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


Рис, 3.6. Электронные схемы дифференциальных датчиков

тивности. Конденсатор включается, как правило, последовательно с резонатором. Увеличение емкости приводит к понижению частоты. Диапазон перестройки примерно равен межрезонансному промежутку ПР и для кварцевых резонаторов составляет около 0,05 % номинальной частоты. Когда требуется дистанционная установка нуля, в качестве подстроечной емкости удобно применять варикап, управляя им от источника напряжения, вынесенного из прибора.

Для формирования сигнала разностной частоты обычно прибегают к смешению двух частот на нелинейных элементах (диодах, транзисторах) с последующей фильтрацией низкочастотной составляющей спект-

ра. Иногда операция вьщеления разностной частоты осуществляется цифровыми методами на логических элементах.

Ддя надежной передачи на большие расстояния, упрощения ввода сигнала в блок цифровой обработки на выходе схемы, как правило, предусматривают мощный выходной формирователь ВФ, выдающий прямоугольные импульсы разностной частоты. Примеры практической реализации электронных узлов дифференциальных датчиков приведены на рис. 3.6. В схеме рис. 3.6, а применяются два генератора, ФСРЧ и выходной формирователь ВФ. Как видно, число компонентов электронной схемы превьпиает 20 элементов.

При выполнении такого узла на печатной плате ее размеры обычно составляют не менее 35x35 мм, что зачастую больше поперечных размеров датчика. Меньшим числом компонентов характеризуется схема двухмодового генератора (рис. 3.6, б), в котором два резонатора дифференциального датчика подключаются параллельно между земляной шиной и базой входного транзистора. В схеме обеспечивается одновременное возбуждение колебания двух пьезорезонаторов. Транзистор Vi работает в нелинейном режиме, в результате чего на сопротивлении /?з присутствует и компонент напряжения разностной частоты. Фильтр L1C2 настроен на выделение этой частоты с последующим усилением на транзисторах V2, V3. Использование схемы двухчастотного разностного генератора позволяет в 1,5-2 раза сократить число элементов в схеме датчиков и заметно уменьшить габаритные размеры.

Значительное уменьшение габаритных размеров достигается при реализации схем в гибридном варианте. Так, схема рис. 36, fl при выполнении в виде ГИС с резистивным слоем 500 Ом/П размещается на ситал-ловой подложке 20х30х 15 мм.

Для повьппения крутизны преобразования ПРД в схемы датчиков вводятся умножители частоты. В [95] приведена схема, в которой умножители частоты включены перед смесителем. В этом случае умножители вносят меньшую фазовую нестабильность в выходной сигнал, нежели при умножении сигнала разностной частоты.

в) Способы повышения температурной стабильности частоты автогенераторов

Для многих разновидностей частотных ПРД температурное воздействие - один из наиболее существенных дестабилизирующих факторов. Температурные погрешности нуля могут снижаться структурными и конструктивными методами [24], а также путем повышения температурной стабильности частоты автогенератора. Дестабилизирующее влияние температуры на частоту автогенератора может быть снижено выбором термостабильного пьезорезонатора, использованием цепей

Исключение составляют датчики температуры и ряд других преобразователей, для которых температура является полезным воздействием (см. гл. 4).



Рис. 3,7. Принципиальная схема термо-компенсированного автогенератора

термокомпенсации в автогенераторе или термостатированием схемы генератора.

Возможности снижения температурного дрейфа частоты за счет улучшения температурных характеристик резонатора, как будет показано в гл. 4, ограничены. Поэтому в случае построения генераторных ПРД на базе наиболее стабильных резонаторов нередко П{»1бегают к термокомпенсации или термостатированию схем.

Вопросы термокомпенсации кварцевых генераторов рассмотрены подробно в [39]. Наиболее распространенным в настоящее время является способ компенсации, основанный на подстройке частоты автогенератора при помощи емкости (обычно варикапа), значение которой регулируется зависимым от температуры управляющим напряжением. Последнее снимается с термозависимого потенциометра 7377 (рис. 3.7) или термозависимого моста, образованного комбинацией из резисторов и терморезисторов. Hpi помощи этого способа обеспечивается термокомпенсация при различных типах температурно-частотных характеристик пьезорезонаторов.

