Устройство термокомпенсации кварцевого генератора

 

Изобретение относится к устройствам термокомпенсации опорных кварцевых генераторов и может быть использовано для создания задающих генераторов переносной радиоаппаратуры. Целью изобретения является повышение быстродействия и точности термокомпенсации. Устройство термокомпенсации кварцевого генератора содержит кварцевый генератор 1 с положительным температурным коэффициентом частоты /ТКЧ/, кварцевый генератор 2 с отрицательным ТКЧ, формирователь разности частот 3, делитель частоты 4, первый счетчик 5, второй счетчик 6, первый RS-триггер 7, элемент совпадения 8, третий счетчик 9, цифровой компаратор 10, элемент И - НЕ 11, второй RS-триггер 12, элемент ИЛИ 13. Формирователем разности частот 3 выделяется разностная частота кварцевых генераторов 1,2, которая с помощью делителя частоты 4 преобразуется в количество импульсов, фиксирующихся в первом счетчике 5. Это число импульсов с помощью первого и второго RS-триггеров 7,12 третьего счетчика 9, цифрового компаратора 10 суммируется с количеством импульсов, прошедших через второй счетчик 6, многократно формируется эталонный интервал времени, соответствующий опорной частоте. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам термокомпенсации опорных кварцевых генераторов и других высокостабильных генераторов. Оно может быть использовано для создания задающих генераторов малогабаритной переносной аппаратуры, к которой предъявляются повышенные требования к температурной стабилизации частоты, ограничению веса и потребляемой мощности.

Известен термокомпенсированный опорный кварцевый генератор, содержащий последовательно соединенные датчик температуры, модулятор, к второму входу которого подключен генератор функции, аналого-цифровой преобразователь, запоминающий блок, цифроаналоговый преобразователь, фильтр низких частот, управляющий элемент и управляемый генератор, где подстройка частоты управляемого генератора происходит в зависимости от значения температуры.

Недостатком устройства является общеизвестная инерционность датчиков температуры и сложный процесс преобразования, вносящий дополнительную погрешность.

Известно также устройство, принятое за прототип, содержащее последовательно соединенные опорный кварцевый автогенератор и вычитатель частоты, термочувствительный автогенератор, блок постоянного запоминания, последовательно соединенные интегрирующие звено и управляемый генератор, выход которого подключен к второму входу вычитателя частоты, делитель частоты, первый и второй ключи, первый и второй регистры хранения, ЦАП, блок синхронизации, реверсивный счетчик [1] .

Недостатками устройства являются сложный и делительный процесс преобразования и низкая точность, вызванная применением аналоговых элементов.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности термокомпенсации, что обеспечивается исключением из состава генератора системы термостатирования и ее элементов, являющихся инерционными; обеспечением немедленной готовности к применению; исключением из системы коррекции частоты генератора аналоговых элементов, вносящих дополнительные погрешности.

