ГЕНЕРАТОР
GENERATOR

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 №2450415 от 11.03.2011, опубликован 10.05.2012 в Бюл. №13), содержащий инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен через конденсатор с выходом инвертирующего усилителя, вход которого через второй резистор соединен со вторым выводом кварцевого резонатора.
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 точной установки значения амлитуды напряжения, необходимого для работы некоторых типов электромеханических частотозадающих кварцевых резонаторов и также 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.
Достигаемым техническим результатом является возможность установки фиксированного уровня амплитуды напряжения, подаваемого на частотозадающий кварцевый резонатор и, при этом, обеспечивается точная корректировка частоты генерации и не происходит изменения уровня заданной амплитуды напряжения, что обеспечивает повышение устойчивости и стабильности частоты генерации.
Для достижения технического результата в генераторе, содержащем инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен через конденсатор с выходом инвертирующего усилителя, вход которого через второй резистор соединен со вторым выводом кварцевого резонатора, новым является то, что дополнительно введены последовательно соединенные второй инвертирующий усилитель, первый фазовый корректор, неинвертирующий усилитель и второй фазовый корректор, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора, первый вывод которого соединен со входом второго инвертирующего усилителя и через третий резистор с его выходом, выход неинвертирующего усилителя является выходом устройства.
Стабилизация частоты в предлагаемом генераторе достигается за счет применения первого фазового корректора, включенного на входе неинвертирующего усилителя, с помощью которого можно проводить подстройку частоты генерации к резонансной частоте кварцевого резонатора. При помощи второго фазового корректора задается фиксированное определенное значение амплитуды напряжения, подаваемого на кварцевый резонатор, и при этом создается 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.).
На фигуре 1 приведена функциональная схема предлагаемого генератора. На фигуре 2 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.
Генератор содержит инвертирующий усилитель 1, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор 2, кварцевый резонатор 3, первый вывод которого соединен через конденсатор 4 с выходом инвертирующего усилителя 1, вход которого через второй резистор 5 соединен со вторым выводом кварцевого резонатора 3, последовательно соединенные второй инвертирующий усилитель 6, первый фазовый корректор 7, неинвертирующий усилитель 8 и второй фазовый корректор 9, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора 3, первый вывод которого соединен со входом второго инвертирующего усилителя 6 и через третий резистор 10 с его выходом, выход неинвертирующего усилителя 8 является выходом устройства.
0
Устройство работает следующим образом. Участок схемы "А - вход второго инвертирующего усилителя 6", состоящей из второго резистора 5, инвертирующего усилителя 1, первого резистора 2, конденсатора 4, предназначен для нейтрализации статической емкости С резонатора 3 аналогично прототипу.
K
K
вх
C1
вх
K
В случае, когда импеданс кварцевого резонатора 3 Z и компенсирующего конденсатора 4 много больше входного сопротивления второго инвертирующего усилителя 6 (Z >> Z; Z >> Z) ток, протекающий через кварцевый резонатор 3 I определяется суммой двух составляющих:
A
где U - переменное напряжение, приложенное к кварцевому резонатору 3 (точка схемы А);
K
Z - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 3;
C0
Z - импеданс ветви со статической емкостью кварцевого резонатора 3;
C1
Z - импеданс конденсатора 4;
K
K
K
R, L, C - эквивалентные параметры кварцевого резонатора 3 (см. фиг. 2).
0
0
A
Составляющая тока кварцевого резонатора 3, обусловленная его статической емкостью С, уменьшает реальную добротность и крутизну фазочастотной характеристики резонатора и, соответственно, ухудшает стабильность частоты генератора. Наиболее сильное негативное влияние емкостного тока кварцевого резонатора 3 на стабильность частоты генератора проявляется в случаях, когда составляющие емкостного тока ωCU и резонансного тока  имеют соизмеримые значения.
Ток, протекающий через конденсатор 4 определяется выражением:
1
где С - значение емкости конденсатора 4 (см. фиг. 1);
УС1
U - переменное напряжение на выходе инвертирующего усилителя 1.
C1
C1
вых_инв
Условие (5) выполняется, когда импеданс конденсатора 4 Z много больше выходного сопротивления инвертирующего усилителя 1 (Z>>Z).
2
1
A
2
Напряжение на выходе инвертирующего усилителя 1, обусловленное протеканием тока через второй резистор 5 (R), равно произведению значения сопротивления первого резистора 2 (R) обратной связи на значение входного тока, равного U/R (свойство инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления K>>1 с отрицательной обратной связью):
1
где R - значение сопротивления первого резистора 2;
2
R - значение сопротивления второго резистора 5.
