CZ201325A3

CZ201325A3 - Oscilátor řízený elektromechanickým rezonátorem

Info

Publication number: CZ201325A3
Application number: CZ2013-25A
Authority: CZ
Inventors: Julius Foit
Original assignee: České vysoké učení technické v Praze - Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2014-01-15
Also published as: CZ304235B6

Abstract

Oscilátor řízený elektromechanickým rezonátorem se stabilizací výstupního napětí obsahuje regulační smyčku s optronem pro stabilizaci amplitudy výstupního napětí. Oscilátor obsahuje první operační zesilovač (OA1), kde ve smyčce kladné zpětné vazby je zapojen elektromechanický rezonátor (X1) a ve smyčce záporné zpětné vazby je zapojen fotorezistor (PR) optronu (3) paralelně s rezistorem (R5). Stabilizátor výstupního napětí obsahuje druhý operační zesilovač (OA2), zapojený jako usměrňovač a zesilovač, připojený k luminiscenční diodě (LED) optronu (3).

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká zapojení oscilátoru s kmitočtem řízeným elektromechanickým rezonátorem, s výstupním napětím v širokých mezích málo závislým na parametrech konkrétního užitého rezonátoru.

Dosavadní stav techniky

Oscilátorových obvodů s kmitočtem, řízeným elektromechanickým rezonátorem, existuje veliký počet. Dosud známé obvody však mají společnou nevýhodu v tom, že při daných pevných vlastnostech podpůrné elektroniky je amplituda generovaných kmitů do značné míry závislá na parametrech konkrétního užitého rezonátoru. To je na závadu zejména v případech, kdy se požaduje optimální činnost obvodu v širokém rozmezí pracovních kmitočtů prostřednictvím pouhé výměny rezonátorů bez předběžného nebo následného individuálního nastavování s rezonátorem, jehož parametry nejsou předem přesně známé, případně jsou v provozu silně proměnlivé, například v aplikacích, užívajících rezonátorů jako čidel neelektrických veličin. Dosud běžná řešení se uchylují ke kompromisu, při kterém jsou parametry elektronických obvodů oscilátorů nastaveny tak, aby se obvod spolehlivě rozkmital i s rezonátorem s nejhoršími očekávanými parametry, což vede mimo jiné k tomu, že při užití rezonátoru s parametry lepšími než nejhoršími je amplituda generovaných kmitů tak veliká, že rezonátor je výkonově přetížen, což vede jednak ke zhoršení stability generovaného kmitočtu přehřátím, a v krajním případě může vést až ke zničení rezonátoru mechanickým přetížením (prasknutí nebo roztříštění).

Příklad jednoho z mnoha běžných řešení je uveden v obr. 1. Jde o tak zvané tříbodové zapojení, ve kterém se vytvoření smyčky kladné zpětné vazby dosahuje pomocí odbočky na piezoelektrickém elektromechanickém rezonátoru Χθ , tvořené kapacitory Cb a Cc. Elektromechanický rezonátor Xaje zapojen mezi kolektor a bázi zesilovacího tranzistoru Q_§, jehož klidový pracovní bod je nastaven klasickým způsobem pomoci rezistoru Rb mezi bází a sběrnicí napájecího napětí Vod, přičemž í *

T. i · í t • * ' · » « ’ · t í i , ? f f t t í ’ 2 ' -··· ‘ kolektor je z hlediska signálu oddělen od společného vodiče rezistorem R_a. Výstupní signál Vout se zpravidla odebírá z kolektoru prostřednictvím vazebního kapacitoru C_a. Obdobné zapojení je samozřejmě možné realizovat i s unipolárními tranzistory JFET nebo MOS; tohoto posledního typu se často užívá v monolitických integrovaných obvodech. Jako všechna běžná zapojení, i tento obvod trpí základní nevýhodou, že jeho činnost je silně závislá na konkrétních parametrech rezonátoru, takže může mít problémy s rozkmitáním méně kvalitního rezonátoru, zatímco při užití kvalitního rezonátoru snadno dojde k jeho přetížení nadměrnou amplitudou kmitů.

