Способ компенсации погрешности амплитудного детектора при измерении активной проводимости двухполюсников

 

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4816242/21 (22) 18.04.90 (48) 15.11.93 Бюл. Na 41-42 (71) Ангарское опытно-конструкторское бюро asтоматики Научно-производственного объединения

"Химавтоматика" (72) Подгорный Ю.B„ b Ha EB„. Ñìèðíos АС. (73) Ангарское опытно-конструкторское бюро автоматики Научно-производственного объединения

"Химавтоматика" (54) СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТИ

АМПЛИТУДНОГО ДЕТЕКТОРА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ АКТИВНОЙ ПРОВОДИМОСТИ ДВУХПОЛВСНИКОВ

tl9) RL (ill ШЛ112 Я1 (5Ц 5 G 01 R 37 Хб

2 (57) Использование: при измерениях на высоких частотах сопротивления резисторов, активной составляющей полной проводимости двухпопюсников и tgb электроизоляционных и других материалоа

Сущность: способ основан на.измерении изменения резонансного напряжения íà LC-контуре после шунтирования его исследуемым двухполюсником, измеряется ширина резонансной характеристики контура до и после шунтирования. а отношение резонансного напрвкения U к напряжению U, при

7 i котором определяется емкостная ширина характеристики резонансного контура g = 1,62. 1 табл, 1 ил.

2003122

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано и ри измерении на высоких частотах соп ротивления резисторов, активной составляющей полной проводи IocTH двухполюсников и при измерении тангенса угла диэлектрических потерь злектроизоляционных и других материалов.

Известен способ измерения на высокой частоте активной проводимости двухполюсников (см. Грохальский А.Л. Измерители добротности — куметры. Наука., М., 3966), основанный на замещении в резонансном контуре полной проводимости исследуемого двухполюсника: реактивной составляющей емкостным градуированным конденсатором. и активной составляющей— безреактивным сопротивлением. В качестве безреактивного сопротивления исполь-.

20 зуется диодная. схема, состоящая из последовательно включенных диода и катодной нагрузки в виде переменного отградуированного сопротивления и параллельно включенного шунтирующего конденсатора. Недостатками этого способа 25 измерения являются нелинейность градуировоч ной характеристики, необходимость градуировки по образцовым проводимостям, к тому же при использовании "безреактивного сопротивления" в резонансных З0 схемах, особенно при шунтировании большой индуктивностью, оно перестает быть чисто активным и частотонеэависимым, В результате измерения сопровождаются сложной процедурой введения поправок..и З5 име от большую остаточную погрешность.

Известен способ измерения проводимости, основанный на измерении изменения емкостной ширины резонансной характеристики LC-контура после подклю- 40 чения к контуру исследуемогодвухполюсника, Проводимость исследуемого двухполюсника связана с изменением ширины резонанснойй характеристики следующим 45 образом где q — отношение резонансного напряжения Ог íà LC-конутре к напряжению Оя, при 50 котором определяется емкостная ширина резонансной характеристики LC-контура;

ACq — ширина резонансной характеристики при откл оченном двухполюснике (реЭИСТОРЕ); 55

ЬСях — ширина резонансной характеристики при подключенном к контуру двухполюснике.

Устройство для реализации данного спОсоба содержит высОкочастотный Генератор, нагруженный на С-контур, врстоящий из катушки. индуктивности и двух конденсаторов переменной емкости.

Напряжение на. контуре измеряется ламповым вольтметром.

Один из конденсаторов переменной емкости служит для настройки контура в резонанс. (компенсации . реактивной составляющей полной проводимости; вносимой в контур исследуемым двухполюсником), Второй градуировочный конденсатор используется для измерения емкостной ширины резонансной характеристики LC-KoHтура.

Недостатком описанного способа измерения активной проводимости двухполюс- . ников является значительная погрешность, обусловленная несоответствием закона детектирования высокочастотного напряжения условно принятому (квадратичному или линейному); особенно при измерении больщих проводимостей, Наиболее близким к предлагаемому способу является способ измерения проводимости, реализованный в известном устройстве, основанный на измерении относительного изменения резонансного напряжения на 1 С-контуре, после подклю- . чения к нему исследуемого двухполюсника.

Искомая проводимость с измеренными напряжениями на контуре связана следующим образом

u„, -u„„ ях=дк где U« — резонансное напряжение на контуре до подключения исследуемого двухполюсника;

ur — резонансное напряжение на контуре после подключения исследуемого двухполюсника; собственная проводимость резонансного контура, эквивалентная потерям в его элементах, может быть определена через добротность LC-контура по ширине его резонансной характеристики на основании известного соотношения гС, вС, Q= где ЛС вЂ” емкостная ширина резонансной характеристики на уровне 0,7 (половины мощности), откуда дк = 0,5 соЛС, Недостатком этого способа измерения является низкая точность, обусловленная погрешностью измерения напряжений на контуре из-за нелинейности передаточной характеристики высокочастотного амплитудного детектора, установленного на входе вольтметра

2003122 д =(1+ — ) ° —, g,, L4

Як го где UB — напряжение смещения линеаризованной характеристики детектора.

