RU2490779C1 - Generator - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: generator contains an automatic gain control unit which first input is connected to the first output of crystal resonator and input of a unit for compensation of crystal resonator static capacity which output is connected to the second output of crystal resonator and input of the amplifier; the amplifier is made as cascades connected in-series, at that at least one or several last cascades are made with regulated transmission coefficient and each of them contain the first, second and third resistors, a switching element and an amplifier inverter which input is connected through the first resistor to output of the previous cascade or to output of the previous cascade with regulated transmission coefficient; output of the amplifier inverter in each cascade with regulated transmission coefficient is connected to its input through the second resistor and the switching element and third resistor connected in-series; control input of the switching element is connected to the second output of the automatic gain control unit.

EFFECT: stabilising amplitude and shape of output signals in varying operating conditions and increasing stability of generation frequency.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами, в частности в пьезорезонансных датчиках.The invention relates to the field of electronic technology and can be used to generate electrical signals stabilized by electromechanical resonators, in particular in piezoresonance sensors.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является кварцевый генератор (см. патент РФ 2429557 от 29.07.2010, опубликован 20.09.2011, бюл. №26), содержащий блок автоматической регулировки усиления, первый выход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора и со входом блока компенсации статической емкости кварцевого резонатора, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора и со входом усилителя, при этом выход усилителя соединен со входом блока автоматической регулировки усиления и является выходом устройства.The closest in technical essence to the claimed device is a crystal oscillator (see RF patent 2429557 dated July 29, 2010, published September 20, 2011, bull. No. 26), containing an automatic gain control unit, the first output of which is connected to the first output of the crystal and the input of the static capacitance compensation unit of the quartz resonator, the output of which is connected to the second output of the quartz resonator and the input of the amplifier, while the output of the amplifier is connected to the input of the automatic gain control unit and is the output m device.

Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и поэтому выбрано в качестве прототипа.The above device is the closest in technical essence to the claimed and therefore selected as a prototype.

Недостатком прототипа является сложность в обеспечении требуемой амплитуды напряжения возбуждения кварцевого резонатора с допустимыми нелинейными искажениями оконечных каскадов усилителя в установившемся режиме работы генератора и, при этом, необходимость обеспечения запаса коэффициента усиления усилителя для малых значений времени переходного процесса (времени готовности) после подачи напряжения питания на генератор, что, в конечном счете отражается на стабильности частоты выходных сигналов при воздействии внешних факторов эксплуатации (изменение напряжения питания, температуры окружающей среды, хранение, действие ионизирующих излучений и проч.).The disadvantage of the prototype is the difficulty in providing the required amplitude of the excitation voltage of the quartz resonator with permissible nonlinear distortion of the amplifier end stages in the steady-state mode of operation of the generator and, at the same time, the need to ensure the supply of the amplifier gain for small values of the transient process time (standby time) after applying the supply voltage to generator, which ultimately affects the stability of the frequency of the output signals when exposed to external factors ex luatatsii (change in supply voltage, ambient temperature storage, the effect of ionizing radiation and so on.).

Решаемой задачей является создание генератора с кварцевым резонатором с повышенной стабильностью частоты генерации (при значении эквивалентного сопротивления резонатора до 1 МОм).The problem to be solved is the creation of a generator with a quartz resonator with increased stability of the generation frequency (with a value of the equivalent resonator resistance of up to 1 MΩ).

Достигаемым техническим результатом является стабилизация амплитуды и формы выходных сигналов в изменяющихся условиях эксплуатации и соответственно повышение стабильности частоты генерации.Achievable technical result is the stabilization of the amplitude and shape of the output signals in changing operating conditions and, accordingly, increasing the stability of the generation frequency.

