Преобразователь температуры в частоту Советский патент 1991 года по МПК G01K7/32 

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к преобразователям температуры с пьезокварцевыми термочувствительными резонаторами, и может быть использовано в системах тер- мостатирования и измерительных преобразователях температуры.

Целью изобретения является повышение чувствительности преобразователя.

На чертеже приведена схема преобразователя температуры в частоту.

Преобразователь температуры в частоту содержит двухчастотный кварцевый генератор 1, делитель 2 частоты, например триггерный, фазовый детектор 3 и фильтр 4 низкой частоты. Кварцевый генератор содержит транзистор 5, конденсаторы 6-10, варикап 11, резисторы 12 и 13, резистивный делитель напряжения на резисторах 14 и 15, первый дополнительный резистор 16, два термочувствительных пьезокварцевых резонатора 17 и 18, LC-цепь, состоящую из конденсатора 19 и индуктивности 20, второй дополнительный резистор 21. источник 22 питания, первый вывод 23 которого соединен с коллектором транзистора 5. Конденсаторы 6 и 7, включенные между базой и эмиттером транзистора 5, а также между коллектором и эмиттером соответственно, являются конденсаторами связи емкостной трехточечной схемы кварцевого генератора 1. Резистор 13, включенный между эмиттером транзистора 5 и вторым выводом 23 источника 22 питания, представляет собой активную нагрузку, обеспечивающую режим работы транзистора 5 по постоянному току.

Резистивный делитель напряжения источника питания базовой цепи транзистора 5, состоящий из резисторов 12, 15 и 14, обеспечивает режим работы транзистора по напряжению. Последовательная LC-цепь, состоящая из конденсатора 19 и индуктивности 20, вместе с резистором 15, включенная на входе транзистора 5, является цепью обеспечения устойчивости двухчастотных колебаний кварцевого генератора, выполняющего функцию разрыва кольца обратной связи для наиболее интенсивного комбинационного колебания разностной частоты fp f2 - fi, где fi, fa - частоты колебаний кварцевого генератора.

Резистор 15 необходим для расширения полосы пропускания LC-цепи. Конденсатор 8, включенный между вторым 2 и первым выводом 23 источника 22 питания, является блокировочным и обеспечивает малое сопротивление источника питания по высокой частоте. Конденсаторы 9 и 10, включенные последовательно с кварцевыми резонаторами 17 и 18 соответственно, необходимы для обеспечения (путем их подстройки) требуемого коэффициента взаимосвязи ДЕ и его неизменности в широком диапазоне управления -const. Варикап 11 предназначен для синфазного управления частотами f i и fa генератора.

Резистор 21, включенный последовательно с кварцевым резонатором 18, позволяет обеспечивать различие амплитуд AI, А2 колебаний частот f i и f2 (), что необходимо для того, чтобы триггерный делитель 2 из (.ложного двухчастот- ного сигнала, имеющегося на выходе

генератора 1, позволил без дополнительного фильтра получить на его выходе при

времени усреднения г -г-колебание

р fl/N, где N - коэффициент деления.

Фильтр 4, состоящий из последователь

но соединенных резистора 25 и емкости 2G и включенный между эмиттером транзистора и общей шиной, представляет собой Г-образный фильтр нижних частот,

предназначенный для выделения колебаний разностной частоты rp fa-f 1 из спектра генерируемого двухчастотным генератором сигнала.

Резистор 16, подключенный к варикапу

11, является разделительным, обеспечивает подачу напряжения управления с выхода фазового детэкторз 3 на варикап и предотвращает шунтирование емкости варикапа низким сопротивлением источника управляющего сигнала.

В термозависимон кварцевом генераторе, выполненном двухчастотным, возбуждаются два колебания частот fi, fa. Двухчастотный кварцевый генератор является многовыходным устройством и э зависимости от места подключения выходной нагрузки в схему генератора может обеспечить на нагрузке различный спектр колебаний с преобладанием по интенсивности

каждого из основных (квэрцованных) частот fi или fa, двух основных колебаний частот fi и f2, разностного колебания частоты fp и суммарного колебания частоты fc ft+fa.

