Керований кварцовий генератор з мостом віна

Реферат: UA 112582 U UA 112582 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі радіотехніки і може бути використана в пристроях генерації сигналів з управлінням частотою або як джерело синусоїдального сигналу для параметричних датчиків у вимірювальній техніці. Відомий кварцовий генератор стабілізований по амплітуді [1], який містить диференціальний операційний підсилювач, кварцовий резонатор, міст Віна, вихід якого сполучений з неінвертувальним входом диференціального операційного підсилювача, а вхід - з одним виведенням кварцового резонатора, керований напругою атенюатор, випрямляч напруги, вхід якої сполучений з виходом диференціального операційного підсилювача, в схему введений підсилювач-коректор, з диференціальним входом, а як керований напругою атенюатор використаний аналоговий помножувач напруги типу змінної крутизни, причому один вхід аналогового помножувача напруги типу змінної крутизни сполучений з виходом диференціального операційного підсилювача, другий - з виходом підсилювача-коректора, інвертувальний вхід якого сполучений з виходом випрямляча напруги, вихід аналогового помножувача напруги типу змінної крутизни сполучений з іншим виведенням кварцового резонатора, а інвертувальний вхід диференціального операційного підсилювача сполучений з його виходом через резисторний дільник, підсилювач-коректор з диференціальним входом виконує функції підсилювача помилки і динамічної ланки, що коректує. Недоліком такого генератора є те, що при забезпеченні високого співвідношення сигнал/шум та низькому рівні гармонік у вихідному синусоїдальному сигналі в генераторі не передбачені засоби компенсації параметрів коливальної системи при зміні одного з частотозадавальних елементів, що може призвести до зриву режиму генерації при впливі на частоту генерації. Найбільш близьким по технічній суті до пристрою, що заявляється, прийнятий за прототип, є керований кварцовий генератор [2], який містить операційний підсилювач з ланцюгами позитивного та від'ємного зворотних зв'язків, в ланцюзі позитивного зворотного зв'язку застосований керований п'єзокварцовий резонатор, електроди збудження якого підключені між неінвертувальним входом операційного підсилювача і нульовим проводом схеми, керуючий вхід якого підключений до джерела постійної напруги через електронний ключ, між неінвертувальним входом операційного підсилювача та його виходом послідовно ввімкнено конденсатор і керований за опором резистор, керуючий вхід якого з'єднаний з джерелом постійної напруги, від'ємний зворотний зв'язок утворений дільником напруги на двох резисторах. Недоліком такого генератора є те, що при впливі на керований п'єзокварцовий резонатор та зміні параметрів коливальної системи компенсується тільки параметр позитивного зворотного зв'язку, а коефіцієнт передачі негативного зворотного зв'язку залишається незмінним. Це призводить до зниження добротності мосту Віна, що в свою чергу знижує амплітуду вихідного сигналу та співвідношення сигнал/шум на виході генератора. В основу корисної моделі поставлена задача збільшення добротності коливальної системи генератора при впливі на частотозадавальні елементи схеми без введення в схему додаткових складних електронних компонентів. Поставлена задача вирішується тим, що створення керованого кварцового генератора з мостом Віна, який містить операційний підсилювач з колами позитивного та від'ємного зворотних зв'язків, коло від'ємного зворотного зв'язку утворене дільником напруги на двох резисторах, коло позитивного зворотного зв'язку містить керований п'єзокварцовий резонатор, керуючий вхід якого підключений до джерела керуючої напруги через електронний ключ, як один з резисторів від'ємного зворотного зв'язку використаний керований за опором резистор, а коло позитивного зворотного зв'язку утворене послідовно ввімкненими керованим п'єзокварцовим резонатором, першим конденсатором, другим конденсатором, паралельно другому конденсатору ввімкнений другий керований за опором резистор, перше виведення якого підключене до неінвертувального входу операційного підсилювача, а друге виведення до загальної шини схеми, причому входи керованих за опором резисторів підключені до джерела керуючої напруги. Суть корисної моделі пояснює креслення. Керований кварцовий генератор з мостом Віна містить операційний підсилювач 1, який має інвертувальний та неінвертувальний входи, між виходом якого та нульовим проводом схеми послідовно ввімкнені резистор 2 і перший керований за опором резистор 3, причому точка їх сполучення підключена до інвертувального входу, між виходом та неінвертувальним входом послідовно ввімкнені керований п'єзокварцовий резонатор 4 і перший конденсатор 5, між неінвертувальним входом та нульовим проводом схеми паралельно ввімкнені другий конденсатор 6 та другий керований за опором резистор 7, причому на керовані за опором 1 UA 112582 U резистори 3 і 7 та на електронний ключ 8 керованого п'єзокварцового резонатора 4 одночасно подається сигнал управління, який формується джерелом керуючої напруги 9. Керований кварцовий генератор з мостом Віна працює наступним чином. Частота генерації гармонічних коливань генератора з мостом Віна визначається рівнянням: 5 10 15 20 25 fГ  1 1 , (1)  2 R1C1R2C2 2RC де R1 ,C1 - опір та ємкість, ввімкнені між виходом операційного підсилювача 1 та його неінвертувальним входом (опір керованого п'єзокварцового резонатора 4 та конденсатора 5); R2 ,C2 - опір та ємкість, ввімкнені між неінвертувальним входом операційного підсилювача 1 та загальною шиною схеми (керованого за опором резистора 7 та конденсатора 6). Для схеми генератора