Двухмодовый кварцевый генератор

Использование: в опорных генераторах в качестве источника высокостабильных колебаний и датчика температуры пьезопластины кварцевого резонатора (КР). Сущность изобретения: схема генератора представляет собой двухчастотный двухмодовый кварцевый генератор (КГ), имеющий улучшенный спектр выходного напряжения, построенный на основе двухчастотной модифицированной схемы генератора Колпитца, используемой в режиме одномодового возбуждения и одновременно в качестве частотно-зависимого фазовращателя для сигнала поступающего из цепи фазовой автоподстройки частоты. При этом решается проблема получения спектрально чистого опорного колебания на выходе КГ с частотой моды С и получения информации о температуре пьезопластины двухмодового КР в виде частоты, равной разности частот мод В и С того же КР, в широком диапазоне рабочих температур. Эффект основан на извлечении информации из КГ о температуре КР в виде разности фаз между внешним модулирующим колебанием и откликом на него двухмодового КГ, работающего в одночастотном режиме, и преобразовании этой информации в петле фазовой автоподстройки частоты в частоту генератора, управляемого напряжением (ГУН). Фазовый принцип управления частотой внешнего модулирующего ГУН, вследствие его потенциально большей помехоустойчивости по сравнению с амплитудными принципами регулирования уровня возбуждаемых мод, дает возможность уменьшить амплитуду внешнего модулирующего воздействия на двухмодовый автогенератор, устойчиво работающий в одночастотном режиме, и тем самым повысить спектральную чистоту опорного колебания моды С на выходе КГ, а с выхода ГУН, не включенного в автогенераторную часть двухмодового КГ, получить сигнал, несущий информацию о температуре двухмодового КР. При этом уровень опорного колебания моды С в спектре выходного сигнала КГ на 65 дБ и более превышает уровень полезного колебания с частотой равной разности частот мод В и С, так и уровни их комбинационных составляющих.

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в составе генераторов опорных частот в качестве источника высокостабильных колебаний и датчика температуры пластины кварцевого резонатора (КР).

Одной из основных проблем стабилизации частоты является точное измерение температуры пьезопластины КР. Использование внешнего термодатчика приводит к возникновению статической и динамической ошибок измерения температуры из-за пространственного разделения объема пьезопластины КР и собственно термодатчика. Эффективным методом повышения точности измерения температуры пьезопластины является использование двухчастотного двухмодового возбуждения КР двухповоротных срезов ТД (SC), ИТ. При этом колебания моды С используются как источник опорной частоты, а моды В - в качестве стабильного во времени температурного датчика с температурным коэффициентом частоты - (-150...-200) Гц/°С. Двухчастотные двухмодовые кварцевые генераторы (КГ) являются основой для построения прецизионных термостатированных и термокомпенсированных опорных генераторов, способных обеспечить относительную температурную стабильность до ±5·10^-8 и выше в широком диапазоне температур.

Возбуждение одновременно двух мод, особенно в автогенераторах с общей активной частью и общей нелинейностью для обоих типов колебаний, по сравнению с одномодовым режимом накладывает жесткие требования к схеме КГ, как с точки зрения устойчивости двухчастотного режима, так и обеспечения заданной спектральной чистоты выходного опорного сигнала моды С автогенератора при целом наборе дестабилизирующих факторов: широком интервале температур, изменения соотношения динамических сопротивлений мод КР за счет неизохронности КР, вследствие явления «перекачки» энергии с одной моды на другую, изменения отрицательного входного сопротивления активной части КГ при режимной нестабильности. Следует отметить, что в сравнении с одномодовым режимом работы автогенератора, требования к режиму двухмодового возбуждения КР в тех же условиях всегда жестче и трудновыполнимее.

Известна схема двухчастотного КГ [1. Авторское свидетельство СССР №1573524 А1. Двухчастотный кварцевый генератор. / Багаев В.П., Завьялов С.А. - Опубл. в Бюл. №23 1990 (кл. Н 03 В 5/32, 1990, Омский политехнический институт, Багаев В.П., Завьялов С.А.)], содержащего в своем составе схему возбуждения, построенную на двух транзисторных усилителях, охваченную двумя ветвями обратной связи с помощью

конденсатора, RC-цепи и двойного Т-моста, с кварцевым резонатором, схему управления коэффициентом регенерации автогенератора, построенную на втором конденсаторе и варикапе, и последовательной цепи, цепи регулирования амплитуды колебания разностной частоты между основной и вспомогательной модами, построенной на детекторе, полосовом фильтре, усилителе, амплитудном детекторе и фильтре. Недостатком данного КГ является наличие в спектре выходного основного колебания комбинационных частот и частоты вспомогательной моды, подавленных относительно основной моды не более чем на 45... 58 дБ. Этот недостаток является следствием ограничения диапазона регулирования коэффициента регенерации областью удержания двухчастотного режима возбуждения и из-за недостаточной помехоустойчивости использованного в КГ амплитудного принципа регулирования соотношения уровня возбуждаемых мод.