В устройстве используются два выхода двухчастотного кварцевого генератора: выход основных колебаний частот fi, fan выход разностного колебания частоты fp fa-fi, Включение последовательно с кварцевыми резонаторами варикапа 11 обеспечивает возможность синфазной перестройки частот fi, fa за смет изменения приложенного к варикапу напряжения.

Уходы A f i,2 частот f 1,2, вызванные изменениями Д Еу управляющего напряжения Д Еу в линейном приближении (при малых Д Еу), описываются соотношениями

Д f 1 (Д Еу) J/1 Д Еу , Д h (Д Еу) г/2 Д Еу ;

где )/i,2 - коэффициенты чувствительности частот f |,2 к управляющему напряжению Еу. Так как уходы Д f 1,2 частот fi,2 однозначны, то коэффициент/ Е взаимосвязи уходов Д fi,2 положительный т.е.

В зависимости от соотношения емкостей Сд, Сю конденсате ров 9 и Юили при Сэ °°, Сю эт (случай отсутствия конденсаторов 9 и 10). в зависимости от соотношения динамических емкостей Ci, Cis, кварцевых резонаторов 17 и 18, изменяется соотношение коэффициентов чув ствительности ;ч, щг и, следовательно, выбором емкостей Сэ Сю (или Ci, Cie) можно обеспечить любые коэффициенты взаимосвязи

l . (3)

.

Так как варикап 11 подключен к обоим резонаторам 17 и 18, то нелинейности ха- рактеристик управления частотами fi, fa идентичны и, следовательно, в широком диапазоне управления (при больших Д Еу) коэффициенты чувствительности /i, tp. меняются, но их изменения идентичны и коэффициент взаимосвязи изменяется незначительно, при некоторых соотношениях Со/do или Ci7/Cis вообще является постоянной величиной,т е справедливо

Ю

20

25

Анализ эквивалентной схемы устройства показывает, что коэффициент взаимосвязи/Зс вариаций (5fi,2 вызванных изменением эквивалентной емкости активной части генератора, равен коэффициенту взаимосвязи @Е изменений Afi.2(A Ey) за счет изменений управляющего напряжения.

На вход делителя 2 частоты поступает двухчастотное колебание частот fi,2. которое представляет собой колебание биений, амплитуда и частота которого промодулиро- ваны. Делитель 2 частоты является пороговым устройством и устраняет амплитудную модуляцию и одновременно усредняет во времени частотно-модулированное входное колебание на периоде выходного колебания.

В устройстве амплитуда AI колебания частоты fi обеспечена большей, чем амплитуды А2 колебания частоты f2, за счет того, что кварцевый резонатор с меньшим температурным коэффициентом частоты «2, стабилизирующий частоту Т2, включен через дополнительно введенный резистор 12.

Тогда частоту fe колебания биений можно записать в виде

fe(t) fi ±Af(t);

Af(t)

л- Т dtKO

(7)

2х

dt

, ,%sin f + К sin 2 .Tfn t

где v, w . arctg JL(. - фазово й угол колебания биений.

Усредняя частоту ТБ (t) колебания биений на интервале времени т, получают

f6 4-/fe(Odt

-L/rfi

i L

2яг

.Л dV(t) 2 я d t

V(T)-V (0).

d t

0

Изобретение касается температурных измерений и позволяет повысить чувствительность преобразователя. На вход делителя 2 частоты поступает двухчастотный сигнал с частотами fi и fa, формируемый двухчзстот- ным термозависимым кварцевым генератором, включающим транзистор 5, конденсаторы 6-10, варикап 11, резисторы 12-21, два пьезокварцевых резонатора 17, 18, С-цепь 19,20, На выходе фазо вого детектора 3 формируется сигнал, поступающий на варикап 11 для синфазной перестройки частот fi и fi. Колебание разностной частоты, однозначно связанной с преобразуемой температурой, выделяется с помощью фильтра 4 нижних частот, 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

(Гу) const

(4)

Температурные уходы частот fi,2 определяются температурными коэффициентами частоты KI и 2 кварцевых резонаторов, CQ которые должны быть оазными,

Afi(AT)- Ki Д Г, Д f2 (Д Т) К2 Д Т

(5)

