Керовані п’єзорезонансні пристрої з низькодобротним навантаженням

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

КЕРОВАНІ П'ЄЗОРЕЗОНАНСНІ ПРИСТРОЇ З НИЗЬКОДОБРОТНИМ НАВАНТАЖЕННЯМ

Спеціальність: Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

МІШАН ВІКТОР ВОЛОДИМИРОВИЧ

Хмельницький, 2009 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний розвиток прецизійної радіоелектроніки обумовлює використання все більшої кількості високоточних пристроїв, домінуючу роль серед яких відіграють п'єзорезонансні пристрої (ПРП) до яких відносяться: кварцові резонатори (КР), виконані на їх основі кварцові генератори та кварцові фільтри, п'єзорезонансні перетворювачі фізичних величин. Дані пристрої займають провідні позиції серед приладів подібного типу в системах передачі інформації, радіолокації і радіонавігації, телеметрії, в переносній та мобільній апаратурі радіозв'язку, обчислювальній техніці тощо. Сучасна теорія п'єзорезонансних пристроїв базується на традиційному підході, який передбачає реалізацію максимальної добротності КР за рахунок його роботи в режимі, близькому до режиму холостого ходу. Відомі схемотехнічні рішення також націлені на реалізацію саме цього режиму.

Разом з тим, в практиці радіотехнічних пристроїв та систем часто виникають ситуації, за яких високодобротний кварцовий резонатор працює в режимі низькодобротного навантаження, що значно зменшує еквівалентну добротність п'єзорезонансної коливальної системи (ПКС) ПРП (в деяких випадках зменшення добротності досягає декількох порядків). До числа таких ситуацій відносяться, наприклад, використання каскадів підсилення та генерування за схемою з загальною базою, системи синхронізації з широкою смугою утримання, дієлькометричні вимірювальні перетворювачі з частотним виходом тощо. В свою чергу, перехід ПРП до діапазону надвисоких частот привів до створення нових резонаторів типу МВАR та FBAR, які реалізуються широковідомими засобами мікроелектроніки. Основним недоліком даних резонаторів є значно менша добротність в порівнянні з “класичними” КР, яка не перевищує кількох тисяч одиниць (на частотах до 5 ГГц), що також потребує нових підходів до їх проектування.

У зв'язку з цим, вивчення питань, пов'язаних з дослідженням режимів роботи ПКС, що призводять до значних втрат її еквівалентної добротності є актуальним завданням, яке має на меті заповнити нішу використання ПКС з нехарактерною для них еквівалентною добротністю в декілька тисяч одиниць. Завдяки цьому вирішується важлива науково-практична задача підвищення точності і розширення функціональних можливостей ПРП, радіотехнічних пристроїв та систем на їх основі.

Метою роботи є підвищення точності і розширення функціональних можливостей керованих автогенераторів, радіотехнічних пристроїв та систем на їх основі шляхом раціонального використання п'єзорезонансних коливальних систем в режимі низькодобротного навантаження.

Для досягнення поставленої мети у дисертаційній роботі розв'язуються наступні завдання:

- аналіз сучасних тенденцій побудови ПРП з позицій більш їх широкого використання в пристроях, де добротність коливальної системи не перевищує декількох тисяч, з одночасним підвищенням їх точностних характеристик;

- розробка узагальненої моделі низькодобротної п'єзорезонансної коливальної системи, яка встановлює аналітичний зв'язок між основними характеристиками ПКС та параметрами її низькодобротного навантаження;

- розробка спеціального програмно-алгоритмічного забезпечення для чисельного аналізу параметрів керованої низькодобротної ПКС;

- розробка стратегії та програмно-алгоритмічного забезпечення пошуку оптимальних параметрів частотно-компенсованих п'єзорезонансних коливальних систем з низькодобротним навантаженням за критерієм мінімуму нелінійності наскрізної характеристики перетворення;

- розробка і експериментальне дослідження приладу вимірювання вологості на базі керованої низькодобротної ПКС.

Об'єктом дослідження є процес дисипації енергії високочастотних коливань в керованих низькодобротних п'єзорезонансних системах.

Предметом дослідження - вплив зниження еквівалентної добротності керованих п'єзорезонансних коливальних систем під дією низькодобротного навантаження на точностні характеристики п'єзорезонансних пристроїв.

