Цифровой измеритель параметров комплексного сопротивления

 

Изобретение относится к области цифровой электроизмерительной техники . Цифровой измеритель параметров комплексного сопротивления содержит генератор 1 синусоидального напряжения , усилитель 2 мощности, образцовьй резистор 3, измеряемое комплексное сопротивление 4, переключатели 6.1 - 6.4 рода работ, операционньй усилитель 5, цифровой от

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„>437799 д 1 ц11 4 С О1 R 27/02

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 41 15753/24-21 (22) 03. 09.86 (46) 15.11.88. Бюл. Р 42 (72) H.È.Ãðèáoê, В.N.Ìàêóõ, Б.Б.Ыороз, С.Г.Романюк, С.A.Ñàâåíêî и Н.И.Токар (53) 621.317.33 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 467302, кл. С 01 R 27/26, 1972.

Гаврилюк М.А., Соголовский Е.П.

Электронные измерители Ю.С. Львов:

Вища школа, 1978, с. 87. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ

КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к области цифровой электроизмерительной техники. Цифровой измеритель параметров комплексного сопротивления содержит генератор 1 синусоидального напряжения, усилитель 2 мощности, образцовый резистор 3, измеряемое комплексное сопротивление 4, переключатели 6.1 — 6.4 рода работ, операционный усилитель 5, цифровой от1437799 счетный блок 22, интегрирующий аналого-временной преобразователь 14, генератор 11 образцовой частоты, квадратичный преобразователь 7, фазоинвертор 8, перемножитель 10, переключатель 9, источник 12 напряжения смещения, цифроаналоговый преобразователь 13, элементы И 15, 18, 24, 30, триггеры 16, 17, 23, счетчики

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано при построении измерителей R-, L- и С-параметров.

Цель изобретения — повьппение точности измерения в диапазоне частот.

На фиг.1 приведена блок-схема цифрового измерителя. параметров комплексного сопротивления; на фиг.2 — временные диаграммы, поясняющие его ра- 10 боту.

Цифровой измеритель содержит генератор 1 синусоидального напряжения, усилитель 2 мощности, образцовьпп резистор 3; измеряемо е к омпл ек сное сопротивление 4, операционный усилитель .5, переключатели 6.1-6.4 рода работы, квадратичный преобразователь 7 „фазоинвертор 8, переключатель 9, перемножитель 10, генератор 11 образцовой частоты, источник 12 напряжения смещения, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13, интегрирующий аналого-временной преобразователь 14, первый элемент И 15, первый 16 и второй

17 триггеры, второй элемент И 18,первый счетчик 19, блок 20 перезаписи, реверсивный счетчик 21, цифровой от-. счетный блок 22, третий триг1 ер 23, третий элемент И 24, первый 25 и второй 26 формирователи импульсов, усилители 27 и 28, фазорасщеиляющий блок

29, четвертый элемент И 30 и второй счетчик 31.

Выход генератора 1 синусоидально- 3g

ro напряжения через усилитель 2 мощности соединен с первым входом интегрирующего аналого-временного преобразователя 14, первым контактом переключателя 6.3, первым контактом ;10 переключателя 6.2, первым к.:тактом

19„31, реверсивпый счет ьнк 21, блок

20 перезаписи, формираваreвп 25, 26 импульсов, усилители 27, 28, фаэорасщепляющий блок 29. Цифровой измеритель параметров обеспечивает высокую точность измерений шираком диапазоне частот за счет устраяе влияния на результат измере|шя аддитивной составляющей погрешности. 2 пл. переключателя 9, входам квадратичного преобразователя 7 и входом фазоинвертора 8, выход которо. О соеди".е.=.н с вторым контактом переключателя 3, выход которого соеди«ен с первым входом фазорасщепляющего блока 29 и входом ycHJIHT !я 28 ВыхОд KoTopol О сов

;динен с третьим входом переключателя

6. 1. Выход операционного усилителя 5 подключен к второму входу переключателя 6.3, Второму входу перекл|очате-. ля 6.2, входу усилителя 27 и второму входу фазорасщепляющего блока 29, второй выход которого соединен с Вторым входом переключателя 6.1, à ïå1>иый — с чеTHeðòû! Входом переключателя 6.1, первьп Вход перекыочателя

