КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2007 года по МПК H03B5/32 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных кварцевыми резонаторами, в частности в пьезорезонансных датчиках.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является кварцевый генератор (см. патент US №4,782,309, кл. H03B 5/32, 5/38 от 06.26.1987 г., опубликованный 01.11.1988 г.), содержащий дифференциальный усилитель, четырехплечий емкостной мост, в одно из плеч которого включен кварцевый резонатор. Одна из диагоналей моста подключена к выходу усилителя, а другая диагональ подключена к его дифференциальным входам. Указанное выше устройство взято в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является невозможность нормальной работы с кварцевыми резонаторами, имеющими большое значение эквивалентного сопротивления - R_к (R_к>500 кОм), которые могут быть у стержневых кварцевых резонаторов с изгибной формой колебаний и резонансной частотой более 60 кГц. При этом статическая емкость резонатора С₀ может достигать значения 1 пФ. При указанных параметрах резонатора оказываются неработоспособными и другие известные варианты генераторов.

Решаемой задачей является обеспечение устойчивой работы генератора с кварцевыми резонаторами, имеющими значение эквивалентного сопротивления 800 и более кОм при статической емкости порядка 1 пФ и резонансной частоте более 60 кГц.

Технический результат достигается тем, что кварцевый генератор содержит резистивно-емкостную мостовую схему с кварцевым резонатором, выход которого соединен с входом первого усилителя. Новым является то, что первый усилитель выполнен инвертирующим, а в резистивно-емкостную мостовую схему дополнительно введен второй инвертирующий усилитель и второй резистор, первый вывод которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора и входом второго инвертирующего усилителя, выход которого соединен со вторым выводом второго резистора и с первыми выводами первого резистора и первого конденсатора, вторые выводы которых соединены со входом первого инвертирующего усилителя и вторым выводом второго конденсатора, первый вывод которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора и с выходом первого инвертирующего усилителя, который является выходом устройства.

Положительный результат достигается введением дополнительного усилителя в мост, что позволяет облегчить балансировку моста, что благоприятно сказывается на характеристиках генератора.

На фиг.1 изображена структурная схема кварцевого генератора с активным элементом в одном плече моста.

На фиг.2 изображена структурная схема моста с активным элементом в одном его плече.

На фиг.3 изображена электрическая принципиальная схема генератора с использованием микросхем типа 564ЛН2 (561ЛН2 765ЛН2).

На фиг.4 изображена фазочастотная характеристика генератора без компенсации 1 и с компенсацией 2.

На фиг.5 изображена амплитудно-частотная характеристика генератора с мостовой компенсацией.

Кварцевый генератор состоит из элементов:

1 - кварцевый резонатор; 2 - второй резистор; 3 - второй инвертирующий усилитель; 4 - второй конденсатор; 5 - первый резистор; 6 - первый конденсатор; выходом резистивно-емкостного моста является точка 7 соединения конденсаторов 4, 6 и резистора 5; 8 - первый инвертирующий усилитель. Выход первого инвертирующего усилителя 8 соединен с точкой соединения первых выводов кварцевого резонатора 1 и второго конденсатора 4. Второй вывод кварцевого резонатора соединен со входом второго инвертирующего усилителя 3 и первым выводом резистора 2. Выход второго инвертирующего усилителя 3 соединен со вторым выводом резистора 2, с первыми выводами резистора 5 и конденсатора 6. Второй вывод конденсатора 4 соединен с вторыми выводами резистора 5, конденсатора 6 и входом первого инвертирующего усилителя 8.

Устройство работает следующим образом. Источник питания подключается к соответствующим выводам усилителей. С помощью резистора 2 задается режим работы и рабочая точка усилителя 3. Выбором значений сопротивления резистора 5 и емкости конденсаторов 4, 6 обеспечивается подавление синфазного сигнала (подаваемого на общую точку кварцевого резонатора 1 и конденсатора 4) на выходе моста (точка 7) с частотами, при которых отсутствуют колебания кварцевого резонатора. На частоте последовательного резонанса кварцевого резонатора 1 мост, образованный элементами 1, 2, 3, 4, 5, 6, становится разбалансированным и сигнал, подаваемый на общую точку кварцевого резонатора 1 и конденсатора 4, проходит на выход моста.

