CN1232029C - Fm检波电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种FM检波电路。其特征是：具有其中四边的某一边连接鉴频器的桥式电路，从该桥式电路的相对向一方的连接点输入FM中间频率信号，从其它的点可以取得FM检波电路的输出，构成鉴频器的压电材料之电容的温度特性εTC、带宽比Δf/fo、共振频率数的温度特性FrTC、反共振频率数的温度特性FaTC、除去鉴频器FM检波电路的温度特性CfoTC、以及FM检波电路的中心频率数之温度特性的目标值α之间，满足以下的公式：|(FrTC+FaTC)/2+K×εTC×(Δf/fo)+CfoTC|≤α。具有检波用IC自身的温度特性变差，电路整体也可以保持稳定的温度特性的优点。
Description
技术领域
本发明涉及采用鉴频器的检波电路。
背景技术
以前，将FM波的频率变化作为电压变化检出的输送器里采用鉴频器的检波电路是众所周知的，作为该鉴频器用的压电材料，一般来说为了取得宽的解调输出带宽，采用低Q值、宽带宽的Δf(＝Fa-Fr)材料；但是至今，压电材料的各种温度特性的关系并不合适，鉴频器的温度特性(foTC)比较大。因此，接收机的操作保证温度范围比陶瓷过滤器要窄，即使是可以使用的接收机也受到了限定。
以前，鉴频器的温度特性(foTC)为25ppm/℃左右，如果鉴频器的fo＝10.7MHz的话，则相当于在100的温度范围内约28KHz，在150的温度范围内约40KHz的频率变化。过去的产品，由于在超过20℃的高温范围内频率数的变化会加大，因此为了满足一般使用的foTC规格，也就是使中心频率数fo的变化量满足±30KHz的要求，一般把工作保证温度的上限规定为60℃。
所以，本发明者提出了使鉴频器(压电谐振器)的频率温度特性稳定的方法(专利申请2001-89064)。
这种方法是，根据在鉴频器(压电谐振器)的中心频率的温度特性foTC与谐振频率的温度特性FrTC以及反谐振频率的温度特性FaTC的平均值的差，与电容温度特性εTC与带宽比幅度Δf/fo的积之间，存在一定的比率关系规律，根据谐振频率的温度特性FrTC、反谐振频率的温度特性FaTC、电容的温度特性εTC以及带宽幅度Δf/fo，求出中心频率的温度特性foTC的近似值，把这个温度特性FoTC保持在目标值的范围之内。
另外，人们知道有一种如图1所示的三边连接有电阻R1、R2、R3，剩下一边连接鉴频器的桥式平衡型FM检波电路。图1(a)是电路图，(b)表示输出电压Eo的相位变化；由图看得很明确，设计上使中心频率的输出电压Eo比输入电压Ei的在相位上滞后90°。
由检波器内部IC的电阻R1、R2、R3决定中心频率fo的阻抗值，一般把R1、R2、R3的阻值设定在1KΩ左右。
但是检波用IC具有内部电路固有的温度特性，在Fo的电阻值有差异。这虽然也与构成桥式电路的电阻R1、R2、R3的温度特性有关系，但是其中R1、R2、R3并联连接有电容，其中某个电阻可能是由电容的置换而形成的阻抗，电容的温度特性会产生很大的影响。
这样，当检波用IC自身具有改变在fo时的电阻值的温度特性时，无论怎么稳定鉴频器一方的温度特性foTC，包括检波用IC的检波电路整体的温度特性foTC还是要恶化。
发明内容
因此。本发明的目的是，提供一种即使检波用IC自身的温度特性有变强的倾向，也能够使电路整体具有稳定的温度特性的FM检波电路。
为了达到所述目的，本发明之一是，在输送器内使用鉴频器的FM检波电路，其特征在于：构成所述鉴频器的压电材料之电容的温度特性εTC、带宽比Δf/fo、共振频率的温度特性FrTC、反共振频率的温度特性FaTC、除去鉴频器FM检波电路的温度特性CfoTC、以及FM检波电路的中心频率fo之温度特性的目标值α之间，满足以下的关系式：