6.1 соединен с Выходом усилителя 2

Два выхода переключатe>»I 6. подключены соответственно к двум Входам перемножителя 10,. Выход которога сое-. динен с вторым Входом интегрируощего аналого-временного преобразователя источник 1 2 !!e 1>:!.!!e!iIIII щения, Выход квадратичного .,реобразователя 7 подкл:очеп и первому Входу переключателя 6.4 и входу . 1АП 13> выход которого соединен с вторь» В.:.:-дом переключателя 6.4, Выход переключателя 6.4 соединен с третьяг1 вхо— дом интегрирующего аналого-в >еменнога преобразователя 14. Выхo,, леры,люьатоля 6.2 соединен с первым заж:мам образцового резистора 3, Втop! и зажим которого соединен с инвертирующпм Вхоцом операционного усилите I!I и с первым зажимом измеряемого комплексного сопротивления 4, второй ззжим котарогс соединен с выходом и .— реключателя 6.3. Первый Выход яр =соразователя 14 подк.почел к входу ус25

14377 тановки второго триггера 17 и входам сброса счетчика и 31 и цифрового отсчетного блока 22. Второй выход преобразователя 14 подключен к второму входу третьего элемента И 24 и перво5 му входу четвертого элемента И 30, второй вход которого соединен с вьгходом генератора 11 образцовой частоты и вторым входом первого элемента И 15, первый вход которого подключен к третьему выходу преобразователя 14, входу записи ЦАП 13 и входу первого триггера 16, выход которого соединен с управляющим входом пере- 15 ключателя 9. Выход четвертого элемента И 30 соединен с входом счетчика 31, информационный выход которого подключен к информационному входу

ЦАП 13. Выход ьторого триггера 17 2р соединен с вторым входом второго элемента И 18 и первым входом третьего элемента И 24, выход которого через лервый формирователь 25 импульсов подключен к входу блока 20 перезаписи и входу второго формирователя 26 импульсов, выход которого соединен с входами сброса счетчика

19 и третьего триггера 23, выход которого подключен к входу управления реверсивного счетчика 2 1, информационный выход счетчика 21 соединен с информационным входом цифрового отсчетного блока 22. Выход элемента И

15 подключен к счетному входу счетчика 19 и первому входу элемента И 18, выход которого соединен со счетным входом реверсивного счетчика 21. Информационные выходы счетчика 19 подключены к информационным входам блока перезаписл 20, выходы кбторого связаны с входами записи реверсивного счетчика 21, выход счетчика 21 подключен к входу установки триггера 23. Неинвертирующий вход операционного усилителя 5 подключен к общей шине. Входы управления переключателей 6.1, 6.2, 6.3 и 6.4 рода работы соединены между собой. Информационный выход счетчика 19 соединен с информационным выходом блока 20 перезаписи, информационный выход которого соединен с информационным входом реверсивного счетчика 21.

Цифровой измеритель работает сле55 дующим образом.

При измерении синфазной составляющей сопротивления последовательной R>L„-схемы переключатели рода

U(t) = U sinu t, где U — амплитуда;

ы — круговая частота;

t — время.

Из этого напряжения, которое поступает на первый вход преобразователя 14, формируется временной интервал t,-t (см. фиг.2д), кратный периоду Т напряжения U(t), т.е. Т =t-t,=nT (п= 1, 2, 3, ° ..).

Через переключатель 9 и усилитель

28 с коэффициентом усиления К и фазовым сдвигом „на второй вход перемножителя 10 поступает напряжение

U «(t) = К U sin(ut+ф,) . (2) На выходе операционного усилителя

5 имеется напряжение

U (с) = V(t) .— =

Zx

R, = — U s in (ис+ (с), Z»

Ro где 4 — сдвиг фаз между напряжением

U(t) и U gt), вызванный реактивностью Z

Напряжение U (с) усиливается уси лителем 27 с коэффициентом усиления

К и фазовым сдвигом „, как и у усилителя 28 вследствие идентичности их характеристик. Поэтому на первый вход перемножителя 10 поступает напряжение (3) U„(t) = » зЫ(ь + Ч„+Ч) ° (4) Rî

При перемножении И „(с) и И 1< (с) на выходе перемножителя 10 получается

U„, (с) =U«+r.„v,„(t) -U „(с) -ц„,+

Кп K2-U Е„

+ " (сову-сов 2(03с+ц„)+ ) i о (5) 99

4 работы находятся в следующем положении: 6.2 — в нижнем, 6.1 — в верхнем, 6.3 — в верхнем, 6.4 - в нижнем. Счетчики 19, 21 и 31 и триггеры

16, 17 и 23 установлены в нулевое состояние. Переключатель 9 находится в верхнем положении. Элементы И

24 и 30 закрыты сигналом с третьего и второго выходов преобразователя

14, элемент И 18 закрыт сигналом с выхода триггера 17.

