Способ определения параметров электрических многополюсников

 

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и может быть использовано для контроля и диагностирования электронных объектов. Способ определения параметров электрических многополюсников, состоящий из включения каждой пары одноименных зажимов объекта контроля и его модели в смежные плечи измерительных мостов, питании только первого моста, измерения токов разбалансов измерителями токов, включенных в измерительные диагонали мостов Новым в способе «вляются операции изменения величин сопротивлений между одноименными зажимами объекта контроля и его модели, сопротивлений, последовательной включенных в цепи измерителя тока, а также решение системы матричных уравнений. сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИС1ИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s G 01 R 31/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

pl 9

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4780259/21 (22) 08.01.90 (46) 23.06.92, Бюл. ¹ 23 (71) Самарский политехнический институт (72) С.М.Таскин, А.M.Àôàíàñüåâ и И.В.Бурочкин (53) 621.317.799 (088.8) (56) Лихтциндер Б,Я., Широков С.М, Многомерные измерительные устройства, — М.:

Энергия, 1978 — 312с.

Байда Н.П., Кузьмин И.B., Шпилевой

B,Т. Микропроцессорные системы поэлементного диагностирования РЭА. — M.: Радио и связь, 1987, с, 256. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МНОГОПОЛЮСНИКОВ

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и диагностирования электронных объектов.

Известны способы определения параметров электрических многополюсников и четырехполюсников, в которых одноименные зажимы образцового и измеряемого многополюсников включают в смежные плечи измерительных мостов и производят их уравновешивание, Различие этих и других способов заключается лишь в системе подключения мостов, их питания (переменным или постоянным током). подключении корректирующих усилителей.

Недостатки известных способов определения параметров многополюсников заключаются в малом быстродействии, низ(57) Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и может быть использовано для контроля и диагностирования электронных объектов.

Способ определения параметров электрических многополюсников, состоящий из включения каждой пары одноименных зажимов объекта контроля и его модели в смежные плечи измерительных мостов, питании только первого моста, измерения токов разбалансов измерителями токов, включенных в измерительные диагонали мостов, Новым в способе являются операции изменения величин сопротивлений между одноименными зажимами объекта контроля и его модели, сопротивлений, последовательной включенных в цепи измерителя тока, а также решение системы матричных уравнений, кой достоверности и ограниченной области применения, Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ измерения параметров электр ричес,:ni о четырехполюсника. в котором каждую пару одноименных зажимов исследуемого и образцового четырехполюсников включают в смежные плечи двух мостов и регулируют параметры образцового четырехполюсника до уравновешивания мостов, отличающийся тем, что уравновешивание по элементам первого столбца матрицы производят при закороченных плечах второго моста, а уравновешивание по элементам второго столбца матрицы производят при сопротивлениях плеч второго моста, равных сопротивлению нагрузки контроли1742754 руемого четырехполюсника, и при питании первого моста.

Недостатками прототипа являются малое быстродействие, низкая достоверность и ограниченная область применения.

Для достоверного определения параметров элементов контролируемого объекта в прототипе необходимо определенное совпадение структур объекта контроля и модели, В противном случае возникает неоднозначное решение задачи определения параметров объекта контроля. Например, при структурах определение параметров четырехполюсников возможно, но при появлении в объекте контроля несанкционированной связи между точками 1 и 3 задача неразрешима. Малое быстродействие прототипа связано с наличием этапа уравновешивания мостов. Количество циклов уравновешивания неодинаково для различных объектов контроля и многомерных измерительных устройств и определяется понятием сходимости. Многомерные измерительные цепи сравнения в общем случае описываются нелинейным векторным уравнением баланса вида.

f(k) = U, (1) где f(k) — некоторая вектор-функция вектора уравновешивающих величин k;

U — вектора сигналов небаланса.

