СХЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ ЧАСТОТНОГО ДАТЧИКА
EXCITATION CIRCUIT OF FREQUENCY SENSOR

Область техники
Изобретение относится к области приборов измерения физических величин на основе частотных датчиков, в частности к схемам автогенераторов и к схемам управления режимом работы чувствительного элемента типа резонаторного датчика с собственной частотой, перестраиваемой под действием измеряемой величины.
Предшествующий уровень техники
Известна схема автогенератора со схемой возбуждения частотного датчика, описанная в книге «Цифровые приборы с частотными датчиками»; авторы В.П.Новицкий, В.Г. Кнорринг, В.С. Гутников; издательство «Энергия», 1970 г.; на рисунке 2-9(а), стр. 62. Приведена структурная схема генератора для электромеханического датчика с раздельными возбудителем и приемником электромагнитного типа. Схема содержит усилитель, охваченный положительной обратной связью, с колебательной системой в цепи обратной связи. Данный подход реализован в приведенных ниже патентах, в генераторах, которые могут служить простейшими аналогами.
Недостатком данной схемы является то, что в ней необходимо принимать меры к уменьшению влияния схемы на амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики петли обратной связи автогенератора и уменьшению влияния на его добротность.
Известна схема кварцевого генератора, описанная в патенте РФ №2354037 С2 «Кварцевый генератор», приоритет 14.02.2007 г., опубликовано 27.04.2009 г, МПК: Н03В 5/32, авторы: Багаев С.П., Дикиджи А.Н.
Кварцевый генератор содержит усилитель, в цепь положительной обратной связи которого включен кварцевый резонатор.
Недостатком данного изобретения является принципиальная возможность возникновения автоколебаний на побочных резонансах, так как в схеме отсутствуют цепи частотной селекции мод. В данном решении автоколебания на рабочей частоте обеспечиваются, в основном, конструктивными мерами - оптимальным расположением электродов на кварцевом резонаторе.
В качестве прототипа к заявляемому устройству выбрана схема, приведенная в патенте DE 102006036190 А1 «Компоновка схемы для генерирования периодических электромагнитных сигналов с частотой осциллятора», приоритет 01.08.06 г, опубликовано 14.02.2008, МПК H01N 22/00, H01D 5/243. авторы: Sokoll Thorsten, Pawlak Holder, Jakob Arne.
В первом варианте вход усилителя через резонансный сенсор соединен с выходом усилителя так, что схема становится неустойчивой и способной генерировать колебания. При таком включении пассивный резонансный сенсор становится активным и, таким образом, просто считывающим значение измеряемого параметра. Сигнал автогенератора возникает на выходе усилителя. В качестве усилителя может быть использован, например, высокочастотный транзистор.
Во втором варианте резонансный сенсор соединен с усилителем с внутренней обратной связью (и поэтому неустойчивым), на выходе которого появляется сигнал автогенератора. В этом случае автогенератор может быть образован с реактивными, рефлективными и трансмиссионными резонаторами.
Недостатками прототипа являются принципиальная возможность возникновения автоколебаний на побочных резонансах; возможность появления дополнительной погрешности измерения, вследствие нестабильности фазовых характеристик.
Описанная в прототипе схема требует подстройки параметров поскольку в ней не исключена принципиальная возможность возникновения автоколебаний на побочных резонансах; возможность появления дополнительной погрешности измерения, вследствие нестабильности фазовых характеристик частотного датчика и схемы.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение погрешности преобразования измеряемого параметра в частоту выходного сигнала.
Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в исключении возможности возбуждения автогенератора на частотах, отличающихся от частоты основного резонанса, а также стабилизации амплитуды напряжения сигнала возбуждения, повышение стабильности частоты в автогенераторе, улучшение согласования СВЧД с частотным датчиком и внешними устройствами.
Технический результат достигается тем, что в схеме возбуждения частотного датчика, содержащей усилитель, подключенный к частотному датчику, при этом резонансная частота автогенератора соответствует резонансной частоте датчика, согласно изобретению, усилитель выполнен в виде предварительного усилителя, к выходу которого подключен усилитель резонансной частоты, к выходу которого подключен усилитель-стабилизатор амплитуды сигнала, выход усилителя-стабилизатора подключен к входам первого и второго буферов.
Совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата - исключение возможности возбуждения автогенератора на частотах, отличающихся от частоты основного резонанса, а также стабилизации амплитуды напряжения сигнала возбуждения, повышение стабильности частоты в автогенераторе, улучшение согласования СВЧД с частотным датчиком и внешними устройствами.
Это позволяет решить задачу снижения погрешности преобразования измеряемого параметра в частоту выходного сигнала.
Предварительный усилитель может быть выполнен из первого операционного усилителя, первого резистора и первого конденсатора, при этом первый вывод первого конденсатора подключен к выходу частотного датчика, второй вывод первого конденсатора подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя и одновременно подключен к первому выводу первого резистора, второй вывод первого резистора подключен к выходу первого операционного усилителя, неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к общей шине.
Усилитель резонансной частоты, может быть выполнен содержащим второй операционный усилитель, второй и третий резисторы, второй и третий конденсаторы, четвертый резистор, при этом первый вывод второго резистора подключен к выходу первого операционного усилителя, второй вывод второго резистора подключен к первому выводу третьего резистора и одновременно подключен к первому выводу второго конденсатора и первому выводу третьего конденсатора, второй вывод третьего резистора подключен к общей шине, второй вывод третьего конденсатора подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя и одновременно подключен к первому выводу четвертого резистора, второй вывод второго конденсатора подключен ко второму выводу четвертого резистора и одновременно подключен к выходу второго операционного усилителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к общей шине.
Усилитель-стабилизатор амплитуды сигнала может быть выполнен содержащим третий операционный усилитель, четвертый операционный усилитель, пятый, шестой седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый резисторы, четвертый и пятый конденсаторы, первый и второй диоды, первый и второй стабилитроны. При этом первый вывод пятого резистора подключен к выходу второго операционного усилителя, второй вывод пятого резистора подключен к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя, первый вывод шестого резистора подключен к общей шине, второй вывод шестого резистора подключен к первому выводу седьмого резистора и одновременно подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя и к первому выводу четвертого конденсатора. Второй вывод седьмого резистора подключен к выходу третьего операционного усилителя и одновременно подключен к аноду первого диода и катоду второго диода, второй вывод четвертого конденсатора подключен к первому выводу восьмого резистора, второй вывод восьмого резистора подключен к выходу четвертого операционного усилителя и одновременно подключен к первому выводу девятого резистора, второй вывод девятого резистора подключен к инвертирующему входу четвертого операционного усилителя и одновременно подключен к первому выводу десятого резистора, второй вывод десятого резистора подключен к общей шине, катод первого диода подключен к катоду первого стабилитрона, анод второго диода подключен к аноду второго стабилитрона. Анод первого стабилитрона подключен к катоду второго стабилитрона и одновременно подключен к первому выводу пятого конденсатора и первому выводу одиннадцатого резистора, второй вывод одиннадцатого резистора подключен ко второму выводу пятого конденсатора и одновременно подключен к первому выводу двенадцатого резистора и неинвертирующему входу четвертого операционного усилителя, второй вывод двенадцатого резистора подключен к общей шине.
Первый буфер может быть выполнен содержащим пятый операционный усилитель, тринадцатый, четырнадцатый и пятнадцатый резисторы. При этом первый вывод тринадцатого резистора подключен к выходу третьего операционного усилителя, второй вывод тринадцатого резистора подключен к инвертирующему входу пятого операционного усилителя и одновременно подключен к первому выводу четырнадцатого резистора, второй вывод четырнадцатого резистора подключен к выходу пятого операционного усилителя и одновременно подключен к первому выводу пятнадцатого резистора, второй вывод пятнадцатого резистора, являющийся выходом первого буфера, подключен ко входу частотного датчика.
Второй буфер может содержать шестой операционный усилитель, шестнадцатый и семнадцатый резисторы. Неинвертирующий вход шестого операционного усилителя подключен к выходу третьего операционного усилителя, инвертирующий вход операционного усилителя подключен к первому выводу шестнадцатого резистора и одновременно подключен к первому выводу семнадцатого резистора, второй вывод шестнадцатого резистора подключен к общей шине, второй вывод семнадцатого резистора подключен к выходу шестого операционного усилителя, являющегося выходом схемы возбуждения частотного датчика.