Даже у хороших высокочастотных вольтметров Од составляет несколько десятков милливольт, поэтому цх > gy, погрешность может составлять {10 — 20) и более, Целью предлагаемого способа измерения является повышение точности измере10 ния на высокой частоте эквивалентной проводимости двухполюсника (резисторов или других абьектов).

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения проводимости, основанном на измерении изменения резонансного напряжения на LC-контуре после шунтирования его исследуемым двухполюсником, дополнительно измеряют ширину резонансной характеристики

LC — контура до и после шунтирования контура исследуемым двухполюсником, а измеряемое значение эквивалентной проводимости вычисляют по формуле го

H фСцк + Сто — о — 2hCqо)

Ях

2 lц ---1 где q — отношение резонансного напряжения Ur к напряжению Uq, при котором измеряется емкостная ширина резонансной характеристики LC-контура;

ЛСяо — емкостная ширина резонансной характеристики LC-контура, незашунтированного исследуемым двухполюсником

ЛСцх — емкостная ширина резонансной характеристики LC-контура с -подключенным параллельно исследуемым двухпалюсником;

Ого — резонансное напряжение на незашунтированном С-контуре;

U — резонансное напряжение на LCконтуре с подключенным параллельно исследуемым двухполюсником;

f — частота измерения.

Измерение емкостной ширины резонансной характеристики контура осуществляют при напряжении Uq на контуре в 1,62 раза меньшем резонансного Ог, т,е. q 1,62.

Одновременное измерение резонансных напряжений на LC-контуре и емкостной ширины его резонансной характеристики до и после подключения параллельно LC-. контуру исследуемого двухполюсника позволяет существенно повысить точность измерения на высокой частоте его эквивалентной проводимости за счет того, что при совместной обработке измерительной информации компенсируется составляющая погрешности, обусловленная нелинейностью передаточной характеристики связанного с LC-конутрам амплитудного детектора, на выходе которого измеряются напряжения U««U после настройки в резонанс, а также 0г u Uq при измерении емкостной ширины резонансной характеристики контура.

Достигнутый эффект является неочевидным и способ для его достижения неизвестен из источников инфорл ации.

Авторам неизвестны также решения, имеющие признаки, сходные с признаками, отличающими предлагаемое решение от прототипа, Следовательно, предлагаемое решение обладает существенными отличиями.

На чертеже представлена схема установки, реализующей предлагаемый способ.

Установка содержит стабилизированный по амплитуде радиочастотный генератор 1 с регулируемым выходом, s общем случае комплексное сопротивление связи 2, LC-контур образованный катушкой 3 индуктивности, градуированным конденсатором

4 переменной емкости, вспомогательным конденсатором 5 переменной емкости, амплитудным детектором 6, цифровым вольтметром 7. Параллельно LC-контуру ключом

8 может подключаться двухполюсник (резистор) 9, эквивалентную проводимость (сопротивление) которого необходимо измерить.

Измерение эквивалентной проводимости (сопротивления) исследуемого двухполюсника осуществляется следующим образам.

При отключенном двухполюснике 9 емкость градуированного конденсатора 4устанавливается в среднее положение, а вспомогательным конденсатором 5 контур настраивается в резонанс по максимуму напряженияя. Высокочастотное напряжение с резонансного контура поступает на амплитудный детектор 6 и измеряется цифровым вольтметром 7 постояннсго тока. Далее последовательным уменьшением и увеличением емкости градуированного конденсатора

4 амплитуда напряжения на контуре уменьшается в о раз за счет симметричной расстройки контура относительно резонансного значечия его емкости, Сг. Ширина резонансной характеристики опреде-. ляется по формуле

4CqO = С:оΠ— C1qO, (1) где C>qo и Czqo — значения емкости градуированного конденсатора 4, при которых напряжение на контуре Uqo устанавливалось в

q раз меньше резонансного Ue; значения

C)qg и Cgqg — соответствуют левому и право2003122 му склонам резонансной характеристики.

Затем к контуру ключам 8 подключается ис" слЕдуемый двухполюсник (резистор) 9, градуированный конденсатор 4 устанавливаетсл в среднее положение, а вспомогательным конденсаторам 5 контур снова настраивается в резонанс, при этом компенсируется вносимая в контур-реактивная составляющая полной проводимости двухполюсника 9, Далее измеряются резонансное напРЯжение на контУРе Uix v шиРи на Лсях резонансной характеристики контура при напряжении в цраз меньше Urx.

ACqx = C qx — C qx (2)

Искомал проводимость двухгюлюсника вычисляется по формуле

gx = .—.(hCqx+ h Cq0 g —

mf Uro .

