Спосіб вимірювання нестабільностей частоти кварцового генератору

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано для измерения нестабильностей частоты высокостабильных и прецизионных кварцевых генераторов по каждому из дестабилизирующих факторов при их одновременном воздействии. Известен способ измерения нестабильности частоты кварцевого генератора (Справочник по кварцевым резонаторам / В.Г. Андросова, В.Н. Банков, А.Н. Дикиджи и др.; Под ред. П.Г. Позднякова. - М.: Связь, 1978. - С.247 - 249), согласно которому на кварцевый резонатор, включенный в схему автогенератора, воздействуют одним из дестабилизирующих факторов и по изменению частоты генератора судят о ее нестабильности. Такой способ широко используется на практике, однако пригоден только для оценки нестабильности частоты при последовательном воздействии на генератор каждого из дестабилизирующих факторов (температуры, давления, старения, измерений напряжения питания и т.п.). В качестве прототипа выбран способ измерения нестабильности частоты кварцевого генератора, реализованный в устройстве для контроля параметров кварцевых генераторов (А.с. СССР №1347046 от 19.11.85), согласно которому кварцевый генератор помещают в задатчик температуры и при одновременном воздействии температуры и изменении напряжения питания измеряют функции изменения частоты кварцевого генератора во времени, по которой судят о температурной нестабильности частоты и о нестабильности частоты, вызванной изменениями напряжения питания. Такой способ позволяет измерять нестабильности частоты кварцевого генератора одновременно по двум дестабилизирующим факторам - температуре и напряжении питания, однако высокая точность измерения обеспечивается только при непересекающихся спектрах функций изменения температуры и напряжения питания, т. е. температура должна изменяться медленно, а напряжение питания - быстро. При увеличении числа воздействующих дестабилизирующих факторов и пересечении спектров функций их изменений точность измерений существенно понижается и использование известного способа становится невозможным. Результатом изобретения является повышение точности измерения нестабильности частоты кварцевого генератора при одновременном воздействии n-дестабилизирующих факторов. Результат достигается благодаря тому, что в способе измерения нестабильности частоты кварцевого генератора, заключающемся в воздействии на генератор дестабилизирующими факторами, предусмотрены следующие отличия: осуществляют амплитудную 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 модуляции, выделенные сигналы используют для синхронизации сигналов модуляции, а их частоты рассматривают как систему уравнений, которую разрешают относительно неизвестных n-дестабилизирующих факторов, после чего найденные величины учитывают в функциональных зависимостях нестабильности частоты кварцевого генератора от соответствующего дестабилизирующего фактора, где i = 1, ..., n; f i - частоты дополнительных резонансов кварцевого резонатора; f 0 - частота колебаний кварцевого генератора. Для пояснения сущности способа измерения нестабильностей частоты рассмотрим основные процессы, протекающие в кварцевом генераторе при модуляции его колебаний по амплитуде и частоте. Известно, что кварцевый резонатор (КР) характеризуется основной частотой колебаний f 0, на которой он возбуждается в схеме генератора, и дополнительными частотами f i (фиг.1). Причем, каждая из частот f 0, fi находится в функциональной зависимости от воздействующих дестабилизирующих факторов qi (температуры, старения, ускорения, давления, вибраций, напряжений и т.п.) где n - число воздействующих дестабилизирующих факторов. Пусть, для примера, КР характеризуется одной основной f 0 и двумя дополнительными 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 промоделировать колебание генератора по амплитуде и частоте, то функция 1 выходного сигнала примет вид [3]. где U0 - стационарная амплитуда колебаний; w 0 = 2pf 0; mA = eAKA; mw = e wKw; eA и e w - коэффициенты статических амплитудной (АМ) и частотной (ЧМ) модуляций; KA и Kw - амплитудно-частотные модуляции характеристики АМ и ЧМ; jA и jw - фазочастотные модуляционные характеристики АМ и ЧМ; j0 начальная фаза; W = 2pF - частота модуляции. Проведение KA, jA, Kw jw, в окрестностях основного и дополнительных резонансов КР показано на фиг.3. Из анализа фиг.3 следует, что jA и jw имеют вид дискриминационных характеристик на частотах 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 дестабилизирующих факторов. Тем самым информация о поведении резонаторов КР под действием дестабилизирующих факторов переносится на выходной сигнал генератора: В окрестности точки начальных условий, при которых дестабилизирующие факторы имеют, значения q10, …, qn0 функции частот f 0, F1, …, F n (6) могут быть разложены в ряд Тейлора Переходя к приращениям частот Df 0 = f 0 Рассматривая приращения частот DFi (10) как систему уравнений и разрешая ее относительно неизвестных приращений дестабилизирующих факторов Dq1, ..., Dqn, получим Согласно (7) частота f 0 имеет в точке начальных условий определенные чувствительности к каждому из дестабилизирующих факторов, измеряемые на этапе предварительных исследований Умножая найденные величины Dqi (11) на соответствующие коэффициенты (12) получим искомые величины нестабильностей частоты Df 0i, вызванных воздействием каждого из