Для достижения технического результата в генераторе, содержащем блок автоматической регулировки усиления, первый выход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора и со входом блока компенсации статической емкости кварцевого резонатора, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора и со входом усилителя, при этом выход усилителя соединен со входом блока автоматической регулировки усиления и является выходом устройства, новым является то, что, усилитель выполнен в виде последовательно соединенных каскадов, при этом, по крайней мере, один или несколько последних каскадов выполнены с регулируемым коэффициентом передачи, каждый из которых содержит первый, второй, третий резисторы, коммутирующий элемент и инвертирующий усилитель, вход которого соединен через первый резистор с выходом предыдущего каскада или с выходом предыдущего каскада с регулируемым коэффициентом передачи, выход инвертирующего усилителя в каждом каскаде с регулируемым коэффициентом передачи соединен со своим входом через второй резистор и последовательно соединенные коммутирующий элемент и третий резистор, вход управления коммутирующего элемента соединен со вторым выходом блока автоматической регулировки усиления.To achieve a technical result in a generator containing an automatic gain control unit, the first output of which is connected to the first output of the quartz resonator and to the input of the static capacitance compensation unit of the quartz resonator, the output of which is connected to the second output of the quartz resonator and to the amplifier input, while the output of the amplifier is connected with the input of the automatic gain control unit and is the output of the device, the new one is that the amplifier is made in the form of a helmet connected in series ov, in this case, at least one or several of the last stages is made with an adjustable transmission coefficient, each of which contains first, second, third resistors, a switching element and an inverting amplifier, the input of which is connected through the first resistor to the output of the previous stage or to the output of the previous stage with adjustable transmission coefficient, the output of an inverting amplifier in each stage with adjustable transmission coefficient is connected to its input through a second resistor and connected in series a switching element and a third resistor, the control input of the switching element is connected to the second output of the automatic gain control block.

Стабилизация амплитуды и формы возбуждения колебаний кварцевого резонатора в предлагаемом генераторе достигается за счет введения второго контура дискретного регулирования коэффициента передачи сигнала в тракте "резонатор - усилитель - блок автоматической регулировки усиления".The stabilization of the amplitude and waveform of the oscillations of the quartz resonator in the proposed generator is achieved by introducing a second discrete control circuit for the transmission coefficient of the signal in the resonator-amplifier-automatic gain control unit.

При помощи первого контура регулировка амплитуды сигнала подаваемого на вход кварцевого резонатора осуществляется при помощи блока автоматической плавной регулировки усиления (более подробно процесс работы блока автоматической регулировки усиления описан в патенте РФ №2429557 от 29.07.2010, опубликован 20.09.2011, бюл. №26).Using the primary circuit, the amplitude of the signal supplied to the input of the quartz resonator is adjusted using the automatic smooth gain control unit (for more details, the operation of the automatic gain control unit is described in RF patent No. 2429557 of July 29, 2010, published on September 20, 2011, bull. No. 26) .

Второй контур регулирования реализуется при помощи усилительных каскадов с регулируемым коэффициентом передачи, что обеспечивает уменьшение суммарного коэффициента передачи усилителя и увеличение амплитуды напряжения возбуждения кварцевого резонатора с малыми нелинейными искажениями.The second control loop is implemented using amplification stages with an adjustable transfer coefficient, which ensures a decrease in the total transfer coefficient of the amplifier and an increase in the amplitude of the excitation voltage of the quartz resonator with small nonlinear distortions.

На фигуре 1 изображена функциональная схема заявляемого генератора. На фигуре 2 представлен один из возможных вариантов реализации заявляемого генератора. На фигуре 3 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.The figure 1 shows a functional diagram of the inventive generator. The figure 2 presents one of the possible embodiments of the inventive generator. The figure 3 presents the equivalent circuit of a quartz resonator.

Генератор содержит блок автоматической регулировки усиления 1, первый выход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора 2 и со входом блока компенсации статической емкости 3 кварцевого резонатора 2, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора 2 и со входом усилителя 4, при этом выход усилителя 4 соединен со входом блока автоматической регулировки усиления 1 и является выходом устройства, отличающийся тем, что, усилитель 4 выполнен в виде последовательно соединенных каскадов 5, 6, при этом в варианте двухкаскадного усилителя, последний каскад 6 выполнен с регулируемым коэффициентом передачи, который содержит первый 7, второй 8, третий 9 резисторы, коммутирующий элемент 10 и инвертирующий усилитель 11, вход которого соединен через первый резистор 7 с выходом предыдущего каскада 5, выход инвертирующего усилителя в каждом каскаде с регулируемым коэффициентом передачи соединен со своим входом через второй резистор 8 и последовательно соединенные коммутирующий элемент 10 и третий резистор 9, вход управления коммутирующего элемента 10 соединен со вторым выходом блока автоматической регулировки усиления 1.The generator contains an automatic gain control unit 1, the first output of which is connected to the first output of the quartz resonator 2 and to the input of the static capacity compensation unit 3 of the quartz resonator 2, the output of which is connected to the second output of the quartz resonator 2 and to the input of amplifier 4, while the output of amplifier 4 connected to the input of the automatic gain control unit 1 and is the output of the device, characterized in that, the amplifier 4 is made in the form of series-connected cascades 5, 6, while in the variant double amplifier, the last stage 6 is made with an adjustable transmission coefficient, which contains the first 7, second 8, third 9 resistors, a switching element 10 and an inverting amplifier 11, the input of which is connected through the first resistor 7 to the output of the previous stage 5, the output of the inverting amplifier in each a cascade with an adjustable transmission coefficient is connected to its input through a second resistor 8 and series-connected switching element 10 and a third resistor 9, the control input of the switching element 10 is connected to the second Exit automatic gain control unit 1.