Совокупность перечисленных признаков обеспечивает получение технического результата - схема возбуждения обеспечивает работу частотного датчика, при которой частота выходного сигнала схемы равна собственной резонансной частоте частотного датчика и пропорциональна действующей измеряемой физической величине. Предлагаемая схема не требует подстройки параметров.
В предлагаемом решении введение усилителя резонансной частоты и усилителя-стабилизатора амплитуды сигнала, позволяет выполнять поставленную задачу снижения погрешности преобразования измеряемого параметра в частоту выходного сигнала, на решение которой направлено заявляемое изобретение.
Краткое описание фигур чертежа На фиг. 1 представлена функциональная схема возбуждения частотного датчика (СВЧД). На фиг. 2 представлена принципиальная схема возбуждения частотного датчика.
На функциональной схеме устройства, приведенной на фиг. 1, приведены частотный датчик 4 и СВЧД 7, которая содержит: предварительный усилитель 1, усилитель резонансной частоты 2, усилитель-стабилизитор 3, первый буфер 5, и второй буфер 6.
Как показано на фиг. 1, в схему возбуждения, содержащую усилитель 1, соединенный с частотным датчиком 4, которые образуют вместе автогенератор с частотой генерации, соответствующей резонансной частоте датчика 4, дополнительно введены: усилитель резонансной частоты 2 и усилитель-стабилизатор 3 амплитуды сигнала, два буфера 5 и 6. Буфер 5 обеспечивает формирование сигнала возбуждения частотного датчика 4. Буфер 6 формирует выходной сигнал на внешние устройства.
Выход частотного датчика 4 соединен с входом предварительного усилителя 1, выход предварительного усилителя 1 соединен с входом усилителя резонансной частоты 2, выход усилителя резонансной частоты 2 соединен с входом усилителя-стабилизатора 3, выход усилителя-стабилизатора 3 соединен с входом буфера 5, и одновременно соединен с входом буфера 6. Выход буфера 5 соединен с входом частотного датчика 4, выход буфера 6 является выходом СВЧД 7.
В данном варианте исполнения СВЧД 7 выполнена на дискретных элементах на базе операционных усилителей, при этом усилитель резонансной частоты 2 выполнен в виде полосового фильтра, а усилитель-стабилизатор 3 выполнен в виде усилителя с автоматической регулировкой усиления, как показано на фиг. 2.
Введение усилителя резонансной частоты 2 исключает возможность возбуждения автогенератора на частотах, отличающихся от частоты основного резонанса частотного датчика 4. Таким образом, проявляется технический результат исключения возможности возбуждения автогенератра на частотах, отличающихся от частоты основного резонанса.
Введение усилителя-стабилизатора 3 обеспечивает необходимый коэффициент усиления СВЧД 7, для возникновения генерации в автогенераторе, и стабилизацию амплитуды напряжения сигнала возбуждения на выходе буфера 5 с целью повышения стабильности частоты автогенерации. Таким образом, проявляется технический результат стабилизации амплитуды напряжения сигнала возбуждения, повышения стабильности частоты в автогенераторе.
Введение буфера 5 обеспечивает согласование выхода СВЧД 7 с входной цепью частотного датчика 4. Таким образом, проявляется технический результат улучшения согласования СВЧД 7 с частотным датчиком 4.
Введение буфера 6 обеспечивает нормирование сигнала на выходе F по амплитуде и фронтам (обеспечение значения амплитуды и фронтов, необходимые для внешних устройств), и обеспечивает согласование выхода схемы с внешними устройствами.
Таким образом, проявляется технический результат улучшения согласования схемы с внешними устройствами.
Схема возбуждения частотного датчика 4 работает следующим образом.
При включении питания СВЧД 7 сигнал с выхода частотного датчика 4 резонансного типа поступает на вход предварительного усилителя 1, который осуществляет прием, первичное усиление сигнала и согласование выходной цепи частотного датчика 4 с СВЧД 7.