Цель достигается тем, что в устройство термокомпенсации кварцевого генератора, содержащее кварцевый генератор с положительным температурным коэффициентом частоты, кварцевый генератор с отрицательным температурным коэффициентом частоты, делитель частоты, формирователь разности частот и первый счетчик, при этом выходы кварцевого генератора с положительным температурным коэффициентом частоты и кварцевого генератора с отрицательным температурным коэффициентом частоты подключены к соответствующим входам формирователя разности частот, введены последовательно соединенные второй счетчик, первый RS-триггер; элемент совпадения, третий счетчик, цифровой компаратор, элемент И-НЕ и второй RS-триггер, а между неинверсным выходом второго RS-триггера и S-входом первого RS-триггера введен элемент ИЛИ, при этом делитель частоты включен между выходом формирователя разности частот и счетным входом первого счетчика, вход установки в ноль которого соединен с входом установки в ноль третьего счетчика и подключен к инверсному выходу второго RS-триггера, счетный вход второго счетчика соединен с вторым входом элемента совпадения и подключен к выходу кварцевого генератора с положительным температурным коэффициентом частоты; второй вход элемента И-НЕ соединен с первым входом элемента совпадения, S-вход второго RS-триггера соединен с S-входом первого RS-триггера, информационные выходы первого счетчика соединены с соответствующими входами цифрового компаратора, а входом "ПУСК" и выходом устройства термокомпенсации кварцевого генератора являются соответственно другой вход элемента ИЛИ и неинверсный выход второго RS-триггера.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием новых элементов и функциональных связей, что соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявленного устройства термокомпенсации кварцевого генератора с другими техническими решениями показывает, что делитель частоты, второй и третий счетчики, схема совпадения, первый и второй RS-триггеры, элемент И-НЕ, цифровой компаратор и элемент ИЛИ известны, но объединение их новыми функциональными связями дает возможность повысить точность (или стабильность) частоты кварцевого генератора без измерения и поддержания постоянной температуры в зоне кварцевого резонатора, при этом обеспечивается немедленная готовность к применению и исключаются промежуточные аналоговые преобразования. Таким образом, предлагаемое устройство термокомпенсации кварцевого генератора обладает новыми свойствами, такими как высокое быстродействие и точность, что соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства термокомпенсации кварцевого генератора; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство термокомпенсации кварцевого генератора содержит кварцевый генератор 1 с положительным температурным коэффициентом частоты (ТКЧ), кварцевый генератор 2 с отрицательным ТКЧ, формирователь разности частот 3, делитель частоты 4, первый счетчик 5, второй счетчик 6, первый RS-триггер 7, элемент совпадения 8, третий счетчик 9, цифровой компаратор 10, элемент И-НЕ 11, второй RS-триггер 12, элемент ИЛИ 13.

Выходы кварцевого генератора 1 с положительным ТКЧ и кварцевого генератора 2 с отрицательным ТКЧ подключены с соответствующим входом формирователя разности частот 3, выход которого соединен с входом делителя частоты 4, выход делителя частоты 4 подключен к информационному входу первого счетчика 5, соединены последовательно второй счетчик 6, первый RS-триггер 7, элемент совпадения 8, третий счетчик 9, цифровой компаратор 10, элемент И-НЕ 11 и второй RS-триггер 12, между инверсным выходом которого и S-входом первого RS-триггера 7 введен элемент ИЛИ 13, при этом вход установки в ноль первого счетчика 5 соединен с входом установки в ноль третьего счетчика 9 и подключен к инверсному выходу второго RS-триггера 12, счетный вход второго счетчика соединен со вторым входом элемента совпадения 8 и подключен к выходу кварцевого генератора 1 с положительным ТКЧ, второй вход элемента И-НЕ соединен с первым входом элемента совпадения 8, S-вход второго RS-триггера 12 соединен с S-входом первого RS-триггера 7, информационные выходы первого счетчика 5 соединены с соответствующими входами цифрового компаратора 10, входом "ПУСК" и выходом устройства термокомпенсации кварцевого генератора являются соответственно другой вход элемента ИЛИ и неинверсный выход второго RS-триггера 12.

Второй счетчик 6 имеет выход переполнения, который подключен к входу R первого RS-триггера. Кварцевый генератор 1 с положительным ТКЧ и кварцевый генератор 2 с отрицательным ТКЧ должны выдавать сигналы в импульсной форме и находиться в одном объеме (кварцевые резонаторы в непосредственной близости). ТКЧ кварцевых резонаторов выбраны с линейной зависимостью [4] . Остальные элементы общеизвестны.

Устройство работает следующим образом. Кварцевый генератор 1 с положительным ТКЧ и кварцевый генератор 2 с отрицательным ТКЧ настраивают при нижнем значении рабочего диапазона температур устройства термокомпенсации кварцевого генератора таким образом, чтобы частоты генераторов были равны между собой и соответственно эталонной частоте F_о. При этой частоте на выходе устройства формируется эталонный интервал времени t_o = N_oT_o. где N_о - количество импульсов, прошедших через второй счетчик 6 до появления импульса переполнения на его выходе (т. е. N_o - емкость второго счетчика 6); T_o = 1/F_o - период следования импульсов эталонной частоты.

