КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР
QUARTZ OSCILLATOR

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами, в частности в пьезорезонансных датчиках.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является кварцевый генератор (см. патент РФ №2301491 от 30.11.2005, опубликован 20.06.2007, БИ №17), содержащий кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен со входом инвертирующего усилителя и через первый резистор с его выходом, второй вывод кварцевого резонатора соединен через первый конденсатор со входом второго усилителя.
Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является изменение частоты генератора из-за изменения фазового сдвига, обусловленного изменением формы выходных сигналов вследствие изменения режима работы оконечного каскада усилителя под действием внешних факторов эксплуатации (изменение напряжения питания, температуры окружающей среды, хранения и проч.) и присутствия в спектре сигнала, подаваемого на кварцевый резонатор, высших гармоник.
Решаемой задачей является создание генератора с кварцевым резонатором с повышенной стабильностью частоты генерации (при значении эквивалентного сопротивления резонатора до 1 МОм).
Достигаемым техническим результатом является стабилизация формы и амплитуды выходных сигналов в изменяющихся условиях эксплуатации и, соответственно, повышение стабильности частоты генерации.
Для достижения технического результата в генераторе, содержащем кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен со входом инвертирующего усилителя и через первый резистор с его выходом, второй вывод кварцевого резонатора соединен через первый конденсатор со входом второго усилителя, новым является то, что второй усилитель выполнен неинвертирующим, выход которого является выходом устройства, дополнительно введен фазовый корректор, вход и выход которого соединены с выходом неинвертирующего усилителя и вторым выводом кварцевого резонатора соответственно, а вход неинвертирующего усилителя соединен с выходом инвертирующего усилителя через второй резистор или через второй резистор и второй конденсатор.
Стабилизация частоты в предлагаемом генераторе достигается при помощи введения в контур положительной обратной связи генератора фазового корректора, с помощью которого производится подавление высших гармоник в спектре сигнала, подаваемого на кварцевый резонатор.
На фигуре 1 изображена функциональная схема заявляемого генератора. На фигуре 2 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.
Кварцевый генератор содержит кварцевый резонатор 1, первый вывод которого соединен со входом инвертирующего усилителя 2 и через первый резистор 3 с его выходом, второй вывод кварцевого резонатора соединен через первый конденсатор 4 со входом второго усилителя 5, который выполнен неинвертирующим, выход которого является выходом устройства. Введен фазовый корректор 6, вход и выход которого соединены с выходом неинвертирующего усилителя 5 и вторым выводом кварцевого резонатора 1 соответственно, а вход неинвертирующего усилителя 5 соединен с выходом инвертирующего усилителя 2 через второй резистор 7 или через второй резистор 7 и второй конденсатор 8.
Устройство работает следующим образом. Кварцевый резонатор 1, конденсатор 4, резистор 7 и инвертирующий усилитель 2, охваченный отрицательной обратной связью между выходом и входом через резистор 3, образуют мост с тремя пассивными и одним активным плечами. Параметры плеч указанного выше моста должны выбираться исходя из следующего соотношения:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext>(1)</mtext></mrow>
1
K
R=(0,5÷1,0)·R, (2)
1
где С - значение емкости первого конденсатора 4 (см. фиг.1);
0
С - значение статической емкости кварцевого резонатора 1 (см. фиг.2);
1
2
R, R - значение сопротивлений резисторов 3 и 7 соответственно;
K
R - активное эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора 5 (см. фиг.3).
1
ZQ
При этом коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя 2 должен быть много больше 1. В этом случае значение входного сопротивления инвертирующего усилителя 2, охваченного отрицательной обратной связью через резистор 3 (R) будет определяться отношением значения его сопротивления к значению коэффициента усиления по напряжению усилителя 2 и с учетом условия (2), ток протекающий по резистору 3, будет близким к значению тока кварцевого резонатора 1 I, определяемому суммой двух составляющих:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>Z</mi><mi>Q</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Z</mi><mi>Q</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>K</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Z</mi><mi>Q</mi></mrow></msub><mo>;</mo><msub><mrow><mtext> Z</mtext></mrow><mtext>K</mtext></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mi>K</mi></msub><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>L</mi><mi>K</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mi>K</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
ZQ
где U - переменное напряжение, приложенное к кварцевому резонатору 1 (ZQ);
K
Z - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 1 (ZQ);
K
K
K
R, L, С - эквивалентные параметры кварцевого резонатора 1 (см. фиг.2).
