Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [14] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

ные изменения частоты на уровне (Af/f) = 10". П{»1веденное значение является средним для различных групп ПРД. Если решается задача построения ПРД класса точности не ниже 0,01 (а такие задачи для ряда типов ПРД уже решены), то долговременная стабильность частоты генератора должна быть по крайней мере на уровне 10"*-10". Еаш же речь идет о построеши приборов с порогом чувствительности на уровне 10~* верхнего предела, то генератор должен обеспечивать кратковременную нестабильность не более 10~* -10".

Рассмотрим основные факторы, определяющие стабильность частоты на выходе автогенератора с пьезоэлектрической стабилизацией. На рис. 3.2, б представлена эквивалентная схема генератора, где для упрощения анализа исключена статическая емкость Со пьезорезонатора. Предположим, что усилитель обладает на частоте колебаний нулевым фазовым сдвигом и имеет стабильную амплитуду.

Возмущающие факторы, определяющие нестабильность частоты автогенераторов, можно разбить на две группы. К первой группе обычно относят факторы, определяющие долговременные изменения частоты. В их числе температурные, механические, электромагнитные, радиационные воздействия, вариации параметров окружающей среды, изменения питающего напряжения и другие факторы, приводящие к детерминированным вариациям параметров электронной схемьТ и пьезорезонатора. Ко второй группе дестабилизирующих факторов относятся шумы, вызывающие случайные флуктуации частоты автогенератора. Шумы в основном определяют так называемую кратковременную стабильность частоты. Применительно к ПРД долговременная стабильность характеризует дрейф нуля измерительного прибора, а кратковременная стабильность - его предельные возможности с точки зрения порога чувствительности.

Долговременная стабильность частоты. Медленные уходы частоты происходят в результате воздействия внешних факторов как на электронную схему, так и на пьезорезонатор.

Среди основных факторов, воздействующих на электронную схему, следует указать вариации температуры, питающего напряжения, а также естественное старение компонентов электронной схемы. В совокупности все указанные воздействия приводят к изменениям фазовой характеристики усилителя и, как следствие, к изменениям частоты автогенератора. Основными факторами, оказывающими воздействие на параметры пьезорезонаторов, являются вариации температуры пьезоэлемента и температурные градиенты в нем, изменения уровня возбуждения и естественное старение.

Для рассмотрения вопроса о влиянии пьезорезонаторов на долговременную стабильность частоты автоколебаний предположим, что в результате действия внешних факторов фаза усилителя изменилась на некоторую небольшую величину ДV

В соответствии с условием баланса фаз непрерывные колебания в

схеме автогенератора сохраняются только при условии, что фаза тока, проходящего через резонатор, изменится на

-ДПР = ДАГ

(3.2)

Изменения фазы Aipup будут сопровождаться изменениями рабочей частоты автоколебаний на Дсо. Для резонатора зависимость между приращениями частоты Дсо и фазы определяется соотношением

Aipnv = arctg

-2 Дсок

= arctg

2 Дсо

где Rc = Rk + Rbx + н; Qh = СОок/с

(3.3)

(3.4)

- добротность нагруженного резонатора.

При условии малых фазовых сдвигов вариация фазовой характеристики усилителя сопровождается изменениями частоты генерации, определяемыми по формуле

Дсо -tg(Ai/)Ar) -АГ 2Gh 2G„

(3.5)

Из анализа соотношения (3.5) следует, что для обеспечения высокой стабильности частоты автогенератора необходимо, во-первых, снижать фазовую нестабильность усилительных каскадов, а во-вторых, повышать добротность нагруженного резонатора.

С точки зрения повышения стабильности фазовой характеристики целесообразно использовать широкополосные усилители. Это требование практически удается выполнить только частично: из-за немоночас-тотного спектра резонатора в схеме с широкополосным усилителем создаются предпосйлки к генерации на нескольких частотах. Для исключения этого явления усилителю приходится придавать частотно-избирательные свойства.

Основной путь борьбы с нестабильностью частоты из-за дрейфа характеристик электронной схемы связан с повышением добротности пьезорезонатора. Следует, однако, четко представлять, что высокая добротность пьезорезонатора не может защитить автогенератор от дрейфа частоты, если источником ее нестабильности является сам пьезорезонатор. Из-за высокой стабилизирующей способности пьезорезонатора в схеме все изменения частоты резонатора в функции температуры, изменения окружающей среды, старения и тд. с высокой точностью воспроизводятся и на выходе автогенератора.