Наиболее близкий к предлагаемой полезной модели по технической сущности, является двухмодовый кварцевый генератор [2. Патент №30476 от 27.06.03 «Двухмодовый кварцевый генератор», Завьялов С.А., Губарев А.А. - Бюл. №18 27.06.2003 (кл. H 03 В 5/32, 2003, Имя патентообладателя: Омский государственный технический университет, авторы: Завьялов С.А., Губарев А.А.)], с расширенной областью значений динамических сопротивлений КР по обеим модам колебаний, построенный как схема емкостной трехточки на основе генератора Колпитца, содержащий усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором, между общей шиной источника питания и эмиттером, а также между базой и эмиттером транзистора включены фазирующие конденсаторы, при этом между базой транзистора и общей шиной источника питания включен кварцевый резонатор, между эмиттером транзистора и общей шиной источника питания включена последовательная RC-цепь, между коллектором и эмиттером транзистора включен конденсатор, а между коллектором транзистора и положительной клеммой источника питания включен резистор.

Недостатком данного КГ является нестабильный спектр выходного сигнала КГ, зависящий от положения рабочей точки транзистора автогенератора. При изменении напряжения базового смещения транзистора, или изменении соотношения динамических сопротивлений потерь КР по обеим модам колебаний происходит изменение амплитудных соотношений спектральных составляющих мод С, В и их разностных компонент. Причем положение рабочей точки транзистора автогенератора определяет исходное превышение на выходе КГ амплитуды моды С над амплитудой моды В и их комбинационными составляющими, которое может меняться в широком диапазоне значений от (5...15) дБ до (45...55) дБ вплоть до исчезновения двухмодового режима. Зона существования двухмодового режима при изменении положения рабочей точки автогенератора

существенно уже, чем зона существования одномодового режима с выходным колебанием моды С. При увеличении напряжения базового смещения происходит уменьшение уровня моды В и комбинационных составляющих мод В и С и дальнейший переход автогенератора в устойчивый одномодовый режим с выходным колебанием моды С.

Задачей полезной модели является повышение спектральной чистоты основного опорного колебания моды С на выходе двухмодового КГ с уровнем, значительно превышающем уровни колебаний моды В и всех комбинационных составляющих мод В и С, и получение сигнала, равного разности частот мод В и С двухмодового КР, несущего информацию о температуре пьезопластины, путем использования двухмодового КГ с расширенной областью значений динамических сопротивлений двухмодовых КР в режиме одночастотного возбуждения для колебаний моды С и одновременно в качестве частотно-зависимого фазовращателя внешнего модулирующего колебания, с частотой равной разности частот мод В и С двухмодового КР, поступающего от генератора, управляемого напряжением (ГУН), причем разность фаз между колебанием собственно ГУН и тем же колебанием ГУН, пропущенным через двухмодовый автогенератор, работающий с двухмодовым КР в одночастотном режиме, преобразуется далее в частоту ГУН, значение которой является информацией о температуре двухмодового КР.

Указанная задача достигается тем, что к двухмодовому КГ с расширенной областью значений динамических сопротивлений КР по обеим модам колебаний, содержащему усилитель-возбудитель на транзисторе по схеме с общим коллектором, между общей шиной источника питания и эмиттером, а также между базой и эмиттером транзистора включены фазирующие конденсаторы, при этом между базой транзистора и общей шиной источника питания включен кварцевый резонатор, а между эмиттером транзистора и общей шиной и сточника питания включена последовательная RC-цепь, между коллектором и эмиттером транзистора включен конденсатор, а между коллектором транзистора и положительной клеммой источника питания включен резистор, к точке соединения фазирующих конденсаторов подключаются последовательно соединенные полосовой фильтр (ПФ) с центральной частотой, равной разности частот мод В и С, и усилитель-ограничитель, выход которого соединен с первым входом импульсного частотно-фазового детектора (ИЧФД) цепи фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), ко второму входу которого подключен выход ГУН, управляющий вход которого через фильтр нижних частот (ФНЧ) соединен с выходом ИЧФД, кроме того, выход ГУН через взвешивающую, последовательную RC-цепь подключен обратно к точке соединения фазирующих конденсаторов.

