КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПО АМПЛИТУДЕ Российский патент 2003 года по МПК H03B5/32 H03L1/00 

Данное устройство используется в качестве источника синусоидальной э.д. с. параметрических датчиков (индуктивные, емкостные и т. п.) в измерительной технике. Преимущественная область применения таких датчиков это системы автоматического управления положением различных объектов, в частности, для измерения углового положения ротора гальванометрического сканатора.

Известны кварцевые генераторы, где для стабилизации амплитуды используются в качестве регулирующего элемента полевые транзисторы [1, 2]. Однако эти решения не позволяют получить синусоидальный сигнал с низким содержанием гармоник и высоким отношением сигнал/шум. Это связано с тем, что напряжение на полевом транзисторе должно быть достаточно низкой величины для снижения нелинейных искажений [3], даже использование более сложных схем аттенюаторов с полевыми транзисторами не позволяет значительно снизить искажения регулируемого сигнала.

Известно также, что в качестве управляемого напряжением аттенюатора можно использовать аналоговые умножители напряжения типа переменной крутизны [4, 5], позволяющие преобразовывать напряжения значительных величин с низким коэффициентом нелинейных искажений. Но простая замена управляемого делителя с полевым транзистором на аналоговый умножитель также не дает необходимого результата из-за наличия значительного уровня собстенных шумов (на один два порядка выше, чем у операционного усилителя (ОУ)).

В качестве прототипа выбрано устройство [2], содержащее наибольшее количество общих существенных признаков с заявляемым решением. Это устройство выполнено на дифференциальном ОУ с положительной обратной связью (ОС), замкнутой с его выхода на неинвертирующий вход через кварцевый резонатор и мост Вина. Стабилизация амплитуды сигнала генератора осуществляется путем изменения глубины отрицательной ОС, образованной последовательным включением выпрямителя, задающего устройства (стабилитрон) и параллельно соединенных конденсатора и резистора (цепь коррекции), одним выводом которые соединены с общим проводом, другим - с входом управляемого аттенюатора. Аттенюатор выполнен на полевом транзисторе и включен между выходом ОУ и его инвертирующим входом. При реализации генератора по данной структуре необходимо иметь низкое значение сигнала на полевом транзисторе, что приводит к значительному коэффициенту усиления ОУ, а значит, и повышенной величине шумов. Увеличение сопротивления канала полевого транзистора с целью снижения коэффициента усиления ОУ приводит к значительным нелинейным искажениям из-за модуляции сопротивления канала полевого транзистора напряжением на его стоке. Даже значительное снижение напряжения на полевом транзисторе с целью уменьшения паразитной модуляции канала по стоку не позволяет заметно снизить нелинейные искажения сигнала генератора. Это связано с наличием высших гармоник в выходном сигнале выпрямителя, которые невозможно устранить без значительного сужения полосы пропускания цепи коррекции в петле отрицательной ОС, что привело бы к сильному снижению быстродействия по управлению.

Сущность изобретения состоит в том, что в качестве управляемого напряжением аттенюатора использован аналоговый умножитель напряжения типа переменной крутизны, соединенный одним входом с выходом ОУ, другим с выходом корректирующего усилителя с дифференциальным входом (ДКУ). Инвертирующий вход ДКУ соединен с выходом выпрямителя, вход которого соединен с выходом ОУ. К неинвертирующему входу ДКУ подключен выход задающего устройства. Выход умножителя соединен с одним выводом кварцевого резонатора (КР), а другой - с входом моста Вина, выход которого соединен с неинвертирующим входом ОУ. Инвертирующий вход ОУ соединен через резисторный делитель R1, R2 с выходом ОУ.

Основной отличительной особенностью данного решения является то, что КР включен между входом ОУ и выходом умножителя. Таким образом, положительная обратная связь (ОС) (выход ОУ, умножитель, КР, мост Вина, неинвертирующий вход ОУ) и отрицательная ОС (выход ОУ, выпрямитель, ДКУ, умножитель, КР, мост Вина, неинвертирующий вход ОУ) замыкаются через КР. Т.к. КР обладает высокой добротностью, это обеспечивает хорошую фильтрацию сигналов по обеим петлям ОС и позволяет значительно снизить шумовое напряжение умножителя и высшие гармоники выпрямителя, что и обеспечивает необходимый эффект - высокое отношение сигнал/шум и низкое содержание гармоник в выходном сигнале генератора при хорошем быстродействии на изменение управляющего напряжения, поступающего от задающего устройства. Кроме того, существенно упрощается выпрямитель вплоть до однополупериодного, и фильтр коррекции ДКУ может быть реализован в виде интегрирующего звена или инерционного звена низкого порядка.

