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 №2301491 от 30.11.2005, опубликован 20.06.2007 в БИ №17), содержащий первый и второй инвертирующие усилители, выход последнего из которых является выходом устройства, кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен со входом первого инвертирующего усилителя и через первый резистор с его выходом, второй вывод кварцевого резонатора соединен через первый конденсатор со входом второго инвертирующего усилителя, вход которого соединен с выходом первого инвертирующего усилителя через второй резистор или через второй резистор и второй конденсатор.
Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является изменение частоты генератора из-за отсутствия ограничения амплитуды напряжения, подаваемого на частотозадающий резонатор, вследствие чего у некоторых типов электромеханических частотозадающих резонаторов происходит искажение АЧХ, что отражается на симметричности резонансного участка АЧХ резонатора и приводит к уменьшению крутизны резонансного участка ФЧХ и, соответственно, влияет на стабильность работы генератора.
Решаемой задачей является создание генератора с кварцевым частотозадающим резонатором с повышенной стабильностью частоты генерации (при значении эквивалентного сопротивления резонатора до 2 МОм).
Достигаемым техническим результатом является ограничение уровня амплитуды напряжения, подаваемого на частотозадающий кварцевый резонатор, при этом отсутствуют искажения резонансного участка АЧХ и ФЧХ резонатора, что обеспечивает повышение устойчивости и стабильности частоты генерации.
Для достижения технического результата в генераторе, содержащем первый и второй инвертирующие усилители, выход последнего из которых является выходом устройства, кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен со входом первого инвертирующего усилителя и через первый резистор с его выходом, второй вывод кварцевого резонатора соединен через первый конденсатор со входом второго инвертирующего усилителя, вход которого соединен с выходом первого инвертирующего усилителя через второй резистор или через второй резистор и второй конденсатор, новым является то, что дополнительно введен амплитудный ограничитель, вход которого соединен с выходом второго инвертирующего усилителя, а выход - со вторым выводом кварцевого резонатора.
Стабилизация частоты в предлагаемом генераторе достигается за счет введения в контур положительной обратной связи генератора амплитудного ограничителя, с помощью которого задается уровень амплитуды напряжения, подаваемого на кварцевый резонатор.
На фигуре 1 приведена функциональная схема предлагаемого генератора. На фигуре 2 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.
Генератор содержит первый 1 и второй 2 инвертирующие усилители, выход последнего из которых является выходом устройства, кварцевый резонатор 3, первый вывод которого соединен со входом инвертирующего усилителя 1 и через первый резистор 4 с его выходом. Второй вывод кварцевого резонатора 3 соединен через первый конденсатор 5 со входом инвертирующего усилителя 2, вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя 1 через второй резистор 6 или через второй резистор 6 и второй конденсатор 7. Введен амплитудный ограничитель 8, вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя 2, а выход - со вторым выводом кварцевого резонатора.
Устройство работает следующим образом. Кварцевый резонатор 3, конденсатор 5, резистор 6 и инвертирующий усилитель 1, охваченный отрицательной обратной связью между выходом и входом через резистор 4, образуют мост с тремя пассивными и одним активным плечами. Параметры плеч указанного выше моста должны выбираться исходя из следующего соотношения:
1
где С - значение емкости конденсатора 5 (см. фиг. 1);
0
С - значение статической емкости кварцевого резонатора (см. фиг. 2);
1
2
R, R - значение сопротивлений резисторов 4 и 6 соответственно;
K
R - активное эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора 3 (см. фиг. 2).
1
ZQ
При этом коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя 1 должен быть много больше 1. В этом случае значение входного сопротивления инвертирующего усилителя 1, охваченного отрицательной обратной связью через резистор 4 (R), будет определяться отношением значения его сопротивления к значению коэффициента усиления по напряжению инвертирующего усилителя 1, и с учетом условия (2) ток, протекающий по резистору 6, будет близким к значению тока кварцевого резонатора 3 I, определяемым суммой двух составляющих:
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 3 (см фиг. 2).
