Преобразователь температуры в частоту

 

Изобретение касается температурных измерений и позволяет повысить чувствительность преобразователя. На вход делителя 2 частоты поступает двухчастотный сигнал с частотами fi и fa, формируемый двухчзстотным термозависимым кварцевым генератором , включающим транзистор 5, конденсаторы 6-10, варикап 11, резисторы 12-21, два пьезокварцевых резонатора 17, 18, С-цепь 19,20, На выходе фазо вого детектора 3 формируется сигнал, поступающий на варикап 11 для синфазной перестройки частот fi и fi. Колебание разностной частоты , однозначно связанной с преобразуемой температурой, выделяется с помощью фильтра 4 нижних частот, 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

союз советских социАлистических

РЕСПУБЛИК

r l}s С 01 К 7/32 г

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3860177/10 (22) 25.02.85 (46) 07.12.91, Бюл, М 45 (71) Харьковский авиационный институт им.

Н,Е. Жуковского (72) В.Я. Баржин, В.Ф. Солодовник, В.А, Шевелев и M.È. Чебан (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Мт 834409„кл, 6 0; К7/32,,1979.

Авторское свидетельство СССР

М 1654680, кл. G 01 К 7/32, 1984, {54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ

В ЧАСТОТУ. Ж 1696905 A l (57) Изобретение касается температурных измерений и позволяет повысить чувствительность преобразователя. На вход делителя 2 частоты поступает двухчастотный сигнал с частотами fi и f2, формируемый двухчастотным термозависимым кварцевым генератором, включающим транзистор 5, конденсаторы 6 — 10, варикап 11. резисторы

12-21, два пьезокварцевых резонатора 17, 18, С-цепь 19,20. На выходе фазового детектора 3 формируется сигнал, поступающий на варикап 11 для синфазной перестройки частот f; и fz, Колебание разностной частоты, однозначно связанной с преобразуемой температурой, выделяется с помощью фильi-ра 4 HM)KHHX частот. 1 з.п. ф-Rbt, 1 Mil.

1696905

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к преобразователям температуры с пьезокварцевыми термочувствительными резонаторами, и может быть использовано в системах термостатирования и измерительных преобразователях температуры, Целью изобретения является повышение чувствительности преобразователя, На чертеже приведена схема преобразователя температуры в частоту.

Преобразователь температуры в частоту содержит двухчастотный кварцевый генератор 1, делитель 2 частоты, например триггерный, фазовый детектор 3 и фильтр 4 низкой частоты. Кварцевый генератор содержит транзистор 5, конденсаторы 6 — 10, варикап 11, резисторы 12 и 13, резистивный делитель напряжения на резисторах 14 и 15, первый дополнительный резистор 16, два термочувствител ьных и ьезокварцевых резонатора 17 и 18, 1 С-цепь, состоящую из конденсатора 19 и индуктивности 20, второй дополнительный резистор 21, источник

22 питания, первый вывод 23 которого соединен с коллектором транзистора 5. Конденсаторы 6 и 7, включенные между базой и змиттером транзистора 5, а также между коллектором и змиттером соответственно, являются конденсаторами связи емкостной трехточечной схемы кварцевого генератора

1. Резистор 13, включенный между эмиттером транзистора 5 и вторым выводом 23 источника 22 питания, представляет собой активную нагрузку, обеспечивающую режим работы транзистора 5 по постоянному току.

Резистивный делитель напряжения источника питания базовой цепи транзистора 5, состоящий из резисторов 12, 15 v: 14, Обеспечивает режим работы транзистора по напряжению, Последовательная 1 С-цепь, состоящая из конденсатора 19 и индуктивности 20, вместе с резистором 15, Включенная на входе транзистора 5, является цепью обеспечения устойчивости двухчастотных колебаний кварцевого генератора, выполняющего функцию разрыва кольца обратной сВЯзи Для наиболее интенсивноГО комбинационного колебания разностной частоты fp =f2 — f1, где f1, f2 — частоты колебаний кварцевого генератора.

