Устройство для измерения эквивалентных электрических параметров пьезоэлектрических резонаторов

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1029106

3(58 6 01 R 29/22

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ. КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3365048/18-21 (22) 09.12.81 (46) 15.07.83. Бюл. М 26

{72) Н.А. Ермолаев, И.А. Ерасов, А.А. Мельников и А.Н. Шестернин (71) Пензенский филиал Всесоюзного научно-исследовательского технологического института приборостроения (53) 621.317. 791(088.8) (56) 1. Авторское свидетельстве СССР

М 430336, кл. G 01 R 29/22, 1972.

2. Генератор кварцевый технологический АИЦ 1550 "Паспорт АИЦ . 3,261.002.ПС, 1979 (прототип). (54)(57). УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ЭЛЕКТРИ4ЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ, содержащее операционный усилитель с резистором в цепи обратной связи, первый выпрямитель, соединенный с входом сумматора, другой вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход сумматора соединен с входом управляемого элемента, усилитель переменного напряжения, а также частотомер, соединенный с входом первого выпрямителя, узел измерения динамического сопротивления и второй резистор, о т.л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены два делителя переменного напряжения, второй выпрямитель и два дифференциальных усилителя, неинвертирующие входы которых.объединены между собой и соединены с входом первого делителя переменного напряжения и с выходом операционного усилителя, инвертирующий вход первого дифференциального усилителя соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, выход первого дифференциального усилителя подключен непосредственно к входу первого выпрямителя, а через второй делитель переменного напряжения - к инвертирующему входу второго дифференциального усилителя, выход которого через второй выпря- Е митель соединен с входом узла измере- ур ния динамического сопротивления, при- %J Ф чем выход первого делителя переменно- С го напряжения через второй резистор соединен с вторым сигнальным входом управляемого элемента к с входом усилителя переменного напряжения, выход которого подключен к некнвертирующему р входу операционного усилителя, а меж- р ду инвертирующим входом операционного

Ф ь усилителя и общей виной устройства включены зажимы для подключения испытуемого пьезоэлектрического резонатора.

1029106

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения эквивалентных электрических параметров, в частности частоты последовательного резонанса и динамического сопротивления пьезоэлектрических резонаторов.

Известно устройство для измерения параметров кварцевых резонаторов, содержащее автогенератор, в цепь обрат- 10 ной связи которого включен резистивный четырехполюсник с испытуемым кварцевым резонатором, и индикатор коэффициента передачи четырехполюсника. Для повышения точности измерения 15 при увеличении значений динамического сопротивления кварцевых резонаторов между входом и выходом четырехполюсника включены резисторы, общая точка которых подключена ко входу автогене- 20 ратора (1

Недостатком этого устройства является малая точность измерения, обусловленная изменением уровня возбуждения испытуемых резонаторов, 25

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения параметров кварцевых резонаторов, содержащее операционный усилитель, охваченный положительной (испытуемый резонатор и управляемый элемен полевой транзистор) и отрицательной обратными связями, последовательно соединенные усилитель переменного напряжения, выпрямитель и сумматор, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход сумматора подключен к управляющему входу управляемого элемента, частотомер, подключенный к выходу усилителя, вход которого соединен с выхо40 дом операционного усилителя и узел измерения динамического сопротивления, подключенный через усилитель постоянного тока к неинвертирующему входу операционного усилителя и к выходу стабилизатора постоянного тока, при этом узел измерения динамического сопротивления выполнен в виде последовательно соединенных преобразователя напряжения в частоту, ключа, управляю- 50 щий вход которого соединен .с выходом генератора опорной частоты, счетчика и цифроаого индикатора (2) . l

Недостатком устройства является. невысокая точность измерения парамет" 55 ров резонаторов, динамическое сопротивление которых изменяется в широких пределах.

Цель изобретения - повышение точности измерения эквивалентных электрических параметров пьезоэлектричес" ких резонаторов, Укаэанная цель достигается тем, что в устройство для измерения эквивалентных электрических параметров пьезоэлектрических резонаторов, содержащее операционный усилитель с резистором в цепи обратной связи, первый выпрямитель, соединенный с входом сумматора, другой вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход суммато ра соединен с входом управляемого элемента, усилитель переменного напряжения, а также частотомер, соединенный с входом первого выгрямителя, узел измерения динамического сопротивления и второй резистор, введены два делителя переменного напряжения, второй выпрямитель и два дифференциальных усилителя, неинвертирующие входы которых объединены между собой и соединены с входом первого делителя, переменного напряжения и с выходом операционного усилителя, инвертирующий вход первого дифференциального усилителя соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, выход первого дифференциального усилителя подключен непосредственно к входу первого выпрямителя, а через второй делитель переменного напряжения - к инвертирующему входу второго дифференциального усилителя, выход котороro через второй выпрямитель соединен с входом узла измерения динамического сопротивления, причем выход первого делителя переменного напряжения через второй резистор соединен с вторым сигнальным входом управляемого элемента и с входом усилителя переменного напряжения, выход которого подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, а между инвертирующим входом операционного усилителя и общей шиной устройства включены зажимы для подключения испытуемого пьезоэлектрического резонатора.

На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства.

