Преобразователь температуры в частоту

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) (3 3 15 С 01 К 732 ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР ОМИТЕТОТКРЫТИЯМ ч ч Е ИЗСБРЕТЕНИ И и ,"ъ суМ чЧччЬ.ч Ч.ч а;.ч чч У СВИДЕТЕЛЬСТ К АВТО ыи инсти вник, В.А, Ше ССР ССР О С 3(57) Изобретение касается температурных измерений и позволяет повысить чувствительность преобразователя, На вход делителя 2 частоты поступает двухчастотный сигнал с частотами 11 и 2, формируемый двухчастотным термозависимым кварцевым генератором, включающим транзистор 5, конденсаторы б - 10, варикап 11. резисторы 12-21, два пьезокварцевых резонатора 17, 18, С-цепь 19,20, На выходе фазового детектора 3 формируется сигнал, поступающий на варикап 11 для синфазной перестройки частот 11 и 12, Колебание разностной частоты, однозначно связанной с преобразуемой температурой, выделяется с помощью фильтра 4 нижних частот. 1 з.п, ф-лы, 1 ил,Изобретение относится к температур. ным измерениям, а именно к преобразователям температуры с пьезокварцевыми термочувствительными резонаторами, и может быть использовано в системах термостатирования и измерительных преобразователях температуры,Целью изобретения является повышение чувствительности преобразователя,На чертеже приведена схема преобразователя температуры в частоту.Преобразователь температуры в частоту содержит двухчастотный кварцевый генератор 1, делитель 2 частоты, например триггерный, фазовый детектор 3 и фильтр 4 низкой частоты. Кварцевый генератор содержит транзистор 5, конденсаторы 6 - 10, варикап 11, резисторы 12 и 13, резистивный делитель напряжения на резисторах 14 и 15, г)ервый дополнительный резистор 16, два термочувствител ьных и ьезокварцевых резонатора 17 и 18, 1 С-цепь, состоящу)о из конденсатора 19 и индуктивности 20, второй дополнительный резистор 21, источник 22 питания, первый вывод 23 которого соединен с коллектором транзистора 5, Конденсаторы 6 и 7, включенные между базой и змиттером транзистора 5, а также между коллектором и змиттером соответственно, явля)отся конденсаторами связи емкостной трехточечной схемы кварцевого генератора 1, Резистор 13, включенный между эмиттером транзистора 5 и вторым Выводом 23 источника 22 питания, представляет собой активную нагрузку, обеспечива)ощую режим работы транзистора 5 по постоянному току.Резистивный делитель напряжения источника питания базовой цепи транзистора 5, состоящий из резисторов 12, 15 и 14, Обеспечивает режим работы транзистора по напряжению, Последовательная 1 С-цепь, состоящая из конденсатора 19 и индуктивности 20, вместе с резистором 15, Включенная на входе транзистора 5, является цепью обеспечения устойчивости двухчастотных колебаний кварцевого генератора, выполняющего функцию разрыва кольца обрат- нОЙ сВЯзи Для наиболее интенсивноГО комбинационного колебания разностной частоты тр =т 2 - 11, где т 1, т 2 - частоты колебаний кварцевого генератора.Резистор 15 необходим для расширения полосы пропускания Х-цепи. Конденсатор 8, Вклктченный между вторым 2 и первым выводом 23 источника 22 питания. является блокировочным и обеспечивает малое сопротивление источника питания по высокой частоте, Конденсаторы 9 и 10, еключеннь)е последовательно с кварцевыми резонаторами 17 и 18 соответственно,необходимы для обеспечения (путем ихподстройки) требуемого коэффициен)аВзаимосвязи/5 е и еГО неизенности В широ 5 ком диапазоне управления,51 е =- соли. Рарикап 11 предназначен для синфазногоуправления частотами т 1 и т 2 генератора,Резистор 21, Вкл)оченный последовательно с кварцевым резонагором 18, по 10 зволяет обеспечивать различие амплитудА 1, А 2 колебаний частот 11 и т 2 А 1 А 2), чтонеобходимо для того, чтоб)я триггерный делитель 2 из .