Цифровой измеритель @ -параметров

 

Изобретение относится к области электроизмерительиои lexunui. изобретения - повышение точности измерений в широком частотном диапазоне . Измеритель ссдержиг i.-.iU parup 1 синусоидального напря.ие лил . Г-лик 8 ;:.|1Л .иьи1ых элсмеяпсш и лремяимпульс- H rf; аналого-цифровоЛ преобразователь 1ч. Введение блоков 9 и 10 образцо- ii:,ix эль меитов, б-поков h It 7 образп I l ;х проводимое ей, пег ек.пючателей 4 и 5, двухполюсного переключателя 1 i, усилителя 12, квадратора 13, преоОр;1зоп. 1теля 16 частот, в код, тристлбил лгьгх буферов 15 м 17, регистра 18 команд, блока 2 отображения инфорилцпя, микро-ЭВМ 19 и образование но- Bi IX в измерителе обеспечивают возможность за счет устранения влияния параметров усилителя 12 из- К L,С-параметры полупроводиико- T1I X 1.пп -;рптов в диапазоне частот с McUiiiM уровнем напряжения в шгх, что I ip их работоспособность пос- . 1|р(чи:депця измерения. 2 ил. ю сл NP ел IsD СО со 4.iJ . :;« . Jt

союз советсних

СОЦИАЛИСТИ!ЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (191 (! 1) (51) л (ul R 27/26 с

>, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3770431/24-2! (22) 09.07.84 (46) 23.08.86. Бюл. N 3! (72) H. И. Грибок, В. ll. Лап!»г>! и С.А.Савенко (53) 621.317,73(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 855510, кл. С О! R 27/0, !979.

Авторское свидетель< т tn (;CCP

l!t 467302, кл. G Ol К 27/26, 19/2. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕ.ljh,"!.С-!!АРАМЕТРОВ (57) Изобретение относится к области электроиэмерительпап z ех <> >.>.. 11 .ль изобретения — повышение т< гпости измерений в широком частотном диапазоне. Измеритель cc держиt и;>а>о(> синусоидального напряжен:,!. Г!;ut 8

1 >tt >пых элеглсt! > с>п и пр» яимпульсн лй аналого-цифровой преобразователь

l t. Введение блоков 9 и lu >бразцо:>.tt,,! tt гов, б>;о «оп ti it 7 обраэг>:х проводимоеa nit, п.г!>ек>гк>чателей

4 и 5, двухполюсного переклк>чателя

ll, усилителя 12, квадратора 13, пре»-!>пзолателя 16 частоты в код, тристоби.г>,пых буферов l5 и 17, регистра

18 команд, блока 2 отображения инфоргкщ>.п, микро-ЗВМ 19 и образование нов о: спи >ей в иэмерителе обеспечивают воэможность за счет устранения в.>шяппя параметров усилителя 12 из гt j >t т ь К Б C -1 (арам» т1>ы полуп рс во дпикоп> х .>по;г птов в диапазоне частот с м,п;>.м уровнем напряжения в них, что г;1: 1)tj ует их работоспособность пос: р;» >,ö> ttttÿ измерения. 2 ил.

1252739

Изобре гение относится к электроизмерительной технике и может найти применение при измерении RLC-параметров цепей в широком частотном диапазоне. 5

Цель изобретения — повышение точности измерения составляющих двухкомпонентных комплексных сопротивлений в диапазоне частот.

На фиг.l представлена функциональ- !О ная схема цифрового измерителя RLCпараметров; на фиг.2 — схемы замещения исследуемого объекта.

Устройство содержит генератор 1 синусоидального напряжения; блок 2 отображения информации, измеряемое комплексное сопротивление 3, первый переключатель 4, второй переключатель 5, первый блок 6 образцовых проводимостей, второй блок 7 образцовых 20 проводимостей, первый блок 8 образцовых элементов, второй блок 9 образцовых элементов, третий блок 10 образцовых элементов, двухполюсный

25 переключатель 11, усилитель 12, квадратор 13, время-импульсный аналогоцифровой преобразователь Algl 14, второй буфер 15, преобразователь 16 частоты в код, первый буфер 17, регистр 18 команд, микро-ЭВ!! 19,микро30 процессор 20, оперативное запоминающее устройство ОЗУ 21, постоянное запоминающее устройство ПЗУ 22.