Для поддержания устойчивой генерации в контуре обратной связи необходимо выполнение условий:To maintain stable generation in the feedback loop, the following conditions must be met:

- суммарный коэффициент передачи по напряжению участка схемы "A - усилитель 4 - выход 12 блока автоматической регулировки усиления 1" должен быть больше 1 в режиме установления колебаний и равен 1 в стационарном режиме;- the total transmission coefficient for voltage of the circuit section "A - amplifier 4 - output 12 of the automatic gain control unit 1" should be greater than 1 in the mode of oscillation establishment and equal to 1 in the stationary mode;

- суммарный фазовый сдвиг участка схемы "A - усилитель 4 - выход 12 блока автоматической регулировки усиления 1" на частоте генерации должен быть равен: Σφi=n·2·π. (n - натуральное число, включая 0).- the total phase shift of the circuit section "A - amplifier 4 - output 12 of the automatic gain control unit 1" at the generation frequency should be equal to: Σφi = n · 2 · π. (n is a natural number, including 0).

Ток, протекающий через кварцевый резонатор 2 I_K определяется суммой двух составляющих:The current flowing through the quartz resonator 2 I _K is determined by the sum of two components:

$$I_K=I_{Z_Q}+I_{C_0}=\frac{U_A}{Z_K}+j\omega C_0{U}_A;\left(1\right)$$

$$I_K=I_{Z_Q}+I_{C_0}=\frac{U_A}{Z_K}+j\omega C_0{U}_A;\left(\mathrm{one}\right)$$

$$Z_K=R_K+j\omega L_K+\frac{1}{j\omega C_K},\left(2\right)$$

$$Z_K=R_K+j\omega L_K+\frac{\mathrm{one}}{j\omega C_K},\left(2\right)$$

где U_A - переменное напряжение, приложенное к кварцевому резонатору 2 (точка схемы "A");where U _A is the alternating voltage applied to the quartz resonator 2 (point of circuit "A");

Z_K - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 2 (ZQ);Z _K - the impedance of the resonant branch of the quartz resonator 2 (ZQ);

R_K, L_K, C_K - эквивалентные параметры кварцевого резонатора 2 (см. фиг.3).R _K , L _K , C _K are the equivalent parameters of quartz resonator 2 (see figure 3).

Составляющая тока кварцевого резонатора 2, обусловленная его статической емкостью C₀, уменьшает реальную добротность и крутизну фазочастотной характеристики резонатора и, соответственно, ухудшает стабильность частоты генератора. Наиболее сильное негативное влияние емкостного тока кварцевого резонатора 2 на стабильность частоты генератора проявляется в случаях, когда составляющие емкостного тока ωC₀U_A и резонансного тока $$\frac{U_A}{R_K}$$

имеют соизмеримые значения.The current component of the quartz resonator 2, due to its static capacitance C ₀ , reduces the real quality factor and the steepness of the phase-frequency characteristic of the resonator and, accordingly, degrades the frequency stability of the generator. The strongest negative effect of the capacitive current of a quartz resonator 2 on the frequency stability of the generator is manifested in cases where the components of the capacitive current ωC ₀ U _A and the resonant current $$\frac{U_A}{R_K}$$

have commensurate meanings.

Для нейтрализации емкостного тока статической емкости C₀ в заявляемом генераторе применяется блок компенсации статической емкости 3, на выходе которого формируется сигнал равный составляющей емкостного тока через статическую емкость C₀ кварцевого резонатора 2 и противоположный по фазе.To neutralize the capacitive current of the static capacitance C ₀ in the inventive generator, a compensation unit for the static capacitance 3 is used, the output of which generates a signal equal to the component of the capacitive current through the static capacitance C _{0 of the} quartz resonator 2 and opposite in phase.

