ГЕНЕРАТОР Российский патент 2019 года по МПК H03B5/00 

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

Известен кварцевый генератор (см. патент РФ №2523945 от 06.05.2013, опубликован 27.07.2014 в Бюл. №21), содержащий кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен со входом инвертирующего усилителя и через первый резистор с его выходом и с первым выводом второго резистора, второй вывод кварцевого резонатора соединен с первым выводом конденсатора и выходом первого фазового корректора, вход которого соединен с выходом неинвертирующего усилителя, выход которого является выходом устройства.

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

Недостатком прототипа является низкая стабильность работы из-за отсутствия возможности одновременного обеспечения точного задания значения амлитуды напряжения, необходимого для работы некоторых типов электромеханических частотозадающих кварцевых резонаторов и при этом отсутствие точной подстройки частоты генератора к частоте последовательного резонанса самого кварцевого резонатора, что влияет непосредственно на стабильность работы генератора.

Решаемой задачей является создание генератора с частотозадающим кварцевым резонатором с повышенной стабильностью частоты генерации (при значении эквивалентного сопротивления резонатора до 2 МОм).

Достигаемым техническим результатом является обеспечение заданного фиксированного уровня амплитуды напряжения, подаваемого на частотозадающий кварцевый резонатор и, при этом, введение в схему генератора элемента для точной корректировки частоты генерации, который не приводит к изменению заданной амплитуды напряжения, что обеспечивает повышение устойчивости и стабильности частоты генерации.

Для достижения технического результата в генераторе, содержащем кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен со входом инвертирующего усилителя и через первый резистор с его выходом и с первым выводом второго резистора, второй вывод кварцевого резонатора соединен с первым выводом конденсатора и выходом первого фазового корректора, вход которого соединен с выходом неинвертирующего усилителя, выход которого является выходом устройства, новым является то, что дополнительно введен второй фазовый корректор, вход которого соединен со вторым выводом конденсатора и вторым выводом второго резистора, а выход соединен со входом неивертирующего усилителя.

Если при помощи первого фазового корректора, который имеется в прототипе заявляемого устройства, задавать фиксированное определенное значение амплитуды напряжения, подаваемого на кварцевый резонатор, и при этом также будет создаваться определенный фазовый сдвиг в контуре положительной обратной связи генератора, который может сдвигать частоту автогенерации на выходе генератора на край границы резонансного участка кварцевого резонатора, что в результате может привести к срыву генерации, например, при действии внешних воздействующих факторов (изменения температуры окружающей среды, изменения напряжения питания и т.д.). Стабилизация частоты в предлагаемом генераторе достигается за счет введения в схему генератора дополнительного фазового корректора, включенного на входе неинвертирующего усилителя, с помощью которого можно проводить подстройку частоты генерации к резонансной частоте кварцевого резонатора.

На фигуре 1 приведена функциональная схема предлагаемого генератора. На фигуре 2 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.

Генератор содержит кварцевый резонатор 1, первый вывод которого соединен со входом инвертирующего усилителя 2 и через первый резистор 3 с его выходом и с первым выводом второго резистора 4, второй вывод кварцевого резонатора 1 соединен с первым выводом конденсатора 5 и выходом первого фазового корректора 6, вход которого соединен с выходом неинвертирующего усилителя 7, второй фазовый корректор 8, вход которого соединен со вторым выводом конденсатора 5 и вторым выводом второго резистора 4, а выход соединен со входом неивертирующего усилителя 7.

Устройство работает следующим образом. Кварцевый резонатор 1, конденсатор 5, резистор 4 и инвертирующий усилитель 2, охваченный отрицательной обратной связью между выходом и входом через резистор 3, образуют мост с тремя пассивными и одним активным плечами. Параметры плеч указанного выше моста должны выбираться, исходя из следующего соотношения:

где С₁ - значение емкости конденсатора 5 (см. фиг. 1);

С₀ - значение статической емкости кварцевого резонатора 1 (см. фиг. 2);

R₁, R₂ - значение сопротивлений резисторов 3 и 4 соответственно;

R_K - активное эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора 1 (см. фиг. 2).

При этом, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя 2 должен быть много больше 1. В этом случае, значение входного сопротивления инвертирующего усилителя 2, охваченного отрицательной обратной связью через резистор 3 (R₁) будет определяться отношением значения его сопротивления к значению коэффициента усиления по напряжению инвертирующего усилителя 2 и с учетом условия (2), ток протекающий по резистору 4, будет близким к значению тока кварцевого резонатора 1 I_ZQ, определяемым суммой двух составляющих:

где U_ZQ - переменное напряжение, приложенное к кварцевому резонатору 1 (ZQ);

Zk - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 1 (ZQ);

R_K, L_K, C_K - эквивалентные параметры кварцевого резонатора 1 (см фиг. 2).