Генератор 1 синусоидального напряжения первым выходом соединен с 35 первым входом преобразователя 16 частоты в код, первыми зажимами первого б и второго 7 блоков образцовых проводимостей, первым зажимом измеряемого комплексного сопротивления 3 40 и первым неподвижным контактом переключателя 11, второй неподвижный контакт которого подключен к второму зажиму измеряемого комплексного сопротивления 3 и подвижному контакту 45 переключателя 5, первый неподвижный контакт которого связан с первым зажимам первого блока 8 образцовых элементов, вторым зажимом соединенного с третьим неподвижным контактом 50 переключателя ll и первым зажимом блока 9 образцовых элементов, к второму зажиму которого подключен четвертый неподвижный контакт переключателя 11 и первый зажим блока !О об- 55 разцовых элементоя, вторым зажимом соединенного с вторым выходом генератора 1, вторым входом преобразователя 16 и пятым неподвижным контактом переключателя 11. Подвижные контакты и 7I подключены к соответствующим входам усилителя 12, два выхода которого соединены с соответствующими входами квадратора 13, двумя выходами соединенного с входами Algl 14. Выход АЦП 14 через буфер 15 и преобразователь частоты в код через буфер 17 подключены к шине данных микропроцессора 20, с которой, кроме того, соединены вход регистра 18 команд и шины данных

ОЗУ 21, ПЗУ 22 и вход блока 2 отображения информации. С шиной адреса микропроцессора 20 связаны адресные шины ОЗУ 21, ПЗУ 22 и адресные входы буферов 17 и 15, регистра 18 команд и блока 2 отображения информации. К шине управления микропроцессора 20 подключены управляющие шины буферов 15 и 17, регистра

18 команд, ОЗУ 21, ПЗУ 22 и блока 2 отображения информации.

Вторые зажимы блоков 6 и 7 образцовых проводимостей подключены соответственно к первому и третьему неподвижному контактам переключателя 4, подвижный контакт которого соединен с вторым неподвижным контактом переключателя 5 и соединением блоков 9 и 10 образцовых элементов, при этом второй неподвижный контакт переключателя 4 и третий неподвижный контакт переключателя 5 являются нейтральными, а восемь выходов регистра

18 команд подключены к управляющим входам первого 4 и второго 5 переключателей, двухполюсного переключателя

11, первого 6 и второго 7 блоков образцовых проводимостей и первого 8, второго 9 и третьего 10 блоков образцовых элементов.

Измеритель К? С-параметров работает следующим образом.

В исходном состоянии переключатель 4 находится в нейтральном положении 1, а переключатель 5 — в положении а . В этом положении осущестн вляется измерение RLC-параметров последовательных схем замещения (фиг.2а, б). Квадратор 13 имеет функцию преобразов;.ния нида U=a,à, U (t), где к

U(t) — его входное напряжение; а, а, — соответственно аддитивная и мультипликатнвная составляющие его коэффициента передачи. В первом цикле измерения контакт "1" переключателя ll

1252739 находится в положении n, а контакт

11 — в положении I) . .Образцовые элементы блоков 8 — IO в этом такте представляют собой активные сопротивления R«, R u R . Ток в цепи генера- 5 тора I равен

Z — импеданс измеряемого сопротивления 3;

Z — внутреннее сопротивление о>< (импеданс генератора I;

U< (t) — его выходное напряжение. !5

Напряжение U, (t) =i (t) Е„усиливается усилителем 12 с коэффициентом усиления К и подается на вход квадратора 13. F.ãî выходное напряжение U«(t) = а +а, K U (t) в АЦП 14 с функцией преобразования (ФП) вида

Б=Ь +b< U(t) преобразует напряжение

U«(t) в

Ь, Ь, — аддитивная и мультипликативная составляющие функции передачи AIi(I 14.

Код !(!« счить)нается микро-3BN 19 через буфер 15 и запоминается в

ОЗУ 21.

Во втором цикле измере<(ия контакт II переключателя !! переводится в полджение C . .Суимартп(й иипеданс сопротивлений Z „и R„, равен 40

Z = --(R+ R + т — —, z 0< с.) С а квадрат модуля импеданса

Z=(R+R)+

2 2 1 г о< Cd2 Cz

45,2 !

1Дпряжение U«(t) =a +à, К 1, (Е) Е преобразуется в АЩ1 14 в код

N, b +b, (а +a,К i, (>ii . ), (3) который фиксируется в оперативном запоминающем устройстве 2! микро-ЭВИ

19.

В третьем цикле измерения контакт 11 переключателя 1! переводится 55 в положение (I . При этом суммарный иипеданс сопротивления 3 и блоков 8 и 9 равен ц(), () —,,,, (!) P О< ог. >)>> Х где!

