Устройство для измерения комплексной проводимости

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для автоматического измерения и контроля параметров двухполюсников. Целью изобретения является расширение частотного диапазона измерений. В устройство , содержащее блок 1 управления, .перестраиваемый генератор 2, кварцевый генератор 11, фильтр 12 низких частот (ФНЧ), преобразователь частота-напряжение 13, выходной усилитель 17, выводы 18, конденсаторы, измерительный 19, нагрузочный 20, эталонный 21, RC-фильтры 35, 22, управляемый фазовращатель 23, широкополосные 24, 25 усилители, источник с S

СоаЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ()9) (11) А1 (5D4 G 01 R 27 26 г

gf, "; Éßjl! я

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3865763/24-21 (22) 11.01.85 (46) 15.09.86. Бюл. Ф 34 (71) Новосибирский государственный университет им. Ленинского комсомола и Институт физики полупроводников

СО АН СССР (72) В.И.Усик, В.А.Талышев и С.Б.Севастьянов (53) 621.317.75(088.8) (56) Приборы и системы управления, 1978, Ф 1, с. 18-33.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1133563, кл. G 01 R 27/26,15.03.82. (54) УСТРОИСТВО ДЛЯ. ИЗИЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОИ ПРОВОДИМОСТИ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для автоматического измерения и контроля параметров двухполюсников. Целью изобретения является расширение частотного диапазона измерений. В устройство, содержащее блок 1 управления, перестраиваемый генератор 2, кварцевый генератор 11, фильтр 12 низких частот (ФНЧ), преобразователь частота-напряжение 13, выходной усилитель 17, выводы 18, конденсаторы, измерительный 19, нагрузочный 20, эталонный 21, RC-фильтры 35, 22, управляемый фазовращатель 23, широко— полосные 24, 25 усилители, источник

1257566 смещения 26, усилители 41,:?7 постоянного тока, балансные 8, 29, 30 смесители, селективные 34, 33 усилители, синхронные детекторы 37, 36, 39, 40, источники опорного напряжения 38, 42, для достижения цегги введены триггеры 31, 32, 28, делитель частоты 16, синхронный детектор 15, l

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может бьггь использовано дпя автоматического измерения и контроля па.раметров двухполюсников, в частности для измерения комплексной проводимости полy проводниковых структур (ИДП ди-оды, варикапы, барьеры Шотки, фотодиоды, транзисторы и др.) в зависимости от величины поляризующего напряжения и частоть, тест-сигнала.

Целью изобретения является расши«. рение частотного диапазона измерений.

На чертеже приведена блок-схема предложенного устройства.

УстройстIIO (.одержит блок 1 управления, перестраиваемыи высокочастотньй генеpoTop 2, четвертьй балансный смеситель 3, BTopoII фиггьтр 4 низких частот, второй автоподстраиваеиый кварцевый генератор 5, пятый смеситель 6, регулируемьй усилитель (аттенюатор) 7, первый балансный смеситель 8, третий 11С -фильтр 9. третий селективный усилитель 10, первьй кварцевый генератор 11, первый фильтр

12 низких частот, преобразователь 13 частота-напряжение, нуль-орган I4, пятый синхронньгй детектор 15, делитель 16 частоты„ выходной усилитель

17, выводы 18, к которым подключается измеряемый двухполюсник, измерительный конденсатор 19, нагрузочный конденсатор 20, эталонный конденсатор 21, второй RC -фильтр 2?, угравляемьй фазовращатель 23, первый широкополосный усилитель 24, второй широкополосный усилитель 25, источник 26 смещения, второй усилитель

2? постоянного тока, третий D --триггер 28, второй балансный смеситель

29, третий балансный смеситепь 30, первый 31, второй 32 3 --триггеры, нуль-орган 14, RC-фильтр 9, балансный смеситель 3, ФНЧ 4, смеситель

6, селективный усилитель 10, регулируемый усилитель 7, кварцевый автоподстраиваемый генератор 5. Для точного измерения к выводу может подключаться внешний цифровой вольтметр. 1 ил. второй селективный усилитель 33, первыи селективный усилитель 34, первый

ЕС -фильтр 35, третий синхронньй qeтектор 36, первьй синхронный детек5 тор 37, первый источник 38 опорного напряжения, четвертый синхронный детектор 39, второй синхронный детектор 40, первьй усилитель 41 постоянного тока, второй источник 42 опорного напряжения.