Составляющая тока кварцевого резонатора 1, обусловленная его статической емкостью С₀ уменьшает реальную добротность и крутизну фазочастотной характеристики резонатора и, соответственно, ухудшает стабильность частоты генератора. Наиболее сильное негативное влияние емкостного тока кварцевого резонатора на стабильность частоты генератора проявляется в случаях, когда составляющие емкостного тока - ωC₀U_ZQ и резонансного тока - имеют соизмеримые значения. Напряжение на выходе инвертирующего усилителя 2, обусловленное током кварцевого резонатора, равно произведению значения сопротивления резистора 3 (R₁) обратной связи на значение входного тока равного I_ZQ (свойство инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления K>>1 с отрицательной обратной связью):

Знак "минус" в выражении (4) определяет инверсию усиливаемого сигнала. Компенсация составляющей тока статической емкости кварцевого резонатора 1 аналогична прототипу и осуществляется за счет емкостного тока конденсатора 5, который протекая по резистору 4 (R₂) создает на нем падение компенсирующего напряжения U_K - равное:

Напряжение на входе второго фазового корректора 8 U_вх1 равно геометрической (векторной) сумме выходного напряжения инвертирующего усилителя 2 и напряжения, сформированного на резисторе 4 (R₂) за счет протекания емкостного тока, задаваемого конденсатором 5 (С₁) - U_K:

При выполнении условия (1), составляющие напряжения, определяемые токами статической емкости кварцевого резонатора 1 и компенсирующего конденсатора 5 нейтрализуют друг друга, и входное напряжение усилителя 2 будет равно:

Коэффициент передачи участка "второй вывод кварцевого резонатора 1 - вход второго фазового корректора 8" равен:

Коэффициент передачи K₁ будет иметь максимальное значение на частоте, равной резонансной частоте кварцевого резонатора 1, для которой Z_K=R_K:

При выполнении условия (2) коэффициент передачи K_1max будет иметь значение равное - (0,2÷10,0).

Для обеспечения устойчивой работы генератора необходимо выполнение двух условий:

- условие баланса амплитуд, при котором коэффициент передачи неискаженного сигнала в контуре положительной обратной связи K_Σ генератора должен быть больше 1;

- условие баланса фаз, при котором суммарный фазовый сдвиг равен или кратен 2π:

где K_Σ - суммарный коэффициент передачи;

K_i, K_n - коэффициенты передачи i-го и n-го звена в контуре положительной обратной связи соответственно;

ϕ_i - фазовый сдвиг, вносимый i-м звеном в контуре обратной связи на частоте генерации.

В предлагаемом генераторе условно можно выделить четыре звена, определяющих суммарный коэффициент передачи K_Σ и условие баланса фаз.

Первое звено располагается между вторым выводом кварцевого резонатора 1 (точка схемы А, фиг. 1) и входом второго фазового корректора 8; его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 1 определяется выражением (7) со значением 0,2÷10,0 и фазовый сдвиг ϕ₁ близок к значению равному π (180°).

Вторым звеном является второй фазовый корректор 8, который создает некоторый фазовый сдвиг ϕ₂ который необходим для подстройки частоты генерации к резонансной частоте частотозадающего элемента - кварцевого резонатора 1.

Третьим звеном является неинвертирующий усилитель 7, его коэффициент передачи зависит от выбранного схемотехнического варианта, а фазовый сдвиг ϕ₃ близок к значению равному π (180°).

Четвертым звеном является первый фазовый корректор 6, при помощи которого в контуре положительной обратной связи достигается фазовый сдвиг для обеспечения условия (9). Фазовый корректор 6 может быть выполнен с использованием нескольких звеньев интегрирующих RC-цепочек, что позволяет подавить высшие гармоники в спектре сигнала, подаваемого на кварцевый резонатор 1, и обеспечить работоспособность на его основной резонансной частоте.

Процесс установления колебаний генератора начинается с очень малых амплитуд с синусоидальной неискаженной формой выходных сигналов и заканчивается ограничением в последнем каскаде усилителя 7 до амплитуды 0,5 Шит.

Настройка заявляемого генератора сводится к выбору значения емкости конденсатора для выполнения условия (1) на частоте вдали от резонанса, далее при помощи первого фазового корректора 6 задается необходимая амплитуда напряжения, и при этом в контуре положительной обратной связи устанавливается фазовый сдвиг достаточный для выполнения условия (9).

Далее при помощи второго фазового корректора 8 осуществляется точная подстройка выходной частоты генератора на резонансную частоту частотозадающего элемента - кварцевого резонатора 1.

Второй фазовый корректор 8 может быть выполнен в виде дифференцирующей RC-цепочки и, например, при помощи выбора значения емкости конденсатора выполняется необходимая подстройка вблизи частоты резонанса кварцевого резонатора 1.

Необходимое время готовности (время выхода на рабочий режим) генератора достигается выбором коэффициента передачи инвертирующего усилителя 7.

Таким образом, применение двух фазовых корректоров на отдельных участках контура положительной обратной связи заявляемого генератора позволяет добиться обеспечения амплитуды напряжения, необходимой для работы некоторых видов электромеханических кварцевых резонаторов и построенных на них измерительных преобразователей и одновременно выполнить настройку схемы генератора непосредственно на их резонансную частоту.

Согласно предлагаемому изобретению изготовлены макетные образцы генераторов, испытания которых подтвердили их работоспособность и эффективность.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами, в частности, в пьезорезонансных датчиках. Техническим результатом является обеспечение заданного фиксированного уровня амплитуды напряжения, подаваемого на частотозадающий кварцевый резонатор, повышение устойчивости и стабильности частоты генерации. Результат обеспечивается введением в схему генератора элемента для точной корректировки частоты генерации, который не приводит к изменению заданной амплитуды напряжения. 2 ил.

Генератор, содержащий кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен со входом инвертирующего усилителя и через первый резистор с его выходом и с первым выводом второго резистора, второй вывод кварцевого резонатора соединен с первым выводом конденсатора и выходом первого фазового корректора, вход которого соединен с выходом неинвертирующего усилителя, выход которого является выходом устройства, отличающийся тем, что дополнительно введен второй фазовый корректор, вход которого соединен со вторым выводом конденсатора и вторым выводом второго резистора, а выход соединен со входом неивертирующего усилителя.