1

Z = (R+R +R ) +

5 ог <) 3С а квадрат модуля

2 2 1

Z =(R+R +R )+

5 О! Ог <) С2

На вход усилителя 12 поступает напряжение 05 () =1, (t) 7.5. Выходное напряжение квадратора 13 U 5<(t) а +а,К iz(t)t в АЦП 14 преобразуется в число имйульсов

М, = Ь,+Ь, (а +a К ° i (a)ta), (4) которое фиксируется в ОЗУ 21. Коды

N«, N, и 0<5 удовлетворяют системе уравнений и =ь ь (a+a к. (ь)(R+- — -))>

2 ° 2 2 !

> О (> < < угС2

NÄ =bÄ+Ь, (а +а >;*i,(C) ((К+К,) +

+ ° (5)

С „!))

Б,„=Ь +Ь, (а +а К (, (ь) j(<КК,+, Ка, ) +

+ из которой

2 Я коа (N>q Н«) (к(> +R г ) (1)1<г 1 1<> )

2 (>R<) +к()2) (1«г N< ) — 2КО<(N<5-N(,) (6)

"ри Ra о2 о

Ro (N > -N < ) — 4(Б<г -N«)

R = (7)

2 2(Ы, -N«) — (И, —.Nн )

Операция 7 выполняется в микроЭВМ 19, а результат вычислений пропорционален значению сопротивления

К двухкоипонентных схем.

При измерении значения С или 1, (фиг. 2 о, b ) в качестве образцовых элементов блоков 8 и 9 используются образцовые емкости С „,, С 2 или индуктивности Ь„<, Ьо при измерениях по схемах g u S соответственно.

При измерении емкости С через измеряемое комплексное сопротивление

3 и образцовые элементы блоков 8 и 9 протекает ток 12(1:). В первом цикле измерения переключатель 11 (II) находится в положении !), во втором цикле — в положении <., а в третьем — в положении(г . Напряжения

1252739

15

+ ()я С г1

+ ° а (†-")

C+C„ где Z К (20

Z R

25 — — -) Сог

1 1

+ (--- + --- — +

С со(I г 2

Z К

1

В пери 7, (10) 0 г, * 1)(t) Е,," 11гг i.q (t) Z; Бгэ

-i, (с) Z, (8) в усилителе 12, квадраторе 13, АЦЛ

14 преобразуются в число импульсов

N b+b а+а К i (t)(R + — — )

1 21 р о Q"C

Nä, Ь+Ь,(а аа, К i,(t)(R +

2.2 2

1 (9)

N b +b $a +a, К i, (t)(R +

1 1 1 1 21

+ (--- + -- — + ----)

С С«С

Решая систему 9 уравнений отно1 сительно — — — имеем при С =С С

6,) С О1 Ог

1 1 41(1 г1 -ЗИ г 1(1 г 1

QC 2MC М + N,-2N ) NR +Nz -2Nzz

С 2С

4 N z z -3N 21 1(1 2 3

Операция вычисления (10) осущест- ао вляется в микро-ЭВИ 19.

Если измеряемый двухполюсник говеет вид фиг.26, в качестве элементов блока 8 используются активные сопротивления р, 1 а элементов блоков 9

M 10 — индуктивности L H 1 oz. IlpH этом в первом цикле переключатель

11 (II) находится в положении С, во втором цикле — в положении d, а в третьем цикле в положении е. Со50 противление R, блока 8 в первом цикле равно сумме внутренних сопротивлений образцовых индуктивностей

R1,р, H R1рг v.e. Ко1 R}.o| + К"ог> во втором оно равно R,, а в 55

)-oz третьем — нулю.

Тогда преобразуемые квадраты модулей импедансов

2, = R, + ) 1.; . г г м

Ег = R, + И (L + 1.„) ;

Z, = R + 4} (1. + 1.«+ 1. ) где R R+ R<+ R}, ра Og а соответствующие им коды, зафиксированные в ОЗУ 21, удовлетворяют системе уравнений

N b +b, (а +a, К i>(t) (R,+ ы L )

N =b +b (а +а К iz (t)jR, + иэ которой при Lo Ер = Le в микро — ЭВИ 19 по формуле

L„f (Мъ -Ма ) — g(R„-Rä } ((З)

2 2gNÄ -И „) — (N» -11 „) определяется искомая индуктивность.

Измерение RLC-параметров двухкомнонентных элементов с параллельной (хемой замещения (фиг.2 р, z) осуществляется путем измерения проводимости эквивалентных цепей и представления ее через провод)о1остн — сннфазную Сс и квадратурную G>, т.е.