При цифровой термокомпенсации управляющее напряжение формируется на выходе цифро-аналогового преобразователя. Кодовые сигналы на его входе изменяются в соответствии с температурой, контролируемой встроенным термодатчиком. Каждому значению температуры соответствует код, записанный в ЗУ в процессе настройки генератора. Подобная схема позволяет обеспечить более высокий уровень термокомпенсации, однако это достигается увеличением сложности и объемов генератора и требует большего времени для температурной калибровки.

Таблица 3.1

схема автогенератора

Суммарный Потребляемая объем ухор частоты мощность, з Примечание

Д /, 10-6

Без термокомпенсации:

-55-Ь+105°С 25

-40-f-+90°C 15

О г+50°С 4

0,01 -0,05 3 -45

С аналоговой термокомпенсацией:

-55+105°С 0,5-10

-40-Ь+75°С 0.05-0.5

0-+50 °С 0,1-1

Выходная мощность генератора равна 1 мВт

0.035-0.1 15-45

Табл. 3.1 (продолжение)

Схема автогенератора

Суммарный Потребляемая уход частоты мощность, ДГ . 10-* Вт

Объем. „

3 Примечание

С цифровой термокомпенсацией:

-55-+105°С 0,5-5

-40-г+75°С 0,2-13

0-+50 °С 0,05-0,5

0,25-3

6-30

В термостате: -55-+75 °С -40-+75 °С 0-+50°С

0,01 -0,1 1-10 100-400 Для нижней

0,01 -0.1 рабочей темпе-

ратуры

В двойном термостате:

о-е-+50°с

0,001-0,0001 5-15

(1.5-3)х х10

Наиболее высокая стабильность частоты пьезорезонаторов обеспечивается пщ использовании термостатов, что определяет их широкое применение в стандартах частоты, прецизионных генераторах, цифровых частотомерах и т.д. Использование термостатов в пьезорезонатор-ных датчиках связано с существенным усложнением устройства, снижением надежности, увеличением массы, габаритных размеров, потребления энергии, а также с увеличением времени готовности прибора к работе. По указанным причинам термостаты используются преимущественно при построении наиболее высокоточных ПРД: переносных эталонах давлений [61] и акселерометрах. Некоторые представления об эксплуатационных параметрах кварцевых генераторов дает табл. 3.1.

3.4. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ НА БАЗЕ ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫХ ДАТЧИКОВ

Пьезорезонансные датчики гораздо чаще поставляются как неотъемлемая часть цифровой аппаратуры, нежели как самостоятельные изделия. В настоящее время накоплен значительный опыт в создании приборов с ПРД для самых различных применений: стационарного и переносного типа, лабораторных и для полевых условий, одно- и многоканальных, прецизионных и невысокой точности, с цифровой и стрелочной индикацией и т.д.

В подавляющем большинстве случаев ПРД являются датчиками с частотным выходом. Вопросам обработки частотных сигналов, построению измерительной аппаратуры с частотными датчиками посвящен ряд основополагающих работ [22, 23]. Около 10 лет назад вьпила книга



[28], посвященная рассмотрению вопросов построения щ1фровых измерительных приборов с пьезорезонансными датчиками температуры. Многие из положений, содержащихся в указанных работах, не утратили своей актуальности и по сей день. Вместе с тем за последние годы произошли существенные сдвиги в подходах к организации приборов и средств обработки измерительной информации. В первую очередь это связано с широким внедрением в приборостроении ЭВМ и микропроцессорной техники. Благодаря этому резко расширились функциональные возможности цифровых приборов, повысились их точность, быстродействие, снизились габаритные размеры, масса и энергопотребление. Предлагаемый ниже материал представляет собой краткое рассмотрение наиболее существенных особенностей современной измерительной аппаратуры с пьезорезонансными датчиками. Применения этой аппаратуры для решения конкретных задач рассмотрены в соответствующих разделах гл. 4-8.