Сходимость итерационного процесса уравновешивания определяется свойствами матрицы-якобиана системы уравнений (1) б0 (2)

dk

Для осуществления быстрой сходимо-. сти необходимо, чтобы недиагональные элементы матрицы чувствительности S были достаточно малыми по модулю, по сравнению с диагональными, т,е, должна быть сведена к минимуму взаимосвязь контуров уравновешивания, При чисто диагональной матрице S процесс уравновешивания сходится один цикл, состоящий иэ и операций (для прототипа и = 2). Однако, как правило, матрица S не является чисто диагональной вследствие наличия взаимосвязей контуров уравновешивания. При этом процесс уравновешивания состоит из нескольких циклов

m, а количество операций прототипа равно

mn, Область применения способа ограничена для сложных многосвязных объектов и для объектов, не допускающих короткое замыкание на выходных зажимах. Если контролируемый объект представляет собой сложную многосвязную систему с большими величинами коэффициентов взаимного влияния контуров уравновешивания, то матрица чувствительности S имеет недиагомодели, измеряют токи раэбалансов, определяя элементы вектора Еи-1 и так далее (i = 1 ... N-1), Y — параметры объекта контроля

40 — матрицу Yx — определяют решением системы матричных уравнений вида;

Рая(АхИ,Ы(ЕЬН ) -, ЕЬ-1 ), "АИ-щ-щ-1(ЕИ()...„Еи-1()1 «Х(и-1) (Yx) = В(м-1) (Еипараметры модели выбирают одного порядка с ожидаемыми параметрами объекта контроля, величины проводимостей плеч измерительных мостов и сопротивлений, включенных между объектом контроля и модели, выбирают одного порядка с собственными проводимостями модели в узлах к которым подключаются данные сопротивленияя. Возможен аналогичный способ, отличающийся от предложенного тем, что

55 поочередно и дискретно зменяют на заданную величину величины сопротивлений, включенных в измерительные диагонали, последовательно с измерителя . токов, величины данных сопротивлсний выбирают

35 нальные элементы, сравнимые по величине с диагональными элементами и вследствие плохой сходимости процесс уравновешивания затруднен и применение прототипа в данном случае нецелесообразно, Существует ряд объектов, недопускающих применение традиционных методов контроля, в том числе короткое замыкание на выходе. Применение прототипа для данных объектов ограничено, Цель изобретения — увеличение быстродействия, достоверности и расширения области применения способа.

Данная цель реализуется способом определения параметров электрических многополюсников, заключающимся в том, что формируют иэ каждой пары одноименных зажимов объекта контроля и его модели смежные плечи N-1 измерительных мостов, в измерительных диагоналях которых контролируют величину токов между общими зажимами объекта контроля и модели с общей точкой, питания первогО моста от генератора тока измеряют токи разбаланса, представляющих собой разность токов, протекающих по смежным плечам измерительных мостов. Предлагаемый способ отличается тем, что поочередно и дискретно изменяют на заданную величину величин сопротивления, включенные между одноименными зажимами объекта контроля и модели, измеряют токи разбаланса всех мостов, определяя элементы вектора раэбалансов Еи-1(, дискретно изменяют величины сопротивлений, включенных между (i+1)-ми зажимами объекта контроля и

1742754 одного порядка с сопротивлениями плеч измерительных мостов, Существенными отличиями предлагаемого способа являются поочередное и дискретное изменение на заданную величину величин сопротивлений, включенных между одноименными зажимами объекта контроля и модели (сопротивлений, включенных в измерительные диагонали, последовательно с измерителями токов) и определение Y-параметров объекта контроля решением системы матричных уравнений в )да

DIag(A1N-11ч-1(Е)ч-1(, ..., EN-1 )), .» AN-1N-1д-1 (EP-1("), ... ЕЬ-1())XX(N-1) (Y)= В(Ы) (EN„() E (ч1))

Свойства, приобретаемые в результате введения существенных отличий, приводят к увеличению достоверности, быстродействия и расширения области применения способа. Способ позволяет с высокой достоверностью определять параметры элементов контролируемого объекта при условии, что rangÓX < rangÓk. Способобеспечивает высокое быстродействие из-за отсутствия этапа уравновешивания. Число операций способа и меньше числа операций прототипа еп, где гп > 1 (,.„ля большинства обьектов контроля). Сбласть применения способа расширяется, во-первых, для объектов, у которых невозможен режим короткого замыкания, во-вторых, для объектов„ представляющих собой сложную многосвязную систему с большими величинами коэффициентов взаимного влияния контуров уравновешивания.