Резистор 15 необходим для расширения полосы пропускания LC-цепи. Конденсатор 8, Вклк)ченный между вторым 2 и первым выводом 23 источника 22 питания. является блокировочным и обеспечивает малое сопротивление источника питания по высокой частоте. Конденса-оры 9 и 10, включенные последовательно с кварцевь ми резона орами 17 и 18 соответственно, необходимы для обеспе-Ipíèÿ (путем их подстройки) требуемого коэффициен а взаимосвязиД и его неиз енности в широ5 ком диапазоне управления,й =- const. Raрикап 11 предназначен для синфазного управления частотами fl и fz ГенepaTopa.

Резистор 21, включенный последовательно с кварцевым резонагором 18, по10 зволяет обеспечивать различие амплитуд

А1, А2 колебаний lacToT f1 и f2 1A1>Az), .l ro необходимо для того, чтобГЯ триггерный делитель 2 из .ло>кнcгo двухчастотного сигнала. имеющегося на выходе генератора 1. позволил без дополнительНОГО фИЛЬтРа ПОЛУЧИТЬ На Его ВЬ.ХОДЕ ПРИ 1 времени: среднения т = - - - ...o ic6aние р

f11 N, где N — козффицие> т делени--",, Фильтр 4., состоящий из пос>.едовате >ьно соединенных резистора 25 и емкости 26 и включенный между aмиттероM транзистора и общей шиной, представляет собой Г-образный фильтр нижни", час>от, предназначенный для выделения колебаниЙ разностной частоты р = fz f l из спектра генерируемого двухчастотн ым генератором сигнала, Резистор 1 6, подкл ю lGHHbi Yi к ьарик;» и /

11, является разделительным. Обеспечлвает подачу напряжения уп .>авления с гыхода фазового детектора 3 í: Вари:ап и предот" вращает шунтирование емкости сарикапа низкиM сОпро ГиВлением ис Гочника l Ãlpaвля ющего сигнала, В термозависимом кварцевом Генераторе, выполненном двухчастотным, Возбуждаются два колебания частот ц.

Двухчастотный кварцевый генератор явля40 ется многовы>;одным устройством и в =-«a-висимости от места подключения Выходной нагрузки В схему генератора мо>ке) обеспечить на нагрузке различный спектр колеба ний с преобладанием по иHTPHcèaHoctiè каждого из основных (кварцованных) частот

11или fzi двух основных колебаний ча:" oT

f1 и fz, разностного колебав;я - астоты

fl> =- f2 — f1 и суммарного колебания - астоти f; =- 11+ 2, 50

8 устройстве используются д.=.а выхода двухчастотного кварцевого генератора; Выходосновных колебаний частОтт1 fz и Вы ОД

РВЗНОСТНОГО КОЛЕОВНИЯ ЧВСТОТЫ тр

55 Включение псследовательно с кварцевыми резонаторами варикапа 11 обеспечивает возмо>кность синфазной перес. тройки часТОт f1, fz За СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ ПрИЛОжЕННОГО К варикапу напряжения., 89 t".,905

Уходы Л f12 частот f12, вызванные изменениями Л Еу управляющего напряжечия

Л Еу в линейном приближении (при малых

Л Еу), описываются соотношениями

Л 1(Л еу)=г/1 Л еу;

Й t7 (Л еу) =- п«2 Л еу: где nt,z — коэффициенты чувствительности 10 частот 11,2 к управляющему напряжению Е>, Так как уходы Л f1,z частот f1,2 однозначны, то коэффициент ЗЕ взаимосвязи уходов

Л;1,2 положительный. т.е, 15

Ь ЬЦ р (2) /% < 1; /1е = 1:,г1е > 1, (3) Так как варикап 11 подключен к обоим резонаторам 17 и 18, то нелинейности характеристик управления частотами ft, идентичны и, следовательно, B широком диапазоне управления (при больших h, ÅII) коэффициенты чувствительности f/I, 1р меняются, Но их изменени идентичны и ко- 40 эффициент взаимосвязи изменяется незначительно, при некоторых соотношениях Cg/Cto или Сгт/С1в вообще является постоянной величиной, т,е. справедливо

