Багаточастотний кварцевий генератор

Изобретение относится к технике генерирования электрических колебаний и может быть использовано, в частности, при разработке автогенераторов для многопараметровых измерений физических величин с помощью пьезорезонансных датчиков. Наиболее близким техническим решением является многочастотный кварцевый генератор [1], содержащий последовательно соединенные активную часть и кварцевый резонатор, n цепей обратной связи, каждая из которых включена между вторым выводом кварцевого резонатора и соответствующим из n входов активной части, при этом каждая из n цепей обратной связи содержит последовательно соединенные полосовой фильтр, вход которого является входом цепи обратной связи и усилитель-ограничитель, причем в каждую из n цепей обратной связи введены последовательно соединенные фазовый детектор, первый вход которого подключен к выходу усилителя-ограничителя, фильтр нижних частот и подстраиваемый генератор, выход которого подключен ко второму входу фазового детектора и является выходом цепи обратной связи. Линейность активной части и линейный режим работы кварцевого резонатора позволяют улучшить спектральную чистоту выходных сигналов, в первую очередь, за счет подавления комбинационных составляющих спектра выходных сигналов. Однако в данном генераторе наличие межканальной связи выходов подстраиваемых генераторов через входы активной части приводит к появлению в спектре выходного сигнала 1-го канала (n-1) спектральных компонент с рабочими частотами. В основу изобретения поставлена задача создания многочастотного генератора, в которому путем использования преобразования частот обеспечивается улучшение спектральной чистоты выходных сигналов и за счет этого повышается точность датчиков физических величин и эффективность систем стабилизации частоты. Поставленная задача решается тем, что в многочастотный кварцевый генератор, содержащий активную часть, выход которой соединен с первым выводом кварцевого резонатора, n цепей обратной связи, вход каждой из которых соединен с вторым выводом кварцевого резонатора, при этом выход каждой из n цепей обратной связи соединен с одним из л входов активной части, при этом каждая из n цепей обратной связи содержит последовательно соединенные полосовой фильтр, усилитель-ограничитель, фазовый детектор, фильтр нижних частот и подстраиваемый генератор, в каждой из n цепей обратной связи выход подстраиваемого генератора соединен с другим входом фазового детектора и является одним из выходов многочастотного кварцевого генератора, вход полосового фильтра одной из n цепей обратной связи является входом этой цепи обратной связи, согласно изобретению, в каждую из (n-1) цепей обратной связи введены первый смеситель, первый вход которого является входом соответствующей цепи обратной связи, последовательно соединенные согласующий каскад и второй смеситель, выход которого является выходом соответствующей цепи обратной связи, а также дробно-рациональный преобразователь частоты, а в одну из n цепей обратной связи введен согласующий каскад, выход которого является дополнительным выходом этой цепи обратной связи, который подключен к дополнительному входу активной части, а вход согласующего каскада этой одной из n цепей обратной связи соединен с выходом подстраиваемого генератора этой же цепи обратной связи и с входами дробнорациональных преобразователей частоты других (n-1) цепей обратной связи, при этом в каждой из (n-1) цепей обратной связи выход первого смесителя соединен с входом полосового фильтра, а выход дробнорационального преобразователя частоты соединен с вторыми входами первого и второго смесителей. Достижение указанного технического результата обусловлено тем, что выход подстраиваемого генератора каждой из (n-1) цепей обратной связи соединен со входом активной части через последовательно соединенные согласующий каскад и смеситель, причем частота сигнала 1-го подстраиваемого генератора отлична от частоты выходного сигнала 1-ой цепи обратной связи, действующего на входе активной части, что позволяет значительно снизить влияние межканальной связи выходов подстраиваемых генераторов через входы активной части