Зажимы а1, „„ап обьекта контроля Х1 и

С1, ..., Сп модели Кг включены в плечи измерительных мостов, образованных проводиМОСТЯМИ 91, 92, ..., gn 7 И ВХОДНЫМИ параметрами обьекта 1 и модели 2 в точках

81...., an С1, ..., Cn. В измерительные диагонали этих мостов последовательно с измерителями токов U1, 02, ..., Un, регистрирующих токи разбалансов Е1, Ег, ..., E„gu1, gus, ..., gun 8, шунтированные проводимостями gu, .„, gun 9, соединенными последовательно с ключами Ро„, „., Ро 11. Между одноименными зажимами обьекта 1 и модели 2 вклюЧЕНЫ ПРОВОДИМОСТИ go2...„9оп 5, шУнтиРованные пРоводимостЯми 9о.„,, ..., gon 6, соединенными последовательно с ключами Ро. „„., Pon 10, В питающую диагональ первого из мостов включен источник тока 3, имеющий выходную проводимость

gI1 4, В исходном состоянии после подключения объекта контроля Х1 все ключи Ро;...„

Роп 10 (Pu», .„, Pun 11) размыкаются. С)т источника тока 3 подается внешнее воздействие амплитудой)1. После изме оения токов разбалансов Е1, Ег, ..., Еп замыкают (1 (1 ключ Роа 10 (Pu„. 11) и опять из(меряют токи разбалансов Е1(2), Ег(2), ..., En . Затем за5 мыкают ключ Ро» 10 (Pug 11) и так далее, Процедура повторяется до и-го ключа. После замыкания ключа Ррп 10 (Р ))11) и измерения токов разбалансов Е1", Е2(")...„

Е,") производится обработка полученной

10 информации по алгоритму, вытекающему из следующих уравнений. В литературе известно обобщенное матричное уравнение состояния многомерного электроизмерительного устройства сравнения, заданного в системе

15 независимых узловых потенциало

j )ив I Уив YBA YBc 0в

)XA = YAB YXA YACC UA (")

J Kc Усв УсА YKc 0с ля рас матриваемого многомерного

20 устройства сравнения матрицы уравнения (1) имеют вид .)ив =-JINNI- JB = 0;

)Хд = JP )А = )А = ()а1 )а2 .", jan) т ()1,0, ", oj:

25 ) кс = -) к - Jc = -1С = (-Jc1, -)сг, ..., -)cn) = ()1, G " 0)

У.)В = Уи —:- Увв:

Уи = с1 ао(9о1, guy," gun) ХА = Ух+ УАА;

30 YKc = YK + Усс;

Удв = Увд = YcB = YBc = Y = Фар(-g1, -g г

9п)

YAC = 1 СА = YO = diag(-go1 9о,, °,, gpn):

YBB = Удд = Ycc = -2v

35 0в =(0ь1, Ub„, ..., Ubn(- г.

UA = (Ua1 0а „;, ..., 0ап)

UC = (Uc1, Uc:„, ..., Ucn);

Т вЂ” знак транспортирования

Решая уравнение (1) методом Гауса (ис40 ключения), получаем для вектора напряжений разбалансов 0в следующее соотношение

UB=(УиВ УвсУкс УсВ-(ВА- Y/cYKc YcA)(YxAYAcYKc YcA) (YAB YAcYKc YcB)) (-УвсУкс

45 „Jc (Увд - .всУ YcA)(YxA YAc c Yc)

1 -1 (JA — Уд.сУкс Jс)); (3)

Учитывая соотношения (2) после несложных преобразований получаем

UB=Уи (Y -2Уи,-Укс УУи -(150 Укс Уо)(Ухд-УоУкс Yp) (1-УоУкс1 )УУИ- )(УКс - (1- УКс Уо)(Ухд — YoYKc Yo) (1 +

