Измеритель динамических параметров кварцевых резонаторов

Союз Советских Сециалистичесмих республик(22) Заявлено 0106,78 (21) 2621383/18-21с присоединением заявки Мх(23) ПриоритетОпубликовано 150780, бюллетень Мф 26Дата опубликования описания 15.0780 С 01 й 29/22 ГосударствеииыЯ комитет СССР ио делам изобретеииЯ и открытиЯ(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВИзобретение относится к технике пьезокварцевого производства и может быть использовано для измерения параметров пьезокварцевых резонаторов на различных этапах его изготовления.Известно устройство для измерения параметров кварцевых резонаторов, которое содержит последовательно соединенные высокочастотный генератор,измерительный четырехполюсник ф с исследуемым кварцевым резонатором, усилитель высокой частоты, высокочастотный детектор, Фазовый детектор и интегратор, а также модуляционный генератор, избирательный. 15 усилитель, детектор и аттенюатор 1) .Недостатком его является проведение измерений только в узкой полосе частот, не превышающей полосы пропускания частот кварцевого резонатора. 20Известен также измеритель частотных динамических параметров кварцевых резонаторов, который содержит последовательно соединенные перестраиваемый генератор с частотомером, четырехполюсник с кварцевым резона-тором, амплитудный детектор, усилитель и индикатор, а также последовательно соединенные компаратор, триггер и интегратор 21 . ЗОНедостатком его является значительная погрешность измерений в динамическом диапазоне измерений параметров кварцевых резонаторов.Цель изобретения - повышение точности измерений.Цель достигается тем, что в изме- . ритель динамических параметров кварцевых резонаторов, содержащий последовательно соединенные перестраи-ваемый генератор с частотомером, четырехполюсник с исследуемым кварцевым резонатором, амплитудный детектор, усилитель и индикатор и последовательно соединенные компаратор, триггер и интегратор, выходом подключенный к управляющему входу перестраиваемого генератора с частотоме" ром, введены преобразователь период- аналог, преобразователь амплитудных значений, два диода, второй компаратор, второй триггер и два резистора делителя напряжения, при этом выход усилителя соединен с одним из входов преобразователя амплитудных значений, непосредственно и через диод, включенный в прямом направлении - с другим входом упомянутого преобразователя и через диод, включенный в обратном направлении,"де 1 " В +н,Й - нагрузочное сопротиЙрительного четырехполюснДвухполюсный преобра 4 амплитудных значений (ПАЗ) сов тно с диодадиодами б и 7 обеспечиваеттаким образом преобразованиеиведенных на фиг. 1, к видуденному на фиг.З.Чтобы обеспечить такое преобразование ПАЗ 5 должен удовлетворить слеющим требованиям: время зарядадующконденсаторов обоим каналов ПА д3 5 олЖ но быть одинаковым, время разрядаеэтих конденсаторов должно быть сущ -ственно отличным.Если скорость нарастания сигналана входе преобразователя постоянноили мало изменяется, а максимальныезначения сигналов также имеют ма лый разброс, то подобрав соответствующим образом диоды конденсаторыи входные сопротивления дифференциального усилителя преобразователяможно не вводить диоды 6 и . д7. Одн аков условиях больших разбросов скоКмюн Н гаввление измеика.зователь мес АЧХ,припр ве и час- тноси 5 с третьим входом преобразователяамплитудных значений, выход которогосоединен с одним из входов первогои второго компараторов, другой входпервого из которых соединен с однимиз выводов первого резистора делителя напряжения соединенного с уп;равляющим входом интегратора и с выходом преобразователя период-аналог, -вход которого подключен к выходупервого триггера, входом соединенногос выходом второго триггера, первыйвход которого подключен к выходупервого компаратора, а еговторойвход соединен с выходом второго компаратора,вторым входом подключенногок другому выводу первого резистораделителя напряжения и к выводу второго резистора делителя напряжения,другой вывод которого соединен с корпусом устройства.На фиг. 1 изображена структУрнаясхема измерителя, на фиг. 2 показаныамплитудно-частотные характеристики(1) и болъшим (2) динамическим эквивалентным сопротивлением, преобразованное в измерителе, на фиг, 4 - эпюры сигналов в различных точках измерителяСтруктурная схема измерителя содержит перестраиваемый генератор счастотомером 1, измерительный четйрехполюсник, с кварцевым резонатором 2,амплитудный детектор 3, усилитель 4, двухканальный преобразователь 5амплитудных значений, диоды б и 7,компаратор 8, второй компаратор 9, триггеры 10 и 11, интегратор 12, преобразователь период-аналог 13, два резистора 14 делителя напряженияи индикатор 15.