DE2822309C2 - Meßeinrichtung zur Bestimmung der Resonanz- und Gegenresonanzfrequenz von Piezoresonatoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der Resonanz- und Gegenresonanzfrequenz von Piezoresonatoren, bei der der Ausgang eines Sinuswellengenerators mit gesteuerter Schwingungsfre-⁴⁵ quenz zum einen an den Eingang eines Frequenzmessers und zum anderen über ein «-Netzwerk aus Widerständen, an das der zu messende Resonator angeschlossen ist, und über einen Gleichrichter an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers angeschlossen ist, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Umschalter mit dem Ausgang einer Quelle für konstante Bezugsspannung und dessen Ausgang über einen Integrator mit dem gesteuerten Eingang des Sinuswellengenerators elektrisch verbunden ist.

Eine Meßeinrichtung dieser Art ist beispielsweise aus dem UdSSR-Erfinderschein 4 14 544 bekannt. Bei der dabei verwendeten Amplitudenmethode, wie sie auch in Technisches Messen, atm, 1978, Heft 2, Seiten 49-55 beschrieben ist, wird die Minimalimpedanzfrequenz bestimmt. Wie dort unter »Tendenzen der Quarzmeßtechnik« ausgeführt, konnte die vom schwedischen Komitee vorgeschlagene Schaltungsanordnung (Bild 15) aufgrund der kleinen Bandbreite der Frequenzregelschleife und wegen Genauigkeitsproblemen des Übertragungsverfahrens keine besondere Bedeutung erlangen.

In Meßeinrichtungen der eingangs erwähnten Art wird das am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ankommende Ausgangssignal von dem zu messenden Resonator mit einer dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers zugeführten konstanten Bezugsspannung verglichen. Werden diese Spannungen gleich, hört die Frequenzerhöhung des Sinuswellengenerators bei der Messung der Resonanzfrequenz des Resonators infolge einer Gegenkopplung vom Ausgang des Operationsverstärkers über den Integrator zum gesteuerten Eingang des djierators auf.

Ist die dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers zugeführte konstante Bezugsspannung mit der Ausgangsresonanzspannung des zu messenden, eine hohe Güte aufweisenden Piezoresonators vergleichbar, so kann bei der Frequenzmessung eines Resonators mit einer niedrigen Güte seine wahre Resonanzfrequenz nicht ermittelt v/erden. Dies ist der Fall, weil die Ausgangsresonanzspannung solch eines Resonators unterhalb der Bezugsspannung liegen kann. Bei Erreichen der Resonanzfrequenz ändert sich das Vorzeichen der Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers nicht, und die Generatorfrequenz wird weiter anwachsen.

Der Endwert der letzteren wird in diesem Fall nicht von der Resonanzfrequenz des zu messenden Resonators, sondern von der Spannungshöhe der Bezugsspannungsquelle bestimmt werden. Infolge dessen wird die Resonanzfrequenz des eine niedrige Güte aufweisenden Piezoresonators mit einem erheblichen Fehler gemessen.

Die bekannte Meßeinrichtung weist also einen großen Meßfehler bei der Messung der Resonanz- und der Gegenresonanzfrequenz von in ihrer Güte voneinander wesentlich abweichenden Piezoresonatoren auf. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der Resonanz- und Gegenresonanzfrequenz von Piezoresonatoren zu schaffen, in der durch die Einführung eines Rückkopplungskreises beim Operationsverstärker die erforderliche Meßgenauigkeit für die Resonanz- und die Gegenresonanzfrequenz von in dür Güte voneinander wesentlich abweichenden Piezoresonatoren gewährleistet ist.

Dies wird bei einer Meßeinrichtung der eingangs erwähnten Art erreicht, durch die im Anspruch gekennzeichneten Merkmale.

Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, die das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung zur Bestimmung der Resonanz- und Gegenresonanzfrequenz von Piezoresonatoren zeigt.

Die Meßeinrichtung zur Bestimmung der Resonanz- und Gegenresonanzfrequenz von Piezoresonatoren enthält einen Sinuswellengenerator 1 mit einer gesteuerten Schwingungsfrequenz, ein /r-Netzwerk 2 aus Widerständen zum Anschluß des zu messenden Resonators, dessen Eingang an den Ausgang des Generators 1 angeschlossen ist, und einen Gleichrichter 3, dessen Eingang mit dem Ausgang des π-Netzwerks 2 gekoppelt ist.

