Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ТЕРМОКОМПЕНСАЦИИ КВАРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА

Изобретение относится к устройствам термокомпенсации опорных кварцевых генераторов и может быть использовано в малогабаритной переносной контрольно-измерительной аппаратуре.

Известно устройство термокомпенсации кварцевого генератора (см. авторское свидетельство СССР №1167691 от 26.08.83, «Устройство термокомпенсации кварцевого генератора», П.Г.Классен, А.В.Косых и В.П.Бугаев, опубликовано 15.07.85, Бюл. №26), содержащее термодатчик, аналого-цифровой преобразователь, последовательно соединенные блок постоянного запоминания, цифроаналоговый преобразователь, фильтр нижних частот и кварцевый генератор, первый и второй широтно-импульсные модуляторы, тактовый генератор, делитель частоты, элемент совпадения, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и сумматор. Выходы p старших разрядов аналого-цифрового преобразователя соединены с первой группой входов сумматора, выходы q младших разрядов аналого-цифрового преобразователя соединены с информационными входами первого и второго широтно-импульсных модуляторов. Выход тактового генератора подключен к тактирующему входу первого широтно-импульсного модулятора и к входу делителя частоты, выход которого подключен к тактирующему входу второго широтно-импульсного модулятора. Выход первого широтно-импульсного модулятора соединен с первыми входами элемента совпадения и элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Выход второго широтно-импульсного модулятора соединен со вторыми входами элемента совпадения и элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к входу старшего адресного разряда блока постоянного запоминания. Выход элемента совпадения подключен к входу младшего разряда второй группы входов сумматора, входы других разрядов которого соединены с общей шиной. Выходы сумматора соединены с соответствующими адресными входами блока постоянного запоминания, а выход термодатчика подключен к входу аналого-цифрового преобразователя.

Недостатком данного устройства является использование аналогового способа управления частотой кварцевого генератора с помощью изменения емкости варикапа, подключенного к кварцевому резонатору. При этом зона управляемости (или зона устойчивого запуска) тем уже, чем выше рабочая гармоника кварцевого резонатора. Надежность запуска на рабочей гармонике снижается вплоть до потери работоспособности, когда на краях температурного диапазона запуск происходит на более высокой, или более низкой гармонике.

Известно устройство термокомпенсации кварцевого генератора (см. патент РФ №2007839 C1 от 07.05.90, МПК: H03B 5/32, «Устройство термокомпенсации кварцевого генератора». Кузин В.М., опубликовано 15.02.94, Бюл. №3), содержащее кварцевые генераторы с положительным и отрицательным температурными коэффициентами частоты, делитель частоты, формирователь разности частот, первый счетчик, последовательно соединенные второй счетчик, первый RS-триггер, элемент совпадения, третий счетчик, цифровой компаратор, элемент И-НЕ и второй RS-триггер. Между прямым выходом второго RS-триггера и S-входом первого RS-триггера введен элемент ИЛИ. Выходы кварцевого генератора с положительным температурным коэффициентом частоты и кварцевого генератора с отрицательным температурным коэффициентом частоты подключены к соответствующим входам формирователя разности частот. 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. Входом «ПУСК» и выходом устройства термокомпенсации кварцевого генератора являются соответственно другой вход элемента ИЛИ и прямой выход второго RS-триггера.

Вышеуказанное устройство является наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является ограниченная область применения, так как устройство работоспособно только с кварцевыми резонаторами, имеющими постоянные в диапазоне температуры и противоположные по знаку температурные коэффициенты частоты. Если температурно-частотная характеристика кварцевого резонатора имеет сложную форму и знак температурного коэффициента частоты в диапазоне температуры меняется несколько раз, то использование прототипа в данном случае невозможно. Кроме того, в прототипе невозможно обеспечить высокую точность, так как индивидуальные особенности температурно-частотных характеристик не могут быть скомпенсированы. Кварцевый резонатор менее других элементов схемы поддается миниатюризации. В прототипе содержится два кварцевых резонатора, что затрудняет миниатюризацию устройства в целом.

Решаемой технической задачей является создание устройства термокомпенсации кварцевого генератора, обладающего большей точностью, универсальностью и расширенной областью применения.

Достигаемым техническим результатом является повышение точности за счет учитывания индивидуальных особенностей температурно-частотной характеристики каждого конкретного кварцевого генератора, а также возможность применения кварцевого резонатора, имеющего любую из возможных форму температурно-частотной характеристики и работающего на любой гармонике.

