RU2725311C1 - Генератор - Google Patents
Генератор Download PDFInfo
- Publication number
- RU2725311C1 RU2725311C1 RU2019129778A RU2019129778A RU2725311C1 RU 2725311 C1 RU2725311 C1 RU 2725311C1 RU 2019129778 A RU2019129778 A RU 2019129778A RU 2019129778 A RU2019129778 A RU 2019129778A RU 2725311 C1 RU2725311 C1 RU 2725311C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- inverting amplifier
- quartz resonator
- resistor
- frequency
- Prior art date
Links
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 39
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 39
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 7
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
- H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
- H03B5/30—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
- H03B5/32—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator
- H03B5/36—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator active element in amplifier being semiconductor device
Landscapes
- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами, в частности в пьезорезонансных датчиках. Технический результат заключается в возможности установки фиксированного уровня амплитуды напряжения, подаваемого на частотозадающий кварцевый резонатор, и при этом обеспечивается точная корректировка частоты генерации и не происходит изменения уровня заданной амплитуды напряжения, что обеспечивает повышение устойчивости и стабильности частоты генерации. Такой результат достигается за счет генератора, содержащего инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен через конденсатор с выходом инвертирующего усилителя, вход которого через второй резистор соединен со вторым выводом кварцевого резонатора, последовательно соединенные второй инвертирующий усилитель, первый фазовый корректор, неинвертирующий усилитель и второй фазовый корректор, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора, первый вывод которого соединен с входом второго инвертирующего усилителя и через третий резистор с его выходом, выход неинвертирующего усилителя является выходом устройства. 2 ил.
Description
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для генерации электрических сигналов, стабилизированных электромеханическими резонаторами, в частности в пьезорезонансных датчиках.
Известен кварцевый генератор (см. патент РФ №2450415 от 11.03.2011, опубликован 10.05.2012 в Бюл. №13), содержащий инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен через конденсатор с выходом инвертирующего усилителя, вход которого через второй резистор соединен со вторым выводом кварцевого резонатора.
Указанное выше устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая стабильность работы из-за отсутствия возможности точной установки значения амлитуды напряжения, необходимого для работы некоторых типов электромеханических частотозадающих кварцевых резонаторов и также отсутствие точной подстройки частоты генератора к частоте последовательного резонанса самого кварцевого резонатора, что влияет непосредственно на стабильность работы генератора.
Решаемой задачей является создание генератора с частотозадающим кварцевым резонатором с повышенной стабильностью частоты генерации.
Достигаемым техническим результатом является возможность установки фиксированного уровня амплитуды напряжения, подаваемого на частотозадающий кварцевый резонатор и, при этом, обеспечивается точная корректировка частоты генерации и не происходит изменения уровня заданной амплитуды напряжения, что обеспечивает повышение устойчивости и стабильности частоты генерации.
Для достижения технического результата в генераторе, содержащем инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен через конденсатор с выходом инвертирующего усилителя, вход которого через второй резистор соединен со вторым выводом кварцевого резонатора, новым является то, что дополнительно введены последовательно соединенные второй инвертирующий усилитель, первый фазовый корректор, неинвертирующий усилитель и второй фазовый корректор, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора, первый вывод которого соединен со входом второго инвертирующего усилителя и через третий резистор с его выходом, выход неинвертирующего усилителя является выходом устройства.
Стабилизация частоты в предлагаемом генераторе достигается за счет применения первого фазового корректора, включенного на входе неинвертирующего усилителя, с помощью которого можно проводить подстройку частоты генерации к резонансной частоте кварцевого резонатора. При помощи второго фазового корректора задается фиксированное определенное значение амплитуды напряжения, подаваемого на кварцевый резонатор, и при этом создается определенный фазовый сдвиг в контуре положительной обратной связи генератора, который может сдвигать частоту автогенерации на выходе генератора на край границы резонансного участка кварцевого резонатора, что в результате может привести к срыву генерации, например, при действии внешних воздействующих факторов (изменения температуры окружающей среды, изменения напряжения питания и т.д.).
