Лазерный датчик углового ускорения Советский патент 1980 года по МПК G01P3/68 

Изобретение относится к технике пьеэокварцевого производства и может быть использовано для измерения параметров пьезокварцевых резонаторов на различных этапах его изготовления. Известно устройство для измерения параметров кварцевых резонаторов, которое содержит последовательно . соединенные высокочастотный генератор, измерительный четырехполюсник с исследуемым кварцевым резонатором, усилитель высокой частоты, высокочастотный детект,ор, фазовый детектор и интегратор, а также модуляционный генератор, избирательный усилитель, детектор и аттенюатор 1 . Недостатком его является проведение измерений только в узкой полосе частот, не превышающей полосы пропускания частот кварцевого резонатора.

Известен также измеритель частотных динамических параметров кварцевых резонаторов, который содержит последовательно соединенные перестраиваемый генератор с частотомером, четырехполюсник с кварцевым резонатором, амплитудный детектор, усилитель и индикатор, а также последовательно соединенные компаратор, триггер и интегратор 2 . -

Недостатком его является значительная погрешность измерений в динамическом диапазоне измерений параметров кварцевых резонаторов.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что в изме--. ритель динамических параметров кварцевых резонаторов, содержащий посtoледовательно соединенные перестраи- « ваемый генератор с частотомером, четырехполюсник с исследуемым кварцевым резонатором, амплитудный детектор, усилитель и индикатор и после15довательно соединенные компаратор, триггер и интегратор, выходом подключенный к управляющему входу перестраиваемого генератора с частотомером, введены преобразователь период20аналог, преобразователь амплитудных значений, два диода, второй компаратор, второй триггер и два резистора делителя напряжения, при этом выход усилителя соединен с одним

25 из входов преобразователя амплитудных значений, непосредственно и через диод, включенный в прямом направлении - с другим входом упомянутого преобразователя и через диод, 30 .включенный в обратном направлении, С третьим входом преобрази..геля амплитудных значений, выхол которого соединен с одним из входов первого и второго компараторов, другой вход первого из которых соединен о одним из выводов первого резистора делителя напряжения, соединенного с уп:равляюсцим входом интегратора и с вы ходом преобразователя период-аналог вход которого подключен к выходу Первого триггера, входом соединенног с выходом второго триггера, первый вход которого подключен к выхо.ду первого компаратора, а его второй вход соединен с выходом второго компаратора, вторым входом подключенного к другому выводу первого резистора делителя напряжения и к выводу второго резистора делителя напряжения, другой вывод которого соединен с кор пусом устройства. На фиг. 1 изображена структурная схема измерителя,- на фиг. 2 показаны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) кварцевого резонатора с малым (1) и большим (2) динамическим эквивалентным сопротивлением; на фиг.З АЧХ кварцевого резонатора с малым (1) и болъшим (2) динамическим эквивалентным сопротивлением; преобразованное в измерителе, на фиг. 4 - эпю ры сигналов в различных точках измерителя . Структурная схема измерителя содержит пepecтpaивae ФiIй генератор с частотомером 1, измерительный четыре полюсник, с кварцевым резонатором 2 амплитудный детектор 3, усилитель 4, двухканальный преобразователь 5 амплитудных значений, диоды б и 7, компаратор 8, второй компаратор 9, триггеры 10-и 11, интегратор 12, преобразователь период-аналог 13, два резистора 14 делителя напряжения и индикатор 15. Погрешность измерения параметров кварцевого резонатора определяется погрешностью -интегрирования частотно модулированного способа электронным частотомером. Максимальная погрешность измерения в этом случае может быть определена из выражения: d.J-.(M.V ( 4VT М где V - скорость перестройки частоты генератора в относительных единицах, Т - время счета частотомера &f/f - девиация частоты генератора. Из неравенства видно, что для уменьшения погрешности измерений необходимо увеличить скор-ость перестройки частоты генератора и время счета частотомера. Однако беспредель но наращивать величину этих параметров невозможно, так как максимальная величина скорости перестройки генера тора ограничена добротностью кварцевого резонатора и параметрами измерительного четырехполюсника, а время счета частотомера ограничено производительностью измерений и составляющей дрейфа частоты кварцевого резонатора. Минимальная величина девиации ограничена величиной паразитной частотной модуляции частоты генератора. При измерении параметров кварцевых резонаторов в широком динамическом диапазоне погрешности измерений достигают значительной величины из-за динамического расширения ЛЧХ кварцевог.о резонатора,имеюш,его различные величины параметров эквивалентного сопротивления и добротности. На фиг.1 ВИДНО;, что при динамическом расширении АЧХ кварцевого резонатора измерение частоты производится с погрешнос-гью, обусловленной сравнением сигнала с разрешенным пороговым уровнем,выбираемым из условия: UQ Ущ, где УОЧ - порог отпускания; порог срабатывания; Um - уровень шумов, обусловленный паразитной частотной модул.яцией генератора на входе порогового элемента. Для кварцевого резонатора с минимальным динамическим сопротивлением невозможно получить малую девиацию частоты при выбранном пороговом уровне для кварцевого резонатора с минимальным динамическим сопротивлением. Ширина АЧХ по уровню порога связана следуюсцим соотношением с максимальным R.-na и минимальной f min величинами измеряемого сопротивления .. Гх- R ryiin Кн т п Rj - нагрузочное сопротивление измерительного четырехполюсника. Двухполюсный преобразователь амплитудных значений (ПАЗ) совместно с диодами 6 и 7 обеспечивает таким образом Г1реобразование АЧХ, приведенных на фиг. 1, к виду, приведенному на фиг.З. Чтобы обеспечить такое преобразование ПАЗ 5 должен удовлетворить следующим требова-;1иям: время заряда конденсаторов обоих каналов ПАЗ 5 должно быть одинаковым, время разряда этих конденсаторов должно быть существенно отличным. Если скорость нарастания сигнала на входе преобразователя постоянно или мало изменяется, а максимальные значения сигналов также имеют малый разброс, то подобрав соответствующим образом диоды конденсаторы и входные сопротивления дифференциального усилителя преобразователя можно не вводить диод 6 и 7. Однако в условиях бачьших разбросов окорости измерения сигнала и его амплитуды требуется введение встречно включенных диодов б и 7,так как их отсутствие приводит к значительному уплощению впадины выходного сигнала. Благодаря их наличию время заряда конденсаторов ПАЗ 5 одинаково, тогда максимальная обобщенная расстройка частоты (см.рис.3) может быть определена из равенства