Методи дослідження ґрунтуються на використанні: теорії розрахунку електричних кіл, теорії функції комплексної змінної, основних положень теорії диференціального числення під час побудови математичної моделі п'єзорезонансної коливальної системи, чисельних методів розв'язання рівнянь та апроксимації даних, методів умовної оптимізації та моделювання радіотехнічних пристроїв при розгляді питань аналізу та синтезу ПКС. Експериментальні дослідження проведені за допомогою теорії вимірювань та теорії похибок.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблено математичне та програмне забезпечення для аналізу радіотехнічних пристроїв з низькодобротними кварцовими коливальними системами;

- запропонований і практично застосований алгоритм лінеаризації цифрових вимірювальних перетворювачів з частотним базисом з використанням апроксимативного методу, в якому залежність резонансної частоти низькодобротної коливальної системи апроксимується дрібно-лінійною функцією, а реальна нелінійність не перевищує 0,25%;

- запропоновано структуру розподіленої сенсорної мережі на базі керованих низькодобротних п'єзорезонансних коливальних систем;

- розроблена принципова електрична схема пристрою цифрового керування ніобатлітієвим резонатором за допомогою матричного MEMS-конденсатора, яка захищена патентом України;

- практично реалізовано та експериментально досліджено прилад вимірювання вологості на базі керованого низькодобротного резонатора, який забезпечив розрізнювальну здатність не гірше 0,1%.

Результати досліджень прийняті до впровадження на ДП “Новатор”, м. Хмельницький (акт про впровадження від 07.04.2009 р). Основні результати теоретичних досліджень також використовуються у навчальному процесі на кафедрі радіотехніки та зв'язку Хмельницького національного університету (акт про впровадження від 18.03.2009 р).

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення дисертаційної роботи доповідалися, з наступним обговоренням, на VI, IX і XI науково-технічних конференціях “Вимірювальна техніка в технологічних процесах”, на 10 та 11-му міжнародному науково-технічному форумі “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке” (м. Харків, ХНУРЕ, 2006, 2007 рр.), VІ міжнародної науково-технічної конференції “Датчики, прилади та системи” (м. Ялта, Черкаський технологічний університет, 2005 р.), на IV, VI міжнародних науково-практичних конференціях “Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів”, а також внутривузівських конференціях і міжкафедральних семінарах.

Публікації. Основні результати за темою дисертаційної роботи опубліковано у 9 статтях у фахових науково-технічних журналах і збірниках, які входять до переліку ВАК України, у 6 тезах доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях. За матеріалами роботи отримано два патенти України на винахід.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Загальний обсяг роботи складає 139 сторінок комп'ютерного тексту, у тому числі: основного тексту 119 сторінки, 6 таблиць та 50 рисунків, додатки об'ємом 3 сторінки, список використаних джерел вміщує 121 найменувань на 12 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність і стан науково-технічної задачі, обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, зазначено зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, визначено мету і завдання дослідження, сформульовано об'єкт і предмет дослідження, визначені наукова новизна та практична значимість отриманих результатів, наведені відомості про апробацію результатів досліджень та структуру і обсяг роботи.

У першому розділі представлені результати аналізу характеристик і особливостей використання ПКС. Розглянуті приклади найбільш ефективного використання низькодобротних коливальних систем в радіотехнічних пристроях, системах телекомунікацій і частотних вимірювань. Доведено необхідність використання п'єзорезонансних коливальних систем в якості пристроїв, які забезпечують запас добротності в задачах телекомунікацій та вимірювань.

Показано, що відома практика і теорія ПКС в основному орієнтована на застосування п'єзорезонансних систем з добротністю величиною десятків, сотень тисяч одиниць. При цьому існують принципові фізичні обмеження, а саме багатьма дослідженнями встановлено, що добуток є константою і не може перевищувати значення. Це означає що перехід до діапазону НВЧ на базі новостворених типів ПРП на резонаторах MBAR, FBAR супроводжується зменшенням максимальної добротності до декілька тисяч одиниць. На практиці величина добротності є ще меншою з-за власних втрат в ПКС. Значні втрати еквівалентної добротності спостерігаються також і при застосуванні стандартних резонаторів, які працюють в режимі низькодобротного навантаження, наприклад, в каскадах підсилення та генерування за схемою з загальною базою, система синхронізації з широкою смугою утримання, вимірювальних перетворювачах з частотним виходом тощо. Обґрунтовано необхідність теоретичного та практичного вивчення ПКС з добротністю декілька тисяч одиниць, яке повинно базуватись на удосконаленій математичній моделі п'єзорезонансної коливальної системи, що дозволило би встановити аналітичний зв'язок між характеристиками ПКС і параметрами елементів низькодобротного навантаження. Виходячи з результатів аналізу визначено мету і завдання дослідження.

