Корреляционный измеритель фазовой постоянной цепи

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения фазовой постоянной и коэффициента передачи электрических цепей в цифровой форме при наличии нелинейных искажений и шумов в исследуемом объекте Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей Это достигается тем, что в измеритель, содержащий высокочастотный генератор 1 квадратурных напряжений входную 2 и выходную 5 клеммы исследуемого объекта 3, аналоговый муль

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s G 01 R 25/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР itii 1 .:,, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фиг 1 (21) 4449339/21 (22) 27,06.88 (46) 30.01.91. Бюл. М 4 (71) Киевский политехнический институт им, 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) В.И. Скрипник, Ю,А. Скрипник, Г,К. Бурченков, С.А, Затока и И.Ю, Скрипник (53) 621,317.77(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 308380, кл. G 01 R 25/00, 1970. (54) КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ

ФАЗОВОЙ ПОСТОЯННОЙ ЦЕПИ. Ж 1624348 А1 (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения фазовой постоянной и коэффициента передачи электрических цепей в цифровой форме при наличии нелинейных искажений и шумов в исследуемом объекте.

Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей. Это достигается тем, что в измеритель, содержащий высокочастотный генератор 1 квадратурных напряжений входную 2 и выходную 5 клеммы исследуемого объекта 3, аналоговый муль1624348 типлексор 4, фильтр 9 нижних частот и цифровое отсчетное устройство 23, введены сумматор 6, избирательный усилитель 7, умножитель 8, однополосные фазокомпенсированные модуляторы 10 и 11, генератор 12 низкочастотный, АЦП 13, интерфейс ввода

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения фазовой постоянной и коэффициента передачи электрических цепей, например фазовых датчиков, в цифровой форме при наличии нелинейных искажений и шумов в исследуемом объекте.

Цель изобретения — повышение точносги измерения фазовой постоянной и коэффициента передачи цепей при большом уровне шумов и помех, На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг, 2 и 3 — блоксхема алгоритма работы.

Устройство содержит высокочастотный

? енератор 1 квадратурных напряжений, синфазный выход которого соединен с входной клеммой 2 исследуемого o6t.еКТа 3 и первым входом аналогового мультиплексора 4, а с квалратурным выходом енератора 1 соединен второй вход мультиплексора

4. Выходная клемма 5 объекта 3 соедма?ена с первым входом сумматора 6, выход котор?го через избирательный усилитель i соед.;нен с одним входом умножителя 8, второй вход которого соединен с выходом мультиплексора 4, а к выходу умножителя подключен фильтр 9 нижних частот. Третий и чегвертый входы мультиплексора 4 соединены с выходами однополосных фазокомпенсированных модуляторов 10, 11 и соответственно с третьим и вторым входами сумматора 6. Входы модуляторов 10 и 11 по несущей частоте соединены перекрестно с квадратурными выходами генератора 1, а по модулирующей частоте -- параллельно с квадратурными выходами низкочастотного генератора 12. Выход фильтра 9 соединен с аналоговым входом АЦП вЂ” 1 3, кодовые выходы которого через интерфейс 14 ввода соединены с системной шиной 15 микропроцессора 16. К шине 15 подключены ОЗУ

17, ПЗУ 18 и клавиатура 19 с интерфейсом сопряжения. Через интерфейс 20 вывода подключены кодовые входы ЦАП 21, аналоговый выход которого соединен с управляющим входом блока 22 пересч ройки частоты усилителя 7. Управляющие входы мультиплексора 4 и цифрового индикатора

23 соединены с системной шиной 15 через

14, системные шины 15, микропроцессор

16. ОЗУ 17, ПЗУ 18, клавиатура с интерфейсом 19, интерфейсы вывода 2С, ЦАП 21, блок

22 перестройки частоты и интерфейсы вывода 24 и 25, Блоки 14-20. 24, 25 конструктивно обьединены в микроЭВМ. 3 ил. интерфейсьi 24 и 25 вывода. Блоки 14 — 20 и

24, 25 конструктивно пбъе,,инены в микроЭВМ.

Уr:-ò,ðoéñòâo работает следующим обра5 зом.

