Преобразователь активного сопротивления кварцевого резонатора

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) 21.06,88 (46) 23,12.90,.Бюл. М 47 (71) Днепропетровский государственный университет им, 300-летия воссоединения Украины с Россией (72) В.П.Канунников, В.Н.Кравченко и Д,П.Сивцов (53) 621.317 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР М 651271, кл. 0 01 Я 27/02, 1979.Авторское свидетельство СССР. М 684470, кл. 6 01 Я 29/22, 1979. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ КВАРЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве измерительного преобразователя активного сопротивления кварцевого резонатора на частоте его последовательного резонанса в интервал времени. Цель изо бретения - йовышение точности преобразования. Благодаря введению компаратора 6,1 элемента И 7, источника опорного напряжения 9 и генератора управляющего напряжения 10 преобразование активного сопротивления кварцевого резонатора 3 осуществляется путем регистрации момента возникновения или срыва колебаний автогенератора 1, вследствие чего нестабильность амплитуды генерируемых колебаний не сказывается на точности преобразования. Кроме того, выполнение авто- генератора 1 в виде широкополосного усилителя 2 с положительной обратной связью, в цепь отрицательной обратной связи по току которого включен исследуемый кварцевый резонатор, позволяет исключить погрешность, связанную с неопределенностью фазового набега в усилителе при использовании кварцевых резонаторов с различными резонансными частотами. Преобразователь содержит также усилитель 4, амплитудный детектор 5, управляемый напряжением резистор 8, преобразователь временного интервала в цифровой код 11.1 з.п. ф-лы, 4 ил, 161564550 Изобретение относится к измерительн.и 1 ынике и может быть использовано в качестве измерительного преобразователя ак 1 ивного сопротивления кварцевого резонатора на частоте его последовательного резонатора в интервал времени.Целью изобретения является повышение точности преобразования,На фиг. 1 приведена функциональная схема преобразователя; на фиг, 2 - схема автогенератора; на фиг, 3 - схема переменного резистора; на фиг, 4 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразова геля,Преобразователь содержит угравляемый автогенератор 1, состоящий из первого усилителя 2 с положительной обратной связью и исследуемого кварцевого резонатора 3, второй усилитель 4, амплитудный детектор 5, компаратор б, элемент И 7, управляемый напряжением резистор 8, источник 9 постоянного опорного напряжения, генератор 10 управляющего напряжения, преобразователь 11 временного интервала в цифровой код. Выход автогенератора 1 через последовательно включенные второй усилитель 4 и амплитудный детектор 5 соединен с первым входом компаратора б, в 1 орой вход которого соединен с источником 9 ,.:порного напряжения. Между выходом цеп,1 положительной обратной связи автоге- ,1,;ратора 1 и общей шиной включен управляемый напряжением переменный резистор 8, управляющий вход которого соединен с первым выходом генератора 10 управляющего напряжения, второй выход ,оторого соединен с первым входом эле. ента И 7, второй вход которого соединен с выходом компаратора б, а выход - с входом преобразователя интервал времени - цифровой код 11,Первый усилитель 2 с положительной абра ной связью содержит резистор 12, соединенный одним выводом с резистором 13, погенциометром 14, резистором 15 и конденсатором 16, диод 17, катодом соединенный с базой транзистора 18, коллектор ко орого соединен с одним выводом резистора 19, база транзистора 20 соединена через конденсатор 21 с конденсатором 22, эмиттер транзистора 20 соединен с коллектором транзистора 23, база которого через диоды 24 и 25 соединена с общей шиной, эмиттер транзистора 23 через резистор 26 .,.