0,75(ck;)i

Сравним равенства (3) и (2), например, при Ь 0,14, Ь 0,8, что соответствует R 5-200 Ом и Ящ 300 м. Тогда:

; .

Учитывая равенство (1), получим, что погрешность измерений после введения двухканального преобразователя 5 с диодами 6 и 7 уменьшается в 313 раз.

«V

ч

-k)

З

/t

В Общем случае уменьшение погрешности измерений видно также из сравнения рис. 1 и 3. На выходе преобразователя 5 экстремальные значения сигнала совпадают между собой и с нулем. Поэтому девиация сигнала даже при постоянном пороге срабатывания и большом разбросе динамических сопротивлений кварцевых резонаторов изменяется мало (сравните на фиг. 2 и на фиг. 3) .

Измеритель динамических параметов .кварцевых резонаторов работает ледующим образом (см.фиг.1 и фиг.4).

В исходном состоянии на выходе ПАЗ 5 отсутствует напряжение (см. иг. 4, напряжение Ug- по времени tf). Режимы компараторов 8 и 9 выбраны таким образом, что при отсутствии ,, сигнала на их входах компаратор 8 выдает сигнал Ua соответствующий логической единице, а компаратор 9 напряжение U, соответствующее логическому нулю. На выходе триггера 10 напряжение UJQ равно нулю, а напряжение и с выхода триггера 11 воздействует на интегратор 12, выходное напряжение , которого поступает на вход генератора 1 и перестраивает его частоту, приближая ее к частоте кварцевого резонатора.При перемещении частоты генератора 1 по левому склону АЧХ измерительного четырехполюсника 2 с кварцевым резонатором (фиг.2) напряжение на выходе ПАЗ 5 равно нулю, так как постоянные времени заряда его конденсаторов равны между собой. В момент

t частота генератора совпадает с частотой foj кварцевого резонатора при последовательном резонансе. Постоянные времени разряда конденсаторов ПАЗ 5 существенно отличаются