|(FrTC+FaTC)/2+K×εTC×(Δf/fo)+CfoTC|≤α…(1)
其中，K＝由共振频率Fr与反共振频率Fa的中点阻抗决定的系数，
εTC＝A×(测定温度范围内电容变化幅度)/(基准温度时的电容×测定温度范围)，
Δf/fo＝(基准温度时的Fa-基准温度时的Fr)/(基准温度时的fo)，
FrTC、＝A×(测定温度范围内的Fr变化幅度)/(基准温度时的Fr×测定温度范围)，
FaTC、＝A×(测定温度范围内的Fa变化幅度)/(基准温度时的Fa×测定温度范围)，
CfoTC＝A×(除去鉴频器的FM检波电路的温度特性)，
A＝温度特性为正倾向时为+1、为负倾向时为-1的系数。
首先就专利申请2001-89064号提案的控制单体鉴频器的温度特性的方法进行说明。
在一般的情况下，在压电陶瓷中，端子间电容的温度特性εTC具有正倾向，温度上升后，电容变大。即温度上升后，如图2的虚线所示，由于电容的温度特性，使压电谐振器的阻抗降低，使中心频率Fo向高频侧(fo’所示)偏移。另外，这里当把阻抗值调整fo为1KΩ时为fo。由于一方面，谐振频率的温度特性FrTC、反谐振频率的温度特性FaTC有负的倾向，所以当温度上升时，如图2的二点锁线所示，频率Fr、Fa下降，中心频率fo(由fo”所示)向低频侧偏移。如果能够使这两种偏移互相抵消，则中心频率fo的随温度变化的变化量会小，从而能够改善作为压电谐振器的鉴频器自身的温度特性foTC。
所以，通过对各种压电材料就其电容温度特性εTC、带宽幅度Δf/fo、谐振频率温度特性FrTC、反谐振频率温度FaTC、中心频率温度特性foTC进行测定，发现中心频率温度特性foTC、谐振频率温度特性FrTC、以及反谐振频率温度FaTC的平均值的差与电容温度特性εTC、带宽幅度Δf/fo的积之间存在一定比例关系；也就是说从谐振频率温度特性FrTC、反谐振频率温度FaTC、电容温度特性εTC以及带宽幅度Δf/fo可以近似地求出中心频率温度特性foTC。
所以，把鉴频器的中心频率温度特性的目标值设定为β时，由以下的关系式确定电容温度特性εTC、带宽幅度Δf/fo、谐振频率温度特性FrTC、反谐振频率温度FaTC的话，就可以把鉴频器的温度特性foTC、控制在目标值β之内。这里K是一个系数。
|(FrTC+FaTC)/2+K×εTC×(Δf/fo)|≤β
表1的A～E是对于使用五种PZT类材料的厚滑振动式鉴频器，求其温度特性以及带宽幅度的数据。另外，当把阻抗值调整为1KΩ时，fo＝10.7MHz。
表1
表1中，A采用现有的压电材料的鉴频器的数据，B～E是为作试验新制作的鉴频器的数据。
表2是采用表1的温度特性以及带宽幅度就A～E各试验材料求其电容温度特性εTC、带宽幅度Δf/fo以及中心频率的温度特性foTC与谐振频率温度特性FrTC以及反谐振频率温度FaTC的平均值的差的数据。
表2
| A | B | C | D | E | |
| εTC×Δf/foFoTC-(FrTC+FaTC)/2 | 318.4270.5 | 235.80752.95 | 130.5632.5 | 221.3449.5 | 223.2150 |
图3是以电容温度特性εTC与带宽幅度Δf/fo的积作为横轴，中心频率的温度特性foTC与谐振频率温度特性FrTC以及反谐振频率温度FaTC的平均值的差作为纵轴，绘制的关于A～E各试验材料数据的图。
从图3很明确可以看出，所有试验材料的值都在Y＝0.225X这条直线上；也就是说鉴频器的中心频率的温度特性是由
foTC＝(FrTC+FaTC)/2+0.225×εTC×(Δf/fo)…(3)
这个公式近似得到的。