У другому розділі отримала подальший розвиток математична модель п'єзорезонансної коливальної системи, в якій на відміну від існуючих, враховано вплив еквівалентних втрат на динамічні параметри КР, що дозволило встановити аналітичний зв'язок між характеристиками ПКС і параметрами елементів низькодобротного навантаження. На основі даної математичної моделі запропонована методика розрахунку основних параметрів ПКС: резонансних частот, навантаженої добротності та послідовного еквівалентного опору. Розглядаються особливості реалізації математичної моделі ПКС з низькодобротним навантаженням (ПКСНН) в системі MATLAB та основні результати її комп'ютерного моделювання.

На основі отриманих співвідношень (2-4) розроблений алгоритм і програмне забезпечення для дослідження основних характеристик ПКСНН в системі MATLAB.

Видно, що за рахунок суттєвого зменшення електричного зв'язку між КР і низькодобротним навантаженням вдається суттєво знизити втрати добротності за малих значень Rx.

Це треба враховувати при використання ПКСНН даного типу в первинних вимірювальних перетворювачах, де крутизна перетворення:

- є одним із основних параметрів. Іншім негативним фактором є зростання величини опору, яке обумовлює необхідність підвищення параметра регенерації для забезпечення необхідної стійкості коливань. В той же час, зростання не є критичним і найбільш проявляється в області його мінімальних значень. Зі збільшенням ємності конденсатора вплив низько добротного навантаження на кварцовий резонатор поступово посилюється, і використання ланки зв'язку за значень С > 30 пФ втрачає сенс.

Отримані дані дозволили оптимізувати характеристики керованості ПКСНН для розв'язання “класичного” протиріччя “стабільність - діапазон переналаштовування”.

Так, в схемах генерації високостабільних коливань необхідно підвищувати еквівалентну добротність шляхом мінімізації впливу низькодобротного навантаження на параметри високодобротного елемента - КР. В той же час, при використанні ПКС даного типу в автогенераторних первинних вимірювальних перетворювачах (ПВП), для забезпечення належної розрізнювальної здатності та крутизни перетворення необхідно підтримувати достатньо сильний зв'язок між КР і низькодобротним навантаженням, що в цілому негативно впливає на стабільність генеруємих коливань.

У третьому розділі набув подальшого розвитку апроксимативний метод аналізу і синтезу п'єзорезонансних коливальних систем, що дозволило створити новий клас частотних вимірювальних перетворювачів.

Проведено синтез частотно-компенсованої ПКС (ЧКПКС), особливістю якої є використання автоматичного підлагодження параметрів ланки зв'язку в залежності від параметрів низькодобротного кола навантаження.

За допомогою системи АПЧ встановлюється (підтримується) оптимальний зв'язок між високодобротними та низькодобротними колами пасивної частини автогенератора з метою компенсації впливу останніх на його характеристики, в першу чергу на частоту генерації (сигнал). При використанні ЧКПКС в якості ПВП сигнал компенсації є інформаційним, який однозначно пов'язаний зі змінами резонансних частот кіл пасивної частини автогенератора під дією однієї із вимірювальних величин. При цьому зміни стану низькодобротного навантаження перетворюються на виході системи в зміни напруги, які зв'язані з фізичним станом об'єкта вимірювання. Знаходження оптимальних параметрів ЧПКС проведено в два етапи. В даному випадку низькодобротне коло відображає еквівалентні параметри діелькометричної коаксіальної комірки, яка заповнена формувальною сумішшю з вологістю. Параметри коаксіальної комірки визначені експериментально за допомогою термогравіметричного методу:

Які відповідають вологості:

Використання ланки зв'язку між кварцовим резонатором та низькодобротним -колом навантаження позитивно впливає на еквівалентну добротність п'єзорезонансної коливальної системи Q. При цьому, виграш по еквівалентній добротності на найбільш “проблемній” ділянці (за вологості більше трьох відсотків) складає від півтора до чотирьох разів, що за типових значень параметрів кварцового резонатора дає приріст еквівалентної добротності ПКС від 5000 до 10000 одиниць, суттєво підвищуючи тим самим точність та розрізнювальну здатність автогенераторного вимірювального перетворювача вологості.