0
0
ZQ
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Z</mi><mi>Q</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>K</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
Составляющая тока кварцевого резонатора 1, 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 на стабильность частоты генератора проявляется в случаях, когда составляющие емкостного тока - ωCU и резонансного тока -
имеют соизмеримые значения.
ZQ
Напряжение на выходе инвертирующего усилителя 2, обусловленное током кварцевого резонатора 1, равно произведению значения сопротивления резистора 3 (R1) обратной связи на значение входного тока, равного I (свойство инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления К>>1 с отрицательной обратной связью):
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>Z</mi><mi>Q</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Z</mi><mi>Q</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>K</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(3)</mtext></mrow>
1
2
K
Знак "минус" в выражении (3) определяет инверсию усиливаемого сигнала. Компенсация составляющей тока статической емкости кварцевого резонатора 1 аналогична прототипу и осуществляется за счет емкостного тока конденсатора 4 (С), который, протекая по резистору 7 (R), создает на нем падение компенсирующего напряжения U, равное:
K
ZQ
1
2
U≈jωUCR. (4)
вх1
2
1
K
Напряжение на входе неинвертирующего усилителя 5 U равно геометрической (векторной) сумме выходного напряжения инвертирующего усилителя 2 и напряжения, сформированного на резисторе 7 (R) за счет протекания емкостного тока, задаваемого конденсатором 4(С)-U:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mi>K</mi></msub><mo>≈</mo><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Z</mi><mi>Q</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>K</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> (5)</mtext></mrow>
При выполнении условия (1) составляющие напряжения, определяемые токами статической емкости кварцевого резонатора 1 и конденсатора 4, нейтрализуют друг друга, и входное напряжение усилителя 1 будет равно:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Z</mi><mi>Q</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>K</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>  (6)</mtext></mrow>
Коэффициент передачи участка "второй вывод кварцевого резонатора 1 - вход неинвертирующего усилителя 5" равен:
<mrow><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Z</mi><mi>Q</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>K</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
1
K
K
Коэффициент передачи К будет иметь максимальное и действительное значение на частоте, равной резонансной частоте кварцевого резонатора 1, для которой Z=R:
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mn>1</mn><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>K</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> (7)</mtext></mrow>
1max
При выполнении условия (2) коэффициент передачи K будет иметь значение, равное - (0,5÷1,0). Для обеспечения устойчивой работы генератора необходимо выполнение двух условий:
Σ
- 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:
<mrow><mrow><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>K</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><mo>…</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mi>m</mi></msub><mo>≥</mo><mn>1</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>n</mi></mrow></mstyle></mtd></mtr></mtable><mo>}</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> (8)</mtext></mrow>
Σ
где K - суммарный коэффициент передачи;
1
2
m
К, К… К - коэффициенты передачи звеньев в контуре положительной обратной связи, соответственно;
i
φ - фазовый сдвиг, вносимый i-м звеном в контуре обратной связи на частоте генерации;
n - натуральное число, включая 0.
Σ
В предлагаемом кварцевом генераторе условно можно выделить три звена, определяющих суммарный коэффициент передачи К и условие баланса фаз.
1
Первое звено располагается между вторым выводом кварцевого резонатора 1 и входом неинвертирующего усилителя 5. Его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 1 определяется выражением (7) со значением 0,5÷1,0. Фазовый сдвиг φ близок к значению, равному π (180°).
2
Вторым звеном является неинвертирующий усилитель 5, его коэффициент передачи зависит от выбранного схемотехнического варианта. Фазовый сдвиг φ неинвертирующего усилителя 5 приблизительно равен нулю (0°).
Третьим звеном является фазовый корректор 6, при помощи которого в контуре положительной обратной связи достигается фазовый сдвиг для обеспечения условия (8). Фазовый корректор 6 может быть выполнен с использованием нескольких звеньев интегрирующих RC-цепочек, что позволяет точно приблизить частоту автогенерации к резонансной частоте кварцевого резонатора 1 и подавить высшие гармоники в спектре сигнала, подаваемого на кварцевый резонатор 1, и обеспечить работоспособность на его основной резонансной частоте.
Согласно предлагаемому изобретению изготовлены макетные образцы генераторов, испытания которых подтвердили их работоспособность и эффективность.