Вход перестраиваемого генератора

? подключен к выходу блока 1 управления, выход генератора 2 подключен к второму входу четвертого балансного смесителя 3 и к пергзому входу первого балансного смесителя 8, вы— ход которого соединен с входом первого фильтра 12 низких частот, выход ! которого подключен к входу выходно20 го усилителя 17, первый выход которого подключен к внешнему регистру частоты и входу преобразователя 13 часгоТа-напряжение, выход которог.о подключен к внешнему регистратору, выход выходного усилителя 17 подключен к первому выводу измерительного конденсатора 19, второй вывод которого подключен к входу второго широкополосного усилителя 25 и к первому выводу эталонного конденсатора 21, второй вывод которого подключен к общей шине, выход второго широкополосного усилителя 25 соединен с первым входои третьего балансного смесителя 30, второй вход которого подключен к второму входу второго балансного смесителя 29 и выходу второго фильтра 4 низких частот, вход которого соединен с выходом четвертого балансного смесителя 3, выход третьего балансного смесителя 30 соединен с входом первого селективного усилителя 34, выход которого подключен к

1257566 первым входам первого синхронного детектора 37 и второго синхронного детектора 40, первый вход первого усилителя 41 постоянного тока подключен к выходу второго синхронного детектора 40, а второй вход первого

RC фильтра 35 подключен к выходу первого усилителя 41 постоянного тока, выход RC -фильтра 35 соединен с вторым входом регулируемого усилителя 10

7, выход которого подключен к второму входу первого балансного смесителя 2 а вход соединен с первым выводом первого кварцевого генератора 11, второй вывод которого соединен с вхо- 15 дом делителя 16 частоты, второй выход которого подключен к входу Р третьего 1 -триггера 28, третий выход — к второму входу управляемого фазовращателя 23, а первый выход подключен к второму входу пятого синхронного детектора 15 и входам первого 31 и второго 32 3 -триггеров, выход первого 2 -триггера 31 подключен к вторым входам второго Синхронного детектора 40 и четвертого синхронного детектора 39, выход которого подключен к внешнему регистратору, выход второго 3 -триггера 32 подключен к вторым входам первого синхронного детектора 37 и третьего синхронного детектора 36, выход которого подключен к внешнему регистратору, выход управляемого фазовращателя

23 подключен к входу С третьего37 — 35 триггера 28, первый вход которого соединен с входом С rreproro f) -триггера 31, а второй выход — с входом С второго 1 -триггера 32, вход второго RC †фильт 22 соединен с выхо- 40 дом второго усилителя 27 постоянного тока,а выход — с первым входом управляемого фазовращателя 23, первый вход усилителя 27 подключен к выходу первого синхронного детектора 45

37, а второй вход подключен к вьгходу второго источника 42 опорного напряжения, первый вывод 18 измеряемого двухполюсника соединен с вторым выходом выходного усилителя 17 и первым выходом источника 26 смещения, второй выход которого подключен к внешнему регистратору, вход первого широкополосного усилителя 24 соединен с вторым выводом 18 измеря- 5 емого двухполюсника и первым выводом нагрузочного конденсатора 20, второй вывод которого подключен к обureAr шине, вход второго балансного смесителя 2" соединен с выходом усилителя 24, а выход подключен к входу второго селективного усилителя

33, выход которого подклкчен к первым входам третьего синхронного детектора 36 и четвертого синхронного детектора 39, выход второго автоподстраиваемого кварцевого генератора

5 подключен к первому входу четвертого балансного смесителя 3 и первому входу пятого смесителя 6, выход которого соединен с входом третьего селективного усилителя 10, выход которого подключен к первому входу пятого синхронного детектора 15, выход которого соединен с входом нульоргана 14, а выход последнего подключен к входу третьего 10 †фильт

9, выход которого подключен к входу кварцевого генератора 5, второй вход пятого смесителя 6 соединен с третьим выходом первого кварцевого генератора 11.