УоУкс )Щ (4)

Введем понятие вектора токов разбалансов

55 Е=Уи 0В. (5)

Используя соотношения (2), (5), решаем уравнение (4) относительно матрицы

YX(YK — 2Yp — Y) ° (J - (YK - Yp — Y)(У "2Уи )E+ УУи 1Е) = (Yo+ Y+ Yo(Yr, - Yo - Y)

Yp)(YK-2Yp - Y) (J (УК- Y - Yp)(Y -2Уи ) 1742754

Е+УУи Е)-(1-Уо(Ук-Уо- Y) )УУи E+(1

+Уо(Ук- Yo- Y) 1)J (6)

Изменяя величины проводимостей goi (gui) и-1 раз получаем еще и-1 матричных уравнений вида (6), отличающихся от перво- 5 го и между собой, величинами параметров

Уо (Уи) и величинами разбалансов Е.

Решение полученной системы матричных уравнений получаем в виде

DIag(((YK - 2Уо — Y) (J - (Yg Yp - У)(У - 10

2УИ ) Е+УУИ "Е)) )х(Х1,Х2, ...,Хп ) =(Уо

+ Y + Уо(Ук - Уу - Y) — Yo X (Ук - 2Yo - Y)- (!(YK — Y - Yo)(Y - 2Уи )Е + УУи ) - (1 — Уо(УК

- Yo — Y) )УУИ E + (1 + Уо(УК - Yo - Y) )/, где XI XI1 Х;2, „„Xin) 15

I=1 ...и, n = ч - 1.

Величины параметров элементов многомерного устройства сравнения (модели измерительных плеч и т,д.), а также величи- 20 ны, на которые изменяют проводимости goi (ggI), определяются исходя из следующих положений. Как указано выше, определение параметров электрического 1-полюсника осуществляется путем решения системы (7), 25 которую в общем виде можно представить как

Ax= b, Элементы матриц А и b содержат погрешности, полученные в результате конеч- 30 ной точности измерения токов невязки Е1, Е2, ..., En.

Влияние погрешностей матриц А и b на определение матрицы х параметров многополюсника оценивается соотношением (7) 35 где cond А = II А li И А И вЂ” евклидова число обусловленности матрицы А. л

40 д ПАИ вЂ” ПАП д ИЬП вЂ” ИЫ!

ИА И lib II л д Пхll !lхп дх—

ПхИ возмущения матриц А, b, х.

А, Ь, х — матрицы, элементы которых не содержат погрешностей:

А, b, x — реальные матрицы

П А И, II b И, П х il и т.д. — нормы матриц 50 вида и

II А ll =max I а i, 1 <1

Для снижения ошибкидх необходимо уменьшать число обусловленности condA, не уменьшая при этом нормы II А II, П Ы!

Число обусловленности сопбА является функцией от всех параметров устройства сравнения, в том числе от сопротивлений, включенных между одноименными зажимами объекта контроля и модели (последовательно в цепях измерителей тока), а также от величин, на которые изменяют в процессе работы данные сопротивления. Величины используемых проводимостей и величины изменения этих проводимостей в процессе работы выбираются из соображения минимально возможного значения обусловленности condA, минимального воздействия на режим работы контролируемоI0 многополюсника, сохранения достаточно больших величин норм II А II, II Ь И, Как показали проведенные исследования, наибольшая точность способа достигается при равенстве порядков; параметров модели и предлагаемых параметров объекта контроля; величин проводимостей плеч измерительных мостов, сопротивлений, включенных между одноименными зажимами объекта контроля и модели, сопротивлений последовательно включенных в цепях измерителей токов и собственных проводимостей модели в узлах к которым подключаются данные сопротивления. Кроме того, на точность способа влияет величина, на которую изменяют величины сопротивлений, включенных между одноименными зажимами объекта контроля и модели (сопротивлений последовательно включенных в цепях измерителей токов). С ростом величины измерения, число обусловленности уменьшается по нелинейному закону, По мнению авторов наиболее оптимальный диапазон изменения величин данных сопротивлений от -507 до — 100% от исходной величины. величины, Амплитуда источника тока !1 3 подбирается в соответствии с ограничениями на амплитуду внешнего воздействия приведенными в паспорте на изделие (объект контроля). В качестве модели объекта контроля может использоваться электрический многополюсник как с параметрами равными ожидаемым параметрам объекта контроля, так и иметь отличные параметры.