С =С +G . Для схемы фиг.2 в G г 2 г 7 с С г

G = (.} С а для схемы

7 1 2 фиг.27 С = --2 G с Rz к вом цикле измерения переключатели

4 и 5 находятся в положении к, переключатель 11 (I) — в положении а, а 11 (II) — в положение В . Блок 10 образцовых элементов представляет собой активное сопротивление R

11ри измерении фиг.2 о в первом цикле ток )(t) генератора 1 проходит через Е„=Z, сопротивление 3 и сопротивление 1 . блока 10. Во втором цикле переключатель 4 переводится в положение 1 и параллельно сопротивлению 3 включается синфаэная образцовая проводимость Срг .

В третьем цикле переключатель 4 переводится в положение С и параллельно К7.„ включается образцовая проводимость С„ рг

Так как г 1 z

G = ---- = G + С

Zz с к к !

1252739 схемы (фиг.2()) Gc

Поскольку для

ЯС, то и -Са

И (23) 2 к f (14) 10

1а ю аеаваюаею

2((f 1Сг- С с (24) С г

1 г

3 а значение R равно

1

N -И, (21) 2Rn

И1 Ик

Иг И4

И,-И4 (26) i г г.(22) G = ---- (С + С ) + С

1 г г с о1

К

z то находя разность 6г -G, 2С, С, + г

+С, можно определить значение о( г г

G — G — G, 1 л и с 2Got

Для нахождения С и С, я первом цикле Е преобразуется в код числа

К Ь +Ь, (а +а,К i, (С) Z„j, (l5) втором цикле в код

N> Ь,+Ь, (a +а, К i, (t) Е,), (16) В третьем цикле переключатель ll (I) переводится в положение d, а переключатель 11(И)- в положение c . 20

При этом напряжение i1 (t) Ro, снижаемое с сопротивления Rо, преобразуется в код N>

М, - Ь,,Ь,(а,+а,к i,(а) К,) (It> „

В четвертом цикле переключатель

4 переводится в положение Ъ, а переключатель 5 — в поло ение C .

Здесь на вход ОЗУ поступает код

30 числа

И b + а, а,, (18)

Вычитая И -N4, N ° -N4 и И -N4, находим систему уравнений

Ик 1 7 — =G + С

Rz N — N с к °

4 о 1

1 И-И г г

- — - =(С +С ) +G, с ()(к

0 г

40 из которой определяем значение сннфаэ1 ной составляющей при С = †-- из вью () раження (14) с учетом (19)

1 Г 1 Ni-NN N -N( (20)

R (2К N -И4 N -N4

0 г 4 1

Квадратурная составляющая проводимость находится из соотношения

Частота f колебаний i (t) преобразуется преобразователем 16 частоты в код, а результат заносится микро-ЭВМ

19 через тристабильный буфер 17. В

1 случае схемы фиг,2 г G — —, тог" к (к) да с учетом значений С, С и Е индуктивность определится иэ выражения

При наличии образцовых мер реактивной проводимости процесс измерения ЕС-параметров осуществляется слеследующим образом. Переключатель 4 переводится в положение с, а переключатель 5 — в положение 1) . Блок 7 образцовых проводимостей представляет собой набор образцовых проводимостей. Для схемы фиг.2 5 параллельна к емкости С подключается образцовая емкость С, а для схемы фиг.22 образцовая индуктивность Lo во вторых циклах измерения. При этом для схемы фиг.2 6 блок 10 образцовых элементов представляет собой образцовую емкость Со, а для схемы фиг.2г образцовую индуктивность L . В этом случае уравнения 15 — 18 принимают вид

N(Ъ +Ь, (а +а, К iz (t) Zrг);

И Ь +Ь, (а +а,К i (t)Zxг); (25)

И Ь(ь+Ь, (а +а„К 17 (С)Е ) 3

И Ь+Ь,а

2 г г где 2 1/с)С„ при анализе схемы фнг.2 ()н 2 = С1?. для схемы фнг.2g.

Отсюда г г Ик-NN 1»

G QC — — -- =G + G

1 o N,-N4) с к

G Q С - — - =G +(G +С );

7 2 2 N N4 Z

Ъ o N N o k e

1 Ф г

G -С -G

2 А Л

2Со

Подставляя значения Г, С, н Сэ, имеем

Co N ИФ Ик-N, Ска-2 N -Ng N,-N4

12273Ч

При определении индуктивности

Z = у1., тогда G = — ---- и о О;,3 1,, (27) Ь 2L

И -N4 N g-N, 4 1 < 4

Коды чисел N,, N< N И запоминаются в ОЗУ 21 и обрабатываются в микро-ЭВМ 19. Результаты обработки заносятся в блок 2 отображения информации.