所述情况是在阻抗值为1KΩ的fo值的鉴频器的数据，系数K为0.225，如果以不同的阻抗值设定为fo的鉴频器时，系数K也就不一样。
采用图1那样的桥式电路的FM检波电路时，由位于检波用IC内部的R1、R2、R3的电阻值决定fo的阻抗值。
表3是根据上式求出的fo值与实际测出的fo值的比较。
由表3可以明显看出，计算值与实测值非常接近，说明计算式(3)具有高的精度；并且，与采用现有材料的鉴频器相比，采用新材料制成的鉴频器B～E具有良好的温度特性，特别是B～E更是有良好特性。
表3
| A | B | C | D | E | |
| FoTC(计算值)FoTC(实测值) | -26-27 | -5-5 | 811 | 1616 | 2020 |
以上说明的方法是求鉴频器单体的温度特性foTC，控制其温度特性的方法，由于连接这个鉴频器检波用的IC，其内部电路有固有的温度特性，与fo的电阻值产生偏差；这样，检波用IC自身具有的温度特性改变作为fo的电阻值，无论怎么在鉴频器一方稳定Z＝1KΩ附近的频率，包括检波用IC的检波电路整体的温度特性foTC还是要恶化。
所以本发明提供一种无论检波用IC自身的温度特性有无变强的倾向，电路整体都可得到稳定的温度特性的方法，这样一种提案。
亦即，如果把检波用IC的温度特性TfoTC、除去鉴频器的检波电路的温度特性作为CfoTC，由以下公式可以近似求出TfoTC。
TfoTC＝(FrTC+FaTC)/2+0.225×εTCa×(Δf/fo)+CfoTC…(4)
如果把检波电路全体的中心频率的温度特性的目标值设为α，为使下式成立，可以选择检波用IC以及鉴频器的温度特性。
|(FrTC+FaTC)/2+K×εTC×(Δf/fo)+CfoTC|≤α…(1)
比如，对于fo电阻值与温度具有正相关系的检波用IC，单体的foTC连接具有负倾向的鉴频器的话，两者的温度特性抵消了，IC内置的检波电路全体的foTC可以被稳定住。
鉴频器是以外装树脂封装结构的压电谐振器时，鉴频器的温度特性，除去鉴频器的检波电路温度特性CfoTC以外，也受外装树脂温度特性的影响。
所以本发明之二，在本发明之一的条件的基础上，由外装树脂的应力加算中心频率数的温度特性RfoTC，这样，检波电路的中心频率的温度特性foTC就被控制在目标值α以内。亦即
|(FrTC+FaTC)/2+K×εTC×(Δf/fo)+RfoTC+CfoTC|≤α…(2)
作为FM检波电路，本发明之三，由四边的其中一边与鉴频器连接而其余三边与阻抗元件连接的桥式电路组成，FM中间频率信号输入至该桥式电路相对的一对连接点，另一对连接点作为读取输出信号的点也可以。
桥式平衡型检波电路的解调歧变小，可以得到很好的解调输出；连接鉴频器以外的三边，可以接电阻，也可以与电阻并联连接电容，将电阻置换成电容也可以。
作为目标值的检波电路中心频率温度特性的α，本发明之四，希望值是18pmm/℃。
也就是说，foTC如果在±18pmm/℃以内，fo＝10.7MHz时，在150℃温度范围，大约相当于±29KHz频率变化，如果满足这个条件，比如-40℃～105℃的范围保证操作就是可能的；也就是说，相对与以往的操作保证温度的上限60℃，由本发明提高到100℃以上。
本发明之五，也可以由Fr与Fa的中点阻抗决定系数K＝0.225。
阻抗值与1KΩ一致，作为fo的压电谐振器，系数K＝0.225，中心频率的温度特性foTC与谐振频率温度特性FrTC以及反谐振频率温度FaTC的平均值的差、与电容的温度特性εTC和带宽幅度的积几乎是一种比例关系，中心频率的温度特性foTC可以准确地求出。
附图说明
图1、组成桥式电路的移相器的电路图以及其相位特性图。
图2、由电容以及Fr、Fa的温度特性产生阻抗特性变化示意图。