Так как , то коэффициент взаимосвязи

#

At2CAIl «

Afi(AT) Ki

45

Подставляя в (8) выражение (7) или (t), окончательно записывают частоту поступающего на вход делителя 2 частоты колебания биений, усредненную на некотором интервале времени т, в виде

5

f f,±

2л:т

arctg

.SZ + К sin 2Л fp Г

- arctg

sin p + К sin 0 cos # + К cos - ( 9 )

cos p + К cos (2 Л fp Г )

}

(9)

1

Если интервал усреднения г -i-, то

ТР

fe fi. На второй вход фазового детектора 3 поступает разностное колебание частоты fp двухчастотного кварцевого reнератора, в силу чего в установившемся (стационарном) режиме синхронизма кольца ФАПЧ колебание на втором входе фазового детектора 3 и выходе делителя 2 имеет частоту

f6/N ,

(10)

и следовательно, период

N fe

1

fp

OD

Учитывая, что fp , из выражения (10) получают

(12) (13)

Уравнение (12) в реперной точке Т0 имеет вид

fio m fzo.(14)

При изменении температуры Т на величину Л Т от Т0 появляются уходы Afi,2(AT), которые в полосе удержания кольца ФАПЧ вызывают уходы Д.г(Д Ey), сохраняя условие синхронизма (12), т.е.

(f lo+KiAT + r) A Ey) m . f20+K2 ДТ + /2 ДЕУ.(15)

С учетом (13) и (14) имеют из (15)

ДЕУ -5ДТ(16)

ДЕУ m Ki - К2 Ki . m -/fr

S

m rj -rfi /i m

(17)

Аналогичным путем записывается уравнение синхронизма кольца ФАПЧ в вариациях д f 1,2 и д Еу, вызванных шумовыми и режимными вариациями эквивалентной емкости Сгэ активной части генератора

m i д Ey dh + грдЕу . (18)

Из (18)следует, что шумовые или режимные вариации д Еу управляющего напряжения Еу в режиме синхронизма кольца ФАПЧ определяются с учетом ( ) следующим образомdEv m

m - м

m m 7/Г - 772

Л f

7/1

Чувствительность Н преобразователя определяется отношением информационных уходов Д Еу выходного параметра к неинформационным его вариациям д Еу 5 4ЕУ - KI m Л т ,„-.,

-W IT F AT- i2°)

Н

Разрешающую способность по температуре ДТр (пороговую чувствительность) 10 определяют из (20), положив Н 1, а виде

d f2 Ki

m -

m -

Как показывают оценки, выигрыш по крутизне S-характеристики преобразования, отношения Н и разрешающей способности ДТР предлагаемого устройства по сравнению с известным при прочих равных

условиях всегда больше единицы

Формула изобретения 1. Преобразователь температуры в частоту, содержащий термочувствительный пьезокварцевый резонатор, включенный в частотно-задающую цепь- двухчастотного кварцевого генератора, выполненного по схеме с общим коллектором, соединенным с первым выводом источника питания и с

последовательной LC-цепью, включенной между эмиттером транзистора и гредней точкой резистивного делителя напряжения, включенного между базой транзистора и вторым выводом источника питания, фильтр

низкой частоты, вход которого соединен с эмиттером транзистора, а выход подключен к входу делителя частоты, отличающий- с я тем, что, с целью повышения чувствительности преобразования, в него введен дополнительный термочувствительный пьезокварцевый резонатор, два дополнительных резистора, варикап и фазовый детектор, входы которого соответственно соединены с выходами фильтра низкой частоты и делителя частоты, а выход через первый дополнительный резистор подключен к управляющему выводу варикапа, второй вывод которого соединен с коллектором транзистора, при этом термочувствительный

пьезокварцевый резонатор с меньшим коэффициентом термочувствительности подключен к базе транзистора и управляющему выводу варикапа через второй дополнительный резистор, а другой термочувствительный пьезокварцевый резонатор включен между базой транзистора и управляющим выводом варикапа.

чувствительности преобразователя, по- мочувствительным резистором включен следовательно с каждым кварцевым тер- конденсатор.