Иэ выражений (7), (10), (13), (2l), (26) и (27) следует, что результат измерения инвариантен к значению частоты Е, параметрам Ьо, bl

AIgI 14, а, а, квадратора 13, коэффициенту передачи К усилителя.!

Обеспечение возможности устранения влияния параметров усилителя 12 обеспечивает возможность измерения

И.С- параметров полупроводниковых элементов в диапазоне частот с:<алым уровнем напряжения на них, что гарантирует их работоспособность после провецения измерений.

Цифровой измеритель 1< 1.С -нарамет— ров, содержащий генератор синусоидального напряжения, первый блок образцовых элементов и вреияиипульсный аналого-цифровой преобразователь, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений в широком частотном диапа<оне в него введены второй и третий блоки образцовых элементов, два блока образцовых проводимостей, первый и второй переключатели, двухполюсны1! переключатель, усилитель, квадратор, преобразователь частоты в код, регистр команд, блок отображения информации, два тристабильнь<х буфера и микро-3BN, содержащая микропроцессор, оперативное н постоянное запоминающие устройства, причем к шине данных микропроцессора подключены информационные входы регистра команд блока отображения информации, шины данных оперативного и постоянного залов минающих устрсйств, а также информационные выходы первого и второго тристабильных буферов, с шиной адреса микропроцессора соединены адресные

Формула и з о б р е т е н и я

30 вх<>ды первого и второго тристабильных буфер<>в, регистра команд, оперативного и постоянного запоминающи устройств и блока отображения информации, а к шине управления микропроцессора подключены пины управления двух тристабильных буферов, регистра команд, оперативного и постоянного запоминающих устрой-.тв и блока отображения информации, причем информационп< 111 вход первого буфера соединен через преобразователь частоть! в код с выходами генератора синусоидального напряжения, с первым иэ которых 00åäíïåíû и pHbre зажимы первого и второго блоков образцовых проводиио с те!1, иэ11е рве!10 го комплексного сопротивлеш<я и первый неподвижнь!!1 контакт двухпо31ь3сного переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен с вrophrM зажимом измеряемого комплексного сопротивления и подвижным контактом второго переключателя, первый неподвижный контакт которого подключен к первому зажиму первого блока образцовых элементов, вторыи зажимом соединенного с третьим неподвн1кныи контактом двухполюсного переключателя и первым зажимом второго блока образцовых эх!ементов, второй .Зажим ко roporo соединен с

1<одг1емныи контактом нервого перек.п<э<1а<еля, а T 11 ке с вторым неподш<мныи контактом второго переклю«ателя, четвертl,ì непод<3ижным контактом двух11олюсногo переключателя и

Ii< рвым зажимом третьего блока образцо13ых элеие" гов> вторым зажимом

<:оед1гнеш<ого с вторым выходом ге-!

<оратора сш<усоид;!льного напряжения и пятьв< пеподвижнь!и контактом д<<ухпо;п<3спс го переклю<1ателя, первый

11 13 торой 1 l0äâ1ÃË<íülè Кон 11 К Tbl КО Т0 р 3го 11одкл<очепы к двум входам усилителя соо TD0 Tñ T13åílro, два выхода которого соединены с нходаии квадратор», выход r<оторого подключен к

«х<1ду вреиянипульсного аналого-цифро<.. г<. 1<реобразo11aтеля, выходная пина

;. К1.орот о 1!одк3<ючена к информационному вх ду второго буфера, первый и треTiili неполвижный контакты первого переключателя соединены с вторыми зажимами первого и второго блоков образцовых проводимостей соответственно, а второй неподвю:;ный контакт первого II&p<ключателя и третий неподвижный контакт второго переклюФиг. 2

Составитель В.Стукан

Техред И. Верес Корректор В. Бутяга

Редактор О.Бугир

Заказ 4619/47 Тирах 728 Подписное

BHHHHH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Иосква, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r.ужгород, ул.Проектная,4 чателя являются нейтральными, при этом восемь выходов регистра команд подключены к управляющим входам первого и второго переключателей, двух252739 !2 полюсного переключателя, двух блоков образцовых проводимостей и трех блоков образцовых элементов соответ,,ственно.