图3、为求出鉴频器的温度特性公式的特性图。
图4、本发明相关的鉴频器实例的分解立体图。
图5、具有平稳温度特性的鉴频器单体温度特性和与这个鉴频器连接的检波电路的温度特性示意图。
图6、具有负温度特性的鉴频器单体温度特性和与这个鉴频器连接的检波电路的温度特性示意图。
图7、与本发明有关的鉴频器其它的例子的正面断面图以及侧面断面图。
符号的说明：
IC-检波用IC，R1～R3-电阻，D-鉴频器
具体实施方式
图4是作为本发明的一个例子的鉴频器D的芯片型压电谐振器的示意图。
该鉴频器D是有以下部分组成的：绝缘基板1、绝缘基板1上框状的玻璃糊形成的绝缘层5、通过基板1上形成的电极2，3上的导电膏4连接固定的压电元件6、压电元件6上面以及两侧涂装的硅胶等组成的阻尼材料7，8、通过基板1的绝缘层5上的粘接剂(图中未示出)连接固定，封装压电元件的金属罩；压电元件6是能源密封式厚滑振动型元件，有短册型的压电基板6a；压电基板6a的正表面，在中央部分，相对地形成电极6b，6c，这两个电极6a、6c通过压电基板的不同端部的端面引出到相反一侧的主面；这里作为压电基板6a的材料，使用的是PZT，作为基板1的材料使用的是与压电基板6a具有同样的热膨胀系数的陶瓷材料。
这种鉴频器，压电元件6a几乎不受周围的影响，其温度特性可以由压电元件本身的温度特性求出。
图5，图6是具有所述构造的鉴频器单体的温度特性((a)所示)、该鉴频器D作为fo的电阻值，与温度有正相关系的检波用IC(参照图1)连接，测定的检波电路全体的温度特性。
图5，单体的foTC，采用具有平稳的特性(foTC＝-2.8ppm/℃)的鉴频器，图6，单体的foTC，采用具有负特性(foTC＝-33.9ppm/℃)的鉴频器。
并且，作为检波用IC，采用的是由内部电阻变化的温度特性CfoTC＝+28.2ppm/℃)(推测值)的材料；CfoTC值，比如单体采用具有几乎平稳的foTC的鉴频器，连接于检波用IC，测定检波电路全体的foTC，可以推算出来。
表4表示的是图5、图6使用的鉴频器(fo＝10.7MHz)的FrTC、FaTC、εTC、Δf/fo、foTC的以及检波电路全体的温度特性TfoTC。
但是FrTC、FaTC、εTC、以及Δf/fo、是用以下的计算公式，测定温度为-20℃～+80℃范围之内，基准温度为+20℃时求出的。
FrTC、＝A×(测定温度范围内的Fr变化幅度)/(基准温度时的Fr×测定温度范围)
FaTC、＝A×(测定温度范围内的Fa变化幅度)/(基准温度时的Fa×测定温度范围)
εTC＝A×(测定温度范围内电容变化幅度)/(基准温度时的电容×测定温度范围)
Δf/fo＝(基准温度时的Fa-基准温度时的Fr)/(基准温度时的fo)
A＝温度特性成为正倾向时+1、负倾向时-1的系数
表4
| 图5的情况 | 图6的情况 | |
| FrTC | -90ppm/℃ | -135ppm/℃ |
| FaTC | -25ppm/℃ | -75ppm/℃ |
| εTC | +2430ppm/℃ | +3400ppm/℃ |
| Δf/fo | 10％ | 9.2％ |
| foTC(计算值) | -2.83ppm/℃ | -34.6ppm/℃ |
| foTC(实测值) | -2.8ppm/℃ | -33.8ppm/℃ |
| CfoTC | +28.2ppm/℃ | +28.2ppm/℃ |
| TfoTC(计算值) | +25.38ppm/℃ | -6.42ppm/℃ |
| TfoTC(实测值) | +25.4ppm/℃ | -6.5ppm/℃ |
鉴频器单体的foTC是代入上式(3)计算的结果。亦即在图5里，
foTC＝(-90-25)/2+0.225×2430×0.1＝2.83ppm/℃