Высокочастотное синф зное напряжение генератора 1 U1 = Um sl?? ? d?t чере.", клемму 2 г?оступает на вход объекта 3, например фазов?го д?тчик", с фазовой посто10 янной /3 и за ухани -;м а . Одновременно синфазное ? i v квадратур -.ое 02 = Um>cosa)tt напряжения го -;пают на первый и второй входы мультиплексора 1 и на входы модуляторов 10 и 11, Входь? модулятора 10 по не15 сущей частоте соединены с квадратурнь?ми выходами генератора 1 непосредственно, а одноименные входь? мсдулятора 11 — перекрестно ?а модулирующие нходь? модуляоров 10 и 11 поступа.от параллельно

20 низкочастотнь?е квадоатурные напряжения генера? ора 12 0з = Umс slп 9t, U4 =

= Um..ñîsЙ?. В резул.та е однопо,;оснои модуляции высокочастотное н; пр жение на выходе модулятора 10 будет уменьшено пп

25 частоте на часготу модулиру?още? о напряжения Us = Umqsln (в1 — Q )t, а на вь?ходе модулятора 11 при г,ротивофазных напряжениях несуU åé частоты в? Увеличено по частоте Цб = Umacos (й), + Ы,t.

Смещенные по частоте напряжения Ug и Ог, поступают на третий и четBBptblA 8хОдь, м,льтиплексора 4.

Выходное напряжение обьекта Л представляет собой смесь испыгательного гармонического напря кения частоты й)1, ослабленного объектом — да1-?иком ? армоническ:?х помех в виде гармоник, кратных частоте ??, от нелинейности амплитудной характеристики исследуемого обьекта и шу40 МОВ, из?л н??ощихся по случайному закону, т.е, 13т:,.? 1з!и (ю? t-P ) ? ч(т)+ w(t), I где К=-! ;оэффициенг переда и;

v(t) — напряжение pb?ñøèë гармоник:

w(t) — напряг:ение шумов, Напрял ение О7. снимаемое с клеммы 5, через сумматор 6 воздействует на вход усили,еля 7, настроенного на частоту Alt генерагора 1. Полос". пропускания усилителя 7.

1624348

Лсо выбирается минимально возможной, т,е. с максимально достижимой добротностью резонансной цепи усилителя на частоте cut . Чем меньше полоса пропускания усилителя 7, тем более эффективно подав- 5 ление помех и шумов, Но при этом сильно возрастают амплитудные и фазовые искажения в усиливаемом сигнале из-эа неизбежной расст ройки усилителя 7 относительно частоты испытательного на- 10 пряжения.

Для исключения влияния расстройки усилителя 7 на точность измерения /3и а через второй и третий входы сумматора 6 на его вход поступают смещенные по частоте напряжения 05 и Ue. Значение низкой частоты И выбирается примерно равным половине полосы пропускания усилителя 7 (И=Лало/2).Благодаря такому выбору колебания всех трех частот; u)> . м2 = в1 — И и 20 шз = o)i + И усиливаются избирательным . усилителем 7 в пределах его полосы пропускания с соответствующими коэффициентами усиления.

Выходное напряжение усилителя 7 представляет собой сумму только трех гармонических напряжений, усиленных с разными коэффициентами усиления, которые зависят от расстройки усили геля 7 относительно центральной частоты

Ue = К Kt Um> sin (а t — P+ p>)+

+ К К2 О,з sin ((ь — Q) t + ) +

+ К К3 Um3 COS ((И; + И) t — рд ), 35 где K>—

Ко Ко ,К2

К у т + а k тГ+ а Ь о

Кэ = коэффициенты усиления у+а Т расстроенного усилителя . 7 относительно частот и,cu2 ;

Ко — коэффициент усиления усилителя 7 на резонансной частоте в,;

OJp 45

Q = — — эквивалентная добротность

Ьг усилителя 7; й)) с00 Л гщ (Оо 1 Qf3

Щ> ГД1 С0р О)2 ulcc

Np 50 — — — относительные расстройки усилищз теля 7;

p< = arctg СИ ; р2 = arctg 0 Л2, рз =

- arctg 0 Лз — фазовые сдвиги, вносимые расстроенным усилителем 7 соответственно на частотах м1, 4Е и юз .

Усиленное напряжение 08 поступает на один вход умножителя 8, на второй вход которого поочередно поступают выходные напряжения мультиплексора 4, который управляется командами микропроцессора 16.