Устройство работает следующим образом.

Высокочастотный сигнал с выхода кварцевого генератора 11 с частотой

= u,/2i< (например 5 ИГц) поступает на второй вход смесителя 6, ча первый вход которого поступает напряжение с выхода второго автоподстраиваемого кварцевого генератора

5, частота которого может регулироваться в небольших пределах изме— нением напряжения на регулирующем входе = Co /211 = 5 МГц (0-200 Гц).

С второго выхода кварцевого генер тора 11 сигнал с частотой М, поступает на вход 16 частоты, где происходит деление частоты Я, с коэффициентом 2 по первому выходу, и (n-i ) (и- )

2 - по второму выходу и 2 по третьему выходу. Таким образом, имеем на первом выходе sf = «, /21, на втором — 2hf = 3, /2 ", на третьем — 4Й =, /2 . Если, например, выбрать = 18, то hf = 19 Гц ;

20 = 38 Гц; 4 й1 = 76 Гц. Сигнал с перзого выхода делителя 16 поступает на второй вход синхронного детектора 5. Сигналы с частотами 2, и ы поступают на входы смесителя 6, раз— постная частота Ы, — Ы выделяется селективным усилителем 10 и далее поступает на первый вход синхронного детектора 15, на второй вход которого поступает опорное напряжение

5 12575бб .с частотой ац, сигнал с выхода детектора 15 через нуль-орган 14 и

RC -фильтр 9 поступает на регулирующий вход автоподстраиваемого кварцевого генератора 5,-замыкая цепь отрицательной обратной связи автоподстраиваемой частоты генератора

5. Обратная связь работает таким образом, что разностная частота на выходе смесителя 6, поступающая на первый вход синхронного детектора

15 через усилитель 10, поддерживается равной опорной частоте, поступающей на второй вход детектора 15, сигнал на выходе детектора 15 через нуль-орган и RC -фильтр поддер.-живается равным нулю. Это означает, что разностная частота равна опорной частоте а ы и частота Ю генератора 5 поддерживается равной Ы = 20

6ь> с большой точностью, Сигнал с частотой Ы от кварцевого генератора 11 через регулируемый усилитель 7 поступает на второй вход балансного смесителя 8, на первый 25 вход которого поступает высокочастотный сигнал от перестраиваемого генератора 2, частота которого. может автоматически (или в ручном режиме) изменяться от И до И4 (например, or 5 до 8 ИГц), что обеспечивается блоком 1 управления.

После смешивания в балансном смесителе 8 и прохождения через фильтр

12 на входе выходного усилителя 17

35 появится сигнал, частота которого равна у и может автоматически изменяться от CD „= CD> — CD, p,о (д = У

CD,. Таким образом, на выходе усилителя 17 в точке A появляется напря cA (ц и

4 жение Ll„e e ", где V — амплитуда переменного сигнала,, которая может регулироваться изменением амплитуды сигнала частоты CD!, поступающего на второй вход балансного смесителя 8 через регулируемый усилитель 7, à ci> — фаза этого сигнала. (2) (CD iD ) - CD = a CD

Напряжение высокочастотного сигнала с выхода перестраиваемого генератора 2 также поступает на второй

50 .,вход балансного смесителя 3, на первый вход которого поступает напряжение с частотой CD = CD, — LCD с выхода генератора 5. После смешивания в балансном смесителе 3 и прохождения через фильтр 4 низких частот на вторых входах балансных смесителей 29 и 30 появляется сигнал, частота которого равна Ы + а у и может изменяться в следующих пределах: (ц >3 ">г >3 4) nu н >

Ь 4 л>2 л" 4

> (1) (Д <((л>фа(Д) а CD

Сигнал с выхода выходного усилителя 17 поступает на эталонный конденсатор 21 с большой добротностью, при этом на измерительном конденсаторе