0
0
ZQ
1
ZQ
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 на стабильность частоты генератора проявляется в случаях, когда составляющие емкостного тока - ωCU и резонансного тока -  имеют соизмеримые значения. Напряжение на выходе инвертирующего усилителя 1, обусловленное током кварцевого резонатора, равно произведению значения сопротивления резистора 4 (R) обратной связи на значение входного тока, равного I (свойство инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления К>>1 с отрицательной обратной связью):
2
K
Знак "минус" в выражении (4) определяет инверсию усиливаемого сигнала. Компенсация составляющей тока статической емкости кварцевого резонатора 3 аналогична прототипу и осуществляется за счет емкостного тока конденсатора 5, который, протекая по резистору 6 (R), создает на нем падение компенсирующего напряжения U, равное:
вх1
2
1
K
Напряжение на входе инвертирующего усилителя 2 U равно геометрической (векторной) сумме выходного напряжения инвертирующего усилителя 1 и напряжения, сформированного на резисторе 6 (R) за счет протекания емкостного тока, задаваемого конденсатором 5 (С)-U:
При выполнении условия (1) составляющие напряжения, определяемые токами статической емкости кварцевого резонатора 3 и компенсирующего конденсатора 4, нейтрализуют друг друга, и входное напряжение усилителя 1 будет равно:
Коэффициент передачи участка "второй вывод кварцевого резонатора 3 - вход усилителя 2" равен:
1
K
K
Коэффициент передачи К будет иметь максимальное и действительное значение на частоте, равной резонансной частоте кварцевого резонатора 3, для которой Z=R:
1max
При выполнении условия (2) коэффициент передачи К 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 К генератора должен быть больше 1;
- условие баланса фаз, при котором суммарный фазовый сдвиг равен или кратен 2π:
Σ
где К - суммарный коэффициент передачи;
i
n
К, К - 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 три звена, определяющих суммарный коэффициент передачи К и условие баланса фаз.
1
Первое звено располагается между вторым выводом кварцевого резонатора 5 (точка схемы А, фиг. 1) и входом инвертирующего усилителя 2; его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 3 определяется выражением (7) со значением 0,2÷1,0, и фазовый сдвиг ϕ близок к значению, равному π (180°).
2
Вторым звеном является инвертирующий усилитель 2, его коэффициент передачи зависит от выбранного схемотехнического варианта, а фазовый сдвиг ϕ близок к значению, равному π (180°).
3
Третьим звеном является амплитудный ограничитель, его коэффициент передачи (ослабления) или уровень ограничения зависит от выбора схемотехнического решения, фазовый сдвиг ϕ может быть получен близким к нулю.
пит
Процесс установления колебаний генератора начинается с очень малых амплитуд с синусоидальной неискаженной формой выходных сигналов и заканчивается ограничением в последнем каскаде усилителя 2 до амплитуды 0,5⋅U.
У генератора прототипа сигнал с выхода усилителя 2 напрямую без ограничения поступает на кварцевый резонатор 3 (точка А, см. фиг. 1), и при этом у некоторых видов электромеханических кварцевых резонаторов, которые используются в качестве силочувствительных измерительных преобразователей, могут возникать искажения резонансного участка АЧХ и ФЧХ, что отражается на их характеристике преобразования и влияет на стабильность выходной частоты генератора.
В предлагаемом генераторе с помощью амплитудного ограничителя 8 происходит некоторое ослабление или ограничение амплитуды напряжения, подаваемого на кварцевый резонатор 3, при которой АЧХ и ФЧХ кварцевого резонатора 3 не имеют искажений, и при этом обеспечивается стабильность генерируемой частоты. Амплитуда этого напряжения определяется индивидуально в зависимости от конструктивных особенностей кварцевого резонатора 3. Простейший амплитудный ограничитель может быть выполнен в виде резистивного делителя, который уменьшает амплитуду сигнала с выхода усилителя 2 до необходимой амплитуды.
Необходимое время готовности (время выхода на рабочий режим) генератора достигается выбором коэффициента передачи инвертирующего усилителя 2. Незначительные фазовые сдвиги в контуре положительной обратной связи генератора могут быть скомпенсированы, например, за счет использования в составе инвертирующего усилителя 2 разделительного межкаскадного конденсатора.
Таким образом, введение амплитудного ограничителя в схему генератора обеспечивает отсутствие искажения резонансного участка АЧХ и ФЧХ частотозадающего резонатора, что приводит к повышению устойчивости и стабильности частоты генерации.
Работоспособность предлагаемого технического решения экспериментально проверена и подтверждена испытаниями действующих макетов генератора с использованием частотозадающих резонаторов с частотами от 40 кГц до 100 кГц.