Погрешность измерения параметров ,кварцевого резонатора определяется погрешностью интегрирования частотно- модулированного способа электронным частотомером. Максимальная погрешность измерения в этом случае может быть определена из выражения:д, (4) где Ч - скорость перестройктоты генератора в отельных единицах;т - время счета частотомераЬ 1 1 - девиация частоты генератора.Иэ неравенства видно, что для уменьшения погрешности измерений необходимо увеличить скорость перестойки частоты генератора и время чета частотомера. Однако беспредельсаметно наращивать величину этих параме ов невозможно, так как максимальнаяличина скорости перестройки генера ветора ограничена добротностью в рц вого резонатора и параметрами измерительного четырехполюсника, а время счета частотомера ограничено производительностью измерений и составляющей дрейфа частоты кварцевого резонатора. Минимальная величина девиации ограничена величиной паразитной частотной модуляции частоты генератора.При измерении параметров кварцевых резонаторов в широком динамическом диапазоне погрешности измерений 10 достигают значительной величины из-за динамического расширения АЧХ кварцевого резонатора, имеющего различные величины параметров эквивалентного сопротивления и добротности. 15 На фиг,1 видно, что при динамическом расширении АЧХ кварцевого резонатора измерение частоты производится с погрешностью, обусловленной сравнением сигнала с разрешенным 20 пороговым уровнем, выбираемым из условия г О 0 - ОоО, где Оо - порог отпускания; О - порог срабатывания; О - уровень шумов, обусловленный паразнтной частотной моду ляцией генератора на входе порогового элемента,Для кварцевого резонатора с минимальным динамическим сопротивлением невозможно получить малую девиацию частоты при выбранном пороговом уровне для кварцевого резонатора с минимальным динамическим сопротивлением. Ширина АЧХ по уровню порога связана следующим соотношением с максимальным Р, и минимальной З 5 й величинами измеряемого сопро 3 Гбптивл енияраненстпри ЬтстнуетТогдафФл Сранним например, что соотв В = 300 м а (3) и (2)5-200 Ом 15 47,72 тво (1мерениьногоб и 7 веьандам получипослереобразоуменьшаУчитывая р что погрешнос введения двух нателя 5 с ди ется н 313 ра з.а,) О рости измерения сигнала и его ампли-, туды требуется введение встречно включенных диодов б и 7,так как их отсутствие приводит к значительному уплощению впадины выходного сигнала.Благодаря их наличию время заряда конденсаторов ПАЗ 5 одинаково, тогда максимальная обобщенная расстройка частоты (см,рис,3) может быть определена из равенства В общем случае уменьшение погрешности измерений видно также из сравнения рис. 1 и 3, На выходе преобразователя 5 экстремальные значениясигнала совпадают между собой и снулем, Поэтому девиация сигнала дажепри постоянном пороге срабатыванияи большом разбросе динамическихсопротивлений кварцевых резонаторовизменяется мало (сравнитесь на фиг.2и д, на фиг.3).Измеритель динамических парамет,рон кварцевых резонаторов работает следующим образом (см.фиг.1 и фиг.4)В исходном состоянии на выходе ПАЗ 5 отсутствует напряжени (см, фиг.4, напряжение Ор до времени с 1). Режимы компараторон 8 и 9 выбраны таким образом, что при отсутствии сигнала на их входах компаратор 8 выдает сигнал Ов, соответстнующий логической единице, а компаратор 9 напряжение О 9, соответствующее логическому нулю. На выходе триггера 10 напряжение Оо равно нулю, а напряжение Оц с выхода триггера 11 воздействует на интегратор 12, выходное напряжение О, которого посту пает на вход генератора 1 и перестраивает его частоту, приближая ее к частоте кварцевого резонатора.