Как показано на фиг. 2, предварительный усилитель 1 выполнен на первом операционном усилителе (ОУ) 10, первом резисторе 9 и первом конденсаторе 8. При этом, первый вывод первого конденсатора 8 подключен к выходу частотного датчика 4, второй вывод первого конденсатора 8 подключен к инвертирующему входу первого ОУ 10 и одновременно подключен к первому выводу первого резистора 9, второй вывод первого резистора 9 подключен к выходу первого ОУ 10. Неинвертирующий вход первого ОУ 10 подключен к общей шине 40. Для обеспечения более высокого отношения сигнал-шум предварительный усилитель 1 выполнен в виде преобразователя ток-напряжение. Разделительная емкость 8 устраняет постоянную составляющую сигнала на входе предварительного усилителя 1.
С выхода предварительного усилителя 1 усиленный сигнал поступает на усилитель резонансной частоты 2.
Усилитель резонансной частоты 2 построен по классической схеме активного полосового фильтра с многопетлевой обратной связью. Данная схема фильтра 2 не склонна к самовозбуждению на резонансной частоте фильтра. Усилитель резонансной частоты 2 выполнен на втором ОУ 16, втором резисторе 11, третьем резисторе 13, четвертом резисторе 15, втором конденсаторе 12 и третьем конденсаторе 14. При этом, первый вывод второго резистора 11 подключен к выходу первого ОУ 10 и одновременно подключен ко второму выводу первого резистора 9, второй вывод второго резистора 11 подключен к первому выводу третьего резистора 13, первому выводу второго конденсатора 12, первому выводу третьего конденсатора 14. Второй вывод третьего резистора 13 подключен к общей шине 40, второй вывод второго конденсатора 12 подключен ко второму выводу четвертого резистора 15 и одновременно подключен к выходу второго ОУ 16. Второй вывод третьего конденсатора 14 подключен к инвертирующему входу второго ОУ 16 и одновременно подключен к первому выводу четвертого резистора 15, неинвертирующий вход второго ОУ 16 подключен к общей шине 40.
Наличие усилителя резонансной частоты 2 в схеме исключает возможность возбуждения автогенератора на частотах, отличающихся от частоты основного резонанса частотного датчика 4. Это повышает стабильность частоты в автогенераторе, что является техническим результатом изобретения, который позволяет решить задачу снижения погрешности преобразования измеряемого параметра в частоту выходного сигнала.
Полосу пропускания усилителя резонансной частоты 2 выбирают на основе диапазона рабочих частот частотного датчика 4. Чтобы фазовая характеристика усилителя резонансной частоты 2 не сильно искажала фазовую характеристику контура автогенератора, добротность усилителя резонансной частоты 2 выбирается значительно ниже добротности частотного датчика 4.
Предварительный усилитель 1 и усилитель резонансной частоты 2 имеют фиксированные коэффициенты усиления и выбираются такими, чтобы сигнал на выходе усилителя резонансной частоты 2 не выходил за диапазон используемого напряжения питания.
С выхода усилителя резонансной частоты 2 синусоидальный сигнал поступает на усилитель-стабилизатор 3. Усилитель-стабилизатор 3 выполнен в виде усилительного каскада с автоматической регулировкой усиления (АРУ). Усилитель-стабилизатор 3 выполняет функцию регулировки усиления со стабилизацией амплитуды своего выходного сигнала и функцию фазовой автоматической подстройки в автогенераторе. В данном исполнении усилитель-стабилизатор 3 имеет малую задержку регулирования. Наличие схемы автоматической регулировки усиления в автогенераторе повышает стабильность частоты, при этом автоматическая фазовая подстройка снижает частотную нестабильность автогенератора. Это позволяет решить задачу снижения погрешности преобразования измеряемого параметра в частоту выходного сигнала.
