Спосіб стабілізації частоти кварцового генератору

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для построения прецизионных кварцевых генераторов с малыми режимными нестабильностями частоты. Известен способ стабилизации частоты кварцевого генератора (Альтшуллер Г.В., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г. Кварцевые генераторы: Справ. пособие. - М.: Радио и связь, 1984. - С.81), заключающийся в том, что температурные уходы частоты генератора компенсируют сигналом введенного в схему формирователя термозависящего напряжения, подаваемого в цепь управления частотой генератора. Кварцевые генераторы, реализованные по такому способу, получили название термокомпенсированных и имеют малую температурную режимную нестабильность частоты. Однако существенно уменьшить режимную нестабильность частоты кварцевого генератора при таком способе невозможно. В качестве прототипа выбран способ стабилизации частоты кварцевого генератора (Там же. - С.127), заключающийся в термостатировании кварцевого генератора в регулируемом термостате, использовании автоматической регулировки амплитуды колебаний кварцевого резонатора и стабилизации напряжения питания. Такой способ, основанный на использовании в кварцевом генераторе систем и устройств стабилизации температурного и электрического режимов его работы, позволяет существенно уменьшить режимную (эксплуатационную) нестабильность частоты. При этом остаточная режимная нестабильность частоты, определяемая предельными точностными характеристиками систем и устройств стабилизации, оказывается на несколько порядков больше кратковременной нестабильности частоты генератора, что является существенным недостатком такого способа. Результатом изобретения является уменьшение режимной нестабильности частоты кварцевого генератора при одновременном изменении n-параметров режима путем управления системами и устройствами стабилизации сигналами, пропорциональными изменениям частот дополнительных резонансов кварцевого резонатора. Результат достигается благодаря тому, что в способе стабилизации частоты кварцевого генератора, заключающемся в стабилизации параметров режима его работы - температуры, напряжения питания, мощности рассеяния резонатора и т.п., предусмотрены следующие отличия: осуществляют амплитуду и/или частотную модуляции колебаний генератора сигналами модуляции с частотами Fi = f i - f 0, выделяют из выходного сигнала генератора сигналы, пропорциональные огибающим амплитудной и/или частотной модуляций, выделенные сигналы используют для синхронизации сигнала модуляции и совместно с сигналом основной частоты колебаний кварцевого генератора преобразовывают к сигналам, каждый из которых пропорционален одному из параметров режима, преобразованные сигналы сравнивают с эталонными сигналами, полученные сигналы отклонений масштабируют и используют для управления системами и устройствами стабилизации режима, а также для компенсации уходов частоты генератора, где i = 1, ..., n; f i частоты дополнительных резонансов кварцевого резонатора генератора; f 0 - частота колебаний кварцевого генератора. Для пояснения сущности способа рассмотрим основные процессы, протекающие в кварцевом генераторе при модуляции его колебаний по амплитуде и частоте и изменении режима работы. Известно, что кварцевый резонатор КР характеризуется основной частотой колебаний f 0, на которой он возбужден в схеме генератора, и дополнительными частотами f i (фиг.1) (Справочник по кварцевым резонаторам / Под ред. П.Г. Кандыбы и П.Г. Позднякова. - М.: Связь, 1978. - С.47), причем каждая из частот f 0, f i находится в функциональной зависимости от параметров режима xj (температуры, старения, ускорения, давления, вибраций, напряжений и т.п.) где n - число учитываемых параметров режима работы. Пусть, для примера, КР характеризуется одной основной f 0 и двумя дополнительными (побочными) f 1 и f 2 частотами колебаний (фиг.2а). При включении такого КР в схему генератора нагруженная частотная характеристика резонатора приобретает вид (фиг.2б), а на выходе генератора устанавливается колебание частоты f 0 со спектральной плотностью Sj(f) (фиг.2в). Если промодулировать колебание генератора по амплитуде и частоте, то функция 1 выходного сигнала примет вид [3] где U0 - стационарная амплитуда колебаний; w 0 = 2pf 0; mA = e AKA; mw = e wKA; eA и e w - коэффициенты статических амплитудной (АМ) и частотной (ЧМ) модуляций; KA и Kw - амплитудно-частотные модуляционные характеристики АМ и ЧМ; jA и jw фазочастотные модуляционные характеристики AM и ЧМ; j0 - начальная фаза; W = 2pF - частота модуляции. Поведение KA, jA, Kw, jw в окрестностях основного и дополнительных резонансов KP показано на фиг.3 [3]. Из