Схема содержит операционный усилитель 1, испытуемый резонатор 2, управляемый элемент 3, резисторы 4 и 5, усилитель 6 переменного напряжения, первый выпрямитель 7, сумматор

8, источник 9 опорного напряжения, частотомер 10, узел 11 измерения диз 1029106 намического сопротивления, содержащий преобразователь 12 напряжения в час тоту, ключ 13, генератор 14 опорной частоты, счетчик 15 и цифровой индикатор 16, второй выпрямитель 17, первый и второй делители 18 и 19 переменного напряжения и первый и второй дифференциальные усилители 20 и 21.

Устройство работает следующим об,разом. 1О

20

При подключении испытуемого резонатора 2 в автогенераторе, образованном операционным усилителем 1 с отрица:тельной (испытуемый резонатор 2 и резистор 4) и положительной (управ ляемый элемент 3, резистор 5, усилитель 6 переменного напряжения и делитель 18 переменного напряжения) обратными связями, устанавливаются стацирнарные колебания с частотой, близкой к частоте последовательного . резонанса испытуемого резонатора 2.

При этом цепь, состоящая из диффе; ренциального усилителя 20, выпрями.теля 7, сумматора 8, источника 9 опорного напряжения и управляекэго элемента 3, обеспечивает стабйлизацию амплитуды тока Э, протекающего через резистор 4 и, следовательно, .через испытуемый резонатор 2. Действительно, аппроксимируя характеристику управляемого элемента 3 линейной зависимостью

R К (U " Е) где К,0,у и E - соответственно коэффициент передачи, входное напряжение и напряжение отсечки управляемого элемента 3, иэ очевидных соотношений:

"4ь х () оУ

= "вь!х Ol R +R

ЬЫх Р +R

4 (Uo+ goR+K* 1 Кв!) К м где U „.,U U" Ko„- соответственно амплитуда напряжения на выходе, на неинвертирующем и на инвертирующем . входах и коэффициент усиления 1 операционного усилителя;

К,,К,K „„- коэффициент передачи соответственно делителя переменного напряжения 18, выпрямителя 7 и сумматора 8;

К„,К „ — коэффициент усиления соответственно усилителя 6 переменного напряжения и дифференциального усилителя 20;

Uo — опорное напряжение источника 9 опорного напряжения; получим в первом приближении для амплитуды тока Э, протекающего через резистор 4 и йспытуемый резонатор 2 ио

Поскольку величины Кду„, K«, Uo и R4 постоянны, то амплитуда тока Э также постоянна и не зависит от значе25 ния динамического сопротивления R испытуемого резонатора 2.

Таким образом, устраняется погрешность измерения, обусловленная зависимостью параметров испытуемого

З резонатора 2 от амплитуды протекающегр через него тока.

Измеряя с помощью частотомера 10 частоту выходного напряжения дифференциального усилителя 20, судят по ней о частоте последовательного резонанса испытуемого резонатора 2.

Измерение динамического сопротивления R испытуемого резонатора 2 осуществляется следующим образом. Из чертежа следует, что амплитуда на40 пряжения на выходе операционного усилителя 1 равна

Uâ 30(R + RÔ) а на выходе дифференциального усилителя 20 .

*у1 о 4 *У 1

На выходе дифференциального усилителя 21 подучим для амплитуды переменного напряжения: !

Ъ92 +32(Ugb>x 420Ду1)

= КдугРо"о окw K<2Kpig3oR+3 = .

= KpggP „1!,(! - K K „„ )j, где Кду2 и Кд2 сооТ ветс т ВеЙно коэф фициент усиления дифференциального уси55 лителя 21 и коэффи« циент передачи делителя 19 переменного напряжения.

1029106

Составитель Л. Сотникова

Редактор Л. Авраменко Техред И.Метелева Корректор А. Ференц

Заказ 4970/43

Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, %-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

При выполнении равенства Кд К*„., =

1, что нетрудно реализовать путем выбора Кд2, амплитуда чапряжения на выходе дифференциального усилителя 21 прямо пропорциональна измеряемому динамическому сопротивлению Я испытуемого резонатора 2

"д 2 = К д г - î P

Затем это напряжение выпрямляется выпрямителем 17 и поступает в узел

11 измерения динамического сопротивления, который обеспечивает последующее преобразование и индикацию Я, Рассмотрим подробнее работу цепи положительной обратной связи, введение в которую делителя 18 переменного напряжения и усилителя 6 переменного напряжения позволяет в предлагаемом устройстве значительно уменьшить, как динамический диапазон изменения сопротивления R управляемого эле» мента 3, так и амплитуду переменного напряжения на последнем при изменении сопротивления Я испытуемого резонатора 2 в широких пределах.

Таким образом, устройство позволяет существенно уменьшить погрешность измерения эквивалентных электрических параметров пьезоэлектрических резонаторов за счет стабилизации тока, протекающего через резонатор, уменьшения рабочего участка характеристики управляемого элемента и снижения амплитуды переменного напряжения на этом элементе.

Опытным путем установлено, что предлагаемое устройство обеспечивает, в частности, измерение динамического сопротивления часовых кварцевых резонаторов типа РВЧ-72 и МКЧ-103 с относительной погрешностью не более «+ 54 в диапазоне от 4 до 300 кОм.