Усилитель-стабилизатор 3 выполнен на третьем ОУ 21 и четвертом ОУ 23, на пятом резисторе 18, на шестом резисторе 17, седьмом резисторе 22, восьмом резисторе 20, девятом резисторе 24, десятом резисторе 31, одиннадцатом резисторе 34 и двенадцатом резисторе 35, на четвертом конденсаторе 19 и пятом конденсаторе 30, на первом диоде 28 и втором диоде 32, на первом стабилитроне 29 и втором стабилитроне 33. При этом первый вывод пятого резистора 18 подключен к выходу второго ОУ 16, второй вывод пятого резистора 18 подключен к неинвертирующему входу третьего ОУ 21. Второй вывод шестого резистора 17 подключен к инвертирующему входу третьего ОУ 21 и одновременно подключен к первому выводу седьмого резистора 22 и к первому выводу четвертого конденсатора 19. Первый вывод шестого резистора 17 подключен к общей шине 40. Второй вывод седьмого резистора 22 подключен к выходу третьего ОУ 21 и к неинвертирующему входу шестого ОУ25. Выход третьего ОУ 21 одновременно подключен к аноду первого диода 28 и катоду второго диода 32. Катод первого диода 28 подключен к катоду первого стабилитрона 29. Анод второго диода 32 подключен к аноду второго стабилитрона 33. Анод первого стабилитрона 29 подключен к первому выводу пятого конденсатора 30 и одновременно подключен к первому выводу одиннадцатого резистора 34 и катоду второго стабилитрона 33. Второй вывод пятого конденсатора 30 подключен к неинвертирующему входу четвертого ОУ 23 и одновременно подключен ко второму выводу одиннадцатого резистора 34 и к первому выводу двенадцатого резистора 35. Второй вывод двенадцатого резистора 35 подключен к общей шине 40. Инвертирующий вход четвертого ОУ 23 подключен ко второму выводу девятого резистора 24 и одновременно подключен к первому выводу десятого резистора 31. Первый вывод десятого резистора 31 подключен к общей шине 40. Первый вывод девятого резистора 24 подключен к выходу четвертого ОУ 23 и одновременно подключен ко второму выводу восьмого резистора 20. Первый вывод восьмого резистора 20 подключен ко второму выводу четвертого конденсатора 19.
В усилителе-стабилизаторе 3 входной синусоидальный сигнал поступает на неинвертирующий вход третьего ОУ21. С выхода третьего ОУ 21 усиленный сигнал поступает на источник опорного напряжения 41 положительной полуволны и источник опорного напряжения 42 отрицательной полуволны.
Источник опорного напряжения 41 выполнен на первом диоде 28 и первом стабилитроне 29. Источник опорного напряжения 42 выполнен на втором диоде 32 и втором стабилитроне 33.
При низком уровне входного сигнала, когда усиленный сигнал на выходе третьего ОУ21 не превышает опорного напряжения, сигнал ошибки на выходах источников опорных напряжений 41 и 42 отсутствует. При этом сигнал на выходе усилителя сигнала ошибки четвертого ОУ23 равен нулю. В этом случае устанавливается максимальный коэффициент усиления третьего ОУ 21, который выше номинального и который определяется делителем, образованным седьмым резистором 22 и параллельным соединением шестого резистора 17 и цепочки из разделительного четвертого конденсатора 19 и ограничительного восьмого резистора 20. Номинал четвертого конденсатора 19 выбирают таким образом, чтобы на рабочих частотах емкостное сопротивление четвертого конденсатора 19 было значительно ниже сопротивления ограничительного восьмого резистора 20.
При низком уровне входного сигнала коэффициент усиления третьего ОУ 21 увеличивается и на его выходе уровень сигнала возрастает и начинает превышать значение опорного напряжения на источниках опорного напряжения 41 и 42. На выходе источников опорного напряжения 41 и 42 появляется сигнал ошибки. Сигнал ошибки поступает на делитель сигнала ошибки, выполненного на одиннадцатом резисторе 34 и двенадцатом резисторе 35. С делителя на одиннадцатом резисторе 34 и двенадцатом резисторе 35 сигнал поступает на неинвертирующий вход усилителя сигнала ошибки четвертого ОУ23. Коэффициент усиления четвертого ОУ23 задается резистивным делителем на девятом резисторе 24 и десятом резисторе 31. Так как в цепи сигнала ошибки отсутствует интегратор, то сигнал ошибки непосредственно, без задержки, поступает на третий ОУ21, в результате чего практически отсутствует задержка регулирования.
Номинальные коэффициенты усиления, задаваемые делителями на шестом резисторе 17, седьмом резисторе 22 и девятом резисторе 24, десятом резисторе 31 не должны превышать максимально допустимых для третьего ОУ21 и четвертого ОУ23 на рабочей частоте. Усиленный сигнал ошибки с выхода четвертого ОУ23 поступает через ограничительный восьмой резистор 20 и разделительный четвертый конденсатор 19 на инвертирующий вход третьего ОУ21. Выход усилителя на третьем ОУ21 одновременно является выходом усилителя-стабилизатора 3. Регулирование амплитуды выходного сигнала осуществляется посредством отрицательной обратной связи через источники опорных напряжений 41 и 42 и усилитель на четвертом ОУ 23 сигнала ошибки. Результатом регулирования является стабилизация амплитуды выходного сигнала на уровне, определяемом источниками опорного напряжения 41 и 42. Стабилизация амплитуды напряжения сигнала является техническим результатом изобретения.
Усилитель-стабилизатор 3 также обеспечивает стабилизацию амплитуды напряжения сигнала возбуждения на выходе буфера 5, что повышает стабильность частоты автогенерации и, как следствие, позволяет решить задачу снижения погрешности преобразования измеряемого физического параметра в частоту.
Схема усилителя-стабилизатора 3, выполненная в виде усилителя с АРУ, малые входные сигналы усиливает с большим коэффициентом усиления, а большие входные сигналы усиливает со значительно меньшим коэффициентом усиления. Регулировка усиления осуществляется по сигналу ошибки, поступающему от цепи, содержащей источники опорного напряжения 41 и 42.
min
max
Усилительный каскад на третьем ОУ21 с регулируемым коэффициентом усиления построен на базе операционного усилителя в неинвертирующем включении. В данной схеме регулировка коэффициента усиления каскада осуществляется за счет модуляции сигнала на резистивном делителе 17-22 при помощи усиленного сигнала ошибки. Усиленный сигнал ошибки изменяет проводимость резистивного звена 17 - 22, определяющего коэффициент усиления третьего ОУ 21. В результате коэффициент усиления изменяется в заданных пределах от К до К, которые определяются номиналами шестого резистора 17, седьмого резистора 22, восьмого резистора 20 в цепи обратной связи третьего ОУ 21.
Регулировка фазы выходного сигнала происходит при превышении коэффициента усиления усилителя третьего ОУ21 номинального значения для рабочей частоты синусоидального сигнала, при котором фазовая характеристика данного ОУ нелинейная. В автогенераторе нелинейность фазовой характеристики усилителя-стабилизатора 3, выполненного в виде усилителя с АРУ, обуславливает некоторую фазовую автоподстройку сигнала возбуждения с приближением частоты колебаний к резонансной частоте автогенератора. Это приводит к повышению стабильности частоты в автогенераторе, что является техническим результатом изобретения.
С выхода усилителя-стабилизатора 3 сигнал поступает на буфер 5 (фиг. 1. Буфер 5 формирует сигнал возбуждения и обеспечивает согласование выхода СВЧД 7 с входной цепью частотного датчика 4. Буфер 5 обеспечивает требуемое значение амплитуды сигнала возбуждения частотного датчика 4. С выхода буфера 5 сигнал возбуждения поступает на частотный датчик 4, замыкая контур автогенератора.
Буфер 5 выполнен в виде усилительного каскада на пятом ОУ 38 в инвертирующем включении с балластным пятнадцатым резистором 39 на выходе. Коэффициент усиления каскада на пятом ОУ 38 определяет делитель на тринадцатом резисторе 36 и четырнадцатом резисторе 37.
При этом первый вывод тринадцатого резистора 36 подключен к выходу третьего ОУ 21, второй вывод тринадцатого резистора 36 подключен к инвертирующему входу пятого ОУ 38 и одновременно подключен к первому выводу четырнадцатого резистора 37. Второй вывод четырнадцатого резистора 37 подключен к выходу пятого ОУ 38 и одновременно подключен к первому выводу пятнадцатого резистора 39, второй вывод пятнадцатого резистора 39 подключен ко входу частотного датчика 4. Неинвертирующий вход пятого ОУ 38 подключен к общей шине 40.