19 выделяется напряжение, пропорциональное току, текущему через конденсатор 21, так что напряжение, присутсгвующее на входе широкополосного усилителя 25, в точке В равно

С Bblzopà усилителя 25 усиленныи сигнал с частотой а (Ы„аы ув) поступает на первый вход третьего балансного смесителя 30, на второй вход которого поступает напряжение с выхода фильтра 4 низких частот, смешивается в балансном смесителе 30 и с его вы-хода сигнал поступает на вход селективного усилителя 34, где происходит выделение частоты

Таким образом, на выходе селективного усилителя 34 появляется напряжение с частотой а,,>, равное эт < i где i!< и E — соответ - илм ственно амплитуда и фаза сигнала па входе широкополосного у-силителя 25, а множители А (co) и а3 (ы) определя— ют амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики трактов усиления и преобразования частоты. Это напряжение поступает на первые входы первого 37 и второго 40 синхронных детекторов.

С второго выхода делителя 1б частоты сигнал с частотой 2 а д поступает на 3 -вход триггера 28, где синхронизуег по фазе сигналы управления триггерами 31 и 32. С третьего выхо-,, да делителя 16 частоты cèríàë с частотой 4 LCD поступает на второй вход управляемого фазовращателя 23, с вы1257566 „ 4(4= соп51, (7) 55 хода которого управляемый по фазе сигнал с частотой 4 4и подается на

С-вход триггера 28. На выходах триггера 28 имеем противофазные сигналы с частотой 2 463 управления триггерами

31 и 32. На входы 2 триггеров 31, 32 подан сигнал синхронизации с частотой 443 с первого выхода делителя 16 частоты. На выходах триггеров

31, 32 имеем два меандра с частотой 1О у, фазовый сдвиг между которыми о составляет 90 и сохраняется строго постоянным при работе цепи фазовой автоподстройки. Таким образом, на выходах триггеров 31 и 32 присутст- 15 вуют два квадратурных сигнала с частотой 4Ы, сигнал с выхода триггера 31 поступает на вторые входы синхронных детекторов 39 и 40, а сигнал с выхода триггера 32, сдви- 20 о нутый на 90, поступает на вторые входы синхронных детекторов 36 и

37.

Синхронный детектор 40 настроен на реактивную компоненту сигнала, так что на его выходе появляется постоянное напряжение,.пропорциональное

Сэт (1 А(и1 С з и(а q (и)) (4)

Это напряжение поступает на усилитель 27 постоянного тока, где сравнивается с опорным напряжением, поступающим от источника 42 опорного напряжения. Величина опорного напряжения источника 42 не превышает +5 мВ и служит для компенсации напряжения смещения усилителя 27. Сигнал рассогласования усиливается в усилителе 27 и через RC †филь 22 посту40 пает на управляющий вход фазовращателя 23, замыкая цепь обратной связи фазовой автоподстройки.

Обратная связь работает таким образом, что напряжение на выходе син45 хронного детектора 37 поддерживается равным нулю, т.е. выполняется условие я(Чд+ Ч(ф =0 ïí Цр+Осф(и)=О, (5) так что набег фазы в усилительных трактах Ьс (ь ) при изменении частоты сигнала автоматически компенсируется изменением фазы управляемого фазовращателя на частоте 4 у и, соответственно, фазы опорных квадратурных сигналов с частотой 6и .

Синхронный детектор 40 настроен на реактивную компоненту сигнала, так что на его выходе появляется напряжение, пропорциональное

U р A(<) г с (Чр Ч(1 >

И9М которое с учетом (5) равно

Цд А((,)) (6)

ИЗМ

Это постоянное напряжение поступает на первый вход усилителя 41 постоян-. ного. тока, где сравнивается с опорным напряжением источника 38 опорного напряжения и через йс -фильтр 35 поступает на второй регулирующий вход усилителя, изменяя в небольших пределах его усиление и, соответственно, величину сигнала с частотой

Ы,, поступающего на второй вход балансного смесителя 8 от генератора

11, и замыкая отрицательную обратную связь автоподстройки амплитуды.

