Измерительный кварцевый автогенератор

 

Изобретение относится к области радиоизмерительной техники, к устройствам для исследования и контроля качества кварцевых пластин, пьезоэлементов, вибраторов и кварцевых резонаторов по нормируемым параметрам: частоте последовательного резонанса и динамическому сопротивлению, то есть показателям назначения. Сущность изобретения состоит в том, что измерительный кварцевый автогенератор содержит первый усилительный каскад, который выполнен на транзисторе 1, второй усилительный каскад, который выполнен на транзисторе 2, первый и второй резисторы 3, 4, кварцевый резонатор 5, измерительный индикатор 6, блок автоматической регулировки усиления /АРУ/ 7, резисторы 8, 9, 10, 11, 12, 13, разделительные конденсаторы 14, 15, конденсаторы 17, 18, катушку индуктивности 19, диод 20 и частотометр 21, что позволяет повысить точность измерения основных технических характеристик кварцевых резонаторов. 2 ил.

Предложенное изобретение относится к области радиоизмерительной техники, а более конкретно, к устройствам для исследования и контроля качества кварцевых пластин, пьезоэлементов, вибраторов и кварцевых резонаторов по нормируемым параметрам: частоте последовательного резонанса и динамическому сопротивлению, то есть показателям назначения.

Из патентной литературы известен измерительный кварцевый генератор, содержащий избирательный усилитель, в цепь которого включен четырехполюсник, выполненный в виде кварцевого резонатора с входной и выходной нагрузками, индикатор коэффициента передачи четырехполюсника, к которому подключены последовательно соединенные детектор и усилитель постоянного тока. Параллельно четырехполюснику через разделительный конденсатор подключен p-i-n диод, при этом один электрод диода соединен с выходным усилителем, а другой с корпусом [1] Напряжение на четырехполюснике поддерживается постоянным, что обеспечивает точное измерение параметров кварцевого резонатора: частота последовательного резонанса и величины динамического сопротивления. При этом обеспечивается постоянство мощности, рассеиваемой на исследуемом кварцевом резонаторе.

Недостатком указанного измерительного кварцевого генератора является нелинейность выходного сигнала П-образного четырехполюсника, которая вносит погрешность в измерения динамического сопротивления кварцевого резонатора, и большая погрешность измерения частоты последовательного резонанса из-за шунтирования эквивалентной электрической схемы кварцевого резонатора с обеих сторон элементами автогенератора, снижающая его добротность.

Более совершенным устройством, где исключен p-i-n диод, шунтированный четырехполюсник, на котором постоянное напряжение поддерживается линейной схемой, является генератор для настройки кварцевых резонаторов, содержащий последовательно соединенные каскады автогенератора, блок автоматического регулирования усиления, индикаторный прибор, включающий детектор /измеритель/ напряжения, и четырехполюсник в цепи положительной обратной связи, к которому подключен исследуемый кварцевый резонатор [2] Посредством схемы автоматического регулирования усиления напряжение возбуждения на входе четырехполюсника поддерживается постоянным, что позволяет производить настройку кварцевых резонаторов по максимуму напряжения на выходе четырехполюсника, измерять сопротивление потерь кварцевых резонаторов. Устройство обеспечивает измерение частоты последовательного резонанса не хуже ±0,7 · 10^-6, с сопротивление потерь с добротностью не менее 5 · 10⁴ при погрешности, не превышающей ±15% Однако недостатком известного устройства является относительно невысокая точность измерения параметров кварцевых резонаторов из-за шунтирующего действия сопротивления четырехполюсника, входных и выходных сопротивлений каскадов автогенератора, детекторов входного и выходного напряжений четырехполюсника на резонансную характеристику, расширяя полосу пропускания кварцевого резонатора, включенного в цепь положительной обратной связи.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является более узкая селекция кварцевых резонаторов за счет более точного измерения основных технических характеристик, исключения влияния погрешностей схемы и элементов автогенератора.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема измерительного кварцевого автогенератора, на фиг. 2 представлено конструктивное выполнение измерительного угла.

Измерительный кварцевый автогенератор (фиг. 1) содержит первый усилительный каскад, который выполнен на транзисторе 1, второй усилительный каскад, который выполнен на транзисторе 2, первый и второй резисторы 3, 4, кварцевый резонатор 5, измерительный индикатор 6, блок автоматической регулировки усиления (АРУ) 7, резисторы 8, 9, 10, 11, 12, 13, разделительные конденсаторы 14, 1 5, конденсаторы 16, 17, 18, катушку индуктивности 19, диод 20, частотометр 21.

Измерительный узел предназначен для подключения кварцевого резонатора 5 и содержит потенциальный электрод 22, который смонтирован в предметном столе 23 через изоляционную втулку 24, над потенциальным электродом 22 в направляющих 25 установлены подвижный в вертикальном направлении заземленный электрод 26, который кинематически связан с рычагом 27, который нагружен тарированной пружиной 28.

Измерительный кварцевый автогенератор работает следующим образом. Соединение коллектора транзистора 2 с базой транзистора 1 через разделительный конденсатор 18 образует цепь положительной обработкой связи, электрически не связанную с исследуемым кварцевым резонатором. Связь между усилительными каскадами обеспечивает разделительный конденсатор 15. Коллектор транзистора 1 соединен с сигнальным входом блока АРУ 7, на другой вход которого подается опорное напряжение "U_оп", а выход блока АРУ 7 связан с регулирующим диодом 20 и через конденсатор 16 с коллектором транзистора 2 и колебательным контуром, образованным катушкой индуктивности 19 и конденсатором 18.