ло)кного двухчастотного сигнала, имеющегося на выходе1 5 генератора 1. поз волил без доп ол ни тел ьного фильтра получить на его выходе привремени чсреднения т = Олебание11 у, где )") - козффицие) т делен и ".,20 Фильтр 4., состоящий из последовательно соединенных резистора 25 и емкости 26и включенный между эмиттером транзистора и общей шиной, представляет собой Г-образный фильтр нижних час 1 от,ПРедназначенный ДлЯ БЫДеления колебаНИЙ РВЗНОСТНОЙ Чспстотц р =- Т 2 - ГИЗ СПЕКТРВгенерируемого двухчастотн цм Генераторомсигнала,Резистор 16, подкг ю )снный к Варикапу30 11, является разделительным, обеспечиВаетподачу напряжения упс)авления с гцходафазового детектаг)а 3 нг Варикап и предотвращает шунтирование емкости сарикапаНИЗКИМ СОПРОГИВЛЕНИЕМ ИСТОЧНИКЗ УГ)РаВЛЯ"35 ющего сигнала,В термозависимом кварцевом Генераторе, выполненном двухчастотнцм, возбуждаются два колебания частот ц. г 2,Двухчастотный кварцевый Генератор явля 40 ется многовыходным устройством и В зависимости от места подключения Выходной. нагрузки в схему генератора може) обеспеЧИТЬ На НВГРуЗКЕ )ЭЗЛИЧНЫЙ СГ)ЕКТР КОЛЕбаНИЙ С ПРЕОбЛсДВНИОМ ПО ИнГЕНСИВНОСТИкаждОГО иэ ОснОвньх (кварщованных час Отт 1 или т 2, двух основных колебаний ча:". От1 и 12, разностного колебав;я частотыТЯ = Т 2-11 и суммарного колебания частоты с =- Т 1+250Я устройстве используются два ацходадвухчастотного кварцевого генератора; ВыхОД основных колебаний частОт Т 1, )2 и Выход разностного колеоания частоты тр = 12 г 1, 55 Включение псследовательно с кварцевымирезонаторами варикапа 11 обеспечивает возможность синфазной перестройки часГОт Т 1, Т 2 За Счвт ИЗМЕНЕНИЯ ПРИЛОЖЕННОГО К варикапу напряжения./5 е (Еу) =-сопзт. 51 Пагсц +27 ГТ СО 5 ф Л 11(ЛТ) = К 1 ЛТ,Л 2 (ЛТ) = К 2 ЛТ,Так как К 1 К 2, то к 5) 9) г =- - , то эффициент взаимо вязидетектора 3 ие частоты рцевого геЛ 2 ЛУходы Л 11,2 частот 1,2, вызванные изменениями Л Еу управляющего напряжечия Л Еу в линейном приближении (при малых Л Еу), описываются соотношениями где и 1,2 - коэффициенты чувствительности 10частот 11,2 к УпРавлЯюЩемУ напРЯжению Гу,Так как уходы Л т 1,2 частот т 1,2 однозначны, то коэффициент/3 Е взаимосвязи уходовЛ 1,2 положительный, т.е,15 В зависимости от соотношения емкостей С 9, С 1 о конденсаторов 9 и 10 или при С 9 = д, С 1 о = со (случай отсутствия конденсаторов 9 и 10), в зависимости От соОтношения динамических емкостей С 17, С 1 в, кварцевых резонаторов 17 и 18, изменяется соотношение коэффициентов чувствительности /1, д 2 и, следовательно, Выбором емкостей С 9, С 1 о (или С 17, С 1 б) иожнО ОбЕСпвчить лЮбыЕ кОЗффициЕнты /3 е взаимосвязи30/5 Е1; /5 Е = 1;,ЛЕ1, (3) Так как варикап 11 подключен к обоим резонаторам 17 и 18, то нелинейности характеристик управления частотами 11, 2 идентичны и, следовательно, в широком диапазоне управления (при больших Л Еу) коэффициенты чувствительности у 1, 1 р меняются, но их изменения идентичны и ко эффициент взаимосвязи изменяется незначительно, при некоторых соотношени- яХ Со/С 1 О ИЛИ С 17/С 1 б ВООбщЕ яВЛявтоя ПО- стоянной величиной, т,е. справедливо Температурные уходы частот т 1,2 определяются температурными коэффициента- ми частоты К 1 и К 2 кварцевых резонаторов, которые должны быть разными, К 1 К 2 Анализ эквивалентной схемы устройства показывает, что коэффициент Взаимосвязи рс вариаций д т 1,2 вызванных изменением эквивалентной емкости активной части генератора, равен коэффициенту ВзаимосвЯзи Ре изменений Л 11,2(Л Еу) за счет изменений управляющего напряжения.На вход делителя 2 частоты поступает двухчастотное колебание частот 11,2, котоОое представляет собой колебание биений, амплитуда и частота которого промодулированы. Делитель 2 частоты является пороговым устройством и устраняет амплитудную модуляцию и одновременно усредняет во времени частотно-модулированное входное колебание на пеоиоде выходного колебания,В устройстве амплитуда А 1 колебания частоты 11 обеспечена большей, чем амплитуды А 2 колебания частоты 12, за счет того, что кварцевый резонатор с меньшим температурным коэффициентом частоты К 2, стабилизирующий частоту 2, включен через дополнительно введенный резистор 12.