У четвертому розділі проаналізовано особливості використання ПКСНН в пристроях радіотехніки, телекомунікаційних та вимірювальних системах.

Вперше запропоновано використання низькодобротних мембранних коливальних систем типу MBAR, FBAR з елементами MEMS в якості сенсорів вимірювальних мереж, які призначені для вимірювання параметрів розподілених об'єктів: температури, тиску, вологості тощо.

В цій схемі використовується принцип синхронізації локальних елементів мережі (автогенераторів) за допомогою зовнішнього джерела - генератора енергозабезпечення і синхронізації.

Мережа працює за стандартом IEEE 802.15.4 (Zigbee), що передбачає роботу в трьох діапазонах: 868,0-868,6 МГц (Європа), 10 каналів в діапазоні 902-928 МГц і 16 каналів в діапазоні 2400-2483,5 МГц.

Розроблено (у співавторстві) однокристальний генератор, керування яким здійснюється за допомогою пристрою комбінованого (аналогового та дискретного) керування ПКС на базі MEMS-структури. Даний пристрій може застосовуватись у системах зв'язку для керування частотою генераторів та фільтрів за рахунок завдання користувачем будь-якого закону змінення ємності від напруги керування з високою точністю (патент України №84440). Керований мікроелектромеханічний конденсатор складається з нерухомого електроду 2, який нанесений на діелектричну основу 1 та масиву (5 = 5) окремих комірок 3. У кожній комірці розташовані окремі рухомі електроди 4 на пружних підвісах 5. До кожного електроду 4 через один з чотирьох пружний підвісів 5 підведений електричний вивід керування 6, який з'єднаний з індивідуальним джерелом напруги керування.

Напруга керування, яка прикладена до електродів 2 і 4 викликає їх взаємне притягання, у результаті чого виникає деформація пружних підвісів 5 та, як наслідок, зменшення величини міжелектродного зазору. За рахунок цього змінюється ємність MEMS-конденсатора, а відповідно і параметри (частота) керованого генератора.

Вперше запропонована та досліджена структура діелькометричного вимірювального перетворювача вологості з дискретною структурою на основі керованої п'єзорезонансної коливальної системи з представленням вихідної інформації у частотному базисі. Вимірювальна комірка є складовою коливальної системи керованого вимірювального генератора (КВГ) і визначає його частоту коливань. Сигнал з генератора поступає на вхід змішувача (ЗМ), на іншій вхід якого подається сигнал гетеродинування з цифрового синтезатора частоти прямого синтезу (ЦСЧПС). З виходу змішувача через фільтр нижніх частот (ФНЧ) сигнал різницевої частоти:

- подається на мікроконтролер (МК), який здійснює визначення періоду сигналу та перетворення його в значення вологості у відповідності до градуювальної характеристики вимірювача. Завданням початкових умов прилад налаштовується на вимірювання вологості однієї із групи речовин. Практично реалізований та експериментально досліджений прилад вимірювання вологості на базі ПКСНН забезпечує основну похибку вимірювань в межах 0,5% за розрізнювальної здатності не гірше 0,1%, що в декілька разів краще, в порівнянні з відомими вимірювачами.