Напряжение на выходе усилителя

2 мощности где R — образцовое сопротивление на о входе операционного усилителя;

Ц1,,К н — дрейф нуля и коэффициент передачи перемножителя 10.

Напряжение U, (t) (фиг.2а время

0 — t, интегрируется в преобразователе 14 за время t q-t 1 (фиг.2б, Время t1,с 2) На время t 2 e от крывается элемент И 30 и к моменту

t2 в счетчике 31 зафиксируется код числа

N = ЕО т1= fÎ П.Т (7) Н вы = К цап Н в, Нх где Кц п

И„, коэффициент переДачи ЦАП, код числа, пос тупающий на шину управления, т.е.

И„= И1, напряжение, поступающее на вход с выхода квадратичного преобразователя 7 с функцией преобразования

Ue

" в " вы .1 где К „„ --коэффициент передачи квадратичного преобразователя 7.

В момент t 2 напряжение

U

Нема =К е,еп К кв поступает с выхода переключателя 6.4 на третий вход преобразователя I4, что приводит к обратному интегрированию в преобразователе 14 до нулевого уровня Бс, определяемого порогом срабатывания преобразователя 14 (моменты t >-с2, фиг,26) .

В процессе двухтактного преобразования напряжения U „„(.) совместно с напряжением У „ источника 12 в пре образователе 14 во временной интервал имеем

12 1 (Ц, +U „+ "„(cos

Кг.K иг .Z

Ь Н 0

-сов(?(<мс+ „)+ eI ) J dt +

В момент t 2 на третьем выходе преобразователя 14 формируется передний фронт импульса длительностью (фиг.2г), который в момент t2 переписывает число И1 в ЦАП 13, функция преобразования которого описывается выражением;

Цс т -(U Ap+U -H) Т, t=t„-С

Kggn K n

Кг KA

Z „cos сг, КП 0 (10) так как

12

Е созГ (+ср,)+с )1,К=0

1 Кг Кр0,Ях

15 2Ro с приt -и Т.

На время С -e., открывается элемент И 1" и на вход счетчика 19 поступает число импульсов

20 оГНс".-(U др+Н см) Т11

ll =f (t -t. )с е 2 Н

К „„К р="Г,-т, Кг. К

26 R К .К

9 и,ли кп

В момент с импульс с выхода преобразователя 14 (фиг.2в) опрокидывает триггер 17 в единичное состояние (фиг.2ж), который в дальнейшем остается в этом положении, и открывает по второму входу элемент И 18, Кроме того, единичный сигнал в момент t с первого выходa преобразо-. вателя 14 сбрасывает в нуль счетчик

35 31. В момент t2 положительным фронтом импульса длительностью (e -t>) триггер 16 опрокидывается в:..диничное состояние и переводит переключатель 9 в нижнее положение. Прн этом

4О сигнал с выхода фазоинвертора 8

U2, = U „siï(„e+180 ) поступает на вход усилителя 28 и с его выхода через переключатель 6.1

4Б на второй вход перемножптеля (12) U 2, (t) =K U„sin(et+ ц+ I80 ) ..

Напряжения (I i ) и (12) перемножаются в перемножителе 10, вследствие чегс получаетс.я (фиг.2а, моменть, t)g

U„2(t) =U„î+K „U2, (t) - U„(e)

К„, Кг. И,„

=Н р+ (-cos P +

2К

+ с îs (2(мi+ Ц„) + g)1 (13) 37799 6

+ . ) Кцд Ккп < и Т " с ° (9)

12

На третьем выходе преобразователя 14 получается временной интервал!

437799

10 !

