлением (МСХО).
В генераторах ТСХО температура кристалла измеряется с помощью датчика температуры, а прогнозируемые изменения генерируемой частоты компенсируются посредством перенастройки генератора с помощью электрически управляемого настроечного устройства, такого как варикап. Соотношение между температурой и управляющим напряжением варикапа определяется во время калибровки и сохраняется для последующего использования в процессе эксплуатации.
Недостатком данного подхода является ограниченность стабильности температуры, так как температура датчика не столь точно отслеживает температуру кристалла в различных внешних условиях. Согласно заводской калибровке кристалл должен быть спарен с электронной аппаратурой.
Третий подход, используемый в генераторах МСХО, заключается в определении температуры с помощью двухмодового генератора и каскадной корректировке синтезатора частот с микропроцессорным управлением.
В тщательно продуманном двухмодовом генераторе так называемая частота биений, которая представляет собой разницу частот между нормированной частотой гармонического резонанса и частотой основного резонанса кристалла, существенно зависит от температуры. Во время калибровки данное соотношение сохраняется и используется в дальнейшей работе синтезатора частот с микропроцессорным управлением для корректировки одной из выходных частот двухмодового генератора. Температурная компенсация в генераторах МСХО срабатывает гораздо лучше, чем в генераторах ТСХО, поскольку информация об изменении частоты поступает с самого кристалла, а не с датчика температуры.
Однако, частота биений, которая представляет собой разницу между частотой основного резонанса кристалла и нормированной частотой гармонического резонанса и используется для измерения температуры в двухмодовых генераторах, зависит не только от температуры; она также зависит от механических напряжений в кварцевом генераторе. В отличие от статической составляющей, механическое напряжение может изменяться с течением времени из-за разных коэффициентов теплового расширения кристалла, его соединительных пластин и крепежных материалов (эффекты ползучести). Это служит причиной так называемых ошибок обратного хода развертки и требует оснащения высоко производительных генераторов МСХО кристаллами с компенсацией напряжений или кристаллами SC-среза. Эти кристаллы стоят дороже, чем популярные кристаллы АТ-среза, которые, в свою очередь, более чувствительны к напряжениям. Согласно заводской калибровке кристалл SC-среза должны быть спарен с электронной аппаратурой.
Долгосрочная стабильность ограничена процессом износа. Стабильности высокой частоты в течение длительного периода времени можно достичь с помощью высокотехнологичных методов компоновки, которые предотвращают возникновение физико-химических изменений в рабочей среде, окружающей кристалл.
Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы нивелировать недостатки предшествующего уровня техники, или, по крайней мере, предложить пригодную альтернативу.
Исходя из вышеизложенного, изобретение включает в себя систему и способ функционирования механического резонатора в электронном генераторе, использующие тот факт, что резонансные моды механических резонаторов, таких как пьезоэлектрические кварцевые генераторы, керамические резонаторы и резонаторы MEMS, зависят от массы, жесткости, размеров и физической формы материалов резонатора.
Большинство из этих параметров точно фиксируются заводом-изготовителем, однако некоторые из них могут зависеть от условий эксплуатации резонатора. Например, в кварцевых генераторах, размеры кристалла зависят от температуры, и в силу того, что кристалл подвергается ее воздействию, его жесткость может зависеть от температуры и срока службы.
Согласно данному изобретению улучшенная коррекция изменений выходной частоты кварцевого генератора основана на так называемом описании пространства состояний резонатора, в котором переменные состояния - это масса, жесткость и размеры всех компонентов, используемых в кварцевом генераторе.
Согласно изобретению прямое измерение этих необходимых переменных не является обязательным. Если температурный дрейф и обратный ход развертки преимущественно зависят от размеров и жесткости кристалла, то прямое или косвенное измерение этих двух переменных уже обеспечивает прочную основу для коррекции частоты, включая обратный ход развертки. Таким образом, изобретение предлагает способ инициализации механического резонатора в электронном генераторе, содержащий следующие этапы:
а. определяют по крайней мере два независимых электрически измеримых параметра, которые представляют переменные состояния: жесткость, массу и/или размеры кварцевого генератора;
б. измеряют частоту резонанса моды кристалла относительно частоты опорного сигнала;
в. определяют поправочный коэффициент частоты, который представляет собой соотношение частоты резонанса моды и частоты опорного сигнала;
г. прямо или косвенно изменяют переменные состояния;
д. фиксируют измеренные значения по крайней мере по двум параметрам и соответствующий поправочный коэффициент частоты, занося результаты в таблицу;
е. повторяют этапы с пункта 6 по пункт д несколько раз и заполняют таблицу. Таким образом, перед тем как фактически использовать механический резонатор на этапе инициализации можно составить или заполнить путем выполнения измерений таблицу с поправочными коэффициентами частоты. Составив таблицу один раз, ей можно пользоваться в качестве справочного материала для обеспечения желаемой выходной частоты.
Косвенное определение переменных состояния может означать, что аппаратные переменные определяются с помощью измерения параметров электрического резонанса, таких как электрические потери, эквивалентная индуктивность и эквивалентная емкость резонатора. Кроме того, если изменение значений переменных состояний проявляется по-разному для разных резонансных мод кристалла, то таких же достоверных косвенных определений можно достигнуть путем измерения выходной частоты многомодового кварцевого генератора.