Условие баланса амплитуд автогенератора обеспечивается выбранными коэффициентами усиления предварительного усилителя 1, усилителя резонансной частоты 2 и автоматической регулировкой усиления усилителя-стабилизатора 3, с учетом понижающего коэффициента передачи частотного датчика 4.
Условие баланса фаз автогенератора обеспечивается фиксированными фазовыми сдвигами предварительного усилителя 1, усилителя резонансной частоты 2, фазовым сдвигом частотного датчика 4 на резонансной частоте и автоматической фазовой подстройкой усилителя-стабилизатора 3. Частота автогенерации определяется собственной резонансной частотой частотного датчика 4, которая изменяется в определенном диапазоне при изменении измеряемой датчиком 4 физической величины.
Наличие в СВЧД 7 предварительного усилителя 1, усилителя резонансной частоты 2, усилителя-стабилизатора 3, буфера 5 в совокупности обеспечивает повышенную стабильность частоты в автогенераторе. Для передачи сигнала во внешние устройства, с целью обработки значения частоты автогенерации, схема содержит буфер 6.
Буфер 6 выполнен в виде усилительного каскада на шестом ОУ 25 в неинвертирующем включении. Коэффициент усиления каскада на шестом ОУ 25 определяет делитель на семнадцатом резисторе 26 и шестнадцатом резисторе 27. При этом неинвертирующий вход шестого ОУ 25 подключен к выходу третьего ОУ 21, инвертирующий вход шестого ОУ 25 подключен к первому выводу шестнадцатого резистора 27 и первому выводу семнадцатого резистора 26, второй вывод шестнадцатого резистора 27 подключен к общей шине 40, второй вывод семнадцатого резистора 26 подключен к выходу шестого ОУ 25.
Буфер 6 формирует выходной частотный сигнал, осуществляет нормирование выходного сигнала по амплитуде и фронтам, и обеспечивает согласование выхода СВЧД 7 с внешними устройствами, что является техническим результатом изобретения. Это позволяет решить задачу снижения погрешности преобразования измеряемого параметра в частоту выходного сигнала.
В представленном варианте исполнения (фиг. 1 и фиг. 2) СВЧД 7 выполнена на дискретных элементах на базе операционных усилителей. При этом усилитель-стабилизатор 3 выполнен в виде усилителя с автоматической регулировкой амплитуды. Автоматически регулируемый коэффициент усиления в СВЧД 7 обеспечивает мягкий запуск в режим автогенерации и автоматическую фазовую автоподстройку (в нешироком диапазоне). Автоматическая регулировка коэффициента усиления позволяет автогенератору работать при изменениях значения коэффициента передачи частотного датчика 4. Фазовая автоподстройка компенсирует небольшие отклонения фазового сдвига частотного датчика 4 на резонансной частоте от своего номинального значения. Это обеспечивает устойчивую работу автогенератора на резонансной частоте частотного датчика 4 при воздействии дестабилизирующих факторов.
Таким образом, данная схема СВЧД имеет преимущества по сравнению с прототипом. Изобретение может быть использовано для повышения стабильности частоты в автогенераторе, снижения погрешности преобразования, улучшения согласования схемы с частотным датчиком. Это повышает технические характеристики и эксплуатационную надежность автогенераторов с частотозадающим резонатором. Схема не требует подстройки параметров.
Промышленная применимость
Рассмотренный вариант выполнения изобретения может быть реализован на существующей в настоящее время дискретной элементной базе. Это показывает его работоспособность и подтверждает промышленную применимость. Были проведены испытания схемы возбуждения частотного датчика, результаты которых подтвердили получение технического результата и решение поставленной задачи.
Наиболее эффективно выглядит использование предложенной схемы СВЧД в приборах автоматики, авиационной, космической и ракетостроительной промышленности. А также там, где в генераторах на частотозадающем резонаторе предъявляются повышенные требования по частоте, где к приборам предъявляются повышенные климатические и механические требования.