Схемы компенсации статической емкости C₀ кварцевого резонатора 2 могут быть построены по разным схемам, например, в прототипе (патент РФ №2429557 от 29.07.2010, опубликован 20.09.2011 Бюл. №26) применяется резистивно-емкостная мостовая схема.Compensation schemes for the static capacitance C _{0 of the} quartz resonator 2 can be constructed according to different schemes, for example, in the prototype (RF patent No. 2429557 dated 07/29/2010, published on September 20, 2011 Bull. No. 26), a resistive-capacitive bridge circuit is used.

На резонансной частоте резонатора, при условии нейтрализации емкостного тока через емкость C₀ резонатора 2 при помощи блока компенсации статической емкости 3, напряжение на входе усилителя 4 определяется выражением:At the resonant frequency of the resonator, provided that the capacitive current is neutralized through the capacitance C _{0 of the} resonator 2 using the compensation unit of the static capacitance 3, the voltage at the input of the amplifier 4 is determined by the expression:

$$U_{yc\_вх}=U_A\cdot \frac{Z_{вх}}{Z_{вх}+Z_K},\left(3\right)$$

$$U_{yc\_\mathrm{at}x}=U_A\cdot \frac{Z_{\mathrm{at}x}}{Z_{\mathrm{at}x}+Z_K},\left(3\right)$$

где Z_K - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 2;where Z _K is the impedance of the resonant branch of the quartz resonator 2;

Z_вх - входной импеданс усилителя 4;Z _I - input impedance of the amplifier 4;

При активном характере входного импеданса Z_вх=R_вх напряжение на выходе усилителя 4 определяется выражением:With the active nature of the input impedance Z _I = R _I voltage at the output of amplifier 4 is determined by the expression:

$$U_{вых\_yc}=U_A\cdot \frac{R_{вх}}{R_{вх}+Z_K}\cdot K_{yc},\left(4\right)$$

$$U_{\mathrm{at}sx\_yc}=U_A\cdot \frac{R_{\mathrm{at}x}}{R_{\mathrm{at}x}+Z_K}\cdot K_{yc},\left(\mathrm{four}\right)$$

где K_ус - коэффициент усиления усилителя 4.where K _us - gain of the amplifier 4.

Коэффициент передачи участка "A - усилитель 4 - выход 12 блока автоматической регулировки усиления 1" определяется выражением:The transfer coefficient of the section "A - amplifier 4 - output 12 of the automatic gain control unit 1" is determined by the expression:

$$K=\frac{U_{вых\_АРУ}}{U_A}=\frac{R_{вх}}{R_{вх}+Z_K}\cdot K_{ус}\cdot K_{АРУ},\left(5\right)$$

$$K=\frac{U_{\mathrm{at}sx\_\mathrm{BUT}R\mathrm{At}}}{U_A}=\frac{R_{\mathrm{at}x}}{R_{\mathrm{at}x}+Z_K}\cdot K_{\mathrm{at}\mathrm{from}}\cdot K_{\mathrm{BUT}R\mathrm{At}},\left(5\right)$$

где K_ус - коэффициент усиления усилителя 4;where K _us - gain of the amplifier 4;

K_АРУ - коэффициент передачи блока автоматической регулировки усиления 1 по выходу 12.K _AGC - gain of the automatic gain control unit 1 at output 12.

Коэффициент передачи усилителя определяется выражениемThe gain of the amplifier is determined by the expression

$$K_{ус}=\left({К}_{П1}\cdot {К}_{П2}\cdot \dots \cdot {К}_{Пn}\right)\cdot \left({К}_{P1}\cdot {К}_{P2}\cdot \dots \cdot {К}_{Pm}\right),\left(6\right)$$

$$K_{\mathrm{at}\mathrm{from}}=\left({\mathrm{TO}}_{P\mathrm{one}}\cdot {\mathrm{TO}}_{P2}\cdot ...\cdot {\mathrm{TO}}_{Pn}\right)\cdot \left({\mathrm{TO}}_{P\mathrm{one}}\cdot {\mathrm{TO}}_{P2}\cdot ...\cdot {\mathrm{TO}}_{Pm}\right),\left(6\right)$$

где K_П1·K_П2·…·K_Пn - каскады усилителя 4, выполненные с постоянным коэффициентом усиления;where K _P1 · K _P2 · ... · K _Pn - cascades of amplifier 4, made with a constant gain;

K_P1·K_P2·…·K_Pm - каскады усилителя 4, выполненные с регулируемым коэффициентом передачи.K _P1 · K _P2 · ... · K _Pm - stages of the amplifier 4, made with an adjustable gear ratio.

Коэффициент передачи участка "А-Б" будет иметь максимальное и действительное значение на частоте, равной резонансной частоте кварцевого резонатора 3, для которой Z_K=R_K.The transfer coefficient of the site "AB" will have a maximum and real value at a frequency equal to the resonant frequency of the quartz resonator 3, for which Z _K = R _K.

На фиг.1 приведена схема, где в усилителе 4 используется один усилительный каскад 5 с постоянным коэффициентом усиления и один усилительный каскад 6 с регулируемым коэффициентом передачи.Figure 1 shows a diagram where the amplifier 4 uses one amplifier stage 5 with a constant gain and one amplifier stage 6 with an adjustable gear ratio.

Коэффициент передачи усилительного каскада 6 с регулируемым коэффициентом передачи определяется уровнем сигнала, поступающего со второго выхода 13 (управляющего выхода) блока автоматической регулировки усиления 1 на управляющий вход коммутирующего элемента 10.The gain of the amplifier stage 6 with an adjustable gain is determined by the level of the signal from the second output 13 (control output) of the automatic gain control unit 1 to the control input of the switching element 10.

При этом сигнал управления на входе коммутирующего элемента 10 может иметь два дискретных уровня:In this case, the control signal at the input of the switching element 10 can have two discrete levels:

- "низкий" (уровень. "нуля"), обеспечивающий разрыв коммутируемой цепи (режим 1);- "low" (level. "zero"), providing a break of the switched circuit (mode 1);

- "высокий" (уровень "1"), обеспечивающий проводящее состояние коммутирующего элемента 10 (режим 2).- "high" (level "1"), providing a conductive state of the switching element 10 (mode 2).

В соответствии с двумя состояниями коммутирующего элемента 10 коэффициент передачи каскада 6 будет иметь два значения, определяемые значениями сопротивлений резисторов 7, 8, 9, согласно выражениям:In accordance with the two states of the switching element 10, the transfer coefficient of the cascade 6 will have two values determined by the values of the resistances of the resistors 7, 8, 9, according to the expressions:

$$Режим"1"-K_0=\frac{R_8}{R_7};\left(7\right)$$

$$Re\mathrm{well}\mathrm{and}m"\mathrm{one}"-K_0=\frac{R_8}{R_7};\left(7\right)$$

$$Режим"2"-K_1=\frac{R_8\cdot R_9}{\left(R_8+R_9\right)\cdot R_7}=\frac{R_8}{R_7}\cdot \frac{1}{1+\frac{R_8}{\text{}{R}_9}},\left(8\right)$$

$$Re\mathrm{well}\mathrm{and}m"2"-K_{\mathrm{one}}=\frac{R_8\cdot R_9}{\left(R_8+R_9\right)\cdot R_7}=\frac{R_8}{R_7}\cdot \frac{\mathrm{one}}{\mathrm{one}+\frac{R_8}{\text{A.}{R}_9}},\left(8\right)$$

где K₀, K₁ - значения коэффициентов передачи каскада 6 для "нулевого" и "единичного" уровня управляющего напряжения на входе коммутирующего элемента 10;where K ₀ , K ₁ - the values of the transmission coefficients of cascade 6 for the "zero" and "single" level of control voltage at the input of the switching element 10;

R₇, R₈, R₉ - значения сопротивлений резисторов 7, 8, 9.R ₇ , R ₈ , R ₉ - resistance values of resistors 7, 8, 9.

В случае, когда R₈>>R₉ In the case when R ₈ >> R ₉

$$K_1\approx \frac{R_9}{R_7}.\left(9\right)$$

$$K_{\mathrm{one}}\approx \frac{R_9}{R_7}.\left(9\right)$$

В макетных образцах генератора, собранных согласно предлагаемому изобретению коэффициент передачи усилительного каскада 6 с регулируемым коэффициентом усиления в режиме "2" выбирался равным K₁=1÷2.In the prototype generator samples assembled according to the invention, the transmission coefficient of the amplification stage 6 with an adjustable gain in the "2" mode was chosen equal to K ₁ = 1 ÷ 2.

Выражение для коэффициентов передачи усилительного каскада 6 с регулируемым коэффициентом усиления справедливо при условии, что коэффициент усиления у инвертирующего усилителя 11 много больше единицы.The expression for the transmission coefficients of the amplifier stage 6 with an adjustable gain is valid provided that the gain of the inverting amplifier 11 is much greater than unity.

На фигуре 2 приведен один из возможных вариантов блока автоматической регулировки в составе заявляемого генератора.The figure 2 shows one of the possible options for the automatic adjustment unit as part of the inventive generator.