и, тем самым, повысить спектральную чистоту вы ходных сигналов многочастотного генератора. Для пояснения представлена структурная электрическая схема многочастотного кварцевого генератора. Многочастотный кварцевый генератор содержит активную часть 1, кварцевый резонатор 2, (n-1) цепь 3 обратной связи, n-ную цепь 4 обратной связи, которые содержат полосовой фильтр 5, усилитель-ограничитель 6, фазовый детектор (ФД) 7, фильтр нижних частот 8, подстраиваемый генератор (ПГ) 9, согласующий каскад 10, (n-1)-е цепи 3 содержат также первый и второй смесители 11, 12, и дробно-рациональный преобразователь 13 частоты. Многочастотный кварцевый генератор работает следующим образом. В момент включения происходит нарастание (выбег) частот f1,...,f n подстраиваемых генераторов (ПГ) 9 в каждой из цепей 31....3n-1, 4 обратной связи. Сигнал ПГ 9 одной из цепей обратной связи с частотой fn поступает на второй вход ФД 7 этой цепи обратной связи, на входы дробно-рациональных преобразователей 13 (n-1) други х цепей обратной связи и через согласующий каскад 10 этой же цепи поступает на дополнительный вход активной части 1, выполняющей функцию сумматора сигналов. При совпадении частоты с частотой последовательного резонанса fnк кварцевого резонатора 2, на его выходе появляется сигнал, который выделяется полосовым фильтром 5, вход которого подключен ко второму выводу кварцевого резонатора, и через усилитель-ограничитель 6 этой цепи поступает на вход фазового детектора 7, на его выходе возникает напряжение, величина и знак которого пропорциональны разности фаз сигнала с частотой fn на входе и вы ходе кварцевого резонатора 2, т.е. зависят от знака и величины расстройки между частотой подстраиваемого генератора 9 и частотой последовательного резонанса fnк кварцевого резонатора. Это напряжение через ФНЧ 8 поступает на вход управления частотой ПТ 9 и изменяет ее таким образом, чтобы обеспечивалось равенство fn=f nк . Одновременное каждой i-ой цепи 3 обратной связи, где i £ n - 1, сигнал с выхода дробно-рационального преобразователя частоты 13, обладающего коэффициентом преобразования Ni, поступает на входы смесителей 11, 12, а сигнал ПГ 9 с частотой fi поступает на второй вход ФД 7 и через согласующий каскад 10 - на вход смесителя 12, на выходе которого формируется сигнал с частотой fi'=f n.Ni±fi, который прикладывается к 1-ому входу активной части 1. Причем коэффициент преобразования Ni и знак перед вторым слагаемым выбираются такими, чтобы значение частоты fi' при заданной номинальной частоте fi подстраиваемого генератора 9, совпадало со значением резонансной частоты fiк последовательного резонанса кварцевого резонатора 2. Вследствие этого, на выходе кварцевого резонатора 2 появляется сигнал частоты fi', поступающий на второй вход смесителя 11 і-ой цепи обратной связи 3, который осуществляет обратное преобразование частоты этого сигнала. При этом на выходе полосового фильтра 5, последовательно соединенного с выходом смесителя 11, выделяется сигнал с частотой fi=fn.Ni±fi', то есть равной частоте подстраиваемого генератора 9. Этот сигнал через усилитель-ограничитель 6 поступает на первый вход фазового детектора 7. Так как смесители 11 и 12 обладают свойством переносить сдвиги фаз поступающих на их входы сигналов на частоту вы ходных сигналов, то на выходе фазового детектора 7 возникает напряжение, величина и знак которого пропорциональны величине и знаку отклонения частоты fi от значения частоты последовательного резонанса fiк кварцевого резонатора 2. Учитывая, что частота подстраиваемого генератора 9 однозначно связана через коэффициент преобразования с выходной частотой 1-ой цепи обратной связи, то напряжение с выхода фазового детектора 7 поступающее через фильтр нижних частот 8 на вход управления подстраиваемого генератора 9, изменяет его частоту таким образом чтобы обеспечивалось равенство частот fi и fiк . Таким образом, осуществляется стабилизация частот f1 ,...,f n подстраиваемых генераторов 9 всех цепей 3, 4 обратной связи частотами последовательных резонансов f1к ,...,fnк кварцевого резонатора 2. Предложенный многочастотный кварцевый генератор по сравнению с прототипом имеет лучшую