дестабилизирующих факторов: В случае необходимости при вычислении нестабильностей частоты Df 0(Dqi) учитывают нелинейные и корреляционные члены системы уравнений (9). При вычислении Df 0 в этом случае найденные величины Dqi подставляют в соответствующие функциональные зависимости, устанавливаемые на этапе предварительных исследований В этом состоит основная сущность предлагаемого способа измерения нестабильностей частоты кварцевого генератора. Следовательно, предлагаемый способ обладает новизной. Сущность предлагаемого изобретения и вариант его практической реализации поясняются чертежами: фиг.1 - типовой спектр собственных колебаний кварцевого резонатора; фиг.2 - частотные диаграммы основных процессов, протекающих в кварцевом генераторе в процессе модуляции; фиг.3 функции динамических модуляционных характеристик кварцевого генератора; фиг.4 - блок-схема практической реализации способа измерения нестабильностей частоты кварцевого генератора; фиг.5 временные диаграммы, иллюстрирующие практическую реализацию способа. Измеритель нестабильностей частоты кварцевого генератора (фиг.4) состоит из суммирующего устройства 1, измеряемого кварцевого генератора, модуляторов 3, преобразующего устройства 4, масштабирующих усилителей 5. Измеритель содержит суммирующее устройство 1, выходом подключенное ко входу управления частотой кварцевого генератора 2, выход которого соединен со входами модуляторов 3, выходы которых подключены к соответствующим входам суммирующего устройства 1 и преобразующего устройства 4. выходы которого подключены ко входам соответствующих масштабирующих усилителей 5. Дестабилизирующие факторы - физические величины q1 воздействуют на кварцевый генератор. Выходами измерителя являются выходы масштабирующих усилителей 5. Измеритель работает следующим образом. Модуляторы 3 модулируют частоту и/или амплитуду колебаний кварцевого генератора 2 сигналами с частотами Fi, поступающими на вход управления частотой генератора 2 через суммирующее устройство 1, обеспечивающее развязку сигналов между выходами модуляторов 3 и требуемые уровни сигналов на входе управления частотой генератора 2. Сигналы (3), пропорциональные огибающим АМ и/или ЧМ, выделяются из выходного сигнала (2) генератора 2 модуляторами 3 и синхронизируют по фазе (5) сигналы модуляции (4). Тем самым в кольце модуляции, образованном кварцевым генератором 2, модуляторами 3 и суммирующим устройством 1 устанавливаются колебания с частотами Fi, синхронизированные по фазе с помощью модуляционных характеристик jA и/или jw (фиг.3). Выделенные сигналы модуляции (4) с выходов модуляторов 3 поступают в преобразующее устройство 4. Функция преобразующего устройства состоит в преобразовании (разрешении) системы уравнений (10), образованной частотами модуляции (6) к системе оценок воздействующих дестабилизирующих факторов qi (11). Тем самым преобразующее устройство выполняет функцию арифметического устройства, разрешающего систему n-уравнений относительно n-неизвестных дестабилизирующих факторов. Для выполнения этой функции необходимо иметь оценки частот Fi в преобразующем устройстве. С этой целью в состав последнего введен источник опорного колебания (сигнал опорной частоты подводится к преобразующему устройству 4 извне). Практическая апробация способа проводилась на кварцевых генераторах прецизионного типа с кварцевыми резонаторами AT- и SC-срезов типа РК-187 и ПК-320. В качестве суммирующего устройства 1 использовался резистивный сумматор. В качестве кварцевого генератора 2 использовался опорный кварцевый генератор типа "Гиацинт-M". Функцию модулятора 3 выполнял синтезатор частот Ч6-31, выходной сигнал которого усиливался дополнительным усилителем, а фаза сигнала синхронизировалась с фазой огибающей AM выходного сигнала генератора 2 с помощью фазового детектора. Функцию преобразующего устройства 4 и масштабирующих усилителей 5 выполняла ЭВМ типа PC/AT. Для решения задачи одновременного измерения нестабильностей частоты кварцевого генератора по температуре и "старению" использовались, например, ангармоническая мода h513 и "В"-мода резонатора SC-среза. Временные диаграммы измерений нестабильностей частоты кварцевого генератора приведены на фиг.5. Без использования способа функция изменения частоты Df T°,t(t), зависящей от температуры T° и времени "старения" t, в течение месяца имела вид (фиг.5а). С использованием предлагаемого способа удалось автономно измерить функции нестабильностей частоты раздельно по температуре Df T°(t) (фиг.5в) и "старению" (фиг.5б) в одном масштабе времени, что необходимо для эффективной стабилизации частоты по каждому из дестабилизирующих факторов. При чувствительностях колебаний мод h513 и "В" соответственно 1Гц/°C и 500Гц/°C, а также скорости "старения" тех же мод соответственно 0,5Гц/месяц и 0,06Гц/месяц оценки нестабильностей частоты основного колебания f 0 = 5МГц в одном масштабе времени были получены с разрешением 0,0005Гц по температуре и "старению". По известному способу [2] измерение нестабильности частоты, вызванной "старением", при воздействии температуры удалось провести с разрешением не лучше 0,008Гц, т.е. с погрешностью в 16 раз большей, чем по предлагаемому способу. Тем самым экспериментально доказана возможность существенного повышения точности измерения нестабильностей частоты кварцевого генератора при одновременном воздействии двух и более дестабилизирующих факторов.