На чертеже показана конкретная реализация стабилизированного по амплитуде кварцевого генератора. Выпрямитель выполнен по однополупериодной схеме на одном диоде. ДКУ выполняет две функции: усилителя ошибки и динамического корректирующего звена (выполненного в виде интегратора). Аналоговый умножитель реализован на микросхеме КР525ПС2 (AD633). Кварцевый резонатор часового типа РК32768.

При использовании ОУ типа КР544УД2А отношение с/ш составляет более 10⁵, а высшие гармоники находятся на уровне менее 10^-4.

Функционирует схема генератора следующим образом: при включении напряжения питания в начальный момент времени сигнал на выходе генератора отсутствует (на выходе ОУ), при этом на выходе ДКУ устанавливается максимальная величина выходного напряжения положительной полярности, т.к. на неинвертирующий вход корректирующего усилителя с дифференциальным входом поступает положительное напряжение с задающего устройства, что обеспечивает максимальный коэффициент передачи по цепи положительной ОС и способствует возникновению синусоидальных колебаний на выходе ОУ с частотой кварцевого резонатора. Демодулированное напряжение на выходе выпрямителя нарастает до величины напряжения на выходе задающего устройства, что снижает величину выходного напряжения ДКУ и стабилизирует величину амплитуды выходного напряжения ОУ, амплитуда которого определяется величиной напряжения на выходе задающего устройства.

Литература
1. Н 03 В 5/32, N 2020726, Кварцевый генератор с автоматической регулировкой амплитуды, Борисенко А.Л. и др.

2. А.Г. Алексенко и др. Применение прецизионных аналоговых ИС, М.: Радио и связь, 1981, стр.133, рис.5.6.

3. А.Г. Алексенко и др. Применение прецизионных аналоговых ИС, М.: Радио и связь, 1981, стр.63, 64.

4. А.Г. Алексенко и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем, М. : Радио и связь, 1985, стр.79, 80.

5. Справочник по нелинейным схемам (Проектирование устройств на базе аналоговых функциональных модулей и интегральных схем), под редакцией Д. Шейнголда, перевод с английского под ред. В.В. Малинина, M.: Мир, 1977, стр.228.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в параметрических датчиках. Достигаемый технический результат - высокое отношение сигнал/шум и низкое содержание гармоник в выходном сигнале. Кварцевый генератор, стабилизированный по амплитуде, содержит дифференциальный операционный усилитель, кварцевый резонатор, мост Вина, управляемый напряжением аттенюатор, в качестве которого использован аналоговый умножитель напряжения типа переменной крутизны, выпрямитель напряжения и корректирующий усилитель с дифференциальным входом. 1 ил.

Кварцевый генератор стабилизированный по амплитуде, содержащий дифференциальный операционный усилитель, кварцевый резонатор, мост Вина, выход которого соединен с неинвертирующим входом дифференциального операционного усилителя, а вход - с одним выводом кварцевого резонатора, управляемый напряжением аттенюатор, выпрямитель напряжения, вход которого соединен с выходом дифференциального операционного усилителя, отличающийся введением корректирующего усилителя с дифференциальным входом, а в качестве управляемого напряжением аттенюатора использован аналоговый умножитель напряжения типа переменной крутизны, причем один вход аналогового умножителя напряжения типа переменной крутизны соединен с выходом дифференциального операционного усилителя, второй - с выходом корректирующего усилителя с дифференциальным входом, инвертирующий вход которого соединен с выходом выпрямителя напряжения, выход аналогового умножителя напряжения типа переменной крутизны соединен с другим выводом кварцевого резонатора, а инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя соединен с его выходом через резисторный делитель, корректирующий усилитель с дифференциальным входом выполняет функции усилителя ошибки и динамического корректирующего звена.