Для достижения технического результата в устройстве термокомпенсации кварцевого генератора, содержащем кварцевый генератор, делитель частоты, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, второй счетчик, выход которого соединен с первым входом триггера, второй триггер, выход которого является первым выходом устройства и соединен со входом установки первого счетчика, новым является то, что дополнительно введены регистр, первый и второй сумматоры, схема блокировки, резисторы, триггер Шмитта, конденсатор, терморезистор, микроконтроллер, первая группа выходов которого соединена с первой группой входов первого сумматора, на вторую группу входов которого поступает код технологической поправки, входы-выходы микроконтроллера соединены соответственно через терморезистор и резисторы со входом триггера Шмитта, вход которого через конденсатор подключен к шине питания, а выход соединен с информационным входом микроконтроллера, тактовый вход которого соединен с выходом кварцевого генератора и входом делителя частоты, на группу входов микроконтроллера поступает код формы температурно-частотной характеристики кварцевого генератора, вход «ПУСК» микроконтроллера соединен с выходом первого триггера и входом управления схемы блокировки, информационные входы которой соединены с выходами первого сумматора, а выходы соединены с информационными входами регистра, тактовый вход которого соединен с выходом первого счетчика и со счетным входом второго триггера, выходы регистра соединены с первой группой входов второго сумматора, на вторую группу входов которого поступает основной код, а выходы соединены с информационными входами первого счетчика, выход делителя частоты соединен с R-входом второго триггера, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика и R-входом первого триггера, первый вход которого является счетным входом, а выход является вторым выходом устройства.

Указанная совокупность существенных признаков позволяет повысить точность кварцевого генератора, уменьшить его габариты и расширить область применения за счет введения мультиплексора с терморезистором и набором подстраиваемых резисторов, которые позволяют сформировать с высокой точностью код температурной поправки, а также два сумматора, которые суммируют указанный код с кодом технологической поправки, компенсирующим технологический разброс частоты резонатора, и основным кодом, обеспечивающим десятичный коэффициент деления первого счетчика.

На Фиг.1 приведена схема заявляемого устройства термокомпенсации кварцевого генератора. На Фиг.2а) приведен пример диаграммы температурно-частотной характеристики кварцевого генератора, на Фиг.2б) - график зависимости сопротивления терморезистора от температуры.

Устройство термокомпенсации кварцевого генератора содержит кварцевый генератор 1, делитель частоты 2, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика 3, второй счетчик 4, выход которого соединен с первым входом триггера 5, второй триггер 6, выход которого является первым выходом 7 устройства и соединен со входом установки первого счетчика 3. Введены регистр 8, первый 9 и второй 10 сумматоры, схема блокировки 11, резисторы 12.1…12.n, триггер Шмитта 13, конденсатор 14, терморезистор 15 и микроконтроллер 16, первая группа выходов которого соединена с первой группой входов первого сумматора 9, на вторую группу входов которого поступает код технологической поправки 17. Входы-выходы микроконтроллера 16 соединены соответственно через терморезистор 15 и резисторы 12.1…12.n со входом триггера Шмитта 13, вход которого через конденсатор 14 подключен к шине питания, а выход соединен с информационным входом микроконтроллера 16, тактовый вход которого соединен с выходом кварцевого генератора 1 и входом делителя частоты 2. На группу входов микроконтроллера 16 поступает код формы температурно-частотной характеристики 18 кварцевого генератора. Вход ПУСК микроконтроллера 16 соединен с выходом первого триггера 5 и входом управления схемы блокировки 11, информационные входы которой соединены с выходами первого сумматора 9, а выходы соединены с информационными входами регистра 8, тактовый вход которого соединен с выходом первого счетчика 3 и со счетным входом второго триггера 6. Выходы регистра 8 соединены с первой группой входов второго сумматора 10, на вторую группу входов которого поступает основной код 19, а выходы соединены с информационными входами первого счетчика 3. Выход делителя частоты 2 соединен с R-входом второго триггера 6, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика 4 и R-входом первого триггера 5, первый вход которого является счетным входом, а выход является вторым выходом 20 устройства.

Устройство термокомпенсации кварцевого генератора работает следующим образом.

Приведенная на Фиг.2a) температурно-частотная характеристика кварцевого генератора имеет два экстремума. Относительная погрешность частоты в диапазоне температуры Δ=±5·10^-6. Допустим, что необходимо уменьшить погрешность кварцевого генератора в диапазоне температуры до Δ=±1·10^-6. На графике температурно-частотной характеристики (он же является графиком относительной погрешности в диапазоне температуры) проводятся параллельные линии, отстоящие от абсциссы вверх и вниз с шагом 1·10^-6, и наносятся точки, расположенные в середине между параллельными линиями. От этих точек проводятся вертикальные линии до пересечения с графиком температурной характеристики терморезистора. Точки пересечения дают значения сопротивлений резисторов 12-1…12-n.