Эта связь работает таким образом, ч о напряжение на выходе синхронного детектора 40 поддерживается равным опорному от источника 38 опорного напряжения с точностью лучше л

О, 1%. О д А (ы = сот Й, или, "И9М учитывая, что С 9 H С >9м — IIocTO янные величины, имеем на выходе синхронного детектора 40

Таким образом, нелинейность АЧХ усилительных и частотно-преобразо— вательных блоков, а также нестабильность амплитуды кварцевых генераторов и перестраиваемого генератора, а также неидеальность передаточной характеристики фильтров 4 и 12 низких частот автоматически компенсируется изменением амплитуды тест-сигнала в точке А вследствие изменения напряжения с частотой о,,поступающего на второй вход балансного смесителя 8 через регулируемый усилитель 7 от кварцевого генератора 11.

Одновременно сигнал с выхода усилителя 17 поступает на измеряемый двухполюсник, при этом на измерительном конденсаторе 19, емкость которого выбирается в зависимости от емкости С„ измеряемого двухпогтюсника и

9 12575 требуемой точности измерений, возникает напряжение, пропорциональное току, текущему через измеряемый двухполюсник, так что напряжение в точке

С равно

U,= =Б д e | - —. С,-1 / ) ° (8)

1ы Рд

С выхода широкополосного усилитепя

24 усиленный сигнал частоты сй,<сз у 1п в поступает на первый вход балансного смесителя 29, на второй вход которого поступает напряжение с выхода фильтра 4 низкой частоты. Сигналы смешиваются в балансном смесителе 29 и с его выхода сигнал поступает на вход селективного усилителя 33, где происходит выделение частоты йЫ

Таким образом, на выходе усилителя

33 появляется сигнал с частотой бьат, 2р равный

U (4 ° — (С,- "/) е (9)

1ЬЫ6 1Ц д 1, I I5(p(Q)

С

Это напряжение с выхода селективного усилителя 33 поступает на первые входы синхронных детекторов 36 и 39, на вторые входы которых поступает опорное квадратурное напряжение с выходов триггеров 31 и 32.

Работа и настройка детекторов 36 и 39 полностью аналогична работе и настройке соответственно детекторов

37 и 40. Синхронный детектор 39 (аналогично детектору 40) настроен на реактивную компоненту сигнала, так как на его выходе имеет место постоянное напряжение, равное

О„я ы(с„с .. р, ыр ы,,/ ь,,<ср, r w(ale, 40 (1О)

Синхронный детектор 36 (аналогично детектору 37) настроен на активную компоненту сигнала, так что на

45 его выходе имеет место постоянное напряжение, равное õ д "(ы1 6 п(с д+ Я(ф1 — с05(Чд 4 бц Я))J (1 1 )

Так как каналы, содержащие усилитель

25, .смеситель 30, усилитель 34 и усилитель 24, смеситель 29, усилитель

33„ выполнены идентичными, учитывая выполнение условий (5) и (7) при изменении частоты переменного тестсигнала, имеем на выходе синхронного детектора 36 согласно (11) сигнал, бб 1О пропорциональный „„ / Ы, а на выходе синхронного детектора 39 согласно (10) — сигнал, пропорциональный Сх .

С первого выхода выходного усили— теля 17 сигнал поступает на вход преобразователя 13 частота-напряжение, где происходит логарифмическое преобразование частоты ы „ — и, в напряжение, которое далее может подаваться на один из входов двухкоординатного самописца для записи зависимостей Qx / G3 — 1 уз или C„ — Г ср .

С выхода блока 1 управления на вход перестраиваемого высокочастотного генератора 2 поступает постоянное или пилообразное напряжение для электронной перестройки частоты генератора. В первом случае снимаются

0 q/ ы от О и у, от U зависимости при выбранной фиксированной частоте в пределах И „ — и, во втором случае — С /(от Б и С„ от Я зависимости при фиксированном поляризующем напряжении.