Процесс формирования образцового интервала происходит следующим образом. В исходном состоянии первый 5, второй 6 и третий 9 счетчики обнулены потенциалом логической единицы, снимаемым с инверсных выходов первого 7 и второго 12 RS-триггеров, которые находятся в исходном состоянии. На первом входе элемента ИЛИ сигнал логического нуля, на втором логической единицы. Для запуска устройства на второй вход схемы ИЛИ (Вход "ПУСК") необходимо подать низкий потенциал, соответствующий логическому нулю на все время работы. Тогда первый 7 и второй 12 RS-триггеры перейдут в единичное состояние и нулевыми потенциалами с инверсных выходов разрешают счет импульсов первым 5 и третьим 9 счетчиками и одновременно запрещается прохождение последовательности импульсов через схему совпадения и элемент И-НЕ 11.

Второй счетчик 6 начинает счет импульсов с кварцевого генератора 1 с положительным ТКЧ. По заполнению второго счетчика 6 импульс нулевого уровня с выхода переполнения переведет первый RS-триггер 7 в нулевое состояние, который уровнем логической единицы "сбросит" второй счетчик 6 в нуль (с запретом счета) и на соответствующие входы схемы совпадения 8 и элемента И-НЕ 11 поступит логическая единица и откроет их.

Если частоты кварцевых генераторов 1 и 2 равны, то с формирователя разности частот 3 через делитель 4 на первый счетчик 5 импульсов не поступит, на его информационных выходах будет присутствовать нулевой код, поэтому в момент перехода первого RS-триггера в нулевое состояние, когда на информационных выходах третьего счетчика 9 нулевой код, сработает цифровой компаратор 10 и выдает сигнал (о равенстве кодов) через открытый элемент И-НЕ на перевод второго RS-триггера 12 в нулевое состояние, который выдает сигналы: с неинвертирующего выхода об окончании образцового временного интервала и на запуск устройства, т. е. на формирование следующего образцового интервала (при условии присутствия на выходе "ПУСК" логического нуля); с инверсного выхода сбросит первый 5 и второй 9 счетчики в нулевое состояние.

При увеличении температуры увеличивается частота f₁ кварцевого генератора 1 с положительным ТКЧ, а период следования соответственно уменьшится с Т_о до Т₁, тогда t_o = N_oT₁ + n₁T₁ = (N_o + n₁)T₁, где n₁ - число периодов Т₁, которое необходимо добавить, чтобы получить эталонный интервал времени t_o. Частота f₂ кварцевого генератора 2 с отрицательным ТКЧ уменьшается, т. е.

f₁ = F_o + ₁t^oF_o = F_o(1 + ₁t^o), f₂ = F_o + (- ₁t^oF_o) = F_o(1 - ₂t^o) где ₁, и ₂ - температурные коэффициенты частоты первого 1 и 2 второго кварцевых генераторов, t^o - изменение температуры в градусах С^о.

Период следования импульсов Т₁ кварцевого генератора 1 с положительным ТКЧ будет равен T₁= = , тогда t₀= (N₀+n₁)T₁= , откуда N_o + n₁ = t_oF_o(1 + ₁t^o) = N_oT_oF_o( 1 + +₁t^o) = N_o (1 + ₁t^o), n₁ = ₁t^oN_o. Чтобы получить n₁ = ₁t^oN_o, необходимо с помощью формирователя разности частот 3 выделить разность частот f₁ - f₂ = F_o + ₁t^oF_o - F_o + ₂t^oF_o = = ( ₁ + ₂)t^oF_o и поделить полученную разность делителем частоты 4 на коэффициент деления К, равный K= , где ₁ и ₂ числовые значения ТКЧ без учета знака. = = ₁tF₀ А так как частота - это есть количество колебаний (в данном случае периодов импульсов) в единицу времени, то на выходе делителя частоты 4 получается число n₁ = ₁t^oN_o. которое подсчитывается первым счетчиком 5 и преобразуется в код, который подается на соответствующие входы цифрового компаратора 10.