Die Meßeinrichtung enthält weiter einen Operationsverstärker 4, dessen invertierender Eingang 5 an den Ausgang des Gleichrichters 3 und dessen nichtinvertierender Eingang 6 über einen Umschalter 7 an eine Quelle 8 für konstante Bezugsspannung angeschlossen ist.

Die Meßeinrichtung weist einen integrator 9 auf, dessen Eingang an den Ausgang des Operationsverstärkers 4 angeschlossen und dessen Ausgang mit dem gesteuerten Eingang des Stnuswellengenerators 1 verbunden ist. Der Ausgang des Sinuswellengenerators

I ist auch mit dem Eingang eines Frequenzmessers 10 gekoppelt

Darüber hinaus enthält die Meßeinrichtung einen vor- und rückwärtszählenden Binärzähler 11, einen Digital-Analog-Wandler 12, dessen Eingänge mit den Ausgängen des Binärzählers 11 verbunden sind, eine Steuereinheit 13 für die Umschalteinrichtung des Binärzählers 11, eine elektronische Verzögerungsschaltung 14 in Form eines monostabilen Multivibrators und einen selbsterregten Rechteckimpulsgeiierator 15, in Form eines Multivibrators oder dergleichen.

Der Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 12 ist mit einem Kontakt 16 des Umschalters 7 verbunden, dessen Kontakt 17 an den Ausgang der Quelle 8 für konstante Bezugsspannung geschaltet ist

Die Ausgänge der als Trigger mit Schwellenwert- , schaltung am Eingang ausgeführten Steuereinheit 13 für die Umschaltcinrichtung sind an die Eingänge W und 19 des Binärzählers 11 angeschlossen. Der Einstelleingang 20 für den Anfangszustand des letzteren ist mit dem Ausgang der elektronischen Verzögerungsschaltung 14 verbunden, deren Eingang über den Umschalter 7 an den Ausgang der Quelle 8 für konstante Bezugsspannung angeschaltet ist Der Zähleingang 21 des Binärzählers 11 ist an den Ausgang des selbsterregten Rechteckimpulsgenerators 15 angeschlossen.

Die Meßeinrichtung zur Bestimmung der Resonanz- und die Gegenresonanzfrequenz von Piezoresonatoren arbeitet wie folgt:

Der zu messende Piezoresonator wird in eine Spannvorrichtung des »-Netzwerkes 2 eingebracht Der Umschalter 7 wird auf den Kontakt 17 geschaltet, und die Meßeinrichtung fängt an, sich in den Ausgangszustand einzustellen.

Hierbei wird dem nichtinvertierenden Eingang 6 des Operationsve-stärkers 4 von der Quelle 8 für konstante Bezugsspannung eine die Spannung am invertierenden Eingang 5 des Operationsverstärkers 4 wesentlich übersteigende Spannung negativer Polarität zugeführt Wegen einer geringen Spannung am Eingang des Integrators 9 lädt sich seine Kapazität auf eine minimale Spannung auf, während sich am Ausgang des gesteuerten Sinuswellengenerators 1 eine minimale Frequenz der Sinusschwingungen einstellt.

Gleichzeitig erscheint am Ausgang der elektronisehen Verzögerungsschalr.mg 14 beim Schließen des Kontakteä 17 ein Impuls negativer Polarität, nach dessen Eint::ffen am Eingang 20 des Binärzählers 11 sich der letztere in den Anfangszustand einstellt.

Ein in der Anfangsperiode am Eingang 18 des Zählers

II von einem der Ausgänge der Steuereinheit 13 für die Umschalteinrichtung ankommendes konstantes Signal stellt den Binärzähler 11 auf eine Additionsoperation ein.

Nach der Einstellung des Umschalters 7 für das Schließen des Kontaktes 16 wird vom Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 12 auf den nichtinvertierenden Eingang 6 des Operationsverstärkers 4 eine unterhalb der minimalen Resonanzspannung des zu messenden Resonators gewählte Anfangsspannung gegeben.

