Преобразователь активного сопротивления кварцевого резонатора Советский патент 1990 года по МПК G01R29/22 

Изобретение относится к измеритель- ;-и.й гехиике и может быть использовано в качестее измерительного преобразователя активного сопротивления кварцевого ре- juHSTupa на частоте его последовательного резонатора в интервал времени.

Целью изобретения является повышение точности преобразования,

На фиг. 1 приведена функциональная схема преобразователя; на фиг, 2 - схема автогенератора; на фиг. 3 схема переменного резистора; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющ е рабогу преобразователя,

Преобразователь содержит управляемый автогенератор 1, состоящий из первого усилителя 2 с положительной обратной связью и исследуемого кварцевого резонатора 3, второй усилитель 4, амплитудный детектор 5, компаратор 6, элемент И 7, управляемый напряжением резистор 8, источник 9 постоянного опорного напряжения, генератор 10 управляющего напряжения, лреобразователь 11 временного интервала в цифровой код. Выход автогенератора 1 через последовательно включенные второй усилитель 4 и амплитудный детектор 5 соединен с первым входом компаратора 6, BIU- рой вход которого соединен с источником Э опорного напряжения. Между выходом цепи положительной обратной связи аатоге- iioparopa 1 Vi общей шиной включен управляемый напряжением переменный резистор 8, управляющий вход которого соединен с первым выходом генератора 10 управляющего напряжения, второй выход которого соединен с первым входом эле- чента И 7, второй вход которого соединен с выходом компаратора 6, а выход - с входом преобразователя интервал времени - цифровой код 11,

Первый усилитель 2 с положительной обратной связью содержит резистор 12, соединенный одним выводом с резистором 13, погенциометром 14, резистором 15 и конденсатором 16, диод 17, катодом соединенный с базой транзистора 18. коллектор ко- орого соединен с одним выводом резистора 19, база транзистора 20 соединена через конденсатор 21 с конденсатором 22, эмиттер транзистора 20 соединен с коллектором транзистор1а 23, база которого через диоды 24 и 25 соединена с общей шиной, эмиттер транзистора 23 через резистор 26 соединен с общей шиной, с которой также ;оединен один из выводов резистора 27, другой вывод которого соединен с общей точкой конденсаторов 21 и 22 и резисто- 3 19,

В качестве управляемого напряжением резистора 8 может быть использован полевой транзистор (фиг, 3), причем выводами резистора являются выводы истока и стока, управляющим входом является вывод затвора полевого транзистора. С целью подбора требуемой формы напряжения последовательно с затвором и между затвором и стоком могут быть включены резисто- ры.

Устройство работает следующим образом.

Широкополосный усилитель 2 с положительной обратной связью (ПОС) является по- тенциально автоколебательной системой, которая само возбуждается при выполнении известного условия баланса амплитуд

Iki 1(1)

на одной из частот, лежащих в полосе пропускания широкополосного усилителя 2 с ПОС, В условии (1) через |К| обозначен модуль комплексного нагруженного коэффициента усиления усилителя 2, в через I/SI - модуль комплексного нагруженного

коэффициента передачи цепи обратной связи,

В усилителе 2 (фиг. 2) цепь ПОС образована разделительным конденсатором 21, величина которого выбрана настолько большой, чтобы можно было считать I/S 1 во всей полосе рабочих частот устройства. Поэтому выполнение или невыполнение условия (1) достигается регулировкой только нагруженного коэффициента усиления К

I ; I, величина которого изменяется в пределах О К К макс в зависимости от величины сопротивления Re управляемого резистора 8, подключенного через разделительный конденсатор 22 большой емкости

параллельно сопротивлению коллекторной нагрузки транзистора 18 широкополосного усилителя 2 с ПОС,

Кроме величины Re управляемого резистора 8, коэффициент усиления К зависит

также и от величины Гх активного эквивалентного сопротивления кварцевого резонатора 3 на последовательном резонаторе.

При этом, в устройстве между К, Re и Гх выполняются следующие качественные соотношения:

чем больше Re, тем больше К; чем больше Гх, тем меньше К, Управляемый резистор 8 и широкополосный усилитель 2 с ПОС построены так,

что при Re Re величина К такова, что условие (1) выполняется с запасом при Гх Гхмакс, т.е, для наихудшего случая. Тогда, при уве-- личении RS от Язмин до Рвмакс, например, по линейному закону Re RSMMH + at, при данном значении Гх1 возникновение автоколебаний в автогенераторе 1 происходит в такой момент времени ti, при котором выполняется строгое равенство

1..(2)

Аналогичная картина наблюдается и при уменьшении Re от Рвмакс до RSMHH, т.е. при срыве автоколебаний. Если же вместо Данного кварцевого резонатора, имеющего на частоте последовательного резонанса (очень близкой к частоте автоколебаний) сопротивление Гх1, подключается другой измеряемый кварцевый резонатор с той же частотой последовательного резонатора и соответствующим сопротивлением Гх2, например, большим, чем Гх1, то поскольку К при этом уменьшится, возбуждение автоколебаний теперь происходит в момент времени 12. При этом, t2 ti.

Таким образом, в устройстве осуществляется преобразование в интервал времени.