На фиг.1 приведена схема предложенного двухмодового КГ. Двухмодовый КГ содержит усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором 1, между общей 3

шиной источника питания и эмиттером, а также между базой и эмиттером транзистора включены фазирующие конденсаторы 2 и 3, а между базой транзистора и общей шиной источника питания включен КР 4. Между эмиттером и общей шиной включена последовательная RC цепь 5, между эмиттером и коллектором транзистора включен конденсатор 6, а в цепи коллектора - резистор 7. Точка соединения фазирующих конденсаторов 2 и 3 автогенератора 8, являющаяся выходом опорного колебания, подключена к последовательной цепи, состоящей из ПФ 9, усилителя-ограничителя 10, выход которого подключен к первому входу ИЧФД 11. Ко второму входу ИЧФД 11 подключен выход ГУН 12, управляющий вход которого через ФНЧ 13 подсоединен к выходу ИЧФД 11, кроме того, выход ГУН 12 через последовательную взвешивающую RC-цепь 14 подключен обратно к точке соединения фазирующих конденсаторов 2 и 3, причем выход ГУН 12 является выходом разностного колебания, несущего информацию о температуре пьезопластины.

Генератор работает следующим образом. В момент включения питания двухмодовый автогенератор 8 возбуждается в одночастотном режиме на частоте f_c моды С двухмодового КР 4, одновременно в ГУН 12 возникают колебания с частотой f'_B-Cf_B-f_C, близкой по значению разности частот f_C основной моды С и f_B термочувствительной моды В двухмодового КР 4. С выхода ГУН 12 колебание, с частотой f' _B-C, через взвешивающую RC-цепь 14 поступает в точку соединения фазирующих конденсаторов 2 и 3 автогенератора 8. Процессы преобразования сигналов внутри схемы автогенератора 8 проиллюстрированы на фиг.2.

Под действием двух напряжений, внутреннего опорного колебания автогенератора частотой f_C и внешнего для автогенератора колебания частотой f'_B-C , поступающего через взвешивающую RC-цепь с меньшим уровнем чем f_C, на нелинейности активной части схемы автогенератора 8 происходит амплитудная модуляция колебания f _C внешней частотой f'_B-C с появлением боковых комбинационных составляющих, равных f _C±(f'_B-C). Комбинационная составляющая f'_B=f_C +(f'_B-C), со значением частоты достаточно близким к частоте моды В f_B двухчастотного КР 4, поступает далее на резонансную цепь, образованную двухмодовым КР 4 на частоте моды В и активной частью схемы автогенератора 8, проходя через которую получает фазовый сдвиг, пропорциональный отстройке частоты f_B от частоты f _B моды В двухмодового КР 4 в соответствии с фазовой характеристикой резонансной цепи. Колебание со сдвигом фазы f' _B(), в свою очередь, смешивается с опорной частотой f _C автогенератора, вызывая

появление в схеме нового комбинационного продукта f"_B-C()=f'_B()-f_C, большего по амплитуде, вследствие его взаимодействия с активной частью автогенератора 8, и отличающегося по фазе от входного модулирующего колебания f' _B-C. Причем фазовый сдвиг между колебанием с частотой f'_В-С и колебанием с частотой f"_B-C(), появляющимся на выходе автогенератора 8, пропорционален отстройке модулирующей частоты f'_B-C ГУН 12 от значения разностной частоты f_В-C =f_В-f_C двухмодового автогенератора 8, частоты, которая присутствовала бы в случае, если бы генератор работал в двухчастотном режиме. Таким образом, автогенератор 8, генерирующий в одночастотном режиме на моде С двухмодового КР 4, является одновременно частотно-зависимым фазовращателем внешнего модулирующего колебания, близкого, но пока не равного по частоте, колебанию разностной частоты f _B-C, несущего информацию о температуре двухмодового КР 4.