единен с общей шиной, с которой также ,аединен Один из выводов резистора 27, Ару ой вывод которого соединен с общей точкой конденсаторов 21 и 22 и резисто,1 Ч 5 10 15 20 25 30 35 40 В качестве управляемого напряжением резистора 8 может быть использован полевой транзистор (фиг. 3), причем выводами резистора являются выводы истока и стока, управляющим входом является вывод затвора полевого транзистора. С целью подбора требуемой формы напряжения последовательно с затвором и между затвором и стоком могут быть включены резисторы,Устройство работает следующим образом.Широкополосный усилитель 2 с положительной обратной связью(ПОС) является потенциально автоколебательной системой, которая самовозбуждается при выполнении известного условия баланса амплитудф 1 (1)на одной из частот, лежащих в полосе пропускания широкополосного усилителя 2 с ПОС, В условии (1) через 1 К обозначен модуль комплексного нагруженного коэффициента усиления усилителя 2, в через ф - модуль комплексного нагруженного коэффициента передачи цепи обратной связи.В усилителе 2 (фиг, 2) цепь ПОС образованаа раздел ител ьн ым конденсатором 21. величина когорого выбрана настолько большой, пабы можно было считать ф 1 = 1 во всей полосе рабочих частот устройства. Поэтому выполнение или невыполнение условия (1) достигается регулировкой только нагруженного коэффициента усиления К = = К 1, величина которого изменяется в пределах 0КК мкс в зависимости от величины сопротивления й 8 управляемого резистора 8, подключенного через разделительный конденсатор 22 большой емкости параллельно сопротивлению коллекторной нагрузки транзистора 18 широкополосного усилителя 2 с ПОС,Кроме величины Я 8 управляемого резистора 8, коэффициент усиления К зависит также и от величины гактивного эквивалентного сопротивления кварцевого резонатора, 3 на последовательном резонаторе,При этом, в устройстве между К, Й 8 и гхвыполняются следующие качественные соотношения;чем больше Й 8, тем больше К;чем больше гх, тем меньше К,Управляемый резистор 8 и широкополосный усилитель 2 с ПОС построены так,что при В 8 = Вв величина К такова, что условие (1) выполняется с запасом при гх = гхмвкс,т.е. для наихудшего случая, Тогда, при уве ЛИЧЕНИИ Я 8 ОТ 88 мин ДО 88 макс, НаПРИМЕР, ПОЛИНЕЙНОМУ ЗаКОНУ Нв = йвмин + аТ, ПРИ ДаН(3) НОМ ЗНаЧЕНИИ Гк 1 ВОЗНИКНОВЕНИЕ аВтОКОЛЕбаний в автогенераторе 1 происходит в такой момент времени 11, при которомвыполняется строгое равенствоК Р =1, (2)Аналогичная картина наблюдается ипри уменьшении В 8 от Й 3 макс до Й 8 мин т.е.при срыве автоколебаний. Если же вместоданного кварцевого резонатора, имеющегона частоте последовательного резонанса(очень близкой к частоте автоколебаний) соПРОтИВЛЕНИЕ Гк 1, ПОДКЛЮЧаЕтСЯ ДРУГОЙ ИЗМЕряемый кварцевый резонатор с той жечастотой последовательного резонатора исоответствующим сопротивлением гк 2, например, большим, чем гх 1, то поскольку Кпри этом уменьшится, возбуждение автоколебаний теперь происходит в момент времени 12. При этом, 1 гт 1,Таким образом, в устройстве осуществляется преобразование в интервал времени.В некоторый момент времени, определяемый; например, подачей импульса запуска на вход генератора управляющегонапряжения 10, последний вырабатываетстроб-импульс (фиг. 4 а) и линейно изменяющееся напряжение (фиг. 4 б), управляющеесопротивлением резистора 8, В момент, когда усиление в петле обратной связи достигает значения К ф = 1, на выходеавтогенератора возникает переменное напряжение,фиг. 4 в). Во время обратногохода управляющего напряжения при нарушении условия баланса амплитуд генерация прекращается. После детектированиявыходного напряжения автогенератора видеоимпульс с выхода амплитудного детектора 5 (фиг. 4 с) поступает на первый входкомпаратора 6, где сравнивается с некоторым опорным напряжением, на выходе компаратора 6 формируется импульс, переднийфронт которого задержан относительно переднего фронта строб-импульса на время т 1,пропорциональное измеряемому сопротивлению гх. На выходе элемента И 7 формируется импульс, длительность которого приизвестной длительности строб-импульсатакже линейно связана с измеряемой величиной Гх Свык = тс 11 = Ь (Яо - Гх),где Ь и Во - параметры, определяемые экспериментально. В обЩем слУчае, зависимость й 8(Оулр) может быть нелинейной. В этом случае, нелинейна и зависимость Ьык = 1(гх), однако она может быть получена экспериментальным путем,Для измерения гк может быть также использован обратный ход управляющего напряжения (фиг. 4 д). При этом передний фронт строб-импульса должен быть задержан на тс.