Работа генератора происходит следующим образом. В исходном состоянии, при отсутствии напряжения на шинах питания генератора между выводами всех его элементов, в том числе и у кварцевого резонатора 2 будет нулевая разность электрических потенциалов, т.е. в кварцевом резонаторе 2 отсутствуют механические колебания. В этом случае сопротивление коммутирующего элемента 10 R_КЭ имеет максимальное значение, много больше сопротивления третьего резистора 9 (R_КЭ>>R₉), что обеспечивает максимальное значение коэффициента передачи усилительного каскада 6 с регулируемым коэффициентом усиления и всего тракта петли положительной обратной связи.The operation of the generator is as follows. In the initial state, in the absence of voltage on the generator power buses, between the terminals of all its elements, including the quartz resonator 2, there will be a zero electric potential difference, i.e. in quartz resonator 2 there are no mechanical vibrations. In this case, the resistance of the switching element 10 R _KE has a maximum value, much greater than the resistance of the third resistor 9 (R _KE >> R ₉ ), which ensures the maximum value of the gain of the amplification stage 6 with an adjustable gain and the entire path of the positive feedback loop.

Переменная составляющая напряжения в первые моменты после подключения генератора к источнику питания в различных его точках имеет шумовой характер с широким спектром частот с максимальный значением амплитуды на выходе усилителя 4 и передается практически без ослабления на первый выход 12 блока автоматической регулировки усиления 1 на вход кварцевого резонатора 2 с блоком компенсации статической емкости 3.The variable voltage component in the first moments after connecting the generator to the power source at various points has a noise character with a wide range of frequencies with a maximum amplitude at the output of amplifier 4 and is transmitted almost without attenuation to the first output 12 of the automatic gain control unit 1 to the input of a quartz resonator 2 with static capacity compensation unit 3.

Постоянная составляющая выходного напряжения усилителя 4 (точка "В") через резистор 14, приложена к катоду диода пикового детектора 15 (входная цепь блока автоматической регулировки усиления 1). Напряжение анода диода 15 определяется выходным напряжением инвертирующего каскада усилителя 16 (идентичному усилительному каскаду 11), охваченного обратной связью "выход"-"вход" через параллельно соединенные резистор 17 и конденсатор 18.The constant component of the output voltage of the amplifier 4 (point "B") through a resistor 14 is applied to the cathode of the diode of the peak detector 15 (input circuit of the automatic gain control unit 1). The voltage of the anode of the diode 15 is determined by the output voltage of the inverting stage of the amplifier 16 (identical to the amplifying stage 11), covered by feedback "output" - "input" through a parallel connected resistor 17 and capacitor 18.

В отсутствие генерации в начальный момент после подачи напряжения питания имеет место равенство потенциалов анода и катода диода 15 пикового детектора блока АРУ, конденсатор фильтра 22 разряжен, обеспечивая высокоомное состояние регулирующих n-канальных транзисторов 23, 24 (потенциал затворов ниже потенциала истоков из-за разряженности конденсатора 22). Напряжение на выходе инвертора 29 и входе коммутирующего элемента 10 близкое к нулевому уровню. Усилительный каскад 6 с регулируемым коэффициентом усиления работает в режиме "1" и также обеспечивают максимальный коэффициент передачи участка "Б-В". Таким образом, в начальный момент времени после подачи напряжения питания блок АРУ 1 отключен и в тракте петли положительной обратной связи установлен максимальный коэффициент передачи (фактор регенерации G).In the absence of generation, at the initial moment after the supply voltage is applied, the potentials of the anode and cathode of the diode 15 of the peak detector of the AGC block are equal, the filter capacitor 22 is discharged, providing a high-impedance state of the regulating n-channel transistors 23, 24 (the gate potential is lower than the source potential due to the discharged capacitor 22). The voltage at the output of the inverter 29 and the input of the switching element 10 is close to zero. The amplifying stage 6 with an adjustable gain operates in mode "1" and also provide the maximum transfer coefficient of the plot "BB". Thus, at the initial moment of time after applying the supply voltage, the AGC block 1 is turned off and the maximum transfer coefficient (regeneration factor G) is set in the path of the positive feedback loop.

Кварцевый резонатор 2 с блоком компенсации статической емкости 3 обеспечивает ослабление сигналов в широком диапазоне частот за исключением узкой полосы в области частоты резонанса; на вход усилителя 4 попадают сигналы, выделенные из шумового спектра в узкой полосе частот близких к частоте резонанса кварцевого резонатора 2.A quartz resonator 2 with a static capacitance compensation unit 3 provides attenuation of signals in a wide frequency range with the exception of a narrow band in the region of the resonance frequency; the input of the amplifier 4 receives signals isolated from the noise spectrum in a narrow frequency band close to the resonance frequency of the quartz resonator 2.