С выхода автогенератора 8 сигнал, получивший фазовый сдвиг f"_B-C(), отфильтрованный полосовым фильтром 9 с центральной частотой f_B-C от сигналов с частотами f _C, f_C±(f' _B-C) поступает на вход усилителя ограничителя 10, где происходит его усиление и подавление паразитной амплитудной модуляции за счет эффекта ограничения амплитуды, после чего ограниченный по уровню сигнал f"_В-С() подается в петлю ФАПЧ на первый вход ИЧФД 11, на второй вход которого поступает колебание f'_В-С с ГУН 12. С выхода ИЧФД 11 напряжение, пропорциональное разности фаз модулирующего колебания f'_В-С ГУН 12 и отклика на него автогенератора f" _В-С(), через ФНЧ 13 поступает на управляющий вход ГУН 12. Тип ИЧФД 11 и характеристика управления ГУН 12 в петле ФАПЧ подобраны так, что под действием управляющего напряжения, поступающего с выхода ИЧФД 11 на ГУН 12 уменьшается разность фаз между f' _B-C и f"_B-C(). И тем самым значение частоты комбинационной составляющей f'_B=f_С+(f' _В-С), внутри схемы автогенератора 8, стремится стать равным значению резонансной частоты f_B моды В двухмодового КР 4. При достижении частоты комбинационной составляющей f'_B=f_C+(f' _B-C) значения f_B, изменение фазы f'_B-C прекращается и в петле ФАПЧ происходит захват и дальнейшее с высокой точностью удержание модулирующей частоты ГУН 12 на частоте, равной разностной частоте f _В-C=f_В-f_C двухмодового автогенератора 8. При изменении температуры в соответствии с температурно-частотной характеристикой двухмодового КР 4 происходит изменение резонансной частоты f_B моды В двухмодового КР 4, фаза отклика с частотой

разностного колебания на выходе автогенератора получает дополнительный набег, который компенсируется петлей ФАПЧ и, следовательно, происходит слежение ГУН 12 за частотой f_B моды В двухмодового КР 4. Электрическое колебание со значением частоты f _B-C с ГУН 12 несет информацию о температуре двухмодового КР 4 и подается на выход двухмодового КГ для дальнейшей обработки. Степень подавления комбинационных продуктов относительно полезного колебания моды С на выходе двухмодового КГ зависит от величины сопротивления во взвешивающей RC-цепи 14 и сквозного коэффициента усиления ПФ 9 с усилителем-ограничителем 10.

В практических экспериментах превышение амплитуды моды С над амплитудой сигнала с частотой моды В и их комбинационными составляющими достигало (65...70) дБ.

Положительный эффект в предлагаемой полезной модели основан на замене амплитудного принципа регулирования соотношения уровней возбуждаемых мод [1] на фазовый принцип регулирования. Использование фазового принципа, вследствие его потенциально большей помехоустойчивости при работе с малыми сигналами по сравнению с амплитудным принципом регулирования, дает возможность уменьшить амплитуду внешнего модулирующего воздействия на двухмодовый автогенератор, работающий в одночастотном режиме, причем одномодовый режим автогенератора всегда более устойчив, по сравнению с двухмодовым режимом автогенератора, и тем самым повысить спектральную чистоту опорного колебания моды С на выходе генератора, а с выхода ГУН, не включенного в автогенераторную часть двухмодового КГ, получать сигнал, несущий информацию о температуре двухмодового КР.

Двухмодовый кварцевый генератор (КГ), содержащий усилитель-возбудитель на транзисторе по схеме с общим коллектором, между общей шиной источника питания и эмиттером, а также между базой и эмиттером транзистора включены фазирующие конденсаторы, при этом между базой транзистора и общей шиной источника питания включен кварцевый резонатор, а между эмиттером транзистора и общей шиной источника питания включена последовательная RC-цепь, между коллектором и эмиттером транзистора включен конденсатор, а между коллектором транзистора и положительной клеммой источника питания включен резистор, отличающийся тем, что к точке соединения фазирующих конденсаторов автогенератора, являющейся выходом опорного колебания моды С двухмодового КГ, подключается цепь, состоящая из полосового фильтра с центральной частотой, равной разности частот мод В и С двухмодового кварцевого резонатора (КР), и последовательно включенного с ним усилителя-ограничителя, выход которого подключен к первому входу импульсного частотно-фазового детектора (ИЧФД), ко второму входу которого подключен выход генератора управляемого напряжением (ГУН), управляющий вход которого через фильтр нижних частот (ФНЧ) подсоединен к выходу ИЧФД, при этом выход ГУН, являющийся выходом сигнала о температуре двухмодового КР с частотой, равной разности частот мод В и С двухмодового КР, подключен через последовательную взвешивающую RC-цепь обратно к точке соединения фазирующих конденсаторов автогенератора.