ВИСНОВКИ

В роботі вирішена важлива науково-технічна задача підвищення точності та розширення функціональних можливостей ПРП, радіотехнічних пристроїв та систем на їх основі. Представлені теоретичні та практичні аспекти реалізації принципу “надлишкової” добротності кварцових резонаторів для вирішення актуальних телекомунікаційних та вимірювальних задач. Допускається зниження еквівалентної добротності ПКС на один-півтора порядку, але при цьому залишкова добротність все рівно у десятки-сотні разів перевищує добротність традиційних LC-систем і, тим самим дозволяє суттєво підвищити точність, розширити функціональні можливості і сферу застосування даного класу пристроїв радіотехніки, заповнюючи тим самим нішу використання ПКС з нехарактерною для них еквівалентною добротністю в декілька тисяч одиниць. В результаті досліджень отримані наступні наукові та практичні результати:

1. Отримала подальший розвиток математична модель п'єзорезонансної коливальної системи за рахунок урахування впливу еквівалентних втрат на динамічні параметри КР, розроблено математичне та програмне забезпечення для аналізу радіотехнічних пристроїв ПКСНН в системі MATLAB. На основі проведених досліджень підтверджено високу ефективність використання стабілізуючих властивостей високодобротного елемента - кварцового резонатора для компенсації втрат добротності ПКС в режимі низькодобротного навантаження;

2. Набув подальшого розвитку апроксимативний метод аналізу і синтезу п'єзорезонансних коливальних систем, що дозволило створити новий клас частотних вимірювальних перетворювачів. Практично застосований алгоритм лінеаризації цифрових вимірювальних перетворювачів з частотним базисом на основі апроксимативного методу, в якому залежність резонансної частоти низькодобротної коливальної системи апроксимується дрібно-лінійною функцією, а реальна нелінійність не перевищує 0,25%;

3. Вперше запропоновано використання низькодобротних мембранних коливальних систем з елементами MEMS в розподілених вимірювальних мережах. Базовим елементом сенсорної комірки мережі є однокристальний генератор, керування яким здійснюється за допомогою конденсатора на базі MEMS-структури. Даний пристрій може застосовуватись у системах зв'язку для керування частотою генераторів та фільтрів за рахунок завдання користувачем будь-якого закону змінення ємності від напруги керування з високою точністю (патент України №84440);

4. Вперше запропонована та досліджена структура діелькометричного вимірювального перетворювача вологості з частотним вихідним базисом на основі керованої п'єзорезонансної коливальної системи, завдяки чому на порядок підвищена точність результатів вимірювання. Практично реалізований та експериментально досліджений прилад вимірювання вологості речовин з дискретною структурою на базі ПКСНН, який забезпечує наступні параметри: верхня межа вимірювання відносної вологості (в залежності від речовини) - (5…30)%, розрізнювальна здатність - 0,1%, межа основної похибки - 0,5%, час одиничного вимірювання (з завантаженням матеріалу) - не більше 1 хв.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мішан В.В. Діелектричні характеристики зволоженої пряжі / В.В. Мішан // Вимірювальна та обчислювальна техніка. - Хмельницький: ХНУ, 1998. - №3. - С. 158-159.

2. Мішан В.В. Параметри схеми заміщення зволоженої ливарної формувальної суміші / В.В. Мішан // Вимірювальна та обчислювальна техніка. - Хмельницький: ХНУ, 2002. - №2. - С. 35-39.

3. Мішан В.В. Математична модель п'єзорезонансного діелькометричного перетворювача вологості / В.В. Мішан, Ф.Ф. Колпаков // Вісник Технологічного університету Поділля. - Хмельницький: ХНУ, 2004. - №2. - С. 180-184. радіоелектроніка цифровий перетворювач

4. Мішан В.В. Вимірювальний перетворювач вологості сипких речовин на базі частотно-компенсованої автоколивальної системи / В.В. Мішан, Ф.Ф. Колпаков // Вісник Хмельницького національного університету. - Хмельницький: ХНУ, 2005. - №4. - С. 109-112.

5. Мішан В.В. Синтез частотно-компенсованих п'єзорезонансних коливальних систем з низькодобротним RC-колом навантаження / В.В. Мішан, Ф.Ф. Колпаков // Радиотехника, Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник, Тематический выпуск “Проблемы телекоммуникаций”. - Харків: Харківській національний університет радіоелектроніки, 2006. - №144. - С. 187-192.

6. Мішан В.В. Універсальний пєзорезонансний вимірювач вологості / В.В. Мішан, Ф.Ф. Колпаков, С.К. Підченко, О.А. Лаба // Вісник Хмельницького національного університету. - Хмельницький: ХНУ, 2007. - Т. 1. - №2. - С. 234-236.

Размещено на Allbest.ru