На фигуре 1 приведена функциональная схема предлагаемого генератора. На фигуре 2 представлена эквивалентная схема кварцевого резонатора.
Генератор содержит инвертирующий усилитель 1, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор 2, кварцевый резонатор 3, первый вывод которого соединен через конденсатор 4 с выходом инвертирующего усилителя 1, вход которого через второй резистор 5 соединен со вторым выводом кварцевого резонатора 3, последовательно соединенные второй инвертирующий усилитель 6, первый фазовый корректор 7, неинвертирующий усилитель 8 и второй фазовый корректор 9, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора 3, первый вывод которого соединен со входом второго инвертирующего усилителя 6 и через третий резистор 10 с его выходом, выход неинвертирующего усилителя 8 является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом. Участок схемы "А - вход второго инвертирующего усилителя 6", состоящей из второго резистора 5, инвертирующего усилителя 1, первого резистора 2, конденсатора 4, предназначен для нейтрализации статической емкости С0 резонатора 3 аналогично прототипу.
В случае, когда импеданс кварцевого резонатора 3 ZK и компенсирующего конденсатора 4 много больше входного сопротивления второго инвертирующего усилителя 6 (ZK >> Zвх; ZC1 >> Zвх) ток, протекающий через кварцевый резонатор 3 IK определяется суммой двух составляющих:
где UA - переменное напряжение, приложенное к кварцевому резонатору 3 (точка схемы А);
ZK - импеданс резонансной ветви кварцевого резонатора 3;
ZC0 - импеданс ветви со статической емкостью кварцевого резонатора 3;
ZC1 - импеданс конденсатора 4;
RK, LK, CK - эквивалентные параметры кварцевого резонатора 3 (см. фиг. 2).
Составляющая тока кварцевого резонатора 3, обусловленная его статической емкостью С0, уменьшает реальную добротность и крутизну фазочастотной характеристики резонатора и, соответственно, ухудшает стабильность частоты генератора. Наиболее сильное негативное влияние емкостного тока кварцевого резонатора 3 на стабильность частоты генератора проявляется в случаях, когда составляющие емкостного тока ωC0UA и резонансного тока имеют соизмеримые значения.
Ток, протекающий через конденсатор 4 определяется выражением:
где С1 - значение емкости конденсатора 4 (см. фиг. 1);
UУС1 - переменное напряжение на выходе инвертирующего усилителя 1.
Условие (5) выполняется, когда импеданс конденсатора 4 ZC1 много больше выходного сопротивления инвертирующего усилителя 1 (ZC1>>Zвых_инв).
Напряжение на выходе инвертирующего усилителя 1, обусловленное протеканием тока через второй резистор 5 (R2), равно произведению значения сопротивления первого резистора 2 (R1) обратной связи на значение входного тока, равного UA/R2 (свойство инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления K>>1 с отрицательной обратной связью):
где R1 - значение сопротивления первого резистора 2;
R2 - значение сопротивления второго резистора 5.
Знак "минус" в выражении (6) определяет инверсию сигнала на выходе усилителя.
Таким образом, коэффициент передачи участка схемы "А - выход первого инвертирующего усилителя 1" определяется отношением и выражение (5) можно записать в виде:
Условие компенсации шунтирующего влияния статической емкости можно определить из суммы токов, протекающих через статическую емкость С0 резонатора и конденсатор 4, соответственно:
или
Напряжение на выходе второго инвертирующего усилителя определяется выражением с учетом (1), (2), (4)
где R3 - сопротивление третьего резистора 10.
При этом, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя 2 должен быть много больше 1. Знак "минус" в выражении (11) определяет инверсию усиливаемого сигнала.
При выполнении условия (10), составляющие напряжения, определяемые токами статической емкости кварцевого резонатора 1 и компенсирующего конденсатора 5 нейтрализуют друг друга выражение (12) можно записать в виде
Коэффициент передачи участка "А - выход второго инвертирующего усилителя 6" равен:
Коэффициент передачи K1 будет иметь максимальное значение на частоте, равной резонансной частоте Fрез кварцевого резонатора 3, для которой ZK=RK
Коэффициент передачи K1max будет иметь значение равное - (0,2÷10,0) с учетом параметров кварцевого резонатора 3 и значения сопротивления третьего резистора 10.