С выхода источника 26 смещения на измеряемый двухполюсник поступает постоянное поляризующее напряжение, которое также может изменяться пилообразно для записи соответствующих зависимостей G „ / ы от U u от 11 .Одновременно к выходу U может подключаться внешний цифровой вольтметр для точного измерения напряжения.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Устройство для измерения комплексной проводимости, содержащее первый кварцевый генератор, блок управления„ выход которого соединен с входом перестраиваемого высокочастотного генератора, выход первого балансного смесителя через первый фильтр низких частот соединен с входом выходного у-силителя, первый выход которого подключен к внешнему регистратору частоты и соединен с входом преобразователя частота-напряжение, второй выход выходного усилителя соединен через измерительный конденсатор с вхоцом второго широкополосного усилителя и первым вывоцом эталонного конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, выход второго широкополосного усилителя через последовательно соединенные третий балансный смеситель, первый селективный усилитель соединен с первыми

125756б

1Z ля соединен с входом второго селективного усилителя, выход которого соединен с первыми входами третьего кан

Корректор Е.Рошко

Заказ 4914/44 Тираж 728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 входами первого и второго синхронных детекторов, выход второго синхронного детектора соединен с первым входом первого усилителя постоянного тока, второй вход которого подключен к выходу первого источника опорного напряжения, вход первого

RC-фильтра соединен с выходом первогп усилителя постоянного тока, выход первого синхронного детектора 1р соединен с первым входом второго усилителя постоянного тока, второй вход которого подключен к второму источнику опорного напряжения, выход второго усилителя постоянного тока через второй RC-фильтр соединен с входом управляемого фазовращателя, вход первого широкополосного усилителя соединен с вторым выводом для подключения измеряемого двухполюсника Zp и первым выводом нагрузочного конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, выход первого широкополосного усилителя через первый вход второго балансного сяесите- 25 и четвертого синхронных детекторов, выходы которьгх подключены к внешним 3Г» регистраторам, второй вход первого синхронного детектора соединен с входом третьего синхронного детектора, второй вход второго синхронного детектора соединен с вторым входом четвертого синхронного детектора, первый выход источника смещения соединен с первым выводом для подключения измеряемого двухполюсника и выходом выходного усилителя, второй выход О источника смешения подключен к внешнему регистратору, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения частотного диапазон; » и повышения .точности измерений„в него дополнительно введены первый, второй и третий

D-триггеры, делитель частоты, пятый синхронный детектор, нуль-орган, третий RC-фильтр, четвертьп» бглансный смеситель, второй фильтр низких

Составитель В.Сту

Редактор М.Келемеш Техред Л.Олейник частот, пятый смеситель, третий селективный усилитель, регулируемый усилитель, второй кварцевьп» автоподс ра»»ваемьп» генератор, вьгход которого соединен с первыми входами пятого смесителя и четвертого балансного смесителя, выход которого через второй фильтр низких частот соединен с вторыми входами второго и третьего балансных смесителей, выход пятого смесителя через третий селективный усилитель соединен с первым входом пятого синхронного детектора, выход которого через нуль-орган и третий

RC-фильтр соединен с входом второго кварцевого автоподстраиваемого генератора, третий выход первого кварцевого генератора соединен с вторым входом пятого смесителя, первьпй выход — с входом регулируемого усилителя, первьп» выход которого соединен с вторым входом первого балансного смесителя, вход делителя частоты соединен с вторым выходом первого кварцевого генератора, первьп» выход делителя частоты соединен с вторь»ь» входом пятого синхронного детектора и входами D первого и второго D-триггеров, второй выход — с входом Р третьего D-триггера, третий выход— с вторым входом управляемого фазовращателя, инвертированньп» выход третьего D-триггера соединен с входом С первого D-триггера, а инвертированный выход третьего П-триггера — с входом С второго Р-триггера, выход первого D-триггера соединен с вторыми входами второго и четвертого синхронных детекторов, а вьход второго D-триггера — с вторыми входами первого итретьего синхронных детекторов,выход перестраиваемого высокочастотного генератора соединен с первым входом первого балансного смесителя и вторым входом четвертого балансного смесителя, вьгход первого RC-фильтра соединен с вторым входом регулируе— мс го усилителя, вьгход управляемого фазовращателя соединен с входом С третьего D-триггера.