При значении фактора регенерации G больше 1 в контуре положительной обратной связи и в том числе на выходе усилителя 4 возникают нарастающие по амплитуде колебания на частоте, близкой к резонансной частоте кварцевого резонатора 2. Скорость нарастания амплитуды выходных сигналов усилителя 4 в переходном процессе определяется постоянной времени кварцевого резонатора 2 и значением фактора регенерации G (с увеличением значения G сокращается время переходного режима). По достижению амплитуды колебаний на катоде диода пикового детектора 15 в блоке автоматической регулировки усиления 1 некоторого порогового значения (порог срабатывания АРУ), равного значению прямого напряжения диода U_{∂_пр}, начинает заряжаться конденсатор 18 пикового детектора и, соответственно, увеличивается напряжение на выходе инвертора 16 и на конденсаторе фильтра 22" (с постоянной времени, определяемой значением резисторов 19, 21 и емкости конденсатора 22) и затворах регулирующих n-канальных КМОП транзисторов 23, 24.When the value of the regeneration factor G is greater than 1 in the positive feedback loop, including the output of amplifier 4, amplitude-increasing oscillations occur at a frequency close to the resonant frequency of the quartz resonator 2. The rate of increase in the amplitude of the output signals of amplifier 4 in the transition process is determined by the time constant of the quartz resonator 2 and the value of the regeneration factor G (with an increase in the value of G, the transition time decreases). Upon reaching the amplitude of oscillations at the cathode of the diode of the peak detector 15 in the automatic gain control unit 1 of a certain threshold value (AGC response threshold) equal to the direct voltage of the diode U _{∂_pr} , the capacitor 18 of the peak detector starts charging and, accordingly, the voltage at the output of the inverter 16 and on the filter capacitor 22 "(with a time constant determined by the value of the resistors 19, 21 and the capacitance of the capacitor 22) and the gates of the regulating n-channel CMOS transistors 23, 24.

Значение порога срабатывания блока автоматической регулировки усиления 1, определяется выражением:The threshold value of the automatic gain control unit 1 is determined by the expression:

где U_{∂_пр} - прямое напряжение диода 15;where U _{∂_pr} - direct voltage of the diode 15;

R₁₄ - сопротивление резистора 14 в составе блока АРУ 1;R ₁₄ is the resistance of the resistor 14 as part of the AGC block 1;

R₂₀ - сопротивление резистора 20 в составе блока АРУ 1.R ₂₀ is the resistance of the resistor 20 as part of the AGC block 1.

В переходном режиме амплитуда выходного сигнала усилителя 4 нарастает от уровня шумов до амплитуды, равной значению согласно выражению (10), при этом сопротивление регулирующих транзисторов 23, 24 значительно больше сопротивления резистора 27, образующего совместное с транзисторами 23, 24 и резистором 26 делитель напряжения (первый контур АРУ).In the transition mode, the amplitude of the output signal of the amplifier 4 increases from the noise level to an amplitude equal to the value according to expression (10), while the resistance of the control transistors 23, 24 is much greater than the resistance of the resistor 27, forming a voltage divider joint with transistors 23, 24 and resistor 26 ( first circuit AGC).

Коэффициент передачи первого контура блока автоматической регулировки усиления 1 определяется выражением:The transmission coefficient of the first circuit of the automatic gain control unit 1 is determined by the expression:

$$K_1=\frac{R_{26}+R_{упр}}{R_{26}+R_{27}+R_{упр}},\left(11\right)$$

$$K_{\mathrm{one}}=\frac{R_{26}+R_{\mathrm{at}PR}}{R_{26}+R_{27}+R_{\mathrm{at}PR}},\left(\mathrm{one}\mathrm{one}\right)$$

где R₂₆, R₂₇, R_упр - значения сопротивлений резисторов 26, 27 и последовательно соединенных управляющих КМОП-транзисторов 23, 24 соответственно.where R ₂₆ , R ₂₇ , R _control - the resistance values of the resistors 26, 27 and series-connected control CMOS transistors 23, 24, respectively.

При R_упр→∞ (переходной режим) коэффициент передачи первого контура АРУ максимален и близок к значению ≈1.When R _CPR → ∞ (transient mode), the transfer coefficient of the first AGC loop is maximum and close to ≈1.