Фактически, в рабочем диапазоне, для которого эти частоты резонанса формируют независимый набор переменных, которые составляют набор доминантных переменных состояния, коррекцию можно найти в описании измененного пространства состояния кристалла, в котором переменные аппаратного состояния заменяются резонансными частотами.
По крайней мере два независимых электрически измеримых параметра можно, например, выбрать из группы следующих: соотношение резонансной частоты кристалла с другой резонансной частотой кристалла; потеря мощности в кварцевом генераторе на одной или более резонансных частотах; добротность кварцевого генератора на одной или нескольких резонансных частотах.
В другом варианте исполнения данного изобретения способ содержит возможность определения частоты основной частоты резонатора в работающем состоянии, и определения по крайней мере соотношения между основной частотой и одной из гармоник.
Таким образом, частота или основная частота определяются косвенно, исходя из другого электрического количества - таких параметров электрического резонанса, как электрические потери, эквивалентная индуктивность и эквивалентная емкость резонатора.
Изобретение также относится к способу эксплуатации механического резонатора в электронном генераторе, настроенном так, как описано выше, и включающим этапы измерения по крайней мере двух электрически независимых измеримых параметров; подбора поправочного коэффициента, соответствующего сочетанию измеряемых параметров и умножения частоты резонатора на выходе на величину поправочного коэффициента.
1
2
В данном изобретении применяется косвенный метод измерения. Он заключается в использовании трехмодового генератора, производящего три выходные частоты, которые точно связаны с тремя разными резонансными частотами кристалла. С одной из выходных частот, назначенной в качестве опорной, можно измерить два соотношения частот. Эти два соотношения образуют набор переменных измененного состояния (φ, φ) кварцевого генератора.
Коэффициент умножения δ(t) для коррекции частоты на выходе можно получить из этих двух коэффициентов по следующей формуле:
где n представляет собой порядок нелинейности в соотношениях между поправочным коэффициентом и изменением переменных состояния.
Данные двухмодовые генераторы, применяющие частоту биения в качестве параметра для корректировки температуры, используют следующее упрощенное соотношение:
В данном изобретении требуются две переменные вместо одной; это позволяет компенсировать обратный ход развертки, что невозможно в двухмодовых генераторах. Изобретение также относится к электронным генераторам, использующим механический резонатор, в котором выходная частота корректируется путем его каскадного соотнесения с синтезатором частоты с цифровым управлением и в котором данные коррекции частоты получаются из определения переменных состояния резонатора, в частности доминантных переменных аппаратного состояния. Теперь изобретение можно описать более подробно со ссылкой на Фиг. 1, которая представляет собой схему электрической цепи согласно изобретению.
На Фиг. 1 показана упрощенная функциональная схема электрической цепи согласно изобретению. Электрическая цепь включает в себя контур 1 трехмодового кварцевого генератора, систему 2 измерения частоты, устройство 3 проверки частоты, трехмерный массив 4, блок 5 интерполяции данных, дробный синтезатор 6 и блок управления 19.
Во время работы контур трехмодового кварцевого генератора производит три частоты 7, 8 и 9, которые равны трем резонансным частотам кристалла, одна из которых выбрана в качестве основной частоты для дробного синтезатора, который генерирует частоту 18 на выходе.
1
ref
На входе электронного генератора может использоваться высококачественный опорный сигнал 13. В режиме самообучения или калибровки система измерения частоты определяет три различных соотношения частот 10, 11 и 12, произведенных трехмодовым кварцевым генератором, а также поправочного коэффициента частоты, который представляет собой соотношение выбранной основной частоты и опорной частоты ƒ/ƒ.
ref
1
1
2
1
3
Поправочный коэффициент частоты представляет собой коэффициент, благодаря которому частоту ƒ 13 можно получить из ƒ 7. Он хранится (добавляется к существующим данным) вместе с отметкой о времени и весовым коэффициентом, который определяется устройством 14 проверки частоты в ячейке памяти (х, у), где х и у однозначно соответствуют двум соотношениям частот, произведенным трехмодовым генератором, скажем ƒ/ƒ 7/8 и ƒ/ƒ 7/9.
Таким образом, адреса памяти х и у представляют собой значения двух переменных измененного состояния, которые соответствуют конкретным условиям эксплуатации кристалла и меняются с течением времени в зависимости от условий эксплуатации.
При медленном и быстром темпе изменения условий эксплуатации кристалла (например, при изменении температуры) данные о коррекции частоты с отметками времени и весовыми коэффициентами непрерывно записываются в разные ячейки памяти и ассоциируются с различными рабочими состояниями кристалла.
Блок 5 интерполяции данных оценивает данные частотной коррекции исходя из данных, хранящихся в памяти. Дробный синтезатор 6 производит выходную частоту исходя из номинальной частоты и расчетных данных коррекции. Входные данные для блока интерполяции данных обновляются с каждым циклом чтения. Таким образом, выходная частота 18 постоянно и точно соотносится с исходной частотой 13 вне зависимости от того, используется она или нет.
Одним из способов оценки поправочного коэффициента частоты может послужить вычисление средневзвешенных по времени данных, хранящихся в ячейках памяти, близких на те, которые установлены по адресному вектору (х, у), а также выполнение двумерной интерполяции полученных данных.