Программа работы, записанная в ПЗУ

18, предусматривает вначале поочередную подачу только смещенных по частоте напряжений Ue и Ue, поданных к третьему и четвертому входам мультиплексора 4, на умножитель 8 и последующее сравнение кодов перемноженных напряжений. Дальнейшая работа мультиплексора 4 определяется результатом сравнения кодов.

Вначале на второй вход умножителя 8 поступает выходное напряжение Ue модулятора 11 частоты а =в1 + Q которое перемножается с выходным напряжение усилителя 7 усредняется фильтром 9 нижних частот. В результате перемножения одночастотных составляющих напряжений и усреднения спектра произведения образуется постоянная составляющая:

17

U9 = - f Ue (t) L4 (t) dt = т о

= — f Ов(t) Озcos(в1 +Q) tdt = о

= K K3 Кл Umi 0 з сов + . где К4 — масштабный коэффициент умножителя 8 с учетом времени усреднения определяемого полосой пропускания фильтра 9.

Частота среза фильтра 9 выбирается меньше низкой частоты И, что обеспечивает подавление низкочастотных составляющих в спектре произведения напряжений, которые образуются при перемножении напряжений с близкими частотами (в1 + Q и ги1 т.п .).

Постоянная составляющая напряжения

V9 поступает на АЦП 13, где преобразуется в цифровой код, который по команде микро п роцессора 16 запоминается в О 3 У 17.

Далее на второй вход умножителя 8 поступает выходное напряжение Ue модулятора 10 частоты а -cui — И, которое также перемножается с выходным напряжением усилителя 7. В результате перемножения и усреднения образуется постоянная составляющая напряжения

Ою = - f Ue (t) 0-, (1) и =

„Т

= — ) 0e(t) L43 sin (в1 — И) tdt = о

= К К2 К4 Оуп1 АпЗ со> р2

Напряжение 0>о также кодируется в

АЦП 13 и запоминается в ОЗУ 17, 1624348 — Кu i =0>е

014

Ко К4

tg)9 =

012

013

Р . рад, 180

При рассгройке контура относительно частоты генератора 1 (в ФоЪ) коэффициенты усиления избирательного усилителя 7 и вносимые им фазовые сдвиги по абсолютной величине не равны (Кг Кз и

cos pz A = cos рз). В микропроцессоре 16 сравниваются коды напряжений Ug u Uto и формируется код разностного напряжения, который с помощью ЦАП 21 преобразуется в управляющий сигнал, воздействующий на управляющий вход блока 22 усилителя 7. В результате частотной подстройки усилителя 7 частоты ги1 и ьо сближаются. Повторные циклы сравнения напряжений Ug и 01о,организуемые по программе, записанной в блоке ПЗУ 18, и соответствующие управляющие воздействия на частоту настройки избирательного усилителя уравнивают сравниваемые напряжения. При равенстве этих напряжений (Ug

= 01о) коэффициенты усиления и косинусы вносимых фазовых сдвигов становятся равными (Кг = Кз; cos pz = cos рз ), что означает совпадение частоты настройки усилителя 7 м, с частотой генератора 1 в (иъ = = в ), Настройка усилителя 7 на частоту испытательного напряжения генератора 1 фиксируется по достижению равенства кодов сравниваемых напряжений Ug и Ощ. При наличии равенства кодов мультиплексор 4 микропроцессором 16 переводится в режим поочередной подачи квадратурных напряжений 01 и Uz основной частоты си<, поданных íà eto первый и второй входы, Вначале на второй вход умножителя 8 поступает квадратурное напряжение Uz генератора 1, перемножаемое с выходным напряжением Ua усилителя 7. При перемножении и усреднении этих напряжений образуется постоянное напряжение

ui i = — f Ов (t} Lb (с) dt = о

1 т

= — f Ua (t) E4l cos ж1 tdt = о

= К К1 K4 Um> sin (P + rp<) .

В результате настройки усилителя 7 на частоту генератора 1 (ао = м ) коэффициент усиления избирательного усилителя становится равным номинальному (К1 = Ко), а фазовый сдвиг от расстройки исключается (1 = О), Поэтому постоянное напряжение становится пропорциональным квадратурной составляющей выходного напряжения цепи исследуемого объекта 01г =

- KK SinP .