Diese Anfangsspatmung am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 12 wM während der Dauer des Impulses negativer Polarität am Ausgang der elektronischen Verzögerungsschaltung 14 aufrechterhalten.

In dieser Zeit lädt sich die Kapazität des Integrators 9 auf den Wert der Anfangsspannung auf, während die Schwingungsfrequenz des Sinuswellengenerators 1 ansteigt, wobei sie sich der Resonanzfrequenz des zu messenden Resonators nähert

Am invertierenden Eingang 5 des Operationsverstärkers 4 wird eine gleichgerichtete Spannung vom Ausgang des Gleichrichters 3 eingespeist

Sind die Spannungen an den beiden Eingängen 5 und 6 des Operationsverstärkers 4 gleich, hört die Frequenz des Sinuswellengenerators 1 anzusteigen auf und wird automatisch auf einem konstanten Niveau aufrechterhalten.

Falls sich die Schwingungsfrequenz des Sinuswellengenerators 1 in Richtung einer Verringerung oder Vergrößerung ändert, wird sich die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 4 stets in Gegenphase zur Änderung der Eingangsspannung ändern.

Die Dauer des vom Ausgang der elektronischen Verzögerungsschaltung 14 gelieferteu Impulses negativer Polarität ist größer als die Einsteüzeit für die Spannungsgleichheit an den Eingängen 5 und 6 des Operationsverstärkers 4 gewählt

Nach Abklingen des genannten Impulses wird der reversible, durch ein Signal am Eingang 18 für eine Additionsoperation eingestellte Binärzähler 11 betätigt

Die vom Ausgang des selbsterregten Rechteckinipulsgenerators 15 am Zähleingang 21 des Zählers 11 eintreffenden Impulse werden im letzteren summiert und den Eingängen des Digital-Analog-Wandlers 12 zugeführt

Am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 12 tritt eine aus der Anfangs- und einer Stufenspannung zusammengesetzte Spannung auf, wobei die letztere bei der Ankunft eines jeden Impulses am Zähleingang 21 des Zählers 11 um den Wert einer Stufe ansteigt.

Beim Spannungsanstieg am nichtinvertierenden Eingang 6 des Operationsverstärkers 4 um eine Stufe nimmt die Spannung am Ausgang des letzteren gleichfalls zu, was eine Erhöhung der Schwingungsfrequenz des Generators 1 bewirkt, wobei die einer Stufe entsprechende Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 4 keine Auslösung der Steuereinheit 13 für die Umschalteinrichtung des Binärzählers 11 hervorruft

Ist die wahre Resonanz noch nicht eingetreten, erscheint am invertierenden Eingang 5 des Operationsverstärkers 4 ebenfalls eine betragsmäßig einer Stufe gleiche Spannung, und die Ausgangsspannung des Verstärkers 4 wird erneut gleich Null.

Wenn bei einer fälligen Spannungsstufe am nichtinvertierenden Eingang 6 des Operationsverstärkers 4 die Ausgangsspannung des letzteren zum Nullwert nicht zurückkehrt, so zeigt dies, daß die wahre Resonanz passiert ist.

Die den zwei Spannungsstufen an den Eingängen 5 und 6 des Operationsverstärkers 4 entsprechende Ausgangsspannung des letzteren läßt die Steuereinheit 13 für die Umschalteinrichtung des Binärzählers 11 ansprechen.

Hierbei versehwindet das konstante Signal vom Eingang 18 des Binärzählers 11 und tritt an Jessen Eingang 19 auf, wodurch der Zähler 11 auf eine Subtraktionsoperation eingestellt wird.

Bei diesf.T Betriebsart wird der nächste am Eingang 21 des Zählers 11 ankommende Impuls von der Summe der vorher eingetroffenen Impulse abgezogen.

Die Summenspannung am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 12 nimmt bei der Ankunft eines jeden Impulses am Eingang 21 des Zählers 11 um den Wert einer Stufe ab.

Hierbei nimmt die Spannung am nichtinvertierenden Eingang 6 des Operationsverstärkers 4 erneut einen der wahren Resonanz des zu messenden Resonators entsprechenden Wert an, während die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 4 erneut gleich Null wird.