20 (14) В момент t4 срабатывает первый формирователь 25, который на время

-g = 4 выдает импульс на блок 20 25 перезаписи, переписывая код числа

N из счетчика 19 в реверсивный счет1 чик 21. В момент t срабатывает формирователь 26, который в течение времени (tS t„) выдает импульс и сбра- 30 сывает в нуль счетчик 19 и триггер

23. В момент t > импульс с первого выхода преобразователя 14 записывает код числа N f о Т 1из счетчика 3 1 в ЦАП 13 °

За время t „-ts с выхода элемен. та И 15 на вход счетчика 19 и через элемент И 18 на вычитающий вход счетчика 21 поступает число импульсов

2КП К2

К „К„, К (16) В преобразователе 14 в процессе двухтактного преобразования U п ()

+ U,„, при tз-t4=t -t =п T=T

kg с4 о

+сов 2(1.оС+(> )+ Ì 1ÖÀ +

Ь1О

1 U2

I ЦАп Кп 2 о 1

Ь Я

С учетом того, что

cos(2(t+rp„)+V)At=0

14 о получаем

Уо с -(UAp+U си) T

1О цAn k 2 1

К2 Кп

+ R K K f Zx cosLfo ц,An Kn о (Бо а -(U*p +U см) T 1

11 î «9 о(U2

К цдп К кп 2 о 1

° К2

Z „соз q. (15) о ЦАп

В момент t в счетчике 21 полу1О чают код числа

2К „К2

Ы11 Н12 К, К R Zx созе

11Ап кп о где R.=Z„cos p- значение сопротивления в последова- тельной схеме R L„.

Из выражения (16) видно, что результат измерения не зависит от зна35

55 элементов цепи аналого-цифрового преобразованил. Их стабильность требуется обеспечить на время измерения, что технически легко осуществимо °

К моменту t „ в счетчике 2 1 зафиксируется код числа, определяемый выражением (16)„ который при — 10 (где в=О, 1,2,3,...) ц Ап Kï 1о пропорционален значению сопротивления R „ ° .В счетчике 19 запоминается код числа N 12 результат N „ N 12 Вы+ водится .в цифровом отсчетном бло-. ке 22.

Для уменьшения динамической погрешности вследствие разновременного преобразования в третьем цикле получается код числа N . К моменту его поступления в реверсивном счетчике

21 из счетчика 19 переписан код числа N, (N . Поэтому с приходом числа N, импульсов в N счетчик 21 переходит в нулевое состояние, опроки-, дывает триггер 23 в единичное состояние, что приводит к переводу реверсивного счетчика 21 в режим суммирования. Послецующие

К и К

К К R

1 П Ц АП о импульсы зафиксируются в счетчике

21. Аналогично происходит в последующих циклах, т.е. в каждом цикле преобразования в цифровом отсчетном блоке 22 выдается результат измерения.

При измерении реактивной составляющей сопротивления последовательной R„L „-цепи переключатели рода работы находятся в следующем положении: 6.2 — в нижнем; 6.1 — в нижнем, 6.3 — в верхнем; 6.4 — в верхнем.

Счетчики 19, 21, 31, триггеры 16, 17, 23 сброшены в состояние нуля.

Переключатель 9 находится в верхнем положении. Элементы И 24 и 30 закрыты сигналом с третьего выхода преобразователя 14, элемент И 18 закрыт сигналом с выхода триггера 17. Напряжение, описанное формулой (1), с выхода усилителя 2 мощности через переключатель 9 поступает на первый вход фазорасщепляющего блока 29, на второй вход которого поступает напряжение, описанное формулой (3), с выхода операционного усилителя 5. На выходе фазорасщепляющего блока 29 получаем два напряжения:

10 где т = О, 1, 2, 3,...

При измерении параметров параллельной Е„С„-цепи осуществляются следующие измерения. В схеме должно осуществляться измерение синфазной составляющей проводимости.

При измерении синфазной составляющей проводимости переключатели рода работы находятся н следующем положении: 6.2 — в верхнем; 6.1 в верхнем; 6.3 — в нижнем; 6.4 в нижнем.

При измерении емкости параллельной R „С „-цепи переключатели рода работы находятся в следующем положении: 6.2 — в верхнем1 6.1 — в нижнем, 6.3 — в нижнем, 6.4 — н верхнем.

Предлагаемый измеритель И.С-параметрон обеспечивает высокую точность измерений в широком диапазоне частот за счет устранения влияния на результат измерения аддитивной составляющей погрешности.