Устойчивая работа генератора обеспечивается выполнением двух условий:
- условие баланса амплитуд, при котором коэффициент передачи неискаженного сигнала в контуре положительной обратной связи K∑ генератора должен быть больше 1;
- условие баланса фаз, при котором суммарный фазовый сдвиг равен или кратен 2π:
где KΣ - суммарный коэффициент передачи;
Ki, Kn - коэффициенты передачи i-го и n-го звена в контуре положительной обратной связи соответственно;
ϕi - фазовый сдвиг, вносимый i-м звеном в контуре обратной связи на частоте генерации.
В предлагаемом генераторе условно можно выделить четыре звена, определяющих суммарный коэффициент передачи KΣ и условие баланса фаз.
Первое звено располагается между вторым выводом кварцевого резонатора 3 (точка схемы А, фиг. 1) и входом первого фазового корректора 7; его коэффициент передачи на резонансной частоте кварцевого резонатора 3 определяется выражением (15) со значением 0,2÷10,0 и фазовый сдвиг ϕ1 близок к значению равному π (180°).
Вторым звеном является первый фазовый корректор 7, который создает некоторый фазовый сдвиг ϕ2, который обеспечивает подстройку частоты генерации к резонансной частоте частотозадающего элемента - кварцевого резонатора 3.
Третьим звеном является неинвертирующий усилитель 8, его коэффициент передачи зависит от выбранного схемотехнического варианта, а фазовый сдвиг ϕ3 близок к значению равному π (180°).
Четвертым звеном является второй фазовый корректор 9, при помощи которого в контуре положительной обратной связи достигается фазовый сдвиг для обеспечения условия (16). Второй фазовый корректор 9 может быть выполнен с использованием нескольких звеньев интегрирующих RC-цепочек, что позволяет подавить высшие гармоники в спектре сигнала, подаваемого на кварцевый резонатор 3, и обеспечить работоспособность на его основной резонансной частоте.
Процесс установления колебаний генератора начинается с очень малых амплитуд с синусоидальной неискаженной формой выходных сигналов и заканчивается ограничением в последнем каскаде неинвертирующего усилителя 8 до амплитуды 0,5⋅Uпит.
Настройка заявляемого генератора сводится к выбору значения емкости конденсатора для выполнения условия (10) на частоте вдали от резонанса, далее при помощи второго фазового корректора 9 задается необходимая амплитуда напряжения, и при этом в контуре положительной обратной связи устанавливается фазовый сдвиг достаточный для выполнения условия (16).
Далее, при необходимости, при помощи первого фазового корректора 9 осуществляется более точная подстройка выходной частоты генератора на резонансную частоту частотозадающего элемента - кварцевого резонатора 3.
Первый фазовый корректор 7 может быть выполнен в виде дифференцирующей RC-цепочки и, например, при помощи выбора значения емкости конденсатора выполняется необходимая подстройка вблизи частоты резонанса кварцевого резонатора 3.
Необходимое время готовности (время выхода на рабочий режим) генератора достигается выбором коэффициента передачи неинвертирующего усилителя 8.
Таким образом, применение двух фазовых корректоров на отдельных участках контура положительной обратной связи заявляемого генератора позволяет добиться обеспечения амплитуды напряжения, необходимой для работы некоторых видов электромеханических кварцевых резонаторов и построенных на них измерительных преобразователей и одновременно выполнить точную настройку схемы генератора непосредственно на их резонансную частоту.
Согласно предлагаемому изобретению изготовлены макетные образцы генераторов, испытания которых подтвердили их работоспособность и эффективность.