спектральную чистоту выходных колебаний. Спектральная чистота сигналов предложенного генератора повышается за счет эффективного подавления в спектре выходного сигнала подстраиваемого генератора 9 і-ой цепи обратной связи спектральных компонент сигналов (n-1) подстраиваемых генераторов, возникающих за счет межканальной связи через входы активной части. Это становится возможным вследствие того, что межканальное взаимодействие происходит на частотах f 1',...,fn-1 ', о тличных от рабочих частот подстраиваемых генераторов 9, а также наличия в схеме многочастотного кварцевого генератора смесителей 12 в цепях обратной связи, что значительно снижает прохождение межканальных сигналов на выходы подстраиваемых генераторов. Так, экспериментальные исследования опытного образца трехчастотного кварцевого генератора - прототипа показали, что межканальная связь через входы активной части приводит к появлению в спектре выходного сигнала каждого подстраиваемого генератора компонент спектра остальных двух генераторов, подавленных не более чем на 40 дБ. Учитывая, что применение смесителей на двухзатворных полевых транзисторах позволяет практически полностью разделить входные и выходные цепи, т.е. получить степень развязки порядка 100 дБ, улучшение по сравнению с прототипом спектральной чистоты выходных сигналов состави т не менее 60 дБ. Кроме того предлагаемый генератор обладает более широким диапазоном рабочих частот, что обусловлено тем фактом, что в отличие от прототипа, где частоты подстраиваемых генераторов f1,...,f n в режиме захвата частоты всегда равны соответствующим частотам последовательных резонансов f1к ,…,fnк кварцевого резонатора, а следовательно, жестко определены его типом, в предложенном многочастотном кварцевом генераторе лишь частота fn подстраиваемого генератора 9 одной из цепей 4 обратной связи равна частоте последовательного резонанса используемого кварцевого резонатора 2. Частоты же подстраиваемых генераторов 9 f1,...,f n-1 остальных (n-1) цепей 3 обратной связи, являющиеся выходными сигналами многочастотного кварцевого генератора, в режиме захвата частоты связаны с соответствующими значениями частот f1к ,…,fn-1к последовательных резонансов кварцевого резонатора 2 соотношением fi=fn.Ni±fiк , I=1,…,n-1. Следовательно, при использовании широко применяемых кварцевых резонаторов с частотами гармонических и ангармонических последовательных резонансов f1к ,…,fn, лежащих в диапазоне (1...10) МГц, и не вызывающих затруднений в реализации коэффициентов преобразования дробно-рациональных преобразователей частоты 13, возможно расширение диапазона рабочих частот до значений (103-1010) Гц. Причем реализация высоких коэффициентов преобразования Ni не сопровождается ухудшением спектральной частоты сигналов ПР 9, т.к. шумы дробно-рационального преобразователя 13 эффективно фильтруются соответствующими последовательными резонансами кварцевого резонатора 2 и ФНЧ 8, входящими в цепь обратной связи. Помимо этого, при использовании многочастотного кварцевого генератора в составе первичных преобразователей многопараметровых пьезорезонансных датчиков физических величин, выбор частот подстраиваемых генераторов 9 цепей обратной 3 связи в диапазоне низких (1...10) кГц частот обеспечивает снижение требований к быстродействию вторичных преобразователей частота-код и соответствующее снижение энергопотребления их элементов, В то же время абсолютные изменения резонансных частот кварцевого резонатора 2, работающего в оптимальном для его реализации диапазоне (1...10) МГц, полностью переносятся на частоты соответствующи х подстраиваемых генераторов 9. Использование предложенного многочастотного кварцевого генератора позволяет повысить спектральную чистоту выходных сигналов за счет снижения не менее чем на 60 дБ величины взаимного проникновения сигналов подстраиваемых генераторов, а также в 103…106 раз расширить диапазон рабочих частот по сравнению с генератором - прототипом. Предлагаемый многочастотный кварцевый генератор может быть использован при разработке прецизионных первичных преобразователей многопараметровых датчиков физических величин, а также в системах стабилизации частоты.