По этой причине наряду с требованием высокой добротности к пьезо-резонатору должны предъявляться и не менее важные требования к стабильности его частоты.



Кратковременная стабильность. Случайные флуктуации частоты (кратковременная нестабильность) автогенератора связаны с наличием шумов в схеме устройства. Практически наиболее существенны три основных источника шума [44]:

1) тепловой и дробовой шумы самого генератора, приводящие к возмущению частоты колебаний;

2) аддитивный шум во вспомогательных цепях (этот источник непосредственно на частоту генератора не влияет, но, суммируясь с основным сигналом, приводит к флуктуациям фазы на выходе схемы);

3) шум из-за флуктуации параметров компонентов схемы и пьезорезонатора.

В присутствии шумов мгновенное выходное напряжение автогенератора представляет векторную сумму, образованную сигналами несущей и помехи, и может характеризоваться мгновенной амплитудой U(t) и фазой ip(t). При цифровых измерениях средняя частота определяется по приращениям фазы за время между началом и концом измерения:

V(f l) - p(to)

/ср =- , (3.6)

ti - to

где to, ti - начало и конец измерений; ip(to) и >f(ti) - фазы напряжений в соответствующие моменты времени.

Момент начала измерений совершенно произволен, так что результаты измерений имеют некоторый разброс, причем флуктуации частоты вокруг среднего значения должны уменьшаться с увеличением времени выборки т = f 1 -fo- Анализ влияния времени выборки на кратковременную стабильность частоты показьшает, что для генераторов характер зависимости Д / от т имеет вид, аналогичный показанному на рис. 3.3. Максимальная кратковременная нестабильность наблюдается при малых значениях времени выборки. С ростом т уровень флуктуации постепенно снижается, достигая при некотором т предельных значений. Дальнейшее увеличение времени выборки уменьшения нестабильности не дает, так как общая нестабильность начинает расти из-за заметного влияния тех же дестабилизирующих воздействий, которые снижают и долговременную стабильность.

Как видно из рис. 3.3, кратковременная стабильность в области больших значений времени выборки может быть существенно повышена увеличением добротности пьезорезонатора. В области малых т повышение кратковременной стабильности достигается применением на выходе генератора узкополосного фильтра. Кратковременная стабильность повышается с уменьшением шумов источников питания, а также при использовании малошумящих активных приборов в усилителе, особенно в его входных каскадах. Снижение флуктуации обеспечивается и при уменьшении коэффициента усиления в прямой цепи генератора.

Рис. 3.3. Зависимость флуктуации частоты автогенератора от времени выборки Т:

1 - эффект увеличения добротности; 2 - эффект включения узкополосного фильтра на выходе автогенератора; 3 -эффект от увеличения коэффициента усиления усилителя; 4 - типичная характеристика

10 10-3

1 1 1

-5 ,п-2

10- 10

Зависимость, представленная на рис. 3.3, характеризует кратковременную стабильность частоты для генератора с прецизионным резонатором частотой 5 МГц. Дня генераторов других типов характер зависимостей Д / от т остается таким же, как и на рис 3.3, однако количественно флуктуации частоты различных схем автогенераторов могут значительно различаться.

3.3. АВТОГЕНЕРАТОРНЫЕ СХЕМЫ ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫХ ДАТЧИКОВ а) Общая характеристика

Насчитываются десятки различных типов генераторов с пьезоэлектрической стабилизацией, применяемых в современной радиоэлектронной аппаратуре. Значительная часть из них используется и в пьезорезонансных датчиках. В подавляющем большинстве случаев генераторы вьшолняются на основе биполярных и полевых транзисторов, реже -на туннельных диодах. Подробный анализ особенностей различных типов генераторов выходит за рамки настоящей работы. Вопросам проектирования этих схем посвящены многочисленные публикации и статьи [20,21,39,40].

В данном разделе дается краткая характеристика типовых решений автогенераторных схем, применяемых в ПРД.