его анализа следует, что jA и jw имеют вид дискриминационных характеристик на частотах модуляции Wi = 2pFi. Если из сигнала (2) выделить составляющие с частотами и синхронизировать ими по фазе модулирующие сигналы тем самым обеспечив выполнение условия то частоты сигналов огибающих АМ и ЧМ окажутся, согласно (1), зависимыми от параметров режима x1, ..., хn. Тем самым информация о поведении частот дополнительных резонансов КР при изменении режима работы генератора переносится на его выходной сигнал. При этом в спектре генератора появляются составляющие с частотами В окрестности точки заданного режима работы параметры режима известны (заданы) и имеют значения x10, ..., xn0, а функции частот f 0 и F1, ..., Fn (6) могут быть разложены в ряд Тейлора Переходя к приращениям частот Df 0 = f 0 Рассматривая приращения частот DFi (10) как систему уравнения и разрешая ее относительно неизвестных приращений параметров режима x1, ..., xn , получим Измеренные таким образом отклонения параметров режима (11) от заданных значений x10, ..., xn0 несут в себе информацию о погрешностях систем и устройств стабилизации режима генератора. Для устранения этих погрешностей сигналы (11) масштабируют и подают в цепи управления устройствами и системами стабилизации режима. При этом цель управления состоит в уменьшении величин (11) до нулевых уровней. В этом состоит основная сущность предлагаемого способа стабилизации частоты кварцевого генератора. Следовательно предлагаемый способ обладает новизной. Сущность предлагаемого изобретения и описание варианта его практической реализации поясняются чертежами: фиг.1 - типовой, спектр собственных колебаний кварцевого резонатора; фиг.2 - частотные диаграммы основных процессов, протекающих в кварцевом генераторе при модуляции; фиг.3 - функции динамических модуляционных характеристик кварцевого генератора; фиг.4 - блок-схема практической реализации способа стабилизации частоты кварцевого генератора; фиг.5 - временные диаграммы, иллюстрирующие практическую реализацию способа. Прецизионный кварцевый генератор (фиг.4) состоит из масштабирующих усилителей 1, устройств сравнения 2, суммирующего устройства 3, образующего устройства 4, систем и устройств стабилизации режима 5, кварцевого генератора 6, модуляторов 7, кварцевого фильтра 8. Прецизионный кварцевый генератор содержит масштабирующие усилители 1, входами подключенные к выходам соответствующих устройств сравнения 2, суммирующего устройства 3, 1, ..., n входы которого соединены соответственно с 1, …, n входами преобразующего устройства 4, систем и устройств стабилизации режима 5, 1, ..., n входы которого соединены с выходами соответствующих масштабирующих усилителей 1, а n + 1 вход и выход соединены соответственно с первыми выходом и входом кварцевого генератора 6, второй вход которого подключен к выходу суммирующего устройства 3, а второй выход соединен с входами модуляторов 7 и кварцевого фильтра 8, выход которого подключен к n + 1 входу преобразующего устройства 4, причем выходы модуляторов 7 подключены к соответствующим входам суммирующего устройства 3, выходы преобразующего устройства соединены с первыми входами соответствующих устройств сравнения 2, эталонные сигналы x10, ..., xn0 подаются на вторые входы соответствующих устройств сравнения 2, а выходом прецизионного кварцевого генератора является выход кварцевого фильтра. Прецизионный кварцевый генератор работает следующим образом. Предварительно отработанный базовый кварцевый генератор, состоящий из собственно кварцевого генератора 6 и систем и устройств стабилизации режима 5, в качестве которых используются системы термостабилизации режима работы кварцевого резонатора, системы автоматической регулировки амплитуды колебаний пьезотока резонатора или мощности рассеяния на резонаторе, устройства стабилизации напряжения питания и другие. В базовом кварцевом генераторе проводят исследования зависимостей частот дополнительных резонансов кварцевого резонатора от изменений параметров режима x1, …, xn. Тем самым определяют чувствительность частот f 0; F1, ..., Fn к изменениям параметров режима в соответствии с (7), (8). В зависимости от числа учитываемых параметров режима и чувствительностей частот F1, ..., Fn к их изменениям выбирают дополнительные резонансы, наиболее пригодные для дальнейшего преобразования. После выбора дополнительных резонансов с частотами F1, ..., Fn настраиваются соответствующие модуляторы 7, которые через суммирующее устройство 3 подключаются к второму - управляющему входу кварцевого генератора 6 и осуществляют модуляцию его сигнала. Модуляторы 7 осуществляют также выделение из выходного сигнала генератора 6 сигналов с частотами модуляции