ГЕНЕРАТОР НА ПАВ С ДИСКРЕТНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ И КОРРЕКЦИЕЙ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для улучшения температурной стабильности частоты и создания высокочастотных генераторов на поверхностно-акустических волнах (ПАВ).
Генераторы на поверхностно-акустических волнах используются в качестве опорных генераторов стабильных колебаний в диапазонах частот 100-2000 МГц и применяются без дополнительного умножения частоты, что является преимуществом перед широко используемыми генераторами на объемных акустических волнах. Однако ПАВ-генераторы, особенно с расширенной перестройкой по частоте, имеют недостаточную температурную стабильность выходного высокочастотного колебания в широком интервале температур [Фильтры на поверхностных акустических волнах (расчет, технология, применение): Пер. с англ. / Под ред. Г. Мэттьюза. - М. Радио и связь, 1981].
Использование для температурной стабилизации частоты ПАВ-генератора двух устройств с ПАВ с различным температурным коэффициентом или устройства ПАВ, выполненного из композиционных материалов, вызывает технологические затруднения получения точного значения необходимой номинальной частоты, удорожание и усложнение генератора. Создание температурно-зависимого управляющего воздействия для уменьшения отклонения частоты генератора от заданного значения является одним из методов стабилизации частоты.
Известен способ термостабилизации в автогенераторе с устройством на ПАВ, основанный на введении обратной связи, изменяющей частоту автогенератора таким образом, чтобы температурный уход частоты компенсировался [Дворников А.А., Огурцов В.И., Уткин Г.М. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах. - М. Радио и связь, 1983, с. 117]. Данный способ позволяет достичь улучшения температурной стабильности частоты до 30 раз, для генераторов с устройством на ПАВ из материалов с низким температурным коэффициентом, таким как кварц ST-среза.
Известен также способ, при котором формируется температурно-зависимое управляющее напряжение, подаваемое на вход ПАВ-генератора, управляемого напряжением, выполняемого на ПАВ-резонаторе. Примером реализации служат патенты US 4,011,526 и US 2007/0096839 A1. Недостатком генераторов на ПАВ резонаторе является малая перестройка по частоте в силу свойства узкополосности, присущего пьезоэлектрическим резонаторам, из-за малого резонансного промежутка [Дворников А.А., Огурцов В.И., Уткин Г.М. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах. - М. Радио и связь, 1983, с. 113]. Это ограничивает их применение в устройствах, где требуется широкая перестройка по частоте. Кроме того, диапазона перестройки генератора на ПАВ-резонаторе может не хватить для компенсации температурных уходов частоты, которые могут быть значительно больше обеспечиваемой перестройки.
Наиболее близким по построению генератора к заявляемой полезной модели является генератор на ПАВ фильтре [Патент на полезную модель RU 104798 U1. Генератор ПАВ. / Завьялов С.А., Ляшук А.Н., Лепетаев А.Н. - опубл. 20.05.2011], выполненный по схеме емкостной трехточки, содержащий усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором между общим проводом и эмиттером, а также между базой и эмиттером которого включены фазирующие конденсаторы, а к эмиттеру транзистора подключен буферный усилитель, причем входные клеммы ПАВ фильтра включены между базой транзистора и общим проводом источника, а выходные клеммы ПАВ фильтра подключены между общим проводом и первым выводом индуктивности, к которому подключен первый вывод конденсатора, второй вывод которого подключен к общему проводу, ко второму выводу индуктивности подключен катод варикапа и резистивный делитель напряжения, состоящий из двух последовательно соединенных сопротивлений, при этом первый вывод первого сопротивления подключен к опорному напряжению, а ко второму выводу первого сопротивления подключен первый вывод второго сопротивления, притом, его второй вывод подключен к общему проводу, при этом к общей точке соединений первого и второго сопротивлений подключен первый вывод сопротивления, второй вывод которого подсоединен к катоду варикапа, и резистивно-диодный делитель напряжения, состоящий из сопротивления, к первому выводу которого подключен источник опорного напряжения, при этом к его второму выводу подключены первый вывод сопротивления, притом, что его второй вывод подключен к аноду варикапа, и цепочка из N последовательно соединенных диодов, так, что анод предыдущего диода соединен с катодом последующего, при этом катод последнего в цепочке диода подключен к общему проводу, а анод первого диода в цепочке - ко второму выводу сопротивления резистивно-диодного делителя напряжения.