2 /ц — 1

ГХ вЂ” 2 Cqo) (3) Расчетная формула (3) получена на основании нижеп риведенных известных соотношений. При измерении по изменению резонансного напрлжения на контуре проводимость вычисллетсл по формуле (} + o . Uo — Urx

Ь = 1

При измерении по иэменени о емкостной ширины резонансной характеристики проводимость вычисляется по формуле

КЯ4 х — х Ж о @

2 ц — 1

Via (4) и(5) получаем(3)

gx = О,5(ох(Ох) + gx(hCqx)j. (6)

Рассмотрим источник повышения тцчности измерения предлагаемым способом.

Расчетные формулы (4) и (5) справедливы в там случае, если передаточная характе, pLtñTèK8 высокочастОтного линейногО амплитудного детектора идеальна. В этом случае как измерение отношения напряже"

Uго Urx ний "о х „так и задание уровнл q, при

Urx котором измеряется ширина резонансной характеристики осуществляется практически без погрешности. Но, к сожалениЮ, амплитудная характеристика детектора нелинейна и поэтому отношение фактических напряжений на контуре не соответствует отношению соответствующих напряжений, измеренных на выходе амплитудного детектора, Нелинейность амплитудной характеристики полупроводниковых детекторов обусловлена квадратичностью го Цх (ц)

Urx — UB

Используя (7), (8), (4) и (5), получим соответствующие аналитические выражения для составляющей погрешности измерения проводимости двухполюсника, обусловленной смещением 0д линеаризованной характеристики детектора.

Для способа, основанного на измерении измененил резонансного напряжения на контуре, имеем г цд

30 дух ={1+ — ". — — ) — {9) — g„q+1 Ur.

Длл способа, основанного на измерении изменения ширины резонансной характеристики контура

И для предлагаемого способа

@ сх + ох

g q q2 Щ

= 0,5(1 + —" {1 — ) — 3 1 —,(«)

gK ц+1 ц+1 Uro где gx — собственная проводимость контчоа т

Zt f hCqo, gк =-, gx — измеряемая проводимость.

Иэ (9), (10) и (11) следует, что при измерении больших проводимостей (gx > gx), значение погрешности каждого иэ известных способов определяется в основном членом, содержащим множитель gx/ак, в то время как погрешность предлагаемого способа существенно снижается эа счет исключения составляющей, содержащей множитель

gx/9к, путем соответствующего выбора ц иэ уравнения — q — 1=0, г (12) начального участка, а детекторов на вакуумных диодах — наличием постоянного смещения, вызванного термоэмиссионным током катода.

5 Так как рабочий участок характеристики детектора, в пределах которого изменяется уровеньдетектируемых напряжений на контуре является линейным, то абсолютную погрешность детектирования можно считать

10 постоянной и равной смещению 0д линеаризованной характеристики детектора относительно начала координат, Тогда отношение напряжений на выходе амплитудного детектора можно представить как

15 „U- -ua

Uя — UB

Продолжение таблицы вирин ы ки

5,2

3,2

5,0

6,2

3,8

5,1

7,8

16

19

22 . 49

Из(123 имеем при ц = -=1,62 погрешОг

Я ность измерения минимальна.

В таблице приведены результаты измерения сопротивления резисторов типа

МЛТ 0,125 на частоте 1 МГц известными методами и предлагаемым. При атом резонансное напряжение на контуре при отклаченном двухполюснике составляло 3,1 В.

Напряжение смещения Щ линеаризованной характеристики детектора U3""-0,081 B.

8 столбце 2 таблицы приведены значения сопротивления резисторов на постоянном токе, Из приведенных результатов видно. что

5 предлагаемый способ измерения позволяет повысить точность измерения сопротивления резисторов в 1,5 — 2 раза в сравнении с и p0Toти и ом.

10 (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 756316, кл. 6 01 R 27/26.

2003122

Формула изобретения

СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТИ АМПЛИТУДНОГО ДЕТЕКТОРА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ АКТИВНОЙ ПРОВО- 6

ДИМОСТИ ДВУХПОЛКЗСНИКОВ на высокой частоте, основанный на измерении изменения резонансного напряжения на

LC-контуре после шунтирования его исследуемым двухполюсником, отличающийся . 0

10 тем, что, с целью повышения точности за счет компенсации погрешности амплитудного детектора, дополнительно измеряют ширину резонансной характеристики контура до и после шунтирования контура исследуемым двухполюсником, . а активную проводимость двухполюсника {резистора) вычисляют по формуле

g = 0,5=x

Hf Я -1

uro х gx 2 -"С< 0+ с чо у

»х где q - отношение резонансного напряжения 0» к напряжению Оя, при котором определяется емкостная . ширина характеристики резонансного контура;

ЛСц - емкостная ширина характеристики резонансного контура, не зашунтированного исследуемым двухполюсником, ЛС ч„- емкостная ширина характеристики резонансного контура, зашунтированного исследуемым двухполюсн иком;

0», - резонансное напряжение на не зашунтированном LC-контуре;

U»Ä - резонансное напряжение на контуре с подключенным параллельно исследуемым двухполюсником;

1 - частота измерения, причем измерение емкостной ширины резонансной характеристики LC-контура выполняют при q = 1,62.