прийнято: R1  R2  R, C1  C2  C . Регулювання частоти в запропонованому генераторі досягається використанням керованого п'єзокварцового резонатора 4, в якому зміна частоти послідовного резонансу виконується шляхом регулювання зазору між рухомим електродом збудження та поверхнею п'єзокристала за допомогою електромеханічного лінійного індукційно-динамічного перетворювача. Конструкція керованого п'єзокварцового резонатора запропонована у [3]. Керований п'єзокварцовий резонатор 4 в схемі працює на частоті паралельного резонансу, при цьому його опір мінімальний, носить резистивний характер і дорівнює опору R1 . При впливі на керований п'єзокварцовий резонатор 4 прямокутними імпульсами, які формуються від джерела керуючої напруги 9 через електронний ключ 8 змінюється резонансна частота керованого п'єзокварцового резонатора 4, в той же час змінюється і його активний опір. Для дотримання рівності частоти паралельного резонансу та рівняння (1) в схемі передбачений компенсуючий вплив на резистор 7 ( R2 ) від джерела керуючої напруги 9, згідно з законом, визначеним у [2]. Коло від'ємного зворотного зв'язку сформовано резистором 2 та керованим за опором резистором 3. Коло характеризується коефіцієнтом передачі k , причому: R4 , (2) R4  R3 k де R4 - опір керованого за опором резистора 3; де R3 - опір резистора 2. 30 Необхідність та умови компенсації параметрів кола від'ємного зворотного зв'язку обґрунтовані з використанням передавальної функції мосту Віна. В загальному випадку передавальна функція мосту Віна має вигляд: W ( p)  де 1 k  p 2 k 1 2  p 21  k 21  k  1   2   k , (3)  1 2 p 2   21   1   2  p  1 - коефіцієнт передачі кола від'ємного зворотного зв'язку; - стала часу, яка дорівнює здобутку активного опору керованого п'єзокварцового резонатора 4 на частоті паралельного резонансу на ємкість конденсатора 5 35 2 - стала часу, яка дорівнює здобутку опору керованого за опором резистора 7 на ємкість конденсатора 6  21 40 ( 1  R1C1 ) ; ( 2  R2C2 ) ; - стала часу, яка дорівнює здобутку опору керованого за опором резистора 7 на ємкість конденсатора 5 ( 21  R2C1 ) . За умов дотримання умов забезпечення максимальної добротності мосту k  1 3; R1  R2  R, C1  C2  C передавальна функція (3) спрощується до вигляду: Віна  2 p2 1 , (4) 3  2 p 2  3p  1 де   RC - стала часу. WМ ( p )    Таким чином, для забезпечення максимальної добротності мосту Віна у рівнянні (3) вираз у чисельнику при першому ступеню оператору Лапласу p повинен дорівнювати нулю. Якщо 2 UA 112582 U вважати, що коефіцієнт впливу на активний опір керованого п'єзокварцового резонатора 4 дорівнює k1 , коефіцієнт впливу на керований за опором резистор 7 k 2 , закон компенсації коефіцієнта передачі від'ємного зворотного зв'язку k 5 k має вигляд. k 2 . (5) 2k 2  k1 При керуванні частотою керованого кварцового генератора з мостом Віна змінюється сигнал управляння U У на виході джерела керуючої напруги 8, після модуляції електронним ключем 9 імпульсний сигнал подається на керуючий вхід керованого п'єзокварцового резонатора 4, що призводить до зміни його резонансної частоти та активного опору втрат. Одночасно з цим сигнал управляння U У подається на керуючі входи керованих за опором резисторів у колі 10 15 20 25 30 35 40 позитивного зворотного зв'язку 7 та від'ємного зворотного зв'язку 3 з метою забезпечення передавальної функції вигляду (4), що забезпечує максимальну добротність мосту Віна та високу якість синусоїдального сигналу на виході генератора. При відомій зміні активного опору втрат керованого п'єзокварцового резонатора 4 та компенсуючому впливі на керований за опором резистор 7, коефіцієнт впливу на керований за опором резистор 3 визначений рівнянням (5). Таким чином, завдяки введенню в коло від'ємного зворотного зв'язку додаткового керованого за опором резистора забезпечено збільшення добротності коливальної системи при впливі на частотозадавальні елементи схеми без введения в схему додаткових складних електронних компонентів та знижений рівень гармонік у вихідному синусоїдальному сигналі. Джерела інформації: 1. Патент RU № 2212091 МПК Н03В 5/32 Кварцевый генератор стабилизированный по амплитуде / И.Н. Нестерук. - опубл. 10.09.2003. 2. Патент UA90271 Україна МПК Н03С3/00 Керований кварцовий генератор/ [С.В. Хуторненко, Д.А, Семєнець, Д.П. Васильчук]. - № u201308946; заявл. 16.07.2013; опубл. 26.05.2014, Бюл. № 10. 3. Патент UA57121 Україна МПК Н03Н 9/00 П'єзоелектричний резонатор з керуванням частоти/ С.В. Хуторненко, В.М. Савченко, Д.А. Семєнець та ін. - № u201009357; заявл. 26.07.2010; опубл. 10.02.2011, Бюл. № 3. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Керований кварцовий генератор з мостом Віна, що містить операційний підсилювач з колами позитивного та від'ємного зворотних зв'язків, коло від'ємного зворотного зв'язку утворене дільником напруги на двох резисторах, коло позитивного зворотного зв'язку містить керований п′єзокварцовий резонатор, керуючий вхід якого підключений до джерела керуючої напруги через електронний ключ, який відрізняється тим, що як один з резисторів від'ємного зворотного зв'язку використаний керований за опором резистор, а коло позитивного зворотного зв'язку утворене послідовно ввімкненими керованим п'єзокварцовим резонатором, першим конденсатором, другим конденсатором, паралельно другому конденсатору ввімкнений другий керований за опором резистор, перше виведення якого підключене до неінвертуального входу операційного підсилювача, а друге виведення - до загальної шини схеми, причому входи керованих за опором резисторів підключені до джерела керуючої напруги. 3 UA 112582 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4