Формула и з обретения

Цифровой измеритель параметров комплексного сопротивления, содержащий генератор синусоидального напряжения, усилитель мощности, образUoBbIA резистор, измеряемое комплексное сопротивление, переключатель рода работы, операционный усилитель, цифровой отсчетньп блок, интегрирую,.;ий аналого-временной преобразователь, генератор образцовой частоты, в котором выход генератора синусоидального напряжения соединен с входом усилителя мощности, выход которого соединен с неподвижнымн контактами переключателя рода работы третьего и второго направлений, выход перекую- ателя рода работы третьего направления соединен с первым.зажимом измеряемого комплексного сопротивления, второй зажим которого подключен к ннвертнрующему входу операционного усилителя и первому зажиму образцового резистора, второй зажим которого соединен с выходом переключателя рода работы второго направл:=íèÿ, неиннертируюпп и вход операционного усилителя подключен к общей шине, -а выход соединен с вторыми входами нереюночателя рода работы третьего

143779<

12 и второго направле п й, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности измерения в диапазоне частот, в него дополнительно введены квадратичный преобразователь, фаэоиннертор, перемножитель, переключатель, источник напряжения смещения, цифро-аналоговый преобразователь, четыре элемента И, три триггера, дна счетчика, реверсивный счетчик, блок перезаписи, два формирователя импульсов, два усилителя и фазорасщепляю" щий блок, выход усилителя мощности соединен с первым входом интегрирующего преобразователя напряжения во временной интервал, первым входом переключателя, входом квадратичного преобразователя и входом фазоиннертора, выход которого соединен с вторым входом переключателя, управляющий вход которого соединен с выходом первого триггера, выход переключателя соединен с входом второго усилителя и первым входом фазорасщепляющего блока, второй вход ко.:орого соединен с выходом операционного усилителя и входом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с первым вхо

30 дом переключателя рода работы первого направления, второй вход которого соединен с вторым выходом фазорасщепляющеи цепи, третий вход — с выхо дом второго усилителя, четвертый входс первым выходом фазорасщепляющей цепи, а два выхода переключателя рода работы первого направления соединены с двумя входами перемножителя, выход которого соединен с первым выводом

4б источника напряжения. смещения, второй вывод источника напряжения смещения соединен с вторым нходом интегрирующего аналого-временного преобразова- теля, третий вход которого соединен с выходом переключателя рода работы четвертого направления, первый вход переключателя рода работы четвертого направления соединен с выходом квад- ратичного преобразователя и входом цифроаналогового преобразователя, а второй вход — с выходом цифроаналогового преобразователя, информационный вход которого соединен с информационным выходом второго счетчика, а вход управления записью числа соединен со счетным входом первого триггера, первым входом первого элемента И, и третьим выходом интегри рующего аналого-временного преобраэоI 437799 г7фs 3

Составитель П.Мель.::иков

Редактор Л.Пчелинская Техред Л.Сердюкова 1(орректор д. I öpí як

Заказ 5890/46

Тираж 772

Подписное

БПИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Рауьс как наб., д. 4/5

Производственно полигpaфическ(: пвед рнятие -, г „- Ужгaicsc и, y.!, 1, о к тI!a sl, вателя, второй ьыход которого соединен со вторым входом третьего элемента И и первым входом четвертого элемента И, второй вход которого сое— динен с выходом генератора образцовой частоты и вторым входом первого элемента И, а выход — со счетпьи входом второго счетчика, вход сброса которого соединен с входом управления цифрового отсчетного устройства, первым выходом интегрирующего аналого-временного преобразователя и входом второго триггера, выход второго триггера соединен с вторым входом второ- I5 го элемента И и первым входом третьего элемента И, выход которого соеди нен с входом первого формирователя, выход первого формирователя соединен с входом управления схемы перезаписи и входом второго формирователя, выход которого соединен с входами сброса первого счетчика и третьего триггера. вход установки третьего триггера ссе- динен с выходом реверсивного счетчика, а выход — с входом управления режимом работь; реверсивного счетчика, информационный выход которого соединен с -входом цифрового отсчетного . блока, счетный вход соединен с выходом второго элемента И, информа ион— ный вход записи числа соединен . информационным выходом блока перезаписи, информационные входы которого подключены к информационным вь.ходам первого счетчика,. счетный вход первого счетчика соединен с первым входом второго элемента И и выходом перного элемен га И, а входы управления переключате IH рода работы всех четырех направлений соединень; между собой.,