Достоинством в данном генераторе на ПАВ фильтре является расширенный диапазон перестройки автогенератора по частоте, охватывающий диапазон отклонений частоты генератора от воздействия температуры в широком интервале рабочих температур.
При этом недостатком является плохая воспроизводимость номинального значения частоты генерируемого колебания, которая связана с отклонением параметров ПАВ-фильтра от образца к образцу и резистивно-диодных делителей напряжения, а также недостаточная температурная стабильность частоты выходного колебания.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности установки и воспроизводимости номинального значения частоты и повышение температурной стабильности частоты выходного колебания.
Указанный технический результат достигается тем, что в генератор на ПАВ, содержащий усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором между общим проводом и эмиттером, а также между базой и эмиттером которого включены фазирующие конденсаторы, а к эмиттеру транзистора подключен буферный усилитель, причем входные клеммы ПАВ фильтра включены между базой транзистора и общим проводом источника, а выходные клеммы ПАВ фильтра подключены между общим проводом и первым выводом индуктивности, согласно заявленному техническому решению, дополнительно введены резистор, конденсатор, варикап, анод которого подключен к общему проводу, а катод к первому выводу индуктивности, второй вывод которой подключен к первому выводу конденсатора и первому выводу резистора, причем второй вывод конденсатора подключен к общему проводу, а также введены датчик температуры, аналого-цифровой преобразователь, процессор, первый и второй цифро-аналоговый преобразователь с токовым выходом, преобразователь тока в напряжение так, что выход преобразователя тока в напряжение подключен ко второму выводу резистора, а к входу преобразователя тока в напряжение подключены выходы первого и второго цифро-аналогового преобразователя с токовым выходом, каждый вход которых подключен к первому и второму выходу процессора, который имеет четыре входа - первый, второй и третий входы для программирования процессора, к четвертому входу подключен выход аналого-цифрового преобразователя, ко входу которого подключен выход датчика температуры.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг. 1), на котором приведена схема предлагаемого генератора на ПАВ с дискретной температурной компенсацией и коррекцией частоты, поясняющая принцип его работы.
Генератор на ПАВ фильтре содержит усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором 1 между общим проводом и эмиттером, а также между базой и эмиттером которого включены фазирующие конденсаторы 2, 3, а к эмиттеру транзистора подключен буферный усилитель 4. Между базой транзистора и общей шиной источника включены входные клеммы ПАВ фильтра 5, а выходные клеммы ПАВ фильтра 5 подключены между общей шиной и входом П-контура 6, содержащего конденсатор 7, индуктивность 8, варикап 9. Соединение первого вывода конденсатора 7, второй вывод которого подключен к общему проводу, и первого вывода индуктивности 8, второй вывод которой подключен к катоду варикапа 9, анод которого подключен к общему проводу, образуют вход П-контура 6, а соединение второго вывода индуктивности 8 и катода варикапа 9 - вход П-контура 6. К катоду варикапа 9 через развязывающее сопротивление 10 и индуктивность 8 подключен выход преобразователя тока в напряжение 11. На варикап 9 (управляющая емкость) с преобразователя 11 поступает управляющее напряжение для компенсации температурных уходов частоты и коррекции частоты. Напряжение управления, формируемое в преобразователе 11, зависит от суммы токов, поступающих от цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) с токовыми выходами 12 и 13. При этом на ЦАП 12 от процессора 14 поступает управляющий код, значение которого зависит от температуры, а на ЦАП 13 от процессора 14 поступает код коррекции частоты. Значение кода коррекции зависит от значения установленного и хранящегося в памяти процессора с помощью трех внешних выводов: один для увеличения, другой для уменьшения и третий для записи кода, хранящегося в памяти процессора. Значение управляющего кода зависит от кода поступающего с аналого-цифрового преобразователя 15, в котором происходит преобразование термозависимого сигнала. Термозависимый сигнал поступает от датчика температуры 16, располагаемого так что, между датчиком температуры 16 и ПАВ-фильтром 5 разность температур была минимально возможной.
Генератор на ПАВ с дискретной температурной компенсацией и коррекцией частоты работает следующим образом. Баланс фаз в генераторе, построенном по схеме емкостной трехточки, выполняется при подключении ПАВ-фильтра между базой и общим проводом (коллектор транзистора по переменному току подключен к общему проводу), так как ПАВ-фильтр в полосе пропускания имеет индуктивную реакцию. Подключение к ПАВ-фильтру согласующего П-образного контура, содержащего варикап, позволяет изменять величину индуктивной реакции подачей управляющего напряжения на варикап. Баланс амплитуд обеспечивается за счет усилительных и нелинейных свойств транзистора. В соответствии с установленным кодом в памяти процессора (величина, которого зависит от номинального значения частоты и образца ПАВ-фильтра) и в соответствии с другим кодом (величина, которого зависит от температуры в генераторе и поступает в процессор после аналого-цифрового преобразования сигнала с датчика температуры), процессор управляет двумя цифро-аналоговыми преобразователями с токовыми выходами. Выходные токи ЦАП складываются и поступают в преобразователь тока в напряжение. Полученное таким образом, напряжение является управляющим для варикапа, включенного в согласующий П-контур. Температурная компенсация генератора на ПАВ фильтре достигается созданием температурно-зависимого управляющего воздействия через варикап П-контура на ПАВ-фильтр для регулирования его реактивного сопротивления со стороны транзисторной емкостной трехточечной схемы генератора и тем самым для уменьшения отклонения частоты генератора от заданного номинального значения в широком интервале изменения температуры окружающей среды.
Положительный эффект предлагаемого решения заключается в возможности регулирования значения выходной частоты генератора и повышения точности температурной компенсации. Повышение точности установки и воспроизводимости номинального значения частоты генератора достигнуто применением двух ЦАП с токовым выходом. В процессе настройки температурной компенсации генератора с выхода ЦАП, предназначенного для установки и коррекции значения, поступает ток, соответствующий коду, хранящемуся в памяти процессора, который, в свою очередь, не равен крайним значениям, соответствующим разрядности ЦАП, а как минимум, отличается от них на значение, достаточное для коррекции долговременных уходов частоты и достаточное для подстройки значения частоты до номинального с учетом разброса параметров ПАВ-фильтра. При этом второй ЦАП с токовым выходом, используемый для температурной компенсации уходов частоты генератора, работает в полном диапазоне значений кодов, что поднимает точность температурной компенсации, так как в этом случае можно уменьшить минимальный интервал перестройки генератора по частоте от изменения кода на единицу. Код, соответствующий термозависимому управлению генератора, может формироваться в процессоре различным образом, например, значения кодов могут вычисляться по кодам, поступающим из АЦП, с помощью уравнения, зависящего от температурно-частотной характеристики генератора на ПАВ-фильтре или могут извлекаться из памяти процессора по адресам, зависящим от кодов, поступающих из АЦП. При этом значения кодов, формируемых АЦП, зависят от температуры. Вид уравнения или массив значений кодов, хранящихся в памяти, определяется на этапе настройки температурной компенсации генератора.
Генератор на ПАВ фильтре (фиг. 1) был реализован с использованием кольцевых ПАВ-фильтров с малыми потерями, на кристалле LiNbO3 среза YX/49° с центральной частотой полосы пропускания 200 МГц. Температурная стабильность генератора на ПАВ фильтре без применения термокомпенсации в диапазоне температур от минус 50°C до плюс 90° составляет около 2 МГц или ±5000 ppm. Практически реализованное значение температурной стабильности генератора на ПАВ фильтре с предлагаемой дискретной термокомпенсацией в диапазоне температур от минус 50°C до плюс 90°C составило ±50 ppm, что на 2 порядка лучше. Точность установки номинального значения не хуже ±2,5 ppm при использовании 12-разрядных АЦП.