Тогда частоту гб колебания биений можно записать в виде бу (т)27 Г с 1 15 и Я+ К 51 п 27 ГГргдЕ 1/ ) - агс 1 д-- Е -- фасо 5 О+ Ксо 52/сГрДР) зовый угол колебания биений,Усредняя частоту 1 б (т) колебания биений на интервале времени т, получают 1б = - Х Ь ( т ) с 1 т =о2 Л О 1- (1 О г) Ч (0)3 И Годставляя в (8) выражение (7) или 1 ф(т), окончательно записывают частоту поступающего на вход делителя 2 частоты колебания биений, усредненную на некотором интервале времени т, в виде Б Ь фя О соя г)г со -ТЕсли интервал усреднен 1 1 б 11 Нд Второй Вход фазОВОГ поступает разностное колеба тр = т 2 т 1 ДВУХЧдСТОТНОГО КВ1(ератора, в силу чего в установившемся (стационарном) режиме синхронизма кольца ФАПЧ колебание на втором входе фазового детектора 3 и выходе делителя 2 имеет частотуТб(Й -= - = (р,й(10) получают Уравнение (12) в реперной точке То имеЕТ ВИД 118 ГЛ =- 28. (14)При изменении температуры Т на величину Л Т от То появляются уходы Лт 1,2(ЛТ), которые в полосе удержания кольца ФАПЧ вьзывают уходы Л 11,2(Л Еу). сохраняя услоВие синхронизма (12), т.е,(11 О+К 1 ЛТ+ 171 Л Еу) гп: -(17)Аналогичным путем запис.ывается уравнение синхрониэма кольца ФАПЧ В вариациях д 11,2 и д еу, вызванных шумовыми и режимными вариациями эквивалентной емкости Сгэ активной части (енерзторз п 1 д 11 = п 1 71 д Еу = д т 2 + 1/2 д Еу, (18)Из (18) следует, что шумовые или режимные вариации д Еу управляющего напряжения Еу в режиме синхронизма кольца ФАПЧ определяются с учетом фс == следую(цим образом: п 1 д 11 - . д (2 д 11дх111 1 Р )1 Чувствительность Н поеобрзэователяопределяется отношением информационных уходов Л Еу выходного парамегрз к неинфОРмационнь".м егО ВВРизцийм д Гу 5 Л Е К 1 гп - дт7 ГЕу О 1 п 1 - Ре Разрешающую способность по темпеРатУР 8 (1(Тр (поРОговУю НУВствительность) определяют из (20), положив Н = 1, в виде Как показыва 1 от Оценки, вь(игрыш покрутизне Я-характеристики преобразования, отношения Н и разрешающей способности ЛТр пРедлзгаемого УстРОйства пс СРЗВНЕНИЮ С ИЗВВСТНЫМ ПОИ ПОСЧИХ РавичХ 20 услов(лях Всегда больше единиць Формула изобретения1, Преобразователь температуры в частоту, содержащий термочувствительный25 пьезокварцевый резонатор, вклюценный вчастотно-задающую цепь двухчзстотнс гокварцевого генератора, выполненного; осхеме с Общим коллектором, соединеннь(мг. первым выводом истоцьчикэ питания и споследОвательнойГ-Оепью влс 1":еняоймекду змия теэом тра нзис 1 Ора и ( Ое цн 8 йточкой резистивного делите; напряжен.я,включенного между базой трзнзистооа иВторым Выводсм источника питания, филь грнизкой частоты. вход которого соединен сзмиттером транзистора, а Вь(ход подключенк входу делителя частоты, О т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения чувствительности преобразования, в него введен400 дог(олнительныЙ термочувствительный пьезокварцевый резонатор, два дополнитель.ных резистора, вз рика п и фазовыйд 8 тектор, ВхОды которого соОтветстВенносоединены с выходами фильгра низкой цзстоти и делителя частоты, з выход через перВый дополнительный резистор подкл.очен куправляющему выводу варикапз, второй ВыВод котОрого сО 8 динен с коллектором тознзистора, при этом термочувствительный50пьезокварцевый резонатор с меньшим коэффициентом гермочувствительности подключен к базе транзистора и управляющемувыводу варикапа через второй дополнительный резистор, а другой термочувствительный пьезокварцевый резонатор включенмежду базой транзистора и управляющимвыводом варикапа,2, Преобразователь по и, 1, о т л и ч а юьц и й с я тем, цто, с цель(с регулирования1595905 10 Составитель В, КуликовТехред М.Моргентал Корректор С. Лисина Редактор И. Шулла Заказ 3285 ,Тираж Подписное 8 НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 чувствительности преобразователя, последовательно с кая(дым 1(вдрцевым термочувствительным резистором включенконденсатор.