Знак "минус" в выражении (6) определяет инверсию сигнала на выходе усилителя.
Таким образом, коэффициент передачи участка схемы "А - выход первого инвертирующего усилителя 1" определяется отношением  и выражение (5) можно записать в виде:
0
Условие компенсации шунтирующего влияния статической емкости можно определить из суммы токов, протекающих через статическую емкость С резонатора и конденсатор 4, соответственно:
Из уравнения (8) следует  отсюда:
или
Напряжение на выходе второго инвертирующего усилителя определяется выражением с учетом (1), (2), (4)
где R3 - сопротивление третьего резистора 10.
При этом, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя 2 должен быть много больше 1. Знак "минус" в выражении (11) определяет инверсию усиливаемого сигнала.
При выполнении условия (10), составляющие напряжения, определяемые токами статической емкости кварцевого резонатора 1 и компенсирующего конденсатора 5 нейтрализуют друг друга выражение (12) можно записать в виде
Коэффициент передачи участка "А - выход второго инвертирующего усилителя 6" равен:
1
рез
K
K
Коэффициент передачи K будет иметь максимальное значение на частоте, равной резонансной частоте F кварцевого резонатора 3, для которой Z=R
1max
Коэффициент передачи K будет иметь значение равное - (0,2÷10,0) с учетом параметров кварцевого резонатора 3 и значения сопротивления третьего резистора 10.
Устойчивая работа генератора обеспечивается выполнением двух условий:
∑
- условие баланса амплитуд, при котором коэффициент передачи неискаженного сигнала в контуре положительной обратной связи K генератора должен быть больше 1;
- условие баланса фаз, при котором суммарный фазовый сдвиг равен или кратен 2π:
Σ
где K - суммарный коэффициент передачи;
i
n
K, K - коэффициенты передачи i-го и n-го звена в контуре положительной обратной связи соответственно;
i
ϕ - фазовый сдвиг, вносимый i-м звеном в контуре обратной связи на частоте генерации.
Σ
В предлагаемом генераторе условно можно выделить четыре звена, определяющих суммарный коэффициент передачи K и условие баланса фаз.
1
Первое звено располагается между вторым выводом кварцевого резонатора 3 (точка схемы А, фиг. 1) и входом первого фазового корректора 7; его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 3 определяется выражением (15) со значением 0,2÷10,0 и фазовый сдвиг ϕ близок к значению равному π (180°).
2
Вторым звеном является первый фазовый корректор 7, который создает некоторый фазовый сдвиг ϕ, который обеспечивает подстройку частоты генерации к резонансной частоте частотозадающего элемента - кварцевого резонатора 3.
3
Третьим звеном является неинвертирующий усилитель 8, его коэффициент передачи зависит от выбранного схемотехнического варианта, а фазовый сдвиг ϕ близок к значению равному π (180°).
Четвертым звеном является второй фазовый корректор 9, при помощи которого в контуре положительной обратной связи достигается фазовый сдвиг для обеспечения условия (16). Второй фазовый корректор 9 может быть выполнен с использованием нескольких звеньев интегрирующих RC-цепочек, что позволяет подавить высшие гармоники в спектре сигнала, подаваемого на кварцевый резонатор 3, 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 неинвертирующего усилителя 8 до амплитуды 0,5⋅Uпит.
Настройка заявляемого генератора сводится к выбору значения емкости конденсатора для выполнения условия (10) на частоте вдали от резонанса, далее при помощи второго фазового корректора 9 задается необходимая амплитуда напряжения, и при этом в контуре положительной обратной связи устанавливается фазовый сдвиг достаточный для выполнения условия (16).
Далее, при необходимости, при помощи первого фазового корректора 9 осуществляется более точная подстройка выходной частоты генератора на резонансную частоту частотозадающего элемента - кварцевого резонатора 3.
Первый фазовый корректор 7 может быть выполнен в виде дифференцирующей RC-цепочки и, например, при помощи выбора значения емкости конденсатора выполняется необходимая подстройка вблизи частоты резонанса кварцевого резонатора 3.
Необходимое время готовности (время выхода на рабочий режим) генератора достигается выбором коэффициента передачи неинвертирующего усилителя 8.
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 точную настройку схемы генератора непосредственно на их резонансную частоту.
Согласно предлагаемому изобретению изготовлены макетные образцы генераторов, испытания которых подтвердили их работоспособность и эффективность.