F1, ..., Fn и синхронизируют ими по фазе сигналы модуляции, тем самым выполняя условие (5). При атом на выходах модуляторов 7 устанавливаются сигналы с частотами, зависящими от изменений параметров режима (6). Сигналы с частотами F1, ..., Fn, а также сигнал основной частоты генератора f 0, выделенный на выходе кварцевого фильтра 8, поступают на преобразующее устройство 4, функция которого состоит в разрешении системы уравнений (6) относительно параметров режима x1, ..., xn. Таким образом функцию преобразующего устройства должно выполнять арифметическое вычислительное устройство, преобразующее систему уравнений (6) к системе уравнений типа (11). Вычисленные оценки параметров режима x1, ..., xn сравнивают в устройствах сравнения 2 с соответствующими заданными уровнями x10, ..., xn0 , получая тем самым сигналы отклонений параметров режима от требуемых значений Dx1, ..., Dxn. Сигналы отклонений (11) масштабируют масштабирующими усилителями 1, в результате чего получают сигналы управления S1, ..., Sn, которые используют для управления системами и устройствами стабилизации режима 5. Причем цепи управления настраиваются таким образом, чтобы действие сигналов S1, ..., Sn приводило к уменьшению соответствующих отклонений Dx1, ..., Dxn до минимально возможных уровней. Таким образом, введение дополнительных узлов и блоков в базовый генератор, на основе реализации предлагаемого способа, позволяет стабилизировать режим работы кварцевого генератора по отклонениям частот его дополнительных резонансов в процессе изменения режима его работы. Практическая апробация способа проводилась на базовых кварцевых генераторах прецизионного типа "Гиацинт-М", имеющих следующие системы и устройства стабилизации режима: пропорциональную систему термостабилизации, систему автоматической регулировки амплитуды колебаний кварцевого генератора, устройство стабилизации напряжения питания, устройство коррекции частоты на основе варикапа. В качестве масштабирующих усилителей 1 и устройств сравнения 2 использовались операционные усилители. Функцию суммирующего устройства выполнял резистивный сумматор. Функцию преобразующего устройства выполняла персональная ЭВМ типа PC/AT. Кварцевый генератор 6 и системы и устройства стабилизации режима 5 заменялись прецизионным кварцевым генератором "Гиацинт-М". Модуляторы выполнялись в виде стандартных измерительных приборов - синтезаторов частот типа 46 - 31, выходной сигнал которого усиливался дополнительным усилителем, а фаза сигнала синхронизировалась с фазой огибающей АМ выходного сигнала генератора 6 с помощью фазового детектора. В качестве кварцевого фильтра 8 использовался прецизионный кварцевый резонатор типа РК-320. При апробации способа не ставилась задача миниатюризации, поэтому получение эффекта достигалось на измерительном стенде. При необходимости не составляет труда создать малогабаритную конструкцию прецизионного генератора в целом. Для достижения эффекта одновременно по температуре и старению использовались дополнительные резонансы мод h513 и h531 кварцевого резонатора АТ-среза, имеющие температурные чувствительности -0,9Гц/°C и 1,0Гц/°C и чувствительности к старению 0,5Гц/месяц и 0,55Гц/месяц. Сигналы S1(T°) и S2(t), полученные в результате применения способа, использовались для стабилизации режима. Сигнал S1(T°), пропорциональный температуре T°, использовался для уменьшения ошибки системы термостатирования путем ее адаптации. В результате функция температурной нестабильности частоты (фиг.5в), которая вместе с функцией долговременной нестабильности частоты (фиг.5б) составляет результирующую функцию изменения нестабильности частоты во времени (фиг.5а), приобрела вид (фиг.5д). Сигнал S2(t), пропорциональный "старению" генератора, в качестве сигнала управления подавался на вход устройства коррекции частоты генератора. В результате функция собственно старения генератора (фиг.5б) приобрела вид (фиг.5г). Одновременное действие двух функций S1(T°) и S2(t) приводило к тому, что функция изменения нестабильности частоты во времени Df 01 (T°, t) принимала вид (фиг.5е), то есть становилась значительно более стабильной во времени, что и является основной целью предлагаемого способа. В результате реализации способа удалось уменьшить температурную нестабильность частоты генератора в 5 раз, а долговременную - в 16 раз. Причем полученные оценки являются частными. Практически возможно уменьшение нестабильностей частоты по каждому из дестабилизирующих факторов более чем на порядок. Таким образом экспериментально доказана возможность существенного уменьшения режимной нестабильности частоты кварцевых генераторов при одновременном изменении двух (и более) параметров режима работы.