В некоторый момент времени, определяемый, например, подачей импульса запуска на вход генератора управляющего напряжения 10, последний вырабатывает строб-импульс (фиг. 4а) и линейно изменяющееся напряжение (фиг. 46), управляющее сопротивлением резистора 8. В момент, когда усиление в петле обратной связи достигает значения (Ki-lySl 1, на выходе автогенератора возникает переменное напряжение (фиг. 4в). Во время обратного хода управлйющего напряжения при нарушении условия баланса амплитуд генера- 35 ция прекращается. После детектирования выходного напряжения автогенератора видеоимпульс с выхода амплитудного детектора 5 (фиг. 4с) поступает на первый вход компаратора б, где сравнивается с некото- 40 рым опорным напряжением, на выходе компаратора 6 формируется импульс, передний ронт которого задержан относительно пееднего фронта строб-импульса на время ti, ропорциональное измеряемому сопротив- 45 ению Гх На выходе элемента И 7 формирутся импульс, длительность которого при звестной длительности строб-импульса акже линейно связана с измеряемой велииной Гх

20

25

30

50

. 3540 45

10

15

20

25

30

0

она может быть получена экспериментальным путем.

Для измерения Гх может быть также использован обратный ход управляющего напряжения (фиг. 4д). При этом передний фронт строб-импульса должен быть задержан на tc.

Усилитель 4 используется для обостре- фронтов видеоимпульса на выходе Детектора (фиг. 4г), что способствует уменьшению ошибки преобразования, возникающей вследствие конечного времени нарастания и срыва колебаний автогенератора. Преобразователь 11 временного интервала в цифровой код позволяет представить преобразуемое сопротивление Гх в более удобном для измерения виде. Кроме того, часто не требуется измерения абсолютного значения Гх, а важно знать лишь отклонение его от некоторой заданной величины, либо от измеренной в предыдущем опыте величины (например, при использовании кварцевого резонатора в качестве датчика некоторого физического параметра). В этом случае предыдущее значение кода, соответствующего ранее преобразованному значению Гхт, хранится в памяти преобразователя 11, При втором цикле преобразования на выходе преобразователя 11 формируется код, соответствующий разности гх2 - Гх1, где Гх2 - величина активного сопротивления кварцевого резонатора во втором опыте.

Благодаря тому, что для преобразования Гх используется лишь регистрация момента времени возникновения или срыва генерации, нестабильность амплитуды генерируемых колебаний не вносит погрешности в результат преобразования.

Выполнение управляемого автогэнера- тора в виде охваченного положительной обратной связью усилителя, в цепь отрицательной обратной связи по току которого включен исследуемый кварцевый резонатор, позволяет использовать в нем широкополосный усилитель, в результате чего, исключить погрешность, связанную с неопределенностью фазового набега в усилителе при измерении Гх кварцевых резонаторов с разными резонансными частотами.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве измерительного преобразователя активного сопротивления кварцевого резонатора на частоте его последовательного резонанса в интервал времени. Цель изобретения - повышение точности преобразования. Благодаря введению компаратора 6, элемента И 7, источника опорного напряжения 9 и генератора управляющего напряжения 10 преобразование активного сопротивления кварцевого резонатора 3 осуществляется путем регистрации момента возникновения или срыва колебаний автогенератора 1, вследствие чего нестабильность амплитуды генерируемых колебаний не сказывается на точности преобразования. Кроме того, выполнение автогенератора 1 в виде широкополосного усилителя 2 с положительной обратной связью, в цепь отрицательной обратной связи по току которого включен исследуемый кварцевый резонатор, позволяет исключить погрешность, связанную с неопределенностью фазового набега в усилителе при использовании кварцевых резонаторов с различными резонансными частотами. Преобразователь содержит также усилитель 4, амплитудный детектор 5, управляемый напряжением резистор 8, преобразователь временного интервала в цифровой код 11. 4 ил.

tBbix tc - ti b (Ro - Гх),(3)

где b и RO - параметры, определяемые экспериментально.

В общем случае, зависимость R8(Uynp) может быть нелинейной. В этом случае, нелинейна и зависимость tsbix f(rx), однако

5

Формула изобретения 1. Преобразователь активного сопротивления кварцевого резонатора, содержащий управляемый автогенератор, выход которого соединен с амплитудным детектором, а управляющий вход - с первым выводом управляемого резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, от л и- ю щ и и с я тем, что, с целью повышения

: точности преобразования, в него введены компаратор, источник опорного напряжения, элемент И и генератор управляющего напряжения, первый выход которого соединен с управляющим входом управляемого резистора, второй выход соединен с первым щходом элемента И, второй вход которого соединен с выходом компаратора, а выход являетс я выходом преобразователя, при этом первый вход компаратора соединен с выходом амплитудного детектора, а второй вход - с источником опорного напряжения. 2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что управляемый автогенератор содержит усилитель, выполненный в виде двух последовательно соединенных усилительных каскадов, цепь положительной обратной связи, включенную между первым выходом второго каскада и входом первого каскада, и исследуемый кварцевый резонатор, при этом первый усилительный

каскад содержит транзистор, эмиттер которого через параллельно включенные стабилизатор тока и исследуемый кварцевый резонатор соединены с общей шиной, коллектор соединен с входом второго каскада, а также через резистор нагрузки - с источником питания, а база соединена с цепью смещения и выходом цепи положительной обратной связи, причем первый выход второго каскада является управляющим входом автогенератора, а второй выход второго каскада - с выходом автогенератора.