При R_упр→0 коэффициент передачи блока автоматической регулировки усиления 1 минимален и равен значению отношенияWhen R _CPR → 0, the transmission coefficient of the automatic gain control unit 1 is minimal and equal to the ratio

$$K_I=\frac{R_{26}}{R_{26}+R_{27}}.\left(12\right)$$

$$K_I=\frac{R_{26}}{R_{26}+R_{27}}.\left(\mathrm{one}2\right)$$

Таким образом, выбором коэффициента передачи (12) происходит установка необходимой амплитуды возбуждения, подаваемой на вход кварцевого резонатора 2, в установившемся режиме работы генератора.Thus, by choosing the transmission coefficient (12), the necessary excitation amplitude is supplied to the input of the quartz resonator 2 in the steady-state mode of operation of the generator.

Резистор 21 в цепи конденсатора фильтра 22 подавляет колебания в системе АРУ.The resistor 21 in the filter capacitor circuit 22 suppresses oscillations in the AGC system.

Далее через время, определяемое постоянной времени τ=R₃₀C₃₁, формируется управляющий сигнал на втором выходе блока автоматической регулировки усиления 1 на срабатывание коммутирующего элемента 10 каскада 6 с регулируемым коэффициентом передачи (второй контур АРУ). При этом, усилительный каскад 6 с регулируемым коэффициентом усиления переключается во второй режим работы с ограничением коэффициента усиления. Коэффициенты усиления каскадов, задаваемые значениями сопротивлений резисторов 7, 9, выбираются таким образом, чтобы в данном режиме работы обеспечить линейный режим работы усилителя 4 без искажений и на вход кварцевого резонатора 2 и блока компенсации статической емкости 3 (точка "А") приходит сигнал синусоидальной формы.Then, after a time determined by the time constant τ = R ₃₀ C ₃₁ , a control signal is generated at the second output of the automatic gain control unit 1 for the switching element 10 of the cascade 6 to operate with an adjustable transfer coefficient (second AGC circuit). At the same time, the amplifier stage 6 with an adjustable gain is switched to the second mode of operation with gain limitation. The cascade gains specified by the resistance values of resistors 7, 9 are selected so that in this mode of operation provide a linear mode of operation of the amplifier 4 without distortion and a sinusoidal signal arrives at the input of the quartz resonator 2 and the compensation unit of the static capacitance 3 (point "A") forms.

Согласно предлагаемому изобретению изготовлены макетные образцы генераторов, испытания которых подтвердили их работоспособность и эффективность.According to the invention, prototype generators were manufactured, tests of which confirmed their efficiency and effectiveness.

Claims (1)

Генератор, содержащий блок автоматической регулировки усиления, первый выход которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора и со входом блока компенсации статической емкости кварцевого резонатора, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора и со входом усилителя, при этом выход усилителя соединен со входом блока автоматической регулировки усиления и является выходом устройства, отличающийся тем, что усилитель выполнен в виде последовательно соединенных каскадов, при этом, по крайней мере, один или несколько последних каскадов выполнены с регулируемым коэффициентом передачи, каждый из которых содержит первый, второй, третий резисторы, коммутирующий элемент и инвертирующий усилитель, вход которого соединен через первый резистор с выходом предыдущего каскада или с выходом предыдущего каскада с регулируемым коэффициентом передачи, выход инвертирующего усилителя в каждом каскаде с регулируемым коэффициентом передачи соединен со своим входом через второй резистор и последовательно соединенные коммутирующий элемент и третий резистор, вход управления коммутирующего элемента соединен со вторым выходом блока автоматической регулировки усиления. A generator comprising an automatic gain control unit, the first output of which is connected to the first output of the quartz resonator and to the input of the static capacitance compensation unit of the quartz resonator, whose output is connected to the second output of the quartz resonator and to the amplifier input, while the output of the amplifier is connected to the input of the automatic adjustment unit amplification and is the output of the device, characterized in that the amplifier is made in the form of series-connected cascades, with at least one or several The last stages are made with an adjustable transfer coefficient, each of which contains a first, second, third resistors, a switching element and an inverting amplifier, the input of which is connected through the first resistor to the output of the previous stage or to the output of the previous stage with an adjustable transmission coefficient, the output of the inverting amplifier each cascade with an adjustable transmission coefficient is connected to its input through a second resistor and a series-connected switching element and a third resistor, in od control switching element is connected to the second output of the automatic gain control block.

Images