Измеритель динамических параметров кварцевых резонаторов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТИЛЬСТВУ

Союз Советтнх

Сециалнстнчесмих

Республик (61) Дополнительное н ввт. свид-ву (22) Заявлено 0106,78 (21) 2621383/18-21 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 15.07.80. Бюллетень ¹ 26

Дата опубликования описания 15.0780 (51)М. Кл.

G 01 R 29/22

ГосударствеииыЯ комитет

СССР ио делам изобретеииЯ и открытиЯ (53) УДК 621 ° 317. 3 (088.8) (72) Авторы изобретения

И.Т. Найдиков, Н.Г. Галикберов, Ю.П. Кузьмин и Л.К. Коновец (71) Заявитель (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ДИНАМИЧЕСКИХ ffAPAMETPOB

КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

Изобретение 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 с исследуемым кварцевым резонатором, усилитель высокой частоты, высокочастотный детектор, фазовый детектор и интегратор, а также модуляционный генератор, избирательный . (5 усилитель, детектор и аттенюатор 1) .

Недостатком его является проведение измерений только в узкой полосе частот, не превышающей полосы пропускания частот кварцевого резонатора. 20

Известен 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 . ЗО Недостатком 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 частотомером, введены преобразователь периоданалог, 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, 748293

R го<и R rain ь - — ь где 1 +(,, 4 (, + н

R — нагрузочное сопротивление измеритт ель ного четыре хполюс ник а.

Двухполюсный преобразователь

4$ амплитудных значений (ПАЗ) совместдиодами 6 и 7 обеспечивает но с диод е АЧХ таким образом преобразование приведенных на фиг. 1, к виду, приведенному на фиг. 3.

Чтобы обеспечить такое преобразование ПАЗ 5 должен удовлетворить следующим требованиям: время заряда конденсаторов обоим каналов ПАЗ 5 должно быть одинаковым, время разряда этих конденсаторов должно быть существенно отличным.

Если скорость нарастания сигнала на входе преобразователя постоянно или мало изменяется, а максимальные значения сигналов также имеют ма60 лый разброс, то подобрав соответствующим образом диоды конденсаторы и входные сопротивления дифференциального усилителя преобразователя можно не вводить диоды 6 и . д

7. Одн ако

45 в условиях больших разброс.ов схос тРетьим входом преобразователя амплитудных значений, выход которого соединен с одним из входов первого и второго компараторов, другой вход первого из которых соединен с одним из выводов первого резистора делителя напряжения„ соединенного с уп;равляющим входом интегратора и с выходом преобразователя период-аналог, -вход которого подключен к выходу первого триггера, входом соединенного с выходом второго триггера, первый вход которого подключен к выходу первого компаратора, а его второй вход соединен с выходом второго компаратора,вторым входом подключенного к другому выводу первого резистора делителя напряжения и к выводу второго резистора делителя напряжения, другой вывод которого соединен с корпусом устройства.

На фиг. 1 изображена структУрная схема измерителя, на фиг. 2 показаны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) кварцевого резонатора с малым (1) и большим (2) динамическим эквивалентным сопротивлением, на фиг.3

АЧХ кварцевого резонатора с малым (1) и болъшим (2) динамическим эквивалентным сопротивлением, преобразованное в измерителе, на фиг. 4 - эпюры сигналов s различных точках измерителя.

Структурная схема измерителя содержит перестраиваемый генератор с частотомером 1, измерительный четйрехцолюсник, с кварцевым резонатором 2, амплитудный детектор 3, усилитель

4, двухканальный преобразователь 5 амплитудных значений, диоды б и 7, компаратор 8, второй компаратор 9, триггеры 10 и 11, интегратор 12, . преобразователь период-аналог 13, два резистора 14 делителя напряжения и индикатор 15.

Погрешность измерения параметров ,кварцевого резонатора определяется погрешностью интегрирования частотномодулированного способа электронным частотомером. Максимальная погрешность измерения в этом случае может быть определена из выражения:

Фт (4) где Ч вЂ” скорость перестройки частоты генератора в относит ел ьных еди ниц ах;

Т вЂ” время счета частотомера!

Ьf/f — девиация частоты генератора.