在图6里，
foTC＝(-135-75)/2+0.225×3400×0.092＝-34.6ppm/℃。
可见这些计算值与实测值(-2.8ppm/℃，-33.8ppm/℃)非常相似；所以可以实证公式(3)的正确性。
其次，将K＝0.225代入公式(4)中，计算检波电路整体的温度特性，在图5里，
TfoTC＝(FrTC+FaTC)/2+K×εTCa×(Δf/fo)+CfoTC
＝(-90-25)/2+0.225×2430×0.1+28.2
＝+25.38ppm/℃
在图6里，
TfoTC＝(FrTC+FaTC)/2+K×εTCa×(Δf/fo)+CfoTC
＝(-135-75)/2+0.225×3400×0.092+28.2
＝-6.42ppmm/℃。
可见这些计算值与实测值(+25.4ppm/℃，-6.5ppm/℃)非常相似；所以可以实证公式(3)的正确性。
由表4可以明显看出，使用图5那样的温度特性几乎是平稳的(foTCH＝-2.8ppm/℃)鉴频器时，检波电路整体的温度特性是+25.4ppm/℃，温度特性不好。
与此相对，图6里，使用具有负倾向(foTC＝-33.8ppm/℃)温度特性的鉴频器时，检波电路整体的温度特性TfoTC成为-6.5ppm/℃，获得良好的温度特性。
FM检波电路，公式(1)也就是说温度特性绝对值要求在18ppm/℃以下，显然，图5的情况下，满足这个条件。
这样，只考虑检波用IC的温度特性CfoTC，作为与之相连接的鉴频器选择具有逆特性的材料，检波电路整体可以获得很好的温度特性。
图7作为本发明的鉴频器等，可以使用的谐振器的示意例图。
该鉴频器是树脂封装型带导线的压电谐振器。
压电谐振器具有fo＝10.7MHz的短册形厚滑振动式压电元件；压电元件10的表背面中央形成振动电极10a，10b，两端形成端子电极10c，10d，这些端子电极10c，10d上，导线端子11，12与之连接，而一方的导线端子11从压电元件10的背面绕向正面；压电元件10的振动电极10a，10b的周围被由硅胶形成的弹性材料覆盖；而在它的周围则由透明的环氧树脂材料的外装树脂覆盖。
如上所述，压电元件10的周围被外装树脂14、15、16覆盖的鉴频器，对检波电路的温度特性TfoTC，鉴频器的单体温度特性、除去鉴频器的检波用IC的温度特性CfoTC以外，由外装树脂14、15、16的捆紧应力RfoTC也有影响。也就是说检波电路的温度特性TfoTC，的公式变成以下的公式。
TfoTC＝(FrTC+FaTC)/2+0.225×εTCa×(Δf/fo)+RfoTC+CfoTC…(5)
图7所示的树脂封装型鉴频器，由外装树脂14、15、16的捆紧应力RfoTC测定，得到的实际测量值为+15ppm/℃。所以可以把RfoTC代入公式(5)求检波电路的温度特性；这里FrTC、FaTC、εTC、Δf/fo、CfoTC等的值，图5、图6是一样的。
在图5里，
TfoTC＝(-90-25)/2+0.225×2430×0.1+15+28.2
＝+40.37ppm/℃
在图6里，
TfoTC＝(-135-75)/2+0.225×3400×0.092+15+28.2
＝+8.58ppm/℃
如果把中心频率的温度系数的目标值定为α＝18ppm/℃，采用图6的鉴频器的检波电路的温度特性T foTC＝8.58ppm/℃，比目标值还小很多，获得良好的结果。
所述实例，就桥式平衡型检波电路进行了说明，但是应用范围不限于此，凡是使用鉴频器的众所周知的各中形式的检波电路都可适用；而且在桥式平衡型电路，三边也不一定限于连接电阻R1～R3，比如与R1～R3并联连接电容，或者把所有的电阻都变成电容性阻抗也可以。