друг от друга, поэтому при последующем повышении частоты генератора на выходе ПАЗ 5 растет напряжение Uj-. В момент t г напряжение Ug с выхода ПАЗ 5 равно порогу срабатывания компаратора 8. Здесь необходимо отметит что на входы компа раторов одновременно воздействует сигнал,несущий информацию об АЧХ измерительного четырехполюсника и шум. Поэтому выходные напряжения U Ug компараторов 8,Э переходят от единицы к нулю и наоборот после выдачи ряда коротких импульсов, равных единице. Таким образом,в момент t компаратор 8 вначале выдает ряд коротких единичных импульсов и затем нуль. Состояние триггера 10 не меняется. В момент t напряжение Ug с выхода ПАЗ 5 равно порогу {} срабатывания компаратора 9, последний выдает ряд

единичных импульсов. Первый положительный перепад напряжений опрокидывает триггер 10 f который опрокидывает триггер 11. В итоге напряжение с выхода интегратора 12 уменьшается

и перестраивает частоту генератора 1 вниз. В момент t напряжение Ug на выходе ПАЗ 5 равно порогу UQ/J срабатывания компаратора 8. Компаратор 8 выдает ряд единичных импульсов

и затем единицу. Первым положительным перепадом триггер 10 опрокидывается, не влияя на сбстояние триггера 11. В момент tg- частота генератора 1 совпадает с частотой f кварцевого

резонатора. В момент t напряжение на выходе ПАЗ 5 равно порогу срабатывания Uj, компаратора 8. Компаратор 8 выдает ряд единичных импульсов, а затем нуль. Триггер 10 не ме-.

няет состояния. В момент t напряжение Uj на выходе ПАЗ 5 равно порогу срабатывания UQ, компаратора 9. Компаратор 9 выдает ряд единичных импульсов. Первым положительным перепадом напряжения триггер 10 срабатывает и опрокидывает триггер 11. В итоге напряжение с выходом интегратора 12 начинает нарастать, повышая частоту генератора 1. Далее процесс повторяется. Преобразователь

13 период-аналог выдает напряжение, обратно-пропорциональное интервалу времени между t и t-. Поэтому с уменьшением добротности кварцевого резонатора уменьшается порог срабатывания компараторов, что приводит к уменьшению девиации частоты генератора 1, кроме того, воздействуя на вход управления постоянной времени интегрирования интегратора 12,

сигнал с выхода преобразователя 13

период-аналог, увеличивает -.ирость перестройки частоты генера,. 1. Поэтому в соответствии с равенством 1 сохраняется малая погрешность интегрирования частотно-модулированного сигнала электронным частотомером.

Таким образом, преобразователь 5 амплитудных значений, диоды 6 и 7 в Основном обеспечивают высокую точность измерений при изменении динамического сопротивления кварцевого резонатора, а элементы 8,9,10 и 11,13,14 обеспечивают высокую точность измерений при изменении добротности кварцевого резонатора.

Формула изобретения

:Измеритель динамических параметров кварцевых резонаторов, содержаи ий последовательно соединенные перестраиваемый генератор с частотомером, четырехполюсник с исследуемым кварцевым резонатором, амплитудный детектор, усилитель и индикатор и последовательно соединенные KON napaTop, триггер и интегратор, выходом подключенный к управляющему входу перестраиваемого генератора с частотомером, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены преобразователь период-аналог, преобразователь амплитудных значений, два диода, второй компаратор,второй триггер и два резистора делителя напряжения, при этом выход усилителя соединен с одним из входов преобразователя амплитудных значений непосредствен но, и через диод,включенный в прямом направлении, с другим входом упомянутого преобразователя и через диод 1 включенный в обратном направлении - с т:1етьим входом преобразователя амплитудных значений, выход которого соединен с одним из входов первого и второго компараторов, другой вход первого из которых соединен с одним из выводов, первого резистора делителя напряжения,соединенного с управляющим входом интеггатора и с выходом преобразователя период-аналог, вход которого подключен к эыходу первого триггера, входом соединенного с выходом второго триггера, первый вход которого подключен

0 к выходу первого компаратора, а его второй вход соединен с выходом второго компаратора, вторым входом подключенного к другому выводу первого резистора делителя напряжения и к выво5 ДУ второго резистора делителя напряжения, другой вывод которого соединен с корпусом устройства.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 437979, кл. G 01 R 27/00, 1973.

2.Авторское свидетельство СССР 460510, кл. G 01 R 23/00, 1974

(прототип).

Фив.1

/4

HZD-rCII}

1(XfMff/miffama)(

oiaxSmaxjamLn