Podstata vynálezu

Výše popsané nevýhody dosud běžných řešení elektromechanickým rezonátorem řízených oscilátorů odstraňuje obvod podle překládaného řešení. Podstatou nového řešení je, že elektromechanický rezonátor, který je připojen mezi výstup a neinvertující vstup prvního operačního zesilovače, má k tomuto neinvertujícímu vstupu současně připojen ještě jeden konec prvního rezistoru. Druhý konec prvního rezistoru je spojen se společným vodičem. K výstupu prvního operačního zesilovače je připojen jeden konec pátého rezistoru, jeden konec fotorezistoru a jeden konec prvního a třetího kapacitoru. Druhý konec třetího kapacitoru je spojen se živou svorkou výstupního napětí. Druhý konec pátého rezistoru je spojen s invertujícím vstupem prvního operačního zesilovače, s nímž je spojen ještě jeden konec druhého rezistoru. Druhý konec druhého rezistoru je spojen se společným vodičem. Druhý konec prvního kapacitou je spojen s katodou první diody, jejíž anoda je spojena se společným vodičem, a zároveň i s anodou druhé diody. Katoda druhé diody je spojena s neinvertujícím vstupem druhého operačního zesilovače, s jedním koncem čtvrtého rezistoru a s jedním koncem druhého kapacitoru. Druhý konec čtvrtého rezistoru i druhý konec druhého kapacitoru jsou spojeny se společným vodičem. Výstup druhého operačního zesilovače je spojen s anodou luminiscenční diody a s katodou třetí diody. Katoda luminiscenční diody, anoda třetí diody a jeden konec třetího rezistoru jsou spojeny s invertujícím vstupem druhého operačního zesilovače. Druhý konec třetího rezistoru a zemní svorka výstupního napětí jsou spojeny se společným vodičem.

• 3

Tímto způsobem se dosahuje jednak toho, že lze rozkmitat i elektromechanické rezonátory s poměrně špatným činitelem jakosti, jednak toho, že rezonátory s velkým činitelem jakosti nejsou přetíženy nadměrnou amplitudou kmitů a dále toho, že amplituda výstupního napětí Vout se i při velkých změnách činitele jakosti rezonátoru mění jen velmi málo, takže jeho následné zpracování je velmi usnadněno.

Objasněni výkresů

Příklad jednoho z mnoha běžných, dosud známých, řešení oscilátoru řízeného elektromechanickým rezonátorem, je uveden na Obr. 1. Na Obr. 2 je pak schéma nového zapojení adaptivního oscilátoru podle předkládaného řešení.

Přiklad uskutečnění vynálezu

Předkládané řešení oscilátoru řízeného elektromechanickým rezonátorem X1 je tvořeno prvním blokem X obsahujícím první operační zesilovač OA1, v němž je kladná zpětná vazba pro vytvoření autonomních oscilací zprostředkována elektromechanickým rezonátorem X1. Střídavé výstupní napětí bloku 1 je vedeno do druhého bloku 2, tvořeného usměrňovačem a převodníkem napětí na proud. Výstupní proud druhého bloku 2 je veden do třetího bloku 3, tvořeného optronem, jehož vstupem je luminiscenční dioda LED, výstupem je fotorezistor PR s odporem klesajícím při stoupajícím vstupním proudu optronu. Výstupní fotorezistor PR třetího bloku 3 je funkčně součástí prvního bloku 1_, ve kterém představuje větev proměnné záporné zpětné vazby. Tím se dosahuje toho, že vnější zesílení prvního operačního zesilovače OA1 v prvním bloku 1 je regulováno na hodnotu, při které se na elektromechanickém rezonátoru XI vytvoří autonomní kmity s amplitudou danou převodní funkcí střídavé složky výstupního napětí \/_out na odpor výstupního fotorezistoru PR třetího bloku 3, v širokém rozmezí jen málo závislou na vlastnostech elektromechanického rezonátoru XI.

Příklad řešení obvodu oscilátoru podle vynálezu je uveden na Obr. 2. První blok 1_ je tvořen prvním operačním zesilovačem OA1, k jehož neinvertujícímu vstupu je připojen jeden konec prvního rezistoru R1, jehož druhý konec je spojen se * 4 · společným vodičem. K neinvertujícímu vstupu prvního operačního zesilovače OA1 je dále připojen jeden konec elektromechanického rezonátoru XI, jehož druhý konec je spojen s výstupem prvního operačního zesilovače OA1. K výstupu prvního operačního zesilovače OA1 jsou dále připojeny jeden konec pátého rezistoru R5, jeden konec výstupního fotorezistoru PR třetího bloku 3, jeden konec prvního kapacitoru C1 z druhého bloku 2 a jeden konec třetího kapacitoru C3. Třetí kapacitor C3 má druhý konec připojen k živé svorce výstupního napětí oscilátoru Vout.

K invertujícímu vstupu prvního operačního zesilovače OA1 je připojen jednak druhý konec pátého rezistoru R5, jednak druhý konec výstupního fotorezistoru PR třetího bloku 3 a jeden konec druhého rezistoru R2, jehož druhý konec je spojen se společným vodičem. Vysokoohmový pátý rezistor R5 slouží pouze k nastavení klidového pracovního bodu prvního operačního zesilovače OA1 při rozběhu oscilátoru, kdy je ještě třetí blok 3 mimo provoz, a jeho výstupní odpor tudíž může být příliš veliký.

První kapacitor C1 je vstupním kapacitorem druhého bloku 2, jeden jeho konec je, jak již bylo uvedeno, připojen k výstupu operačního zesilovače QA1 a jeho druhý konec vede ke spoji katody první diody D1 a anody druhé diody D2. Anoda první diody D1 je spojena se společným vodičem, katoda druhé diody D2 je vedena na spoj jednoho konce čtvrtého rezistoru R4 a neinvertujícího vstupu druhého operačního zesilovače OA2. Druhý konec čtvrtého rezistoru R4 je spojen se společným vodičem. K neinvertujícímu vstupu druhého operačního zesilovače OA2 je dále ještě připojen jeden konec druhého kapacitoru C2, jehož druhý konec je spojen se společným vodičem. První dioda D1 a druhá dioda D2 spolu s prvním kapacitorem C1 a druhým kapacitorem C2 tvoří klasický Delonův zdvojovač usměrňovaného napětí. Usměrněné napětí budí neinvertující vstupní svorku druhého operačního zesilovače 0A2, jehož výstup je veden na anodu luminiscenční diody LED v třetím bloku 3. Katoda diody LED je vedena na spoj jednoho konce třetího rezistoru R3, invertujícího vstupu druhého operačního zesilovače 0A2, jednoho konce rezistoru R3, jehož druhý konec je spojen se společným vodičem, a anody třetí diody D3. Třetí rezistor R3 tak pracuje jako bočník, jehož velikost určuje převodní konstantu stejnosměrného napětí na neinvertujícím vstupu druhého operačního zesilovače 0A2 na proud luminiscenční diody LED v třetím bloku 3. Třetí dioda D3 slouží jako zátěž výstupu druhého operačního zesilovače 0A2 při náhodném objevení záporného • 5 ‘ napětí na výstupu usměrňovače v době rozběhu obvodu a současně jako ochrana proti nežádoucímu přepólování luminiscenční diody LED, které by tím nastalo.

Rezistorová síť, skládající se z druhého rezistor R2 a paralelní kombinace pátého rezistoru R5 s fotorezistorem PR, nastavuje stupeň záporné zpětné vazby tak, aby vrcholové výstupní napětí vytvářených kmitů na výstupu prvního operačního zesilovače QA1 nepřekročilo hodnotu, určenou hodnotami druhého rezistoru R2 a třetího rezistoru R3, a prahovým napětím první diody D1 a druhé diody D2.

Průmyslová využitelnost

Adaptivní oscilátor řízený elektromechanickým rezonátorem podle předkládaného řešení nalezne své uplatnění v měřicí technice, v automatizačních soustavách, v senzorových aplikacích.

Claims

Adaptivní oscilátor řízený elektromechanickým rezonátorem, kde elektromechanický rezonátor (X1) je připojen mezi výstup a neinvertující vstup prvního operačního zesilovače (OA1), vyznačující se tím, že k neinvertujícímu vstupu je současně připojen ještě jeden konec prvního rezistoru (R1), jehož druhý konec je spojen se společným vodičem, a dále je k výstupu prvního operačního zesilovače (OA1) připojen jeden konec pátého rezistoru (R5), jeden konec fotorezistoru (PR), jeden konec prvního kapacitou (C1) a jeden konec třetího kapacitoru (C3), jehož druhý konec je spojen se živou svorkou výstupního napětí (V_out), přičemž druhý konec pátého rezistoru (R5) je spojen s invertujícím vstupem prvního operačního zesilovače (OA1), s nímž je spojen ještě jeden konec druhého rezistoru (R2), jehož druhý konec je spojen se společným vodičem, a dále je druhý konec prvního kapacitou (C1) spojen s katodou první diody (D1), jejíž anoda je spojena se společným vodičem, a zároveň i s anodou druhé diody (D2), jejíž katoda je spojena s neinvertujícím vstupem druhého operačního zesilovače (OA2), s jedním koncem čtvrtého rezistoru (R4) a s jedním koncem druhého kapacitoru (C2), kde druhý konec čtvrtého rezistoru (R4) i druhý konec druhého kapacitoru (C2) jsou spojeny se společným vodičem, přičemž výstup druhého operačního zesilovače (0A2) je spojen s anodou luminiscenční diody (LED) a s katodou třetí diody (D3), a katoda luminiscenční diody (LED), anoda třetí diody (D3) a jeden konec třetího rezistoru (R3) jsou spojeny s invertujícím vstupem druhého operačního zesilovače (0A2), a druhý konec třetího rezistoru (R3) a zemní svorka výstupního napětí V_out jsou spojeny se společným vodičem.