Иэ неравенства видно, что для меньшения погрешности измерений неУ обходимо увеличить скорость пер пе естойки частоты генератора и время счета частотомера. Однако беспредельа ащивать величину этих параметно нар ьная ов невозможно, так как максимал величина скорости перестройки генератора ограничена добротностью кварцевого 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 ьо 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 зо пороговым уровнем, выбираемым из условияг U<>q U q > ()щ, где Upq — порог отпускания; U — порог срабатывания; U — уровень шумов, обусловленный паразнтной частотной моду25 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 R„, и минимальной

35() R величинами измеряемого сопро ь 6 ) тивления

748293 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 — (3)

Сранним равенства (3) и (2) например, при Ь„- 0,14, что соответствует R = 5-200 Ом и

R< = 300 м. Тогда:

Ф вЂ” 47,7 л

Учитывая равенство (1), получим, что погрешность измерений после введения двухканального преобразователя 5 с диодами б и 7 уменьшается н 313 раз. — =ЗИ

В общем случае уменьшение погрешности измерений видно также из сравнения рис. 1 и 3. На выходе преобразователя 5 экстремальные значения сигнала совпадают между собой и с нулем. Поэтому девиация сигнала даже

-" при постоянном пороге срабатывания и большом разбросе динамических сопротивлений кварцевых резонаторов изменяется мало (сравнитесь на фиг.2 и Ch< 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 0р до времени t ).

Режимы компараторон 8 и 9 выбраны таким образом, что при отсутствии сигнала на их входах компаратор 8 выдает сигнал U, соответстнующий логической единице, а компаратор 9 напряжение 0, соответствующее логическому нулю. На выходе триггера

10 напряжение Ut> равно нулю, а напряжение 0ц с выхода триггера 11 воздействует на интегратор 12, выходное напряжение Uqg, которого поступает 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

t < частота генератора совпадает с частотой fg кварцевого резонатора при последовательном резонансе.

Постоянные времени разряда конденсаторов ПАЗ 5 существенно отличаются

5 друг от друга, поэтому при последующем повышении частоты генератора на выходе ПАЗ 5 растет напряжение U .

В момент tz напряжение U с выхода

ПАЭ 5 равно порогу срабатывания компаратора 8. Здесь необходимо отметить> что на входы компараторон одновременно воздействует сигнал, несущий информацию об АЧХ измеритель™ого четы рехполюсника и шум. Поэтому выходные напряжения 0 0р компараторон

8,9 переходят от единицы к нулю и наоборот после выдачи ряда коротких импульсов, равных единице. Таким образом,в момент tz компаратор 8 вначале выдает ряд коротких единичных импульсов и затем нуль. Состояние триггера 10 не меняется. B момент t напряжение 0 с выхода ПАЗ

5 равно порогу 0р(срабатывания компаратора 9, последний выдает ряд

25 единичных импульсов. Первый положительный перепад напряжений опрокидывает триггер 10, который опрокидывает триггер 11. В итоге напряжение с выхода интегратора 12 уменьшается

30 и перестраивает частоту генератора

1 вниз. В момент t4 напряжение U на выходе ПАЗ 5 равно порогу 0о срабатывания компаратора 8. Компаратор 8 выдает ряд единичных импульсов

З5 и затем единицу. Первым положительным перепадом триггер 10 опрокидывается,не влияя на сЬстояние триггера

11. В момент t> частота генератора

1 совпадает с частотой Гз кварцевого резонатора. В момент tz напряжение на выходе ПАЗ 5 равно порогу срабатывания 0р компаратора 8. Компаратор 8 выдает ряд единичных импульсов, а затем нуль. Триггер 10 не ме-, няет состояния. В момент tz напряжение U на выходе ПАЗ 5 равно по5 рогу срабатывания 0р компаратора 9.

Компаратор 9 выдает ряд единичных импульсов. Перным положительным перепадом напряжения триггер 10 срабатывает и опрокидывает триггер 11.

В итоге напряжение U с выходом интегратора 12 начинает нарастать, повышая частоту генератора 1. Далее процесс повторяется. Преобразователь

55 13 период-аналог выдает напряжение, обратно-пропорциональное интервалу времени между tz u tz Поэтому с уменьшением добротности кварцевого резонатора уменьшается порог сра60 батынания компараторон, что приводит к уменьшению девиации частоты генератора 1, кроме того, ноздейстнуя на вход управления постоянной времени интегрирования интегратора 12, 65 сигнал с выхода преобразователя 13 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 и йндМкатор 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,вто748293 рой триггер и два резистора делителя напряжения, при этом выход усилителя соединен с одним иэ входов преобразователя амплитудных значений непосредственно,и через диод, включенный в прямом направлении, с другим входом упомянутого преобразователя и через диод>включенный в обратном направлений — с т" етьим входом преобразователя амплитудных значений, выход которого соединен с одним из входов первого и второго компараторов, другой вход первого нз которых соединен с одним иэ выводов. первого резистора делителя напряжения,соединенного с управляющим входом интег15 гатора и с выходом преобразователя период-аналог, вход которого подключен к выходу первого трйггера,входом соединенного с выходом второго триггера, первый вход которого подключен

Щ к выходу первого компаратора, а его второй 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 экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

30 Р 437979, кл. G 01 К 27/00, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 460510, кл. G 01 R 23/00, 1974 (прототип).