Claims (1)
- Генератор, содержащий инвертирующий усилитель, вход и выход которого соединены между собой через первый резистор, кварцевый резонатор, первый вывод которого соединен через конденсатор с выходом инвертирующего усилителя, вход которого через второй резистор соединен со вторым выводом кварцевого резонатора, отличающийся тем, что дополнительно введены последовательно соединенные второй инвертирующий усилитель, первый фазовый корректор, неинвертирующий усилитель и второй фазовый корректор, выход которого соединен со вторым выводом кварцевого резонатора, первый вывод которого соединен с входом второго инвертирующего усилителя и через третий резистор с его выходом, выход неинвертирующего усилителя является выходом устройства.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019129778A RU2725311C1 (ru) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | Генератор |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019129778A RU2725311C1 (ru) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | Генератор |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2725311C1 true RU2725311C1 (ru) | 2020-06-30 |
Family
ID=71510324
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019129778A RU2725311C1 (ru) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | Генератор |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2725311C1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3836873A (en) * | 1973-07-02 | 1974-09-17 | Westinghouse Electric Corp | Low noise vhf crystal harmonic oscillator |
US7468620B2 (en) * | 2006-08-07 | 2008-12-23 | United Microelectronics Corp. | Frequency generator apparatus and control circuit thereof |
RU2450416C1 (ru) * | 2011-03-11 | 2012-05-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" | Кварцевый генератор |
RU2450415C1 (ru) * | 2011-03-11 | 2012-05-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" | Кварцевый генератор |
RU127551U1 (ru) * | 2012-11-16 | 2013-04-27 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Алмаз-Фазотрон" | Кварцевый генератор |
-
2019
- 2019-09-20 RU RU2019129778A patent/RU2725311C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3836873A (en) * | 1973-07-02 | 1974-09-17 | Westinghouse Electric Corp | Low noise vhf crystal harmonic oscillator |
US7468620B2 (en) * | 2006-08-07 | 2008-12-23 | United Microelectronics Corp. | Frequency generator apparatus and control circuit thereof |
RU2450416C1 (ru) * | 2011-03-11 | 2012-05-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" | Кварцевый генератор |
RU2450415C1 (ru) * | 2011-03-11 | 2012-05-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" | Кварцевый генератор |
RU127551U1 (ru) * | 2012-11-16 | 2013-04-27 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Алмаз-Фазотрон" | Кварцевый генератор |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4939714B2 (ja) | 実質的に温度に依存しない周波数を有する信号を生成するためのデバイス | |
KR100759641B1 (ko) | 온도 보상형 압전 발진기 | |
US8994465B1 (en) | Phase noise reduction control loop for oscillators using nonlinear resonator operation | |
JP2012178819A (ja) | 圧電発振器 | |
KR101900247B1 (ko) | 주파수 오차 보상 루프를 이용한 직교 위상 이완 발진기 | |
RU2450416C1 (ru) | Кварцевый генератор | |
RU2707394C2 (ru) | Генератор | |
RU2496192C2 (ru) | Способ генерации и частотной модуляции высокочастотных сигналов и устройство его реализации | |
RU2450415C1 (ru) | Кварцевый генератор | |
RU2725311C1 (ru) | Генератор | |
CN110798148A (zh) | 一种模拟式抗振晶体振荡器补偿装置及方法 | |
RU2486639C1 (ru) | Способ генерации и частотной модуляции высокочастотных сигналов и устройство его реализации | |
JP2008311884A (ja) | 発振周波数制御方法及び発振器 | |
JP3900911B2 (ja) | 発振回路および電子機器 | |
RU2531871C1 (ru) | Кварцевый генератор | |
RU2301491C1 (ru) | Кварцевый генератор | |
RU2523945C1 (ru) | Кварцевый генератор | |
Chang et al. | Nonlinear UHF quartz MEMS oscillator with phase noise reduction | |
RU2429556C1 (ru) | Генератор | |
RU2619714C1 (ru) | Генератор | |
RU2298279C1 (ru) | Генератор, управляемый напряжением | |
RU2595571C2 (ru) | Способ генерации и частотной модуляции высокочастотных сигналов и устройство его реализации | |
RU2490779C1 (ru) | Генератор | |
US6819188B2 (en) | Phase-locked loop oscillator with loop gain compensation | |
RU2066064C1 (ru) | Способ стабилизации выходного напряжения пьезотрансформатора |