КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР
CRYSTAL-CONTROLLED OSCILLATOR

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться в устройствах стабилизации частоты.
Известны кварцевые генераторы, у которых используют термостатированные кварцевые усеченные линзовые пьезоэлементы AT или SC срезов для получения высокостабильных колебаний опорных частот [1]. Такое решение позволяет в целом уменьшить объем генератора, получить меньшую теплоемкость пьезоэлектрической пластины и, как результат, реализовать ускоренный выход серийного генератора на рабочий режим практически без ухудшения стабильности частоты, при незначительном уменьшении добротности кварцевого резонатора (5-7)% относительно не усеченного линзового пьезоэлемента. Однако такое конструктивное решение имеет ряд недостатков.
1. Отсутствие возможности термокомпенсации стабилизируемой частоты генерируемых колебаний, т.к. термостатирование кварцевого резонатора резко снижает кпд по потребляемой мощности генератора в целом.
2. Отсутствие термокомпенсации по температурно-динамическому коэффициенту частоты (ТДКЧ) генератора, что существенно увеличивает время установления его частоты при резких изменениях температуры как в момент включения, так и окружающей среды.
3. Низкие показатели по долговременной стабильности частоты за счет релаксации нанесенных на поверхность кварцевого пьезоэлемента (КП) возбуждающих электродов.
Наиболее близким к заявляемому следует назвать генератор с лазерным возбуждением кварцевого резонатора (ЛВКР) без электродного покрытия [2]. Здесь для повышения долговременной и температурной стабильностей частоты генератора, уменьшения ТДКЧ в него введены лазерный диод (ЛД), генератор температурной моды колебаний (ГТМК), микропроцессор цифровой температурной стабилизации (МПЦТС), электронный модулятор лазерного диода (ЭМЛД), усилитель тока с компаратором напряжения, генератор сигнала стабилизируемой частоты (ГСЧ), мультивибратор, схема температурной компенсации ТДКЧ, содержащая усилители сигналов встречно штыревых преобразователей (ВШП), фазовый детектор, усилитель постоянного тока, а на свободную поверхность КП нанесены три ВШП, с обратной стороны которого в его центральной части нанесено металлизированное покрытие диаметром около 1,5 мм, причем первый ВШП расположен рядом с контактным лепестком держателя КП, а второй ВШП расположен к нему под углом 90°, третий ВШП расположен встречно ко второму, при этом первый и второй ВШП подсоединены соответственно к первому и второму усилителям схемы компенсации ТДКЧ, выходы которых подключены ко входам фазового детектора (ФД), а сигнал с выхода ФД поступает на вход третьего усилителя, выход которого подсоединен к первому входу компаратора напряжения, ко второму входу которого подключен выход МПЦТС, выход компаратора напряжения подключен ко входу усилителя тока, выход которого подсоединен к первому ЭМЛД, ко второму входу которого подсоединен выход мультивибратора, а к выходу ЭМЛД подсоединен анод ЛД, катод которого соединен с корпусом, при этом на вход ГСЧ поступают избирательно колебания с первого ВШП, с выхода которого они подаются на вход мультивибратора и второй вход МПЦТС, а на первый вход МПЦТС поступают колебания с выхода ГТМК, на вход которого подаются избирательно колебания с третьего ВШП, причем ЛД совместно с контактными лепестками, удерживающими КП и фокусирующую линзу, закреплены на металлической пластине, которая удерживается металлическими стержнями, проходящими через диэлектрические изоляторы металлического опорного кольца, при этом КП выполнен двухчастотным и расположен нормально к лучу ЛД, а фокусирующая линза закреплена между выходом луча ЛД и пятном металлизированного покрытия на поверхности линзового КП. Однако прототип не свободен от ряда недостатков.
1. Исполнение линзового КП в усеченном варианте не позволяет обеспечить на поверхности КП размещение указанных трех ВШП, что не приводит к достижению цели в прототипе, т.е. уменьшению ТДКЧ.
2. Больший объем линзового КП в сравнении с его усеченным вариантом не обеспечивает уменьшения времени выхода на рабочий режим генератора.