РЕ (Еу) =- сопь1. (4) Температурные уходы частот f1 z определяются температурными коэффициента- ми частоты К1 и К2 кварцевых резонаторов, которые должны б ITb разными, К1»К2

h, 1(Лт)=-к Лт;

Л12(Лт) = к2Лт (5) Так как К1>К2, то коэффициент взаимосвязи р Л г2 ЛТ К2

Л11(ЛT} К1

В зависимости от соотношения емкостей Cg, Cto конденсаторов 9 и 10 или при

Cg = <, С1о = >" (случай отсутствия конgBHcBiopoB 9 и 10), в 38BMcMMocTM oT coo! ношения динамических емкостей С17, С13, кварцевых резонаторов 17 и 18, изменяется соотношение коэффициентов чувствительности г/1, fjz и, следовательно, выбором eel ocтей Cg, Cto (или С12, С13) можно обеспечить любые коэффициенты

/1е взаимосвязи

Анализ эквивалентной схемы устройства показывает, что коэффициент в за и мосв я зи с вариаций д т1,2 Bbt3BBHHblx изменением эквивалентной емкости BKTMBНоА части генератора, равен коэффициенту взаимосвЯзи Ре изменений Л11,2(Л Еу) за счет изменений управляющего напряжения.

На вход делителя 2 частоты поступает двухчастотное колебание частот ft,z. которое представляет собой колебание биений, амплитуда и частота которого промодулированы. Делитель 2 частоты является пороговым устройством и устраняет амплитудную модуляцию и одновременно усредняет во времени частотно-модулированное входное колебание на периоде выходного колебания.

В уСтрсйСтвЕ ",ìïëèòóäà А1 келЕбания частоты f1 обеспечена большей, чем амплитуды А2 колебания частоты f2, за счет того, что кварцевый резонатор с меньшим температурным коэффициентом частоты К2, стабилизирующий частоту f2, включен через дополнительно введенный резистор 12.

Тогда частоту fe колебания биений можно записать в виде

fO(t) =- f1 Af (t); (7) л= Ы

2л

sIn Я+ К в1п 2 7Г fp t гдЕ 1 (t) - 1 Е- фаcos(p+Кcos1 2 /сfp t p)

3oBI, и угол колебания биений.

Усредняя частоту 4 (t) колебания биений на интервале времени т, получают

fI = — f ff- (t ) d t = о

2л dt

-Г1+- (ф Г) t/. (О)). Д

Г одставляя в (8) выражение (7) или 1 (1), окончательно записывают частоту поступающего на вход делителя 2 частоты колебания биений, усредненную на некотором интервале времени т, в виде

1 slier! у«+ sIr! (arctg +

22ГT cos ф

«ьу+,i,n

Если интервал усреднения г =-- вЂ, то

Р

fe-- f1, На второй вход фазового детектора 3 поступает разностное колебание частоты

fp = fz f1 двухчастотного кварцевого геЪ (9) 1 6 :! 6(905

Ni б Гр

ЛТ = —.— рд m 3E

К1 Гл — . ýsò

f1 п)= 2

N+1

ГП =-- ——

N (15) ЛЕу= — S ЛТ (16) mr}fI д(2 1

m I/I — 92 711

m — Д.. х — — — =

m — l= д fz

11!!!ератора, в силу чего в установившемся (стационарном) режиме синхронлзма кольца ФАПЧ колебание на втором входе фазового детектора 3 и выходе делителя 2 имеет частоту

f1 тб(!ч == = 1р °

N (10) и следовательно, период

Учитывая, что fp -= f2-f1. из выражения (10) получают

Уравнение (12) в репернай точке То име8Т ВИД

f1o m =- f2o. (14)

При изменении температуры Т на величину Л Т от То появляются уходы Л71,2(ЛТ), которые в полосе удержания кольца ФАПЧ вызывают уходы Л f1,2(Ë еу). сохраняя условие синхронизма (12), т.е. (11о+к1Лт+ 771 Л Ey) m:=

= f20+ K2 Л T 712 Л Еу.