Усилитель 4 используется для обострения фронтов видеоимпульса на выходе Детектора (фиг. 4 г), что способствует уменьшению ошибки преобразования, возникающей вследствие конечного времени нарастания и срыва колебаний автогенератора. Преобразователь 11 временного иН- тервала в цифровой код позволяет представить преобразуемое сопротивление гх в более удобном для измерения виде. Кроме того, часто не требуется измерения абсолютного значения гк, а важно знать лищь отклонение его от некоторой заданной величины, либо от измеренной в предыдущем опыте величины (например, при использовании кварцевого резонатора в качестве датчика некоторого физического параметра). В этом случае предыдущее значение кода, соответствующего ранее преобразованному значению гх 1, хранится в памяти преобразователя 11, При втором цикле преобразования на выходе преобразователя 11 формируется код, соответствуЮЩИй РаЗНОСтИ Гк 2 - Г,1, ГДЕ Гк 2 - ВЕЛИЧИНа активного сопротивления кварцевого резонатора во втором опыте.Благодаря тому, что для преобразования гк используется лишь регистрация момента времени возникновения или срыва генерации, нестабильность амплитуды генерируемых колебаний не вносит погрешности в результат преобразования,Выполнение управляемого автогенератора в виде охваченного положительной обратной связью усилителя, в цепь отрицательной обратной связи по току которого включен исследуемый кварцевый резонатор, позволяет использовать в нем широкополосный усилитель, в результате чего, исключить погрешность, связанную с неопределенностью фазового набега в усилителе при измерении гкварцевых резонаторов с разными резонансными частотами. Формула изобретения 1. Преобразователь активного сопротивления кварцевого резонатора, содержащий управляемый автогенератор, выход которого соединен с амплитудным детектором, а управляющий вход - с первым выводом управляемого резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышенияточности преобразования, в него введены компаратор, источник опорного напряжения, элемент И и генератор управляющего напряжения, первый выход которого соединен с управляющим входом управляемого резистора, второй выход соединен с первым входом элемента И, второй вход которого , соединен с выходом компаратора, а выход является выходом преобразователя, при этом первый вход компаратора соединен с выходом амплитудного детектора, а второй вход - с источником опорного напряжения.2. Преобразователь па и, 1, о.т л и ч а ющ и й с я тем, что управляемый автогенератор содержит усилитель, выполненный в виде двух последовательно соединенных усилительных каскадов, цепь положительной обратной связи, включенную между первым выходом второго каскада и входом первого каскада, и исследуемый кварцевый резонатор, при этом первый усилительный 5 каскад содержит транзистор, эмиттер которого через параллельно включенные стабилизатор тока и исследуемый кварцевый резонатор соединены с общей шиной, коллектор соединен с входом второго каска да, а также через резистор нагрузки - систочником питания, а база соединена с цепью смещения и выходом цепи положительной обратной связи, причем первый выход второго каскада является управляю щим входом автогенератора, а второй выход второго каскада - с выходом автоген ератора.1615 б 45 иг,Ф едакт ндор Заказ 3984 Тираж 558 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытия113035, Москва, Ж, Раущская наб 4/Б ГКНТ СССР оизаодственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужго