CZ304235B6

CZ304235B6 - Oscilátor řízený elektromechanickým rezonátorem

Info

Publication number: CZ304235B6
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: CZ201325A3

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

Oscilátor řízený elektromechanickým rezonátorem

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 ktomu, 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 X_a, tvořené kapacitory C_b a C_£. Elektromechanický rezonátor X_a je zapojen mezi kolektor a bázi zesilovacího tranzistoru Qa, jehož klidový pracovní bod je nastaven klasickým způsobem pomocí rezistoru R_b mezi bází a sběrnicí napájecího napětí Vnn, přičemž kolektor je z hlediska signálu oddělen od společného vodiče rezistorem R^ Výstupní signál Vout se zpravidla odebírá z kolektoru prostřednictvím vazebního kapacitoru Cg. Obdobné zapojení je samozřejmě možné realizovat i s unipolámími 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 kjeho přetížení nadměrnou amplitudou kmitů.

Podstata vynálezu

Výše popsané nevýhody dosud běžných řešení elektromechanickým rezonátorem řízených oscilátorů odstraňuje obvod podle předkládaného 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

- 1 CZ 304235 B6 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.

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.

Přehled obrázků na výkrese

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.

Příklad uskutečnění vynálezu

Předkládané řešení oscilátoru řízeného elektromechanickým rezonátorem XI je tvořeno prvním blokem 1, obsahujícím první operační zesilovač OA1, v němž je kladná zpětná vazba pro vytvoření autonomních oscilací zprostředkována elektromechanickým rezonátorem XI. Střídavé výstupní napětí bloku I 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 I, ve kterém představuje větev proměnné záporné zpětné vazby. Tím se dosahuje toho, že vnější zesílení prvního operačního zesilovače QA1 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 V_()1!l na odpor výstupního fotorezistoru PR třetího bloku 3, v širokém rozmezí jen málo závislou na vlastnostech elektromechanického rezonátoru XJLPříklad řešení obvodu oscilátoru podle vynálezu je uveden na Obr, 2. První blok I je tvořen prvním operačním zesilovačem OA1. k jehož neinvertujícímu vstupuje připojen jeden konec prvního rezistoru Rd, jehož druhý konec je spojen se 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 QA1 jsou dále připojeny jeden konec pátého rezistoru R5, jeden konec výstupního fotorezistoru PR třetího bloku 3, jeden konec prvního kapacitoru Cl z druhého bloku 2 a jeden konec třetího kapacitoru C3. Třetí kapacitor C3 má druhý konec připojen k živé svorce výstupního napětí oscilátoru VoutK invertujícímu vstupu prvního operačního zesilovače QA1 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 QA1 při rozběhu oscilátoru, kdy je ještě třetí blok 3 mimo provoz, a jeho výstupní odpor tudíž může být příliš velký.

-2CZ 304235 B6

První kapacitor Cl je vstupním kapacitorem druhého bloku 2, jeden jeho konec je, jak již bylo uvedeno, připojen k výstupu operačního zesilovače OA1 a jeho druhý konec vede ke spoji katody první diody Dl a anody druhé diody D2. Anoda první diody Dl 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 Dl a druhá dioda D2 spolu s prvním kapacitorem Cl a druhým kapacitorem C2 tvoří klasický Delonův zdvojovač usměrňovaného napětí. Usměrněné napětí budí neinvertující vstupní svorku druhého operačního zesilovače QA2, 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 OA2, 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 OA2 na proud luminiscenční diody LED v třetím bloku 3. Třetí dioda D3 slouží jako zátěž výstupu druhého operačního zesilovače OA2 při náhodném objevení záporného 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 Dl 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

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Adaptivní oscilátor řízený elektromechanickým rezonátorem, kde elektromechanický rezonátor (XI) je připojen mezi výstup a neinvertující vstup prvního operačního zesilovače (OA1), vyznačující se tím, žek neinvertujícímu vstupu je současně připojen ještě jeden konec prvního rezistoru (Rl), 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 kapacitoru (Cl) 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 kapacitoru (Cl) spojen s katodou první diody (Dl), 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 (OA2) 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 operační-3 CZ 304235 B6 ho zesilovače (OA2), a druhý konec třetího rezistoru (R3) a zemní svorka výstupního napětí (V_out) jsou spojeny se společným vodičem.