При перемещении частоты генератора 1 по левому склону АЧХ измерительного четырехполюсника 2 с кварцевым резонатором (фиг.2) напряжение на выходе ПАЗ 5 равно нулю, так как постоянные времени заряда его конденсаторов равны между собой. В момент частота генератора совпадает счастотой 1 кварцевого резонатора при последовательном резонансе,Постоянные времени разряда конденсаторов ПАЗ 5 существенно отличаются друг от друга, поэтому при последующем повышении частоты генератора навыходе ПАЗ 5 растет напряжение О,В момент р напряжение О з с выходаПАЭ 5 равно порогу срабатывания компаратора 8. Здесь необходимо отметить что на входы компараторон одновременно воздействует сигнал, несущий инФормацию об АЧХ измеритель ого четырехполюсника и шум. Поэтому выходные напряжения Оз Ор компараторон8,9 переходят от единицы к нулю и наоборот после выдачи ряда коротких импульсов, равных единице. Таким образом,в моменткомпаратор 8вначале выдает ряд коротких единичных импульсов и затем нуль, Состояние триггера 10 не меняется. В момент г напряжение О с выхода ПАЗ 5 равно порогу Ор срабатывания компаратора 9, последний выдает рядединичных импульсов. Первый положительный перепад напряжений опрокидывает триггер 10, который опрокидывает триггер 11. В итоге напряжение с выхода интегратора 12 уменьшается и перестраивает частоту генератора1 вниз. В момент 4 напряжение Она выходе ПАЗ 5 равно порогу Оо срабатывания компаратора 8. Компаратор 8 выдает ряд единичных импульсов и затем единицу. Первым положительным перепадом триггер 10 опрокидывается,не влияя на сЬстояние триггера11. В моментчастота генератора1 совпадает с частотой Гз кварцевогорезонатора. В момент 1 напряжениена выходе ПАЗ 5 равно порогу срабатывания Оркомпаратора 8. Компаратор 8 выдает ряд единичных импульсов, а затем нуль, Триггер 10 не ме-,няет состояния. В момент 7 напряжение О на выходе ПАЗ 5 равно по 5рогу срабатывания Ор компаратора 9.Компаратор 9 выдает ряд единичныхимпульсов. Перным положительным перепадом напряжения триггер 10 срабатывает и опрокидывает триггер 11.В итоге напряжение О,1 с выходом интегратора 12 начинает нарастать,повышая частоту генератора 1. Далее процесс повторяется. Преобразователь13 период-аналог выдает напряжение, обратно-пропорциональное интервалувремени междуи 1,. Поэтому с уменьшением добротности кварцевого резонатора уменьшается порог срабатывания компараторон, что приводит к уменьшению девиации частоты генератора 1, кроме того, ноздейстнуя на вход управления постоянной времени интегрирования интегратора 12, сигнал с выхода преобразователя 13.1 период-аналог, увеличивает скорость перестройки частоты генератора 1. Поэтому в соответствии с равенством 1 сохраняется малая погрешность интегрирования частотно-модулированного сигнала электронным частотомером.Таким образом, преобразователь 5 амплитудных значений, диоды б и 7 в Основном обеспечивают высокую точность измерений при изменении динамического сопротивлейия кварцевого резонатора, а элементы 8,9,10 и 11,13,14 обеспечивают высокую точность измерений при изменении добротности кварцевого резонатора. Формула изобретения Измеритель динамических параметров кварцевых резонаторов, содержащий последовательно соединенные перестраиваемый генератор с частотомером, четырехполюсник с исследу-" емым кварцевым резонатором, амплитудный детектор, усилитель ийндМ- " катор и последовательно соединенные компаратор, триггер и интегратор, выходом подключенный к управляющему входу перестраиваемого генератора с частотомером, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены преобразователь период-аналог, преобразователь амплитудных значений, два диода, второй компаратор,второй триггер и два резистора делителянапряжения, при этом выход усилителясоединен с одним иэ входов преобразователя амплитудных значений непосредственно,ичерез диод, включенныйв прямом направлении, с другим входом упомянутого преобразователя ичерез диодвключенный в обратномнаправлений - с т"етьим входом преобразователя амплитудных значений,выход которого соединен с одним извходов первого и второго компараторов, другой вход первого нз которыхсоединен с одним иэ выводов. первогорезистора делителя напряжения,соединенного с управляющим входом интег 15 гатора и с выходом преобразователяпериод-аналог, вход которого подключен к выходу первого триггера,входомсоединенного с выходом второго триггера, первый вход которого подключен2 О к выходу первого компаратора, а еговторой вход соединен с выходом второго компара:ора, вторым входом подключенного к другому выводу первого резистора делителя напряжения и к выво, -5 ду второго резистора делителя напряжения, другой вывод которого соединен с корпусом устройства.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРЗО Р 437979, кл. С 01 К 27/00, 1973.2. Авторское свидетельство СССРР 460510, кл. 6 01 к 23/00, 1974ал ППП жгород Заказ 5019Подписное Патент ,ул . Проектная,