Напряжение 0>z кодируется в АЦП 13 и запоминается в 03У 17.

При последующей команде на второй вход умножителя 8 поступает синфазное на5 пряжение 01 генератора 1, которое перемножается с выходным напряжением Ue усилителя 7. На выходе фильтра 9 образуется напряжение, пропорциональное синфаэной составляющей выходного напряжения

10 цепи исследуемого объекта

013 = ККoK40ml cos Р, г

Напряжение 01з также кодируется с помощью АЦП 13 и запоминается в ОЗУ 17.

Поочередное измерение и кодирование

15 напряжений Ug, UIo, UIz и 013 осуществляется с помощью мультиплексора 4, управляющий вход которого соединен с шиной 15 микропроцессора 16 и АЦП 13. Управление настройкой усилителя 7 осуществляется с

20 помощью ЦА! 21 микропроцессором 16 через шину 15, Модуль коэффициента передачи и тангенс фазового угла выходного напряжения цепи объекта 3 вычисляется в микропроцес25 соре 16 по его квадратурным составляющим:

Далее в микропроцессоре 16 по про35 грамме, записанной в ПЗУ 18, вычисляется значение фаэовой постоянной в радианах или градусах, а также коэффициент передачи в относительных единицах или затухание в Неп или дБ:

40 01г

PI = arctg рад, 01з

К вЂ” —, отн.ед, Ui4 01г + Uiç

0m> К Ко Ое1

ai — — In

0m Kî К4, Неп, аг =-. 20 д дЬ.

01г + 01з

Значения коэффициента усиления Ко настроенного усилителя 7, масштабного коэффициента Кд умножителя 8 и амплитуда напряжения Uml генератора 1 вводятся в программу микропроцессора в виде кон1624348

10 стант. Результаты вычислений выводятся на индикатор 23, За время индикации повторяется цикл проверки настройки усилителя 7 и вычисление новых значений фазовой постоянной и коэффициента передачи цепи объекта 3.

Технико-экономическая эффективность устройства определяется повышением достоверности и уменьшением времени контроля состава и свойств диэлектрических материалов, помещенных в емкостные датчики, по вариациям фазы (диэлектрической пооницаемости) и коэффициента передачи (диэлектрическим потерям) на различных частотах испытательного напряжения. С использованием интегральных умножителей типа 525 ПС 1 контроль комплексных параметров электрических цепей емкостных датчиков осуществим в диапазоне частот от 50 кГц до 10 МГц с погрешностью не более

0,05 по фазовой постоянной и 0,2 g, по коэффициенту передачи при соотношении сигнал/помеха более 0,5.

Формула изобретения

Корреляционный измеритель фазовой постоянной цепи, содержащий высокочастотный генератор квадратурных напряжений, входную и выходную клеммы для подключения исследуемого объекта, аналоговый мультиплексор, фильтр нижних частот, умножитель и блок управления, причем выходы высокочастотного генератора квадратурных напряжений подключены к перво5

35 му и второму входам аналогового мультиплексора. первый вход которого соединен с входной клеммой, а выход подключен к входу умножителя, выход которого подключен к входу фильтра нижних частот, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены сумматор, избирательный усилитель, два однополосных фазокомпечсированных модулятора, низкочастотный генератор квадратурных напряжений, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, блок перестройки частоты, причем выходы низкочастотного генератора квадратурных напряжений соединены с перьыми и вторыми входами однополосных фазокомпенсированных модуляторов, третьи и четвертые входы которых соединены друг с другом перекрестно и подключены к выходам высокочастотного генератора квадратурных напряжений, а выходы подключены к входам аналогового мульгиплексора и сумматора, выход которого через избирательный усилитель подключен к второму входу умножителя, выход фильтра нижних частот подсоединен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к информационному входу блока управления, первый управляющий выход которого подключен через последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и блок перестройки частоты к управляющему входу избирательного усилителя, а второй управляющий выход — к управляющему входу аналогового мультиплексора, 1624348

Заказ 185 Тираж Подписное

ВНИИПИ 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

Редактор О.Спесивых о входа го выходу

Составитель А.Орлов

Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор Н.Ревская