Nach Erreichen der wahren Resonanz vollziehen sich also »Schwingungen« um die Resonanzspannung um den Betrag einer Spannung. )e kleiner diese Stufe betragsmäßig ist. desto genauer wird die Resonanz des zu messenden Piezoresonators bestimmt.

Die Messung der Gegenresonanzfrequenz erfolgt analog zum oben Beschriebenen, nur wird der Wert der Anfangsspannung in diesem Betrieb maximal eingestellt, um im Anfangszustard eine für den betreffenden Bereich maximale Frequenz des Sinuswellengenerators 1 zu gewährleisten.

Die Resonanz- und die Gegenresonanzfrequenz des zu messenden Piezoresonators werden durch den Frequenzmesser 10 fixiert.

Die Anwendung der Meßeinrichtung zur Bestimmung de- Resonanz- und der Gegenresonanzfrequenz von piezokeramischen und Quarzresonatoren gestattet es, die erforderliche Genauigkeit bei der Ermittlung der Frequenz von nach der Güte voneinander wesentlich (um ein Vielfaches) abweichenden Resonatoren zu gewährleisten.

Der größte Nutzeffekt wird bei Ausnutzung dieser Meßeinrichtung im Montageverfahren für einige Typen von Band- und Sperrfiltern in Brücken- oder Kettenschaltung erbracht.

Ein minimaler Fehler bei der Frequenzmessung der Resonatoren mit verschiedenen Gütezahlen ist durch Einführung des vor- und rückwärtszählenden Binärzählers 11 mit dem Digital-Analog-Wandler 12 in den Rückkopplungski is des Operationsverstärkers 4 erreicht worden. Dies erlaubt es. eine stufenweise Annäherung an die wahre Resonanzfrequenz zu sichern.

Indem die Stellenzahl des Binärzählers 11 vergrößert wird, kann die Höhe der Stufe derart gewählt werden, daß minimale Meßfehler bei der Frequenzmessung an Resonatoren mit einer minimal zulässigen Güte und mit einer hohen Güte gesichert werden.

Dies trägt zur Erhöhung des Ausstoßes von aus Piezoresonatoren zusammengesetzten brauchbaren Filtern, zur Erhöhung der Einhaltung der Kenndaten der Filter sowie zur Reduzierung der Anzahl von Filtergliedern bei. ohne daß deren elektrische Parameter beeinträchtigt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Meßeinricntung zur Bestimmung der Rcsonanz- und Gegenresonanzfrequenz von Piezoresonatoren, bei der der Ausgang eines Sinuswellengenerators (t) mit gesteuerter Schwingungsfrequenz zum einen an den Eingang eines Frequenzmessers (10) und zum anderen über ein jr-Netzwerk (2) aus Widerständen, an das der zu messende Resonator angeschlossen ist, und über einen Gleichrichter (3) an den invertierenden Eingang (5) eines Operationsverstärkers (4) angeschlossen ist, dessen nichtinvertierender Eingang (6) über einen Umschalter (7) mit dem Ausgang (17) einer Quelle (8) für konstante Bezugsspannung und dessen Ausgang über einen Integrator (9) mit dem gesteuerten Eingang des Sinuswellengenerators (1) elektrisch verbunden ist, gekennzeichnet durch einen vor- und rückwärtslaufenden Binärzähler (11), einen Digital-Analog-Wandler (12), an dessen Eingänge die Ausgänge des Binärzählers (11) angeschlossen sind und dessen Ausgang über den Umschalter (7) mit dem nichtinvertierenden Eingang (6) des Operationsverstärkers (4) verbunden ist, eine Steuereinheit (13) für die Umschalteinrichtung des Binärzählers (11), deren Ausgänge mit den Eingängen (18 und S9) des genannten Zählers (11) verbunden sind und deren Eingang an den Ausgang des Operationsverstärkers (4) angeschlossen ist, eine elektronische Verzögerungsschaltung (14), deren Eingang über den Umschalter (7) an den Ausgang der Quelle (8) für konstante Bezugsspannung ange?dilossen und deren Ausgang mit dem Einstelleingang (20) für den Anfangszustand des Binärzählers (11) verbunden ist, und einen selbsterregten Rechteckimpulsgenerator (15) wie Multivibrator, dessen Ausgang an den Zähleingang (21) des Binärzählers (11) angeschlossen ist.