Выходной сигнал мостовой схемы U_ВЫХ определяется решением следующих уравнений:

где U₁ - напряжение на выходе усилителя У_C.

Решением уравнений (1) для выходного сигнала U_ВЫХ является выражение

Условием нейтрализации тока С₀ является равенство нулю выходного сигнала на частотах за пределами механического резонанса кварцевого резонатора

, т.е.

Из (3) следует

с учетом того, что Z₁≫Z₂ и (K-1)≫1 условие (4) можно записать

или

Для обеспечения условия нейтрализации емкости С₀ в широком диапазоне частот отношения импедансов и должны быть частотонезависимыми, т.е.

Из условия постоянства отношения импедансов в широком диапазоне частот с учетом того, что Z₁ является емкостным сопротивлением, следует:

где С₃ - емкость конденсатора, определяющая импеданс Z₃.

В качестве импеданса Z₂ наиболее удобным представляется использование постоянного резистора, однако, наличие у инвертирующего усилителя У_C проходной емкости С_ПР делает Z₂ комплексным сопротивлением (параллельное соединение резистора и емкости). Его импеданс определяется выражением:

где R₂ - значение активного сопротивления импеданса Z₂;

С₂=С_ПР+С_МОН - суммарное значение проходной емкости и емкости монтажа.

Условие (7) может быть выполнено только в том случае, когда импеданс Z₄ представляет собой параллельное соединение резистора и конденсатора (R₄ и С₄). При этом должны выполняться равенства:

и

Таким образом, условием нейтрализации влияния статической емкости кварцевого резонатора будет выполнение следующих соотношений:

Коэффициент передачи К_М моста на частоте резонанса кварцевого резонатора в первом приближении определяется следующим соотношением:

где R_K - динамическое сопротивление кварцевого резонатора.

Эквивалентный импеданс нагрузки кварцевого резонатора Z_H определяется входным сопротивлением инвертора, охваченного обратной связью через Z₂, его значение равно:

Поскольку должно выполняться условие R₂<R_K, то коэффициент передачи моста K_M<1. Для обеспечения условий генерации требуется введение дополнительных каскадов усиления с суммарным коэффициентом усиления

Один из возможных вариантов кварцевого генератора, реализующий предложенное техническое решение, выполненное с использованием микросхем 564ЛН2, приведено на фиг.3. Работоспособность генератора проверена экспериментально с кварцевым резонаторным датчиком, имеющим R_K=2 МоМ, С₀=0,9 пФ, f₀=70420 Гц.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных кварцевыми резонаторами и используемых в качестве силочувствительных датчиков. Техническим результатом является обеспечение устойчивой работы генератора с кварцевыми резонаторами, имеющими значение эквивалентного сопротивления более 500 кОм при статической емкости порядка 1 пФ и резонансной частоте более 60 кГц. Генератор содержит резистивно-емкостную мостовую схему, в которую введены инвертирующий усилитель с параллельно включенным резистором. Выход мостовой схемы подключен к входу другого инвертирующего усилителя. 5 ил.

Кварцевый генератор, содержащий резистивно-емкостную мостовую схему с кварцевым резонатором, выход которой соединен со входом первого усилителя, отличающийся тем, что первый усилитель выполнен инвертирующим, а в резистивно-емкостную мостовую схему дополнительно введен второй инвертирующий усилитель и второй резистор, первый вывод которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора и входом второго инвертирующего усилителя, выход которого соединен со вторым выводом второго резистора и с первыми выводами первого резистора и первого конденсатора, вторые выводы которых соединены со входом первого инвертирующего усилителя и вторым выводом второго конденсатора, первый вывод которого соединен с первым выводом кварцевого резонатора и с выходом первого инвертирующего усилителя, который является выходом устройства.