Измеритель динамических параметров кварцевых резонаторов Советский патент 1980 года по МПК G01R29/22 

1

Изобретение относится к технике пьезокварцевого производства и может быть использовано для измерения па- раметров пьеэокварцевых 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 модуля-ционный генератор, избирательный м усилитель, детектор и аттенюатор 1 . Недостатком его является проведение измерений только в узкой полосе частот, не превышгиощей полосы пропускания частот кварцевого резонатора.

Известен также измеритель частотных динамических параметров кбарцевых резонаторов, который содержит последовательно соединенные перестраиваемый генератор с частотомером, четырехполюсни.к 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.

5 Цель изобретения - повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что в изме-. ритель динамических параметров кварцевых резонаторов, содержащий последовательно соединенные перестраиваемый генератор с частотомером, четырехполюсник с исследуемым кварцевым резонатором, амплитудный детектор, усилитель и индикатор и послеt5 довательно соединенные компаратор, триггер и интегратор, выходом подключенный к управляющему входу перестраиваемого генератора с частотомером, введены преобразователь период20 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, непосредственно и через диод, включенный в прямом направлении - с другим входом упомянутого преобразователя и через диод,

30 .включенный в обратном направлении, С третьим входом преобразователя амплитудных значений, выход которого соединен с одним из входов первого и второго компараторов, другой вход первого иэ которых соединен с одним из выводов первого резистора делителя напряжения, соединенного с уп равля вдим входом интегратора и с выходом преобразователя период-аналог, ВХОД которого подключен к выходу первого триггера, входом соединенног с выходом второго триггера, первый вход которого подключен к выходу п.ёрвого компаратора, а еговторой вход соединен с выходом второго компа рат6ра,вторым входом подключенного к другсиму выводу первого резистора делителя напряжения и к выводу второго резистора делителя напряжения, другой вывод которого соединен с корпусом 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 большим (2) динамическим эквивалентным сопротивлением; преобразованное в измерителе, на фиг. 4 - эпгоры сигналов в различных точках измёрителя. .., .

Структурная схема измерителя содержит перестраиваемый генератор с частотомером 1, измерительный чётйреполюсник, с кварцевым резонатором 2, амплитудный детектор 3, усилитель 4, двухканальный преобразователь 5 амплитудных значений, диоды 6 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 частотномодулированного способа электронным частотомером. Максимальная погрешность измерения в этом случае может быть определена из выргшёния:

,/AlY 1(г

(О

cf&

U 1

4VT

-скорость перестройки часгде V тоты генератора в относительных единицах,

-время счета частотомера;

Т &f/f девиация частоты генератора.

Из неравенства видно, что для уменгашёнйя погрешности измерений необходимо увеличить скорость перестройки частоты генератора и время счета частотомера. Однако беспредельно наращивать величину этих параметров невозможно, так как максимальная величина скорости перестройки генератора ограничена добротностью кварце748293

вого резонатора и параметрами измерительного четырехполюсника, а время счета частотбмера 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 динамичег.ком диапазоне погрешности измерений

o достигают значительной величины из-за динамического расширения АЧХ кварцевого резонатора,имекядего различные величины параметров эквивалентного сопротивления и добротности.

5

На фиг.1 видно, что при динамическом расширении АЧХ кварцевого резонатора измерение частоты производится с погрешностью,обусловленной сравнением сигнала с разрешеннь1М пороговым уровнем выбираег им из

0

UOH- Uoa

U«

где Uo - поУСЛОВИЯ

рог отпускания; порог срабатывания; DUJ - уровень шумов, обусловленный паразитной частотной модуляцией генератора на входе порогово5го элемента.

Для кварцевого резонатора с минимальным динамическим сопротивлением невозможно получить малую девиацию частоты при выбранном порого0вом уровне для кварцевого резонатора с минимальным динамическим сопротивлением. Ширина АЧХ по уровню порога связана следующим соотношением с максимальным RpiaK минимальной

5fl R

niin величинами измеряемого сопротивления

1

()

0

R min

Rmcux

где b,

i RH + f rrtn RH нагрузочное сопротивление измерительного четырехполюсника.

Двухполюсный преобразователь амплитудных значений (ПАЗ) . совмест5но с диодами б и 7 обеспечивает таким образом преобразование АЧХ, приведенных на фиг. 1, к виду, приведенному на. фиг.З.

Чтобы обеспечить такое преобразо0вание ПАЗ 5 должен удовлетворить следующим требованиям: время заряда конденсаторов обоих каналов ПАЗ 5 должно быть одинаковым, время разряда этих конденсаторов должно быть суще5ственно отличным.

Если скорость нарастания сигнала на входе преобразователя постоянно или мало изменяется, а максимальные значения сигналов также имеют ма0лый разброс, то подобрав соответствующим образом диоды конденсаторы и входные сопротивления дифференциального усилителя преобразователя можно не вводить диоды б и 7. Однако в условиях больших разбросов ско5рости измерения сигнала и его ампли туды требуется введение встречно включенных диодов 6 и 7,так как их отсутствие приводит к значительному уплощению впадины выходного сигнгша Благодаря их наличию время заряд конденсаторов ПАЗ 5 одинаково, тогда максимальная обобщенная расстройка частоты (см.рис.3) может бытьопред лена из равенства ,(V Сравним равенства (3) и (.) , например, при Ь 0,14, Ь 0,8, что соответствует R. 5-200 Ом и 300 м. Тогда: : ч---. Учитывая равенство (1), получим что погрешность измерений после введения двухканального преобразователя 5 с диодами 6 и 7 уменьшается в 313 раз. {). В общем случае уменьшение погреш ности измерений видно также из сра нения рис. 1 и 3. На выходе преобразователя 5 экстремальные значени сигнала совпадают между собой и с нулем. Поэтому девиация сигнала да -при постоянном пороге срабатывания и большом разбросе динамических сопротивлений кварцевых резонаторо изменяется мало (сравнительна фиг. и tK, на фиг. 3) . Измеритель динамических парамет.ров кварцевых резонаторов работает следующим образом (см.фиг.1 и фиг. В исходном состоянии на выходе ПАЗ 5 отсутствует напряжение (см. фиг.4, напряжение U до времени tf Режимы компараторов 8 и 9 выбраны таким образом, что при отсутствии сигнала на их входах компаратор 8 выдает сигнал Ug/ соответствующий логической единице, а компаратор 9 напряжение U, соответствующее логическому нулю. На выходе триггера 10 напряжение Q равно нулю, а напряжение и с выхода триггера 11 воздействует на интегратор 12, выходное напряжение Щз, которого пос пает на вход генератора 1 и перестраивает его частоту, приближая ее к частоте кварцевого резонатора.Пр перемещении частоты генератора 1 по левому склону АЧХ измерительног четырехполюсника 2 с кварцевым резонатором (фиг.2) напряжение на вы ходе ПАЗ 5 равно нулю, так как пос тоянные времени заряда его конденс торов равны между собой. В момент t частота г;енератора совпадает с частотой f, кварцевого резонатора при последовательном резонансе. Постоянные времени разряда конденсаторов ПАЗ 5 cyiaecTBBHHO отличаются друг от друга, поэтому при последующем повышении частоты генератора на выходе ПАЗ 5 растет напряжение U. В момент t напряжение Ug с выхода ПАЗ 5 равно порогу срабатывания компаратора 8. Здесь необходимо отметит что на входы компа раторов одновре- менно воздействует сигнал,несущий информацию об АЧХ измерительного четырехполюсника и шум. Поэтому выходные напряжения и Ug компараторов 8,9 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 порюгу }о срабатывания компаратора 9, последний выдает ряд единичных импульсов. Первый положительный перепал напряжений опрокидывает триггер 10, 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 DO 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 и5 на выходе ПАЗ 5 равно порогу срабатывания U, 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 скорость перестройки частоты генератора 1. Поэтому в соответствии с равенствЪм 1 сохраняется малая погрешность интегрирования частотно-модулированного сигнала электронным частотомером.

Таким образом, преобразователь 5 амплитудных значений, диоды 6 и 7 в р сновном 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 динал ческих параметров кварцевых резонаторов, содержащий последовательно соединенные перестраиваемый генератор с частотомером, четырехполюсник с исследуемым кварцевым резонатором, амплитудный детектор, усгилйтёль й катор и последовательно соединенные компаратор, 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, включённый в прямом направлении, с другим входом упомянутого преобразователя и через диод)включенный в обратном направлении - с третьим 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 выходу первого триггера,входом соединенного с выходом второго триггера, первый вход которого подключен 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 выво,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 1 460510, кл. G 01 R 23/00, 1974

(прототип).

/4

hCZHCZ}

Фиг./