鉴频器的构造可以是图4那样的封装在罩子里，也可以像图7那样的树脂封装，而且不限于此，采用过去人们熟知的多层粘接构造也可以；由于没有使用树脂封装，可以用公式(3)计算foTC。
而且，本发明的鉴频器的振动方式，也并非一定采用厚滑振动方式，采用厚纵振动方式也可以。
由以上的说明知道：本发明之1仅考虑检波用的温度特性CfoTC，连接一个与之有逆温度特性的鉴频器，检波电路整体可以获得很好的温度特性。特别是再考虑构成鉴频器电容的温度特性εTC、带宽幅度Δf/fo、谐振频率温度特性FrTC、反谐振频率温度特性FaTC，与检波用IC和鉴频器综合考虑进行判断，检波电路的温度特性可以控制在很高的精度。
采用这样的检波电路操作保证温度可以很宽泛，机器组的操作保证温度的范围也就可以很宽。
本发明之2在本发明之1的基础上，消除或减少外装树脂温度特性的影响，因此采用树脂封装型的鉴频器时，也可以使检波电路的温度特性得到稳定。
Claims (5)
1.一种FM检波电路，是一种在输送器内使用鉴频器的FM检波电路，其特征在于：构成所述鉴频器的压电材料的电容的温度特性εTC、带宽比Δf/fo、共振频率的温度特性FrTC、反共振频率的温度特性FaTC、除去鉴频器的FM检波电路的温度特性CfoTC、以及FM检波电路的中心频率fo之温度特性的目标值α之间，满足以下的关系式：
|(FrTC+FaTC)/2+K×εTC×(Δf/fo)+CfoTC|≤α…(1)
其中，K＝由在共振频率Fr与反共振频率Fa的中点阻抗决定的系数，
εTC＝A×(测定温度范围内电容变化幅度)/(在基准温度时的电容×测定温度范围)，
Δf/fo＝(基准温度时的Fa-基准温度时的Fr)/(在基准温度时的fo)，
FrTC＝A×(测定温度范围内的Fr变化幅度)/(在基准温度时的Fr×测定温度范围)，
FaTC＝A×(测定温度范围内的Fa变化幅度)/(在基准温度时的Fa×测定温度范围)，
CfoTC＝A×(除去鉴频器的FM检波电路的温度特性)，
A＝温度特性为正倾向时为+1、为负倾向时为-1的系数。
2.一种FM检波电路，是一种在输送器内使用鉴频器的FM检波电路，其特征在于：所述鉴频器由外装树脂封装，构成所述鉴频器的压电材料之电容的温度特性εTC、带宽比Δf/fo、共振频率的温度特性FrTC、反共振频率的温度特性FaTC、由外装树脂的中心频率的温度特性RfoTC，除去鉴频器的FM检波电路的温度特性CfoTC、以及FM检波电路的中心频率fo之温度特性的目标值α之间，满足以下的关系式：
|(FrTC+FaTC)/2+K×εTC×(Δf/fo)+RfoTC+CfoTC|≤α…(2)
其中，K＝由在共振频率Fr与反共振频率Fa的中点的阻抗所决定的系数，
εTC＝A×(测定温度范围内电容变化幅度)/(在基准温度时的电容×测定温度范围)，
Δf/fo＝(基准温度时的Fa-基准温度时的Fr)/(在基准温度时的fo)
FrTC＝A×(测定温度范围内的Fr变化幅度)/(在基准温度时的Fr×测定温度范围)，
FaTC＝A×(测定温度范围内的Fa变化幅度)/(在基准温度时的Fa×测定温度范围)，
CfoTC＝A×(除去鉴频器的FM检波电路的温度特性)，
A＝温度特性为正倾向时为+1、为负倾向时为-1的系数。
3.根据权利要求1或2所述FM检波电路，其特征在于：所述FM检波电路由其4边中的任意一边与所述鉴频器连接而其余三边与阻抗元件连接的桥式电路构成，在与该桥式电路对向的一对的连接点间输入FM中频信号，从另一对的连接点读取输出信号。
4.根据权利要求1或2所述FM检波电路，其特征在于：所述α＝18ppm/℃。
5.根据权利要求1或2所述FM检波电路，其特征在于：所述K＝0.225。
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