Среди важнейших параметров навигаторов точность позиционирования и время вхождения в связь являются, пожалуй, самыми важнейшими. Поэтому к опорному генератору, являющемуся основным элементом синхронизации всех элементов навигатора, в том числе и синтезатора частот, предъявляются особенные требования. Среди них – высокая температурная стабильность в широком интервале рабочих температур, низкий уровень фазовых шумов, высокая экономичность и малые габариты. Экономические показатели также имеет значение.
В связи с этим перед разработчиками стояла непростая задача разработать генератор, многие параметры которого часто противоречат друг другу. Например, экономичность в потреблении энергии и низкий уровень шумов, высокая температурная стабильность и малые габариты и низкая цена и так далее.
В итоге технические требования к генератору выглядят следующим образом:
• Номинальная частота 12,8 МГц;
• Температурная нестабильность не более ±1.10-6;
• Интервал рабочих температур от минус 40 до +70 ОС;
• Фазовые шумы при отстройке 20 Гц не более -110 дБ/Гц;
• Напряжение питания +3,3 ±10%;
• Габариты 20х12х6 мм (корпус DIL-14);
• Цена не более 2000 руб.
Реализация решения данной задачи предполагалось следующим образом:
1. С целью снижения трудоемкости изготовления генератора все монтажно-сборочные работы выполняются на предприятиях, специализирующихся на контрактной сборке печатных плат;
2. С этой же целью, а также с целью получения необходимой температурной стабильности применить специализированную микросхему, реализующую необходимое темературнозависимое управляющее напряжение для компенсации температурных уходов кварцевого резонатора.
3. В связи с тем, что данная микросхема рассчитана на напряжение питания 5В, в конструкции генератора необходимо предусмотреть умножитель напряжения, причем для снижения уровня помех частота работы умножителя должна быть равна рабочей частоте, т.е. 12,8 МГц;
4. Для получения необходимого уровня фазовых шумов добротность кварцевого резонатора должна быть не менее 200 тысяч, причем все резонаторы с целью повышения долговременной стабильности должны быть подвергнуты температурной стабилизации в течение 168 часов.
Исходя из этих соображений, структура генератора принимает следующий вид (рис.1).
Рис.1. Структурная схема генератора
Собственно кварцевый генератор выполнен по схеме Пирса, представляющую собой осцилляторную схему емкостной трехточки (рис.2), в которой кварцевый резонатор работает на индуктивной ветви частотной характеристики сопротивления, т.е. при положительной отстройке от частоты последовательного резонанса. Для управления частотой генератора в цепь резонатора последовательно включен варикап VD1.
Рис. 2. Обобщенная схема емкостной трехточки
Самовозбуждение генератора происходит на определенной частоте, при которой сумма сдвигов фаз вдоль контура равна нулю, а напряжение, приходящее на вход генератора с выхода четырехполюсника больше входного напряжения (1). Это условие называется условием самовозбуждения, включающее баланс фаз и баланс амплитуд.
Для уменьшения влияния последующих каскадов и повышения уровня выходного сигнала генератора включен буферный усилитель, имеющий выходной сигнал с размахом 2 В, достаточный для работы умножителя напряжения.
Как было сказано выше, умножитель (удвоитель) напряжения (рис.3) работает на частоте основного сигнала 12,8 МГц.
Рис. 3. Удвоитель напряжения
Ключ DD1 благодаря низкому сопротивлению в открытом состоянии обеспечивает быструю зарядку конденсатора, а высокое значение частоты переключения обеспечивает хорошую фильтрацию выпрямленного напряжения при относительно малых значениях емкостей схемы.
Как было отмечено выше, точность позиционирования и стабильность удержания настройки на спутники в значительной мере зависят от кратковременной стабильности частоты опорного генератора, причем в области медленных (1-100 Гц) флюктуаций, называемых фликкер-шумом. Его интенсивность зависит от многих факторов, среди которых нагруженная добротность резонатора, уровень мощности, рассеиваемой на кварцевом резонаторе, технология производства резонатора, включающая практически все операции, начиная от выращивания кристалла до герметизации готового резонатора.
Руководствуясь этими соображениями, в качестве резонатора был выбран серийно выпускаемый прибор в цилиндрическом корпусе диаметром 3 и длиной 10 мм, имеющий добротность не менее 200 тысяч.
Резонаторы предварительно отбирались по шумам в приспособлении, состоящим из генератора с контактным устройством и измерителя фазовых шумов. Резонаторы, не прошедшие отбор дополнительно подвергались специальной тренировке, позволяющей на некоторых образцах снизить фликкер-шум на 10 дБ и лучше.
Таким образом более 80% резонаторов оказывались годными.
Схема генератора с управлением варикапом представлена на рис. 4.
