Преобразователь параметров реактивных элементов в частоту

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения параметров электрических цепей, в диэлькометрии, кондуктометрии, при измерении параметров бесконтактных емкостных и индуктивных датчиков. Технический результат изобретения - получение нарастающей зависимости частоты от величины преобразуемого параметра реактивного элемента - достигается путем использования системы фазовой автоподстройки частоты, в цепи обратной связи которой находятся фазосдвигающая цепь и резонансный трехполюсник, заземленная ветвь которого содержит реактивный элемент, с искомыми параметрами С_х или L_x, причем применяемый в составе системы фазовый детектор является косинусным, а генератор, управляемый напряжением, - генератором прямоугольных импульсов. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения параметров элементов электрических цепей, в диэлькометрии, кондуктометрии, при измерении параметров бесконтактных индуктивных и емкостных датчиков.

Известны преобразователи параметров реактивных элементов в частоту, содержащие LC-колебательный контур с искомым реактивным элементом (Lx или Сх) в цепи обратной связи усилителя [1, 2].

Недостатком указанных устройств является обратно пропорциональный корню квадратному характер зависимости частоты от величины искомого параметра реактивного элемента, т.е.

Известны также устройства, реализованные на основе RC-генераторов, содержащие во времязадающей цепи искомый реактивный элемент Сх.

Недостатком данного типа устройств является обратно пропорциональный характер зависимости выходной частоты от Сх т.е.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь емкость-частота, который использует контур фазовой автоподстройки частоты и параметрическую модуляцию [3].

Недостатком данного устройства является обратно пропорциональный корню квадратному характер зависимости выходной частоты от величины искомого реактивного элемента.

Цель изобретения - получение нарастающей зависимости выходной частоты от величины параметра искомого реактивного элемента, т.е. F≈(F0+kCx), где F0 - некоторая начальная частота; k - коэффициент пропорциональности.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе параметров реактивных элементов в частоту, состоящем из контура фазовой автоподстройки частоты, в цепь обратной связи которого включен резонансный трехполюсник, содержащий реактивный элемент с искомыми параметрами, используется косинусный фазовый детектор, генератор прямоугольных импульсов, управляемый напряжением, а также фазосдвигающая цепь, причем первый вход косинусного фазового детектора соединен непосредственно с выходом генератора прямоугольных импульсов, управляемого напряжением, а второй - через фазосдвигающую цепь и резонансный трехполюсник, содержащий в заземленной ветви реактивный элемент с искомыми параметрами, выход косинусного фазового детектора соединен с входом фильтра низкой частоты, выход последнего подключен к первому входу генератора прямоугольных импульсов, управляемого напряжением, на второй вход генератора поступает напряжение, определяющее начальную частоту работы генератора, управляемого напряжением, выход которого является выходом преобразователя.

На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя.

Преобразователь параметров реактивных элементов в частоту содержит: косинусный фазовый детектор 1, генератор прямоугольных импульсов 2, управляемый напряжением, фазосдвигающую цепь 3, резонансный трехполюсник, представляющий комплексный делитель напряжения, заземленная ветвь которого содержит реактивный элемент с искомыми параметрами и дополнительные элементы, образующие с последним резонансный колебательный контур 4, фильтр низкой частоты 5.

Входы фазового детектора 1 соединены с выходом генератора 2 прямоугольных импульсов, управляемого напряжением, напрямую и через фазосдвигающую цепь 3, последовательно с которой включен резонансный трехполюсник 4, выход косинусного фазового детектора 1 соединен со входом фильтра низкой частоты 5, выход которого подключен к первому входу генератора 2, управляемого напряжением, на второй вход которого поступает напряжение, определяющее начальную частоту его колебаний, выход генератора 2 является выходом преобразователя.

Устройство работает следующим образом.

Реактивный элемент включается в заземленную ветвь резонансного трехполюсника, являющегося комплексным делителем напряжения, включенным в цепь обратной связи системы фазовой автоподстройки частоты. Величина параметра искомого реактивного элемента определяет фазовый сдвиг между сигналами, поступающими на первый вход косинусного фазового детектора непосредственно с генератора, а на второй - через фазосдвигающую цепь, задающую режим работы, последовательно с которой включен резонансный трехполюсник, содержащий искомый реактивный элемент. Режим синхронизации фаз, примененный в преобразователе, позволяет системе автоматически выходить на частоту, являющуюся функцией искомого параметра реактивного элемента.