Построение модели объекта контроля возможно как из пассивных, так и из активных элементов. Модель может как соответствовать проверяемому объекту, так и быть полностью отличной от объекта контроля.

Например, пусть объект контроля представляет собой усилитель на одном транзисторе.

Матрица проводимостей объекта контроля имеет вид

1742754

11+ 1 0

11+ 21+ 22+ 3 22

21 22 22+ 2

- 11- 21

- 21 усилитель с параметрами отличными от предполагаемых параметров объекта контроля.

11+ 21+ 22+ 6 . 22

21 22

11+ 4

VK=

11 21

22+ 5

- 21

20 пассивный четырехполюсник

1+ 5 5

УK K=

1+ 2+ 3

5 3+ 4+ 5

-3

2, Способ по и. 1, отличающийся тем, что поочередно и дискретно изменяют на заданную величину величины сопротивлений, включенных в измерительные диагонали, последовательно с измерителями токов, величины данных сопротивлений выбирают одного порядка с сопротивлениями плеч измерительных мостов, 50

Cоста вител ь С.ТОС к и H

Редактор Т,LLlaroea Техред M,Moðråíòàë Корректор fl,áeñêèä а

Заказ 2283 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государстве ;ного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113 35, Москва, Ж-35, Раушскак наб.. а/б

1 .

Производственно-изд,артельский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

) где у11, у21, у12, y22 — параметры транзистора, причем параметр у12 не учтен из-за малости его величины. В качестве модели можно выбрать аналогичный усилитель с параметрами равными предполагаемым пара- 5 метрам объекта контроля.

Возможно также применение других моделей с матрицей проводимостей, имеющей rang Yê =. 3, Использование предлагаемого способа определения электрических параметров 30 электрических многополюсников обеспечивает следующие преимущества:

1. Уменьшает время измерения Y-параме тров.

2. Расширяет область применения изве- 35 стных способов для сложных многосвязных объектов, критичных к режиму короткого замыкания на выходе.

3. Позволяет определить Y-параметры при несовпадении структур объекта контра- 40 ля и модели.

Формула изобретения

1. Способ определения параметров электрических многополюсников, заключающийся в том, что формируют из каждой 45 пары одноименных зажимов объекта контроля и его модели смежные плечи N-1 измерительных мостов, в измерительных диагоналях которых контролируют величину токов между общими зажимами объекта контроля и модели с общей точкой питания первого моста от генератора тока, измеряют токи разбаланса, представляющих собой разность токов, протекающих по смежным плечам измерительных мостов, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения быстродействия, повышения достоверности и расширения области применения способа поочередно и дискретно изменяют на заданную величину величины сопротивлений, включенные между одноименными зажимами объекта контроля и модели, измеряют токи разбаланса всех мостов, определяя элементы вектора разбаланса

EN-1, дискретно изменяют величину co(i противления, включенного между (!+1)-ми зажимами объекта контроля и модели, измеряют токи разбалансов, определяя элементы вектора разбалансов EN-1 + и так далее (i = 1„, N-1) Y-параметры объекта контроля ! (матрицу Yx) определяют решением системы матричных уравнений вида

0 9(Ащ-1,N-1(Е1ч-1),,„„Ем-1 ))...., AN1N-1,ы-1(Еи-1(, ..., EN-1())»Х(1ч-1) 2(YK) = B(N

1) 2(Е(ч-1(), „., EN-1()), параметры модели выбирают одного порядка с ожидаемыми параметрами объекта контрол я, вел ич и н ы и ро води мосте и г. л еч измерительных мостов и сопротивлений. включенных между объектами контроля и модели, выбирают одного порядка с собственными проводимостями модели в узлах, к которым подключаются данные сопротивления.