Генератор
Владельцы патента RU 2400921:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в резонаторных датчиках с магнитоэлектрическим преобразователем. Технический результат заключается в обеспечении работоспособности генератора с частотозадающим резонатором с малым эквивалентным сопротивлением. Генератор содержит усилитель и мостовую схему, одним плечом которой является частотозадающий электромеханический резонатор с магнитоэлектрическим преобразователем, а другим плечом является резистор, первый и второй трансформаторы, при этом первичная обмотка первого трансформатора соединена с выходом усилителя, вход которого соединен со вторичной обмоткой второго трансформатора, первичная обмотка которого подключена к первой диагонали мостовой схемы, ко второй диагонали подключены последовательно соединенные две вторичные обмотки первого трансформатора, общая точка которых является одной из точек первой диагонали мостовой схемы. 3 ил.
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами с магнитоэлектрическими преобразователями.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является генератор с магнитоэлектрическим резонаторным преобразователем (см. П.В.Новицкий, В.Г.Кнорринг, B.C.Гутников. Цифровые приборы с частотными датчиками. - Л., «Энергия», 1970, страница 62), содержащий усилитель, частотозадающий электромеханический резонатор с магнитоэлектрическим преобразователем и мостовую схему. Вышеуказанное устройство взято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является плохое согласование мостовой схемы с усилителем для малых значений эквивалентного сопротивления частотозадающего резонатора.
Решаемой задачей является создание генератора для устойчивой работы с резонаторами, имеющими значение эквивалентного сопротивления Zэкв менее 2 Ом при сопротивлении петли 6÷10 Ом и резонансной частотой более 120 кГц.
Достигаемым техническим результатом является обеспечение работоспособности генератора с частотозадающим резонатором с малым эквивалентным сопротивлением.
Для достижения технического результата в генераторе, содержащем усилитель и мостовую схему, одним плечом которой является частотозадающий электромеханический резонатор с магнитоэлектрическим преобразователем, а другим плечом является резистор, новым является то, что дополнительно введены первый и второй трансформаторы, при этом первичная обмотка первого трансформатора соединена с выходом усилителя, вход которого соединен со вторичной обмоткой второго трансформатора, первичная обмотка которого подключена к первой диагонали мостовой схемы, ко второй диагонали подключены последовательно соединенные две вторичные обмотки первого трансформатора, общая точка которых является одной из точек первой диагонали мостовой схемы.
Введение первого трансформатора обеспечивает согласование выходного сопротивления усилителя с малым сопротивлением диагонали моста, определяемого эквивалентным сопротивлением частотозадающего резонатора. Введение второго трансформатора обеспечивает согласование малого выходного сопротивления мостовой схемы с высоким входным сопротивлением усилителя и повышает коэффициент передачи по напряжению.
На фиг.1 представлена схема заявляемого генератора. Обобщенная структурная схема генератора приведена на фиг.2. На фиг.3 приведена эквивалентная схема частотозадающего резонатора 3 с магнитоэлектрическим электромеханическим преобразователем (на фиг.3 не показан).
Генератор содержит усилитель 1 и мостовую схему 2, одним плечом которой является частотозадающий электромеханический резонатор 3 с магнитоэлектрическим преобразователем, а другим плечом является резистор 4, балансирующий мост, первый 5 и второй 6 трансформаторы, при этом первичная обмотка 7 первого трансформатора 5 соединена с выходом усилителя 1, вход которого соединен со вторичной обмоткой 8 второго трансформатора 6, первичная обмотка 9 которого подключена к первой диагонали мостовой схемы 2 (точки А и Б), ко второй диагонали (точки В и Г) подключены последовательно соединенные две вторичные обмотки 10 и 11 первого трансформатора 5, общая точка которых является одной из точек (А) первой диагонали мостовой схемы 2.
Обобщенная структурная схема содержит усилитель 1 с коэффициентом усиления Ку, частотно-избирательную цепь положительной обратной связи с коэффициентом передачи β. Цепь положительной обратной связи β выполнена в виде частотозадающего электромеханического резонатора 3, включенного в мостовую схему 2.
Необходимым условием нормальной работы генератора является балансировка моста 2 при отсутствии колебаний электромеханического резонатора ("заторможенный" резонатор, Zэк=0).
Наличие баланса моста 2 проявляется в виде нулевого значения разности потенциалов между точками А и Б первой диагонали при наличии переменного напряжения между точками В, Г второй диагонали
где UАВ - напряжение между концами вторичной обмотки 10 первого трансформатора 5;
RП - электрическое сопротивление проводника электромеханического резонатора 3, включенного в цепь возбуждения электромеханического преобразователя;
IК - ток контура моста;
ZЭК - эквивалентное сопротивление резонатора в составе электромеханического преобразователя при наличии возбуждающего тока;
UВГ - напряжение между точками В, Г второй диагонали моста;
Uвых - напряжение первичной обмотки 7 первого трансформатора 5, подаваемое с выхода усилителя;
R4 - подстроечный резистор 4, который балансирует мост;
K10, К11 - коэффициенты трансформации первого трансформатора 5 обмоток 10, 11 соответственно.