Цель, на которую направлено данное изобретение, состоит в решении задачи по созданию генератора с ЛВКР, лишенного недостатков, свойственных прототипу. Технический результат, который дает осуществление изобретения, состоит в снижении ТДКЧ и уменьшении времени готовности к работе генератора с усеченным линзовым КП. С этой целью на торцевую поверхность линзового КП в его центральной части напылен первый термистор, имеющий высокую крутизну по чувствительности к температуре и малую постоянную времени, а у места крепления первого лепестка напылен первый ВШП, резонансно настроенный на стабилизируемую частоту линзового КП, здесь же у лепестка крепления с обратной стороны линзового КП на его поверхности напылен второй термистор, имеющий характеристики, близкие к первому термистору, причем оба термистора подключены к схеме регулирования ТДКЧ КР, содержащей первый и второй термочувствительные мосты сопротивлений, первый и второй усилители постоянного тока, первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ), второй, резонансно настроенный на температурную моду ВШП, встречно расположен к первому ВШП, в районе второго контактного лепестка на поверхности линзового КП, причем первый и второй термисторы подключены соответственно к первому и второму входам термочувствительных мостов, выходы которых подключены соответственно ко входам первого и второго усилителей постоянного тока, а выходы усилителей постоянного тока соответственно через ФНЧ подключены к третьему и четвертому входам МПЦТС, а первый и второй ВШП соответственно подключены к генераторам ГСЧ и ГТМК, выходные сигналы которых соответственно поступают на первый и второй входы МПЦТС, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму входам компаратора напряжения, выходной сигнал которого поступает на вход третьего усилителя постоянного тока, выход которого подключен к первому входу ЭМЛД, а на второй вход ЭМЛД поступают сигналы с выхода мультивибратора, синхронизируемого по входу выходным сигналом ГСЧ, причем к выходу ЭМЛД подключен анод ЛД, катод которого соединен с корпусом, при этом линзовый КП выполнен в виде двухчастотного усеченного линзового КП с соотношением сторон, обеспечивающим максимальную добротность и заданную температурно-частотную характеристику в рабочем диапазоне температур на частоте генерируемых колебаний.
Новым в изобретении является коррекция частоты стабилизируемых колебаний по ТДКЧ путем напыления на торцевой поверхности усеченного линзового КП двух термисторов, один из которых размещен в области лепестка крепления КП, а второй расположен на торцевой поверхности КП в ее центральной части, а также в уменьшении времени выхода на рабочий режим генератора за счет уменьшения прогреваемой массы КП путем его усечения, уменьшение числа ВШП, причем первый и второй резонансные ВШП настроены соответственно на частоты стабилизируемых и температурных колебаний мод и размещены соответственно вблизи лепестков мест крепления КП. Указанный выше технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных технологических и схемотехнических признаков.
Чертежи, на которых изображено:
- на фиг.1 - конструкция КР (без внутренних соединений) и структурная схема генератора;
- на фиг.2 - вид на конструкцию (торец заштрихован) усеченного линзового КП - ЛД (увеличено);
- на фиг.3 - вид А на конструкцию (без корпуса) сверху для усеченного линзового КП с ВШП;
- на фиг.4 - вид Б на конструкцию (без корпуса) снизу для усеченного линзового КП с напыленными термисторами.
Генератор (фиг.1-4) содержит вакуумированный корпус 1, в котором закреплено основание 2 с размещенным на нем ЛД 3 с выводами 9 и горизонтально закрепленной линзой 10 на пути лазерного луча 11, установленными на металлической пластине 4, и контактными лепестками 5, в которых размещен усеченный линзовый КП 6 с нанесенными на его поверхность ВШП 7.1, 7.2. Основание 2 выполнено в виде металлического опорного кольца с расположенными на нем местами крепления в вакуумированном корпусе 1. Места крепления опорного металлического кольца в корпусе и места крепления металлической пластины 4 на опорном кольце выполнены в виде диэлектрических (например, стеклянных) изоляторов, в которых размещены металлические стержни. Вакуумированный корпус 1 снабжен металлизацией внутренней поверхности 8. Выводы ВШП 7.1 подсоединяются к ГТМК 14, а выводы ВШП 7.2 подсоединяются к ГСЧ 15. Металлизированное пятно 12. Термисторы 13. Выводы 9 ЛД 3 подсоединяются к выходу ЭМЛД 16 и корпусу. Выводы термисторов 13 подсоединены к схеме компенсации ТДКЧ 27, включающей в себя мосты сопротивлений 17, 18, усилители 19, 20 и ФНЧ 21, 22. Компаратор напряжения 26. Усилитель тока 24. Мультивибратор 25. МПЦТС 23.