В случае ухода частот кварцевых генераторов 1 и 2 процесс формирования образцового интервала времени t_o происходит следующим образом. Запуск устройства и начало работы по формированию образцового интервала было описано ранее.

По заполнении второго счетчика 6 импульс нулевого уровня с вхыода переполнения переводит первый RS-триггер 7 в нулевое положение, который уровнем логической единицы с инверсного выхода "сбросит" второй счетчик 6 и запретит счет, а также "откроет" схему совпадения 8 и элемент И-НЕ 11. На третий счетчик 9 через открытую схему совпадения 8 будут поступать импульсы с выхода кварцевого генератора 1 с положительным ТКЧ, на информационных выходах третьего счетчика 9 будет формироваться код. И когда число импульсов, прошедших через третий счетчик 9, будет равным n₁ = ₁ t^oN_o, т. е. коды с информационных выходов первого 5 и третьего 9 счетчиков будут равны (код на выходах третьего счетчика 9 как бы "догоняет" код на выходах первого счетчика 5), цифровой компаратор 10 сработает и сигналом с выхода через открытый элемент И-НЕ переведет второй RS-триггер 12 в нулевое состояние, который выдаст импульс нижнего уровня с неинверсного выхода об окончании образцового временного интервала t_o и на запуск устройства, т. е. на формирование следующего образцового интервала (при условии присутствия на входе "ПУСК" логического нуля), а импульсом высокого уровня с инверсного выхода сбросятся в нуль первый и второй счетчики. Длительность импульса будет определяться задержкой на срабатывание элемента ИЛИ и второго RS-триггера 12.

Таким образом, предлагаемое устройство термостабилизации кварцевого генератора по сравнению с прототипом и аналогами обладает более высокими быстродействием и точностью по следующим признакам: в предлагаемом устройстве отсутствует операция измерения температуры, как инерционная операция, независимо от типа датчика температуры; в предлагаемом устройстве отсутствуют промежуточные цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразования, снижающие точность прототипа и аналога из-за собственной погрешности. (56) Авторское свидетельство СССР N 1443120, кл. Н 03 В 5/32, 1987.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ТЕРМОКОМПЕНСАЦИИ КВАРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА, содержащее кварцевый генератор с положительным температурным коэффициентом частоты, кварцевый генератор с отрицательным температурным коэффициентом частоты, делитель частоты, формирователь разности частот и первый счетчик, при этом выходы кварцевого генератора с положительным температурным коэффициентом частоты и кварцевого генератора с отрицательным температурным коэффициентом частоты подключены к соответствующим входам формирователя разности частот, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности термокомпенсации, введены последовательно соединенные второй счетчик, первый RS-триггер, элемент совпадения, третий счетчик, цифровой компаратор, элемент И - НЕ и второй RS-триггер, а между неинверсным выходом второго RS-триггера и S-входом первого RS-триггера введен элемент ИЛИ, при этом делитель частоты включен между выходом формирователя разности частот и счетным входом первого счетчика, вход установки в ноль которого соединен с входом установки в ноль третьего счетчика и подключен к инверсному выходу второго RS-триггера, счетный вход второго счетчика соединен с вторым входом элемента совпадения и подключен к выходу кварцевого генератора с положительным температурным коэффициентом частоты, второй вход элемента И - НЕ соединен с первым входом элемента совпадения, S-вход второго RS-триггера соединен с S-входом первого RS-триггера, информационные выходы первого счетчика соединены с соответствующими входами цифрового компаратора, а входом "ПУСК" и выходом устройства термокомпенсации кварцевого генератора являются соответственно другой вход элемента ИЛИ и неинверсный выход второго RS-триггера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2