С учетам (13) и (14) имеют из (15) ЛЕ m KI Кг КI, m T

ET m 711 — 7р 7II m — )E (17)

Аналогичным путем запис.ынается óðàBнение синхраниэма кольца ФАПЧ н вариациях д 71,2 и д еу, вызванных шумовыми и режимными вариациями эквивалентной емкости С(э активной части !енератара

lrlдf1 =m711дЕу =дf2 +71гдI:ó. (18)

Из (18) следует, что u)y»oal,!8 или режимные вариации д Еу управляющего напряжения Еу в режиме синхронизма кольца ФАПЧ определяются с учетом ф(з ==PE} следун)-!

Дим образом:

Чувствительность Н поеобраэователя определяется отношением информационных уходов h. Еу выходного парамегра к неинфаРмацианным 8ГО ВВРиацийм д еу

5 lx E K1 гл — дт

О Еу О (1 Рл --PE

Разрешающую(способность по YBM 18ратуре ЛТ„i (пороговую чувствительность) определяют иэ (20), положив H = 1, в ниде

Как г!Оказывают оценки„выигрыш па крутизне S-характеристики преобразования, отношения Н и разрешаюьцел способности ЛТр предлагаемого УстРайстна пс сраВнению с иэв8стным и (4 па(-!И((ран((.

20 („ с л О н (и я х и с 8 г д а а О 7! ь I.u e 8;(и и! (! LI I((Формула изобретения

1. Преобразователь температуры в Востоту, содержащий термачунствительный пьезокварцевый резонатор, включенный в

ЧаСтОтНО-зада ЮщуЮ цЕПь- днуХЧаетатНС -O кварцевого генератора, выпаль(еннога; а схеме с общим коллектором, соединенным с первым вь!Водам источ .-!!лк. питания и с ("( последовательной I.Ñ-I)8(1 BIG. BIOE(O(i8HHOI)I между змиттеэам транзистааа и саедней тачкой резистин lofо делите; ь!ВГ!ряжен ..я, нключеннага ме>кду базой транзистаса и вторым вы Водам ис гачника пита!ч!л>!, Фил.-тр низкой частоты. вход которого соединен с змиттером транзистора, а Bь!хад подключен к входу делителя частоты, О т л и ч а ю щ и йс я тем, чта, с целью понышенля чувствительности преобразования, в него введен

40 дог(олнительный термочунстнительный пье".oêB8ðöåâûé резонатор, дна дополнительных резистора, нар!1кап и фаэовыи

ll8T8KTOP, ВХОДЫ КОТОРОГО СOC!TBBTCTB8! IHO

СОЕДИНЕНЫ С ВЫХОДаМИ фИЛЬГРВ НИЗКай чаСтоти и делителя частоты, а выход через первый дополнительный резистор пс!дкл.ачен к управляющему выводу варикапа, второй ныВад катОрОГО соединен с коллекторам ТоВНзистара, при зтам термачувстнительный (50 пьезокнарцевый резонатор с меньшим коэффициентам гермачунстнительности подключен к базе транзистора и управляю цему выводу варикапа через второй допа)!и!лте7(ьный резистор, а другой термачувстниTBJ ü( ный пьезакварцевый резонатор включен между базой транзистора и управляющим выводом нарикапа.

2, Преобразователь rio и. 1. а т л и ч а юшийся тем, что, с, цельс регулирования

1595905

Составитель В, Куликов

Техред M.Mîpãåíòçë Корректор С. Лисина

Редактор И. Шулла

Заказ 3285,Тираж Подписное

БНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 чувствительности преобразователя, послpдоnэтельно L, каждым кварцевым теpмочувствительным резистором Bклlo÷åí конденсатор.