Из анализа схемы (фиг.1)
Из условия баланса моста UАВ=0 при ZЭК=0
обеспечивается выполнением отношения
В исходном положении при отсутствии напряжения питания на выходе усилителя 1 и на входной обмотке 7 первого трансформатора 5 переменное напряжение равно нулю. Соответственно равны нулю вторичные напряжения и ток возбуждения электромеханического резонатора 3. В нем могут иметь место только шумовые механические колебания, которые за счет электромеханического преобразователя создают некоторую шумовую ЭДС, прилагаемую к первичной обмотке 9 второго трансформатора 6. Это напряжение за счет трансформации присутствует на концах вторичной обмотки 8 трансформатора 6 и на выходе усилителя 1.
Заявляемое устройство работает следующим образом. На усилитель 1 подают напряжение питания. Напряжения выходных шумов усилителя 1 и шумовые колебания резонатора 3, присутствующие на выводах вторичной обмотки 9 второго трансформатора 6, усиленные усилителем 1, подаются на первичную обмотку 7 первого трансформатора 5
где Ку - коэффициент усиления усилителя 1;
Uвx - напряжение на входе усилителя.
Выходное напряжение усилителя после трансформации трансформатором 5 создает напряжение UВГ на второй диагонали (точки В, Г) моста 2. Это напряжение создает ток в контуре: проводящая цепь электромеханического резонатора 3 (сопротивление Rп), резистор балансировки моста 4 с сопротивлением R4, вторичные обмотки 11, 10 первого трансформатора 5 (включены последовательно).
Ток возбуждения, вызванный усиленным усилителем 1 сигналом, в зависимости от фазовых преобразований в тракте передачи может либо увеличить первоначальную амплитуду колебаний резонатора (положительная обратная связь), либо подавить (отрицательная обратная связь). При этом, для того чтобы колебания резонатора нарастали во времени, необходимо выполнение еще одного условия - энергия, вносимая в резонатор за период его колебания, должна быть больше потерь энергии за это же время. При выполнении указанных выше условий колебания электромеханического резонатора и амплитуда выходного напряжения усилителя будут нарастать до тех пор, пока не возникнут нелинейные искажения, уменьшающие амплитуду первой гармоники, а коэффициент передачи в тракте петли обратной связи не станет равным единице.
Указанные выше условия коротко выражаются в принципе баланса фаз и амплитуд
где Ку - коэффициент передачи (усиления) усилителя;
β - коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи;
φу - сдвиг фаз в цепи усилительного каскада;
φβ - сдвиг фаз в цепи четырехполюсника обратной связи.
Эквивалентная схема частотозадающего резонатора 3 с магнитоэлектрическим преобразователем представляет собой параллельный LCR-контур и приведена на фиг.3. Запишем аналитическое выражение для импеданса электромеханического резонатора 3 с применением параллельной схемы замещения, в которой сопротивление Rэ учитывается сопротивлением, включенным параллельно реактивным элементам (см. И.С.Гоноровский, Радиотехнические цепи и сигналы. - Л.: Госгортехиздат, 1963, стр.148).
где Rэ - эквивалентное сопротивление резонатора;
L - эквивалентная индуктивность резонатора;
С - эквивалентная емкость резонатора;
Rкэ - эквивалентное сопротивление параллельного контура, состоящего из сопротивления Rкэ, индуктивности L и емкости С;
- волновое сопротивление контура.
Сигнал на выходе вторичной обмотки 8 второго трансформатора 6, который поступает на вход усилителя 1 при условии баланса моста (5)
где К2 - коэффициент трансформации второго трансформатора 6.
Отсюда коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи определяется выражением
Запишем выражение (10) с использованием подстановки (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - Л.: Госгортехиздат, 1963, стр.124)
где ω0 - резонансная частота электромеханического резонатора 3,
Δω - расстройка контура.
На частотах с расстройкой 0,9·ω0<ω<1,1·ω0
где 
добротность контура.
На резонансной частоте ω0 - обобщенная расстройка а=0, Zэк=Rкэ и коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи имеет максимальное значение, фазовый сдвиг четырехполюсника обратной связи φβ=0. Таким образом, выполняется условие баланса фаз (9) при условии равенства фазового сдвига усилителя 1 φу=0. Если усилитель имеет фазовый сдвиг, то условие баланса фаз достигается за счет введения фазокорректирующей RC-цепочки в составе усилителя 1.
При больших расстройках по частоте значение коэффициента передачи в цепи четырехполюсника обратной связи приближается к нулю и фазовый сдвиг φβ≠0. Таким образом, не выполняются условия баланса фаз и амплитуд (8), (9).
Работоспособность заявляемого устройства подтверждена расчетами на ПЭВМ и испытаниями макета генератора с использованием электромеханического резонатора 3 со следующими параметрами:
- резонансная частота f0=160 кГц;
- добротность Q=1000;
- эквивалентное сопротивление контура Rкэ≈0,4 Ом;
- электрическое сопротивление проводника электромеханического резонатора 3 RП≈7 Ом.
Генератор, содержащий усилитель и мостовую схему, одним плечом которой является частотозадающий резонатор с магнитоэлектрическим преобразователем, а другим плечом является резистор, отличающийся тем, что дополнительно введены первый и второй трансформаторы, при этом первичная обмотка первого трансформатора соединена с выходом усилителя, вход которого соединен со вторичной обмоткой второго трансформатора, первичная обмотка которого подключена к первой диагонали мостовой схемы, ко второй диагонали подключены последовательно соединенные две вторичные обмотки первого трансформатора, общая точка которых является одной из точек первой диагонали мостовой схемы.