После подачи питающего напряжения "E_п" в устройстве автоматически устанавливается статический режим, определяемый базовыми делителями, образованными резисторами 8 и 9, а также резисторами 10 и 11, и резисторами 4 и 12. В этот момент коэффициент усиления меньше единицы, измерительный автогенератор не возбуждается. Затем рычагом 27 (фиг. 2) подвижный в вертикальном направлении заземленный электрод 26 перемещается в крайнее верхнее положение, после чего исследуемый пьезоэлемент кварцевого резонатора устанавливается перемещением предметного стола 23 на потенциальный электрод 22. Далее рычаг 27 освобождается и подвижный в вертикальном направлении заземленный электрод 26 пружиной 28 подается вниз до упора в пьезоэлемент кварцевого резонатора. При этом в устройстве на частоте последовательного резонанса возникает переходный процесс, в результате которого ток транзистора 1 изменяется и, следовательно, изменяется напряжение на его коллекторе. Это изменение напряжения вызывает изменение напряжения на коллекторе транзистора 2, которое поступая на базу транзистора 1 по цепи положительной обратной связи, поддерживает колебательный процесс.

При этом происходит шунтирование резистора 4 динамическим сопротивлением кварцевого резонатора, величина которого значительно меньше величины сопротивления резистора 4 (из условия последовательного резонанса) - измерительный кварцевый автогенератор возбуждается.

Напряжение генерируемого сигнала с коллектора транзистора 1 в блоке АРУ 7 сравнивается с опорным напряжением "U_оп". Результирующий сигнал с блока АРУ 7 поступает на регулирующий диод 20, который, меняя свое внутреннее сопротивление, изменяет величину комплексного сопротивления в коллекторной цепи транзистора 2, тем самым регулирует коэффициент усиления усилительного каскада на транзисторе 2 до тех пор, пока напряжение сигнала на коллекторе транзистора 2 станет равным заданному опорным напряжением "U_оп".

В результате переменная составляющая тока транзистора 1 остается неизменной и падение напряжения на кварцевом резонаторе становится прямо пропорциональным его динамическому сопротивлению, что изменяется измерительным индикатором 6. Измеряемая измерительным индикатором 6 величина сигнала прямо характеризует величину динамического сопротивления кварцевого резонатора и при использовании обычного аналого-цифрового преобразователя возможно получить цифровой отсчет величины динамического сопротивления с высокой точностью.

Далее в результате изменения параметров колебательного контура (индуктивность 19 конденсатор 18) фиксируется минимальное показание измерительного индикатора 6, что соответствует значению динамического сопротивления кварцевого резонатора на частоте последовательного резонанса, которая измеряется частотомером 21. Рычагом 27 подвижный в вертикальном направлении заземленный электрод 26 отводится вверх, а пьезоэлемент кварцевого резонатора, действительные параметры которого измерены, извлекается из измерительного узла 5 (фиг. 2).

При измерении частоты последовательного резонанса следующего кварцевого резонанса и его динамического сопротивления цикл работы повторяется.

Выполнение каждого из усилительных каскадов на транзисторе, который включен по схеме с общим эмиттером позволило свести к минимуму температурную нестабильность параметров генератора. Включение в цепь эмиттера транзистора 1 второго резистора 4, сопротивление которого больше сопротивления первого резистора, который включен в цепь коллектора транзистора 1, обеспечивает срыв колебаний при отсутствии исследуемого кварцевого резонатора, т.к. коэффициент передачи первого усилительного каскада меньше единицы. Подключение исследуемого кварцевого резонатора параллельно второму резистору обеспечивает на частоте последовательного резонатора коэффициент передачи обоих усилительных каскадов больше единицы, исключает использование четырехполюсника в цепи положительной обратной связи и шунтирующее действие всех элементов на исследуемый кварцевый резонатор, повышая точность измерения его основных характеристик.

Отличительные признаки измерительного кварцевого автогенератора позволили на 14 15% повысить точность измерения частоты последовательного резонанса и уменьшить погрешность измерения динамического сопротивления более, чем в 2 раза.

Использование предложенного технического решения дает возможность измерять частоту последовательного резонанса с погрешностью ±0,6 · 10^-6, а динамическое сопротивление с погрешностью не выше ± 7% Автогенератор может применяться в устройствах нанесения металла на заземленную кварцевую пластину, что исключает проникновение статических зарядов в схему и позволяет вести активный контроль частоты изготавливаемого кварцевого резонатора в момент массопереноса, обеспечивая заданные его параметры основных технических характеристик.

Изобретение предназначено для использования в технических процессах настройки и выходного контроля кварцевых резонаторов в процессе их обработки, изготовления и применения.

Формула изобретения

Измерительный кварцевый автогенератор, содержащий последовательно соединенные первой и второй усилительные каскады, цепь положительной обратной связи, которая включена между выходом второго усилительного каскада и входом первого усилительного каскада, блок автоматической регулировки усиления, измерительный индикатор и кварцевый резонатор, отличающийся тем, что первый и второй усилительные каскады выполнены на транзисторе, который включен по схеме с общим эмиттером, в цепи коллектора и в цепи эмиттера транзистора первого усилительного каскада включены соответственно первый и второй резисторы, сигнальный вход блока автоматического регулирования усиления подключен к коллектору транзистора первого усилительного каскада, а выход блока автоматической регулировки усиления подсоединен через разделительный конденсатор к коллектору транзистора второго усилительного каскада, причем кварцевый резонатор и измерительный индикатор подключены параллельно второму резистору, сопротивление которого больше сопротивления первого резистора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2