Один раз в секунду, в конце каждого цикла работы генератора, происходит запуск микроконтроллера, который определяет код температурной поправки. Происходит это по следующему алгоритму. Регистр кода температурной поправки Кt° обнуляется. Начальной точкой работы алгоритма является точка t°1 и соответствующий ей резистор 12-1. Температурная поправка, соответствующая интервалу от левой границы температурного диапазона до точки t°₁ (в данном случае она равна нулю, но в общем случае может быть отличной от нуля), включена в код технологической поправки, который кроме нее содержит поправку технологического отклонения частоты от номинального значения при температуре 25°С. Именно поэтому регистр кода температурной поправки можно обнулять в начале каждого цикла работы генератора. Формирование кода температурной поправки определяется кодом формы ТЧХ 18. Так как первые пять точек t°₁…t°₅ расположены на возрастающем участке ТЧХ (см. Фиг 2a)), первые пять разрядов Кформы содержат «Лог.1». Точки t°₆…t°₁₄ расположены на спадающем участке ТЧХ, поэтому следующие 9 разрядов Кформы содержат «Лог.0». Последний разряд Кформы содержит «Лог.1», так как точка t°₁₅ расположена на возрастающем участке. В данном случае код формы Кформы =111110000000001.

Током с выхода микроконтроллера 16 через терморезистор 15 заряжается конденсатор 14 до порога срабатывания триггера Шмитта 13. При этом микроконтроллер 16 измеряет интервал времени от момента подачи уровня «Лог.1» на терморезистор 15 до появления уровня «Лог.1», поступающего с выхода триггера Шмитта 13 на информационный вход микроконтроллера 16. Этот интервал времени прямопропорционально зависит от τ RC-цепи, а, значит, от сопротивления терморезистора. Далее микроконтроллер обеспечивает разряд конденсатора 14 через параллельно включенные резисторы 12-1…12-n и затем заряд его через резистор 12-1. Интервал времени от момента подачи уровня «Лог.1» на резистор 12-1 до появления уровня «Лог.1», поступающего с выхода триггера Шмитта 13 на информационный вход микроконтроллера, измеряется и сравнивается с интервалом времени, полученным при заряде конденсатора 14 через терморезистор 15. Если R_12-1·C<R₁₅·C, то температура ниже t°₁, содержимое регистра температурной поправки Kt° не изменяется и микроконтроллер 16 переходит в режим ожидания сигнала ПУСК. Если R_12-1·C>R₁₅·C, то температура выше t°₁, содержимое регистра температурной поправки Кt° увеличивается на 1, так как первый разряд кода формы 18 содержит «Лог.1». Нужно отметить, что делитель частоты 2 делит частоту кварцевого генератора 1 до величины 1 МГц и таким образом определяет дискретность коррекции в 1 мкс, т.е. 1·10^-6 от 1 с. Таким образом программа микроконтроллера 16 формирует код температурной поправки, увеличивая или уменьшая содержимое регистра температурной поправки Кt° в зависимости от того, «Лог.1» или «Лог.0» записан в очередном разряде кода формы 18, до тех пор, пока не выполнится условие R_12-i·C<R₁₅·C. При выполнении этого условия микроконтроллер 16 переходит в режим ожидания сигнала ПУСК, а на выходе регистра Кt° присутствует искомый код температурной поправки.

Первый сумматор 9 суммирует коды технологической 17 и температурной Кt° поправок и подает результирующий код на входы схемы блокировки 11. Однако в течение (N-1)-х циклов работы первого счетчика 3 (где N - емкость второго счетчика 4) на выходах схемы блокировки 11 присутствует нулевой код, так как отсутствует импульс сигнала ПУСК. Емкость первого счетчика 3 корректируется только на величину, определяемую кодом основной поправки 19. В N-м цикле работы первого счетчика 3 появляется импульс сигнала ПУСК, сумма кодов технологической 17 и температурной Kt° поправок проходит через схему блокировки 11 и регистр 8 на входы второго сумматора 10, суммируется с кодом основной поправки 19, и результат поступает на входы корректировки емкости первого счетчика 3. В результате на второй выход 20 кварцевого генератора поступает частота 1±1·^-6 Гц. На первый выход 7 поступает частота в N раз выше. В измерителях временных интервалов второй выход 20 генератора может обеспечивать основную шкалу, а первый выход - нониусную шкалу.

Проведено макетирование устройства термокомпенсации кварцевого генератора на макетной плате с микросхемой АРА075 фирмы Actel. Испытания макета подтвердили работоспособность заявляемого устройства и его практическую ценность.