Рис. 4. Схема кварцевого управляемого генератора
Элементы схемы генератора выбираются из условия самовозбуждения и определяются как:
• Фактор регенерации 
• Крутизна транзистора 
• Управляющее сопротивление 
где
Ik0 – значение тока коллектора в рабочей точке;
φT – температурный потенциал;
отношение емкостей;
емкость генератора ;
Относительная нестабильность частоты в интервале температур от минус 40 до +70 ОС кварцевого резонатора составляет ±(20…25).10-6. Для получения нестабильности ±1.10-6 генератор оснащен устройством — термоформирователем, синтезирующим термозависимое напряжение по закону, обратному температурно-частотной характеристики (ТЧХ) кварцевого резонатора. Для среза АТ эта зависимость аппроксимируется полиномом 3-ей степени.
Коэффициенты А. В и С устанавливаются с помощью подстраиваемых резисторов в термокамере при изменении температуры внутри рабочего интервала. На рис. 5 показана ТЧХ кварцевого резонатора (генератора без компенсации) и настроенного генератора.
Рис. 5. Температурно-частотные характеристики кварцевого резонатора и генератора с термокомпенсацией
Шумовые характеристики генераторов обычно имеют вид согласно рис. 6. Здесь можно выделить три области.
Область А – тепловые шумы, имеющие постоянную и независящую от частоты спектральную плотность. Определяются в основном мощностью сигнала на входе активной части генератора и коэффициентом шума транзистора.
Область В – ниже частоты, равной половине полосы пропускания резонансной системы контура генератора.
Область С – область с отстройкой 1…100 Гц от несущей где проявляются медленные изменения фазы генератора, обусловленные прохождением тока через кварцевый резонатор, а также вызванные микродефектами пассивных и активных элементов схемы.
Рис.6. Типичная характеристика шума генератора
Согласно техническому заданию спектральная плотность фазовых шумов -110 дБ/Гц должна быть получена при частоте отстройки от несущей 20 Гц, что соответствует области С. Выше было освещены методы отбора и снижения фликкер-шума резонаторов. На рис.7 представлена структурная схема экспериментальной установки для измерения фазовых шумов, а на рис.8 – внешний вид установки.
Рис. 7. Структурная схема измерителя фазовых шумов
Высокочастотное напряжение с измеряемых генераторов Г1 и Г2 поступает на согласующие усилители УВЧ1 и УВЧ2. Усилители необходимы для обеспечения необходимого уровня сигнала, обеспечивающего нормальную работу фазового детектора ФД. С выхода ФД сигнал разностной частоты через фильтр низкой частоты ФНЧ поступает на вход управления генератора Г2 и на вход предварительного малошумящего усилителя низкой частоты УНЧ1 с усилением 40 дБ. Масштабирующий усилитель УНЧ2 позволяет ступенчато изменять усиление от 40 до 70 дБ. Шумовой сигнал поступает на вход низкочастотного анализатора спектра АС для визуализации.
Рис. 8. Внешний вид установки для измерения фазовых шумов
На рис. 9 приведена характеристика фазовых шумов, полученная с помощью экспериментальной установки.
Рис.9. Характеристика фазового шума, измеренная на экспериментальной установке
Генератор смонтирован в стандартном металлическом герметичном корпусе DIL-14 размером 22х12х6,5 мм. Все элементы смонтированы на двухсторонней печатной плате с использованием технологии поверхностного монтажа. Кристалл микросхемы термоформирователя установлен также на плату. Выводы выполнены из алюминиевой проволоки диаметром 27 мкм и соединены методом ультразвуковой сварки. Герметизация произведена метом лазерной сварки.
В заключение следует отметить, что благодаря применению контрактной сборке, а также прогрессивной технологии настройки генератора удалось снизить трудоемкость изготовления генератора до 2 часов. При этом продажная цена генератора составила 1500 руб. без НДС при выпуске 400 шт. в месяц.
Тезисы выступления
1. Постановка задачи. Технические требования к генератору. Определение структуры генератора, необходимость наличия умножителя напряжения, выбор схемы умножителя.
2. Способы снижения фликкер-шума в генераторе. Выбор схемы генератора и способа управления частотой. Выбор кварцевого резонатора. Основные соотношения – условие самовозбуждения, баланс фаз, баланс амплитуд.
3. Термокомпенсация: обзор методов, структура и принцип работы примененной специализированной микросхемы. Настройка генератора. Температурно-частотные характеристики ненастроенного и настроенного генератора.
4. Шумовые характеристики. Способы отбора резонаторов. Блок-схема установки для измерения фазовых шумов. Практические результаты измерений.
5. Конструкция генератора. Описание конструкции и методов монтажа и сборки. Герметизация и маркировка генератора. Чертеж конструкции и общего вида генератора.
6. Заключение. Трудоемкость изготовления генератора. Себестоимость. Объем выпуска.
_______________________________________________________________________________________