Кварцевый генератор
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах, где в качестве датчиков применяются линейки низкодобротных пьезокварцевых резонаторов. Достигаемый технический результат - обеспечение устойчивой работы кварцевого генератора в широком диапазоне изменения динамического сопротивления пьезокварцевого резонатора при отсутствии индуктивных и минимуме используемых элементов для обеспечения возможности изготовления устройства в интегральном исполнении. Кварцевый генератор содержит операционный усилитель, пьезокварцевый резонатор, подключенный к инверсному входу операционного усилителя, отрицательную и положительные обратные связи, при этом в цепь положительной обратной связи между выходом и прямым входом операционного усилителя включены параллельно соединенные конденсатор и резистор. 3 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в устройствах, где в качестве датчиков применяются линейки низкодобротных пьезокварцевых резонаторов.
Известен кварцевый генератор, предназначенный для низкодобротных резонаторов (патент США №5416448), содержащий усилитель с отрицательной обратной связью. Недостатками данного кварцевого генератора является содержание индуктивных компонентов, свойства которых подвержены влиянию температуры окружающей среды, а также отсутствие возможности изготовления в компактном интегральном исполнении, что затрудняет его использование в мультисенсорных системах.
Наиболее близким по конструкции к заявленному является кварцевый генератор на основе операционного усилителя, содержащего положительную и отрицательную обратные связи при отсутствии индуктивных элементов (патент США №6472945). Недостатком известного кварцевого генератора является малый диапазон динамических сопротивлений пьезокварцевого резонатора, при котором обеспечивается режим устойчивой генерации сигнала.
Техническая задача изобретения - обеспечение устойчивой работы кварцевого генератора в широком диапазоне изменения динамического сопротивления пьезокварцевого резонатора при отсутствии индуктивных и минимуме используемых элементов для обеспечения возможности изготовления устройства в интегральном исполнении.
Сущность изобретения состоит в том, что кварцевый генератор, содержащий операционный усилитель, пьезокварцевый резонатор, подключенный к инверсному входу операционного усилителя, отрицательную обратную связь, положительную обратную связь, в цепь которой между выходом и прямым входом операционного усилителя включены параллельно соединенные конденсатор и резистор.
Для возникновения незатухающих колебаний в генераторе необходимо выполнение двух условий:
1) Коэффициент передачи генератора ≥1.
2) Баланс фаз, при котором суммарный фазовый сдвиг усилителя и генератора равен или кратен 2π.
Отличием данного устройства от ближайшего аналога является то, что в цепь положительной обратной связи между выходом и прямым входом операционного усилителя включены параллельно соединенные конденсатор и резистор. Это позволяет скорректировать амплитудно-частотную (АЧХ) и фазочастотную (ФЧХ) характеристики генератора и обеспечить выполнение необходимых условий возникновения незатухающих колебаний в широком диапазоне изменения динамического сопротивления резонатора при отсутствии индуктивных элементов схемы и возможности ее изготовления в виде интегрированного решения.
На фиг.1 приведена электрическая схема кварцевого генератора на операционном усилителе, на фиг.2 показаны АЧХ и ФЧХ схемы ближайшего аналога, на фиг.3 - АЧХ и ФЧХ кварцевого генератора изображенного на фиг.1.
Кварцевый генератор включает операционный усилитель 1, к отрицательному входу которого подключен пьезокварцевый резонатор 2. Для регулирования глубины отрицательной обратной связи служит резистор 3. Положительная обратная связь, необходимая для поддержания режима незатухающих колебаний, обеспечивается делителем напряжения 4 (фиг.1). Параллельно соединенные резистор 5 и конденсатор 6 включены между выходом и прямым входом операционного усилителя.
Кварцевый генератор работает следующим образом: пьезокварцевый резонатор 2 подключен к инверсному входу операционного усилителя 1. Пьезокварцевый резонатор 2 работает в режиме последовательного резонанса, т.е. имеет минимальное сопротивление при нулевом фазовом сдвиге на резонансной частоте, и является элементом, определяющим частоту работы кварцевого генератора. Для наилучшего использования добротности резонатора он должен быть подключен к источнику напряжения с малым импедансом. Резистор 3 обеспечивает отрицательную обратную связь, необходимую для снижения величины импеданса на инверсном входе операционного усилителя 1. Делитель 4 передает часть сигнала с выхода на прямой вход операционного усилителя, создавая условия для поддержания незатухающих колебаний.
Исследование АЧХ и ФЧХ генератора в случае использования в положительной обратной связи делителя напряжения, состоящего из двух резисторов, и делителя, показанного на фиг.1 показывает, что вариант делителя ближайшего аналога обеспечивает работу генератора в диапазоне 10-500 Ом. АЧХ и ФЧХ генератора для пьезокварцевых резонаторов с эквивалентным сопротивлением 10, 500, 550 и 1500 Ом показаны сплошной, пунктирной, штрихпунктирной и штриховой линиями (фиг.2, фиг.3). При увеличении сопротивления выше 500 Ом ФЧХ системы искажается и происходит срыв генерации (фиг.2). Модифицированный делитель обеспечивает выполнение первого и второго условия возникновения колебаний в диапазоне динамических сопротивлений резонатора от 10 до 1500 Ом (фиг.3).
Преимущество заявленного изобретения состоит в трехкратном, по сравнению с ближайшим аналогом, увеличении диапазона изменения динамического сопротивления резонатора, в котором кварцевый генератор способен устойчиво функционировать.
Кварцевый генератор, содержащий операционный усилитель, пьезокварцевый резонатор, подключенный к инверсному входу операционного усилителя, отрицательную и положительную обратные связи, отличающийся тем, что в цепь положительной обратной связи между выходом и прямым входом операционного усилителя включены параллельно соединенные конденсатор и резистор.