Генератор с лазерным возбуждением кварцевого резонатора работает следующим образом. При подаче питающего напряжения на выводы 9, ЛД 3 с помощью луча, сфокусированного линзой 10 в точку на металлизированном пятне 12 КП, ударно возбуждает объемные ультразвуковые колебания усеченного линзового КП 6 на двух модах: стабилизируемой и температурной. При этом образуемые поверхностные волны поступают на ВШП, резонансно настроенные на частоты стабилизируемой (ВШП 7.2) и температурной (ВШП 7.1) мод колебаний КП. С ВШП 7.1 колебания температурной моды поступают на вход ГТМК 14, с выхода которого колебания подаются на первый вход МПЦТС 23. С ВШП 7.2 колебания стабилизируемой моды подаются на вход ГСЧ 15, с выхода которого колебания поступают на второй вход МПЦТС и вход синхронизации мультивибратора 25. С выхода мультивибратора 25 импульсные колебания резонансной частоты поступают на первый вход ЭМЛД 16. С первого выхода МПЦТС 23 напряжение температурной стабилизации поступает на второй вход компаратора напряжения 26, а на первый вход 26 со второго выхода МПЦТС 23 поступает напряжение компенсации ТДКЧ. С выхода компаратора 26 результирующее напряжение поступает на вход регулирующего усилителя тока 24, с выхода которого сигнал поступает на второй вход ЭМЛД 16. Таким образом ЛД 3 выполняет одновременно функцию элемента возбуждения колебаний КП 6 и ее форсированного разогрева путем направленного луча 11 ЛД на металлизированное пятно 12, расположенное на поверхности КП. Причем, чтобы не происходил перегрев КП или испарение металлизации пятна, между ЭМЛД 16 и компаратором напряжения 26 включен усилитель тока 24 ЛД, который ограничивает мощность светового потока 11 ЛД, особенно при форсированном разогреве КП, при котором следует соблюдать оптимум напора тепла через подложку 4, закрепленную на опорном кольце 2 и сфокусированного линзой 10 светового потока 11 ЛД. Возникающий ТДКЧ компенсируется с помощью пространственно разнесенных термисторов, тем самым компенсируя в виде поправки к частоте стабилизируемых колебаний из-за различия притоков тепла к КП через крепежные лепестки 5 и металлические стержни. МПЦТС здесь выполняет ряд функций:
1. Контроль и поддержание температуры в заданной точке термостабилизации КР путем образования на выходе 3 напряжения термокомпенсации;
2. Измерение абсолютного значения величин номиналов сопротивлений термисторов в диапазоне окружающих КП температур;
3. Измерение градиента температур между номиналами сопротивлений термисторов и реализацию на выходе 4 напряжения компенсации ТДКЧ.
Фактически на выходе компаратора напряжения 26 формируется суммарно-разностный сигнал температурной компенсации как контура термостабилизации, так и регулирования ТДКЧ. Введение в цепь стабилизации мультивибратора 25 позволяет реализовать импульсную модуляцию пространственного луча 11 ЛД с помощью ЭМЛД 16, а также минимальную зависимость от изменения напряжений, питающих генератор с ЛВКР, а металлизированное покрытие 8 внутренней стороны баллона КР обеспечивает минимальное рассеяние тепла во внешнюю среду.
Литература
1. Пьезоэлектрические резонаторы. Справочник. / Андросова В.Г. и др. Под ред. П.Е.Кандыбы и П.Г.Позднякова. - М.: Радио и связь, 1992. - 392 с.
2. Генератор с лазерным возбуждением кварцевого резонатора. Заявка на изобретение №2011107983, с приоритетом от 01.03.2011 г.