а) Структуры измерительных приборов с пьезорезонансными датчиками

Контрольно-измерительная аппаратура с ПРД в подавляющем большинстве является цифровой. Это естественное следствие двух обстоятельств: доминирующей роли цифровых методов обработки информации и удобства цифрового преобразования частотных сигналов. В общем случае структура цифрового прибора с ПРД содержит блок преобразования частоты в код, блок цифровой индикации, а также вспомогательные узлы - источники питания, схемы автоматики, генератор опорной частоты и т.д. В многоканальных устройствах предусматривается коммутатор для последовательного опроса датчиков.

При использовании ПРД в системах регулирования нередко оказывается более удобным работать с сигналами тока или напряжения, а не частоты. В этом случае вместо преобразователей частота - код в структуру прибора вводится преобразователь частота -напряжение (ток). Современные интегральные схемы этих устройств обеспечивают достаточно высокие точности преобразования. Преобразование частоты в напряжение может выполняться и с помощью кварцевых частотных дискриминаторов, имеющих высокую крутизну преобразования (до нескольких вольт на герц при питании схемы напряжением около 10 В). Недостатком дискриминаторов является большая нелинейность, которая может достигать 10-20 %•

Блоки обработки информации с частотных ПРД ничем принципиально не отличаются от блоков, используемых в других датчиках с частотным выходом [22]. Высокая линейность, присущая многим типам ПРД, позволяет в ряде случаев упростить схемы измерительных приборов за счет исключения линеаризаторов.

ПРД применяются в системах телеметрии с передачей данных по радиоканалу. Структурная схема радиотелеметрического ПРД приведена

ФСРЧ

У¥

ФСРЧ

Рис. 3.8. Схемы измерительных устройств на основе ПРД

на рис. 38, а. В дифференциальной схеме измеряемое воздействие приложено к резонатору TZPi. Опорный резонатор TZPi используется, во-первых, в цепи формирования сигнала разностной частоты ФСРЧ, во-вторых, в качестве генератора несущей радиопередатчика. Амплитудная модуляция несущей частоты осуществляется сигналом разностной частоты с выхода ПРД [148].

В переносных n{»i6opax, выполненных на основе ПРД, измерение параметра производится нуль-методом (рис. 3.8, б). Меняющийся в функции параметра сигнал разностной частоты после усиления подводится в наушники Н, и оператор поворотом ручки подстроечного конденсатора Сп добивается снижения частоты биений до нуля. При этом по шкале, механически сочлененной с ручкой подстроечного конденсатора Сп и отградуированной в соответствующих единицах, производится измерение [18].

Хотя и сравнительно редко, измерительные устройства с пьезорезонансными датчиками строятся по схеме с обратной связью. Структура такого преобразователя приведена на рис. 3.9, а. Устройство выполнено по схеме преобразователя недокомпенсации. Пьезорезонатор ПР выполняет функции компаратора, непрерывно сравнивающего входное воздействие Лдх с сигналом обратной связи Xq.c- Выходной величиной служит сигнал в цепи обратной связи.

В ряде случаев пьезорезонансные датчики строятся по принципу систем с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ).

Одна из схем с ФАПЧ приведена на рис. 3.9, б.

Фазовый детектор ФД производит непрерывное сравнение фаз измерительного и опорного генераторов. На выходе детектора формируется напряжение С/фд, пропорциональное разности фаз (Ри~о- Это напряжение подается на варикап, обеспечивая перестройку частоты таким образом, чтобы в установившемся состоянии разность частот двух генераторов была сведена к нулю. При этом выходное напряжение диск1»1минатора пропорционально интегралу по времени от разности частот:

= фд (vh - Vo) = -фд / (f» - fo)dt. (3.7)



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



0.0008