При разработке датчиков к входящим в их состав автогенераторам предъявляется совокупность требований. Основными среди них обычно являются: малая временная и режимная нестабильность; низкое потребление; высокий уровень выходного сигнала; надежность возбуждения автоколебаний при изменении сопротивления резонатора в широких пределах; исключение паразитных колебаний; малый уровень выходных шумов; возможность работы с вынесенным на расстояние от нескольких метров до нескольких десятков метров пьезорезонатором; малые габаритные размеры и масса; возможность подстройки номинальной частоты генератора.

Наиболее распространенной является схема емкостной трехточки (рис. 3.4, а), в которой резонатор работает на частоте, близкой к час-




<


Рис. 3.4. Схемы генераторов:

a - емкостная трехточка; б-с кварцем в контуре; в - схема Батлера; г - схема Хегнера

тоте параллельного резонанса. Из схем последовательного резонанса чаше других используется схема Батлера (рис. 3.4, в), реже - схема Хегнера (рис. 3.4, г).

Для повышения чувствительности ПРД нередко применяют [126] возбуждение резонаторов на высигах гармониках. При использовании полевых транзисторов за счет большого входного сопротивления значительно уменьшается паразитное шунтирование резонатора и резко (до 100-1000 мкВт) снижается потребление генератора, что особенно важно при автономном питании датчиков. Малое потребление при малых габаритных размерах характерно и для автогенераторов на туннельных диодах.

В случаях, когда требования к стабильности частоты невысоки (10~ -10"*), можно применять автогенераторы, выполненные на логических элементах, характеризующиеся малыми габаритными размерами и надежностью.

Для возбуждения пьезорезонансных трех- и четырехполюсников успешно применяется схема Кэди [27].

В ряде практических случаев (высокие температуры, радиация) размещение электронного блока датчика в непосредственной близости от пьезорезонатора исключено. Здесь применяются схемы с согласующим коаксиальным кабелем. На рабочей частоте 10-15 МГц при длине кабеля 100-200 м обеспечивается кратковременная нестабильность не более 10"*. В подобных схемах особое внимание должно уделяться проблеме влияния температуры. Температурный дрейф электрических параметров кабеля, прежде всего его погонной емкости, приводит к дрейфу рабочей частоты. При возбуждении через коаксиальный кабель важно, чтобы в схеме генератора одна из выходных клемм резонатора была заземленной [40].

В ПРД повышенной точности стабильность характеристик в значительной степени определяется постоянством уровня рассеиваемой на пьезорезонаторе мощности. В этих случаях оправдано введение в схему цепей автоматического регулирования усиления (АРУ). Регулирование усиления обычно осуществляется либо за счет изменения режима усилителя, либо изменением его нагрузки.

6) Электронные схемы дифференциальных датчиков

Дифференциальная схема - наиболее распространенный вариант ПРД. Схема содержит два автогенератора и формирователь сигнала разностной частоты ФСРЧ. Измеряемое воздействие модулирует частоту либо одного из резонаторов, либо обоих. В последнем случае знаки изменения частот противоположны (рис. 3-5).

Использование дифференциальных схем позволяет значительно снизить погрешности нуля измерительного преобразователя. По сравнению с недифференциальной схемой аддитивные погрешности дифференциального ПРД уменьшаются на порядок и более.

В дифференциальной схеме с двумя перестраиваемыми резонаторами существенно увеличивается линейность преобразования. Применение дифференциальной схемы устраняет проблему передачи высокочастотных информационных сигналов по линиям связи: частота выходного сигнала дифференциальных ПРД лежит в пределах от нуля до десятков килогерц.

Современная технология обеспечивает настройку частоты пьезорезонаторов с точностью до единиц седьмого знака (около 1 Гц для резонаторов частотой 5 МГц). Реально начальная разностная частота двух автогенераторов AFi и АГ2 из-за неидентичности параметров, влияния дестабилизирующих факторов и других причин отличается от требуемой. В этом случае предусматривается установка нуля, которая производится при помощи подстроечного конденсатора или (реже) индук-

ФСРЧ

Рис. 3.5- Дифференциальная схема частотного пьезорезонансного датчика:

АГ - автогенератор; УЧ - умножитель частоты; ФСРЧ - формирователь сиг-вала разностной частоты; См - смеситель; ФНЧ - фильтр нижних частот; ВФ -выходной формирователь



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [14] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45



0.0061