Совместное применение генератора прямоугольных импульсов, управляемого напряжением, и косинусного фазового детектора обусловлено:

1. Невозможностью получения нарастающей зависимости частоты от параметра реактивного элемента при использовании синусного фазового детектора, работающего с гармоническим сигналом, т.к. в этом случае зависимость имеет вид

2. Невозможность применения косинусного фазового детектора, работающего на гармоническом сигнале, так как осуществление захвата при фазовом сдвиге 90 градусов автоматически приведет систему к верхней или нижней границе зоны захвата, где зависимость частоты от величины искомого параметра отсутствует.

Ввиду сложности наглядного аналитического представления работы преобразователя, вызванного большим объемом численных операций, связанных с определением реакции системы на импульсное воздействие, обусловленное применением генератора прямоугольных импульсов и косинусного фазового детектора, в качестве доказательства работоспособности приводятся результаты эксперимента.

На фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема реализованного преобразователя; на фиг.3 - полученная на реализованном варианте преобразователя зависимость выходной частоты от величины емкости, взятой в качестве искомого реактивного элемента; на фиг.4 - осциллограмма сигналов на входах фазового детектора в режиме захвата, где 1 - сигнал с выхода генератора, а 2 - сигнал с выхода трехполюсника.

Преобразователь параметров реактивных элементов в частоту собран на базе интегральной микросхемы КР174ХА12, представляющей собой готовую систему фазовой автоподстройки частоты. Экспериментальные исследования произведены на специально изготовленном стенде. В состав стенда входили:

1) выполненная печатным способом плата со схемой преобразователя;

2) коммутационные зажимы для подключения образцовых элементов;

3) схемы сопряжения, предотвращающие влияние кабельных соединений измерительных приборов на режим работы преобразователя;

4) редуктор с нониусной шкалой для обеспечения возможности многократных повторяющихся измерений значений емкости.

В качестве элементов, задающих параметры фильтра низкой частоты и времязадающей цепи генератора, управляемого напряжением, использовались высокостабильные емкости типа КМ.

Выходная частота преобразователя измерялась частотомером БЗ-63.

Учитывая высокую частоту работы микросхемы, на которой реализован преобразователь, следует отметить, что дополнительные фазовые сдвиги могут возникать из-за неоднородности исполнения каналов фазового детектора, что может либо использоваться с целью исключения дополнительных фазосдвигающих цепей, либо, при необходимости, быть скомпенсировано ими.

Приведенная осциллограмма показывает, что при рабочем режиме захват происходит при фазовом сдвиге, близком к 90 градусам.

Полученная зависимость выходной частоты от величины искомого реактивного элемента может быть аппроксимирована, в пределах зоны захвата, составляющей около 10% от исходной частоты генератора, управляемого напряжением, линейными участками, что позволяет получить преобразователь с линейной зависимостью частоты от емкости.

Кроме того, данный преобразователь в течение года испытывался в экспериментальном образце влагомера песка, где показал следующие результаты:

Для диапазона изменения емкости чувствительного элемента влагомера от 0 до 70 пФ, рабочей частоты 4 МГц и диапазона влажности от 0-14% погрешность измерений не превышала 1% влажности.

Необходимо отметить, что для схемы стенда характерна слабая зависимость функции преобразования Сх в частоту от величины шунтирующего контур резистора, изменяемого в диапазоне от 1 Мом до 360 Ом.

Источники информации

1. Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: Справочник. В 2-х т. Пер с англ./Под ред. Покровского Ф.Н. - М.: Энергоатомиздат, 1991, - 368 с.:ил.

2. Агалаков А.А. Измерительные цепи емкостных и индуктивных датчиков. - М.: Приборы, 2001, №1, 18-20 с.

3. А.с. №798634. Ройфе В.С., БИ №3, 1981.

Формула изобретения

Преобразователь параметров реактивных элементов в частоту, в состав которого входит резонансный трехполюсник, который содержит реактивный элемент с искомыми параметрами, отличающийся тем, что введены косинусный фазовый детектор, первый вход которого соединен непосредственно с выходом генератора прямоугольных импульсов, управляемого напряжением, второй вход косинусного фазового детектора соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов через резонансный трехполюсник, представляющий делитель напряжения, заземленная ветвь которого содержит реактивный элемент с искомыми параметрами и дополнительные элементы, образующие с последним резонансный колебательный контур, выход косинусного фазового детектора соединен с входом фильтра низкой частоты, выход последнего подключен к первому входу генератора прямоугольных импульсов, управляемого напряжением, на второй вход указанного генератора поступает напряжение, определяющее начальную частоту его работы, причем выход указанного генератора является выходом преобразователя.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4