Цифровой измеритель параметров

 

ОП ИСАНИНА

ИЗОБРЕТЕН ИЯ ц 702317

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 19.08.77 . (21) 2518035/18 — 21 (51)M. Кл.

6 01 8 27/26 с присоединением заявки М

Веударетвехьй камитет

СььР ю А@ам нэабретеник к еткрмтвй (23) П риоритет— (53) УД К 621317.,73 (088.8) Опубликовано 05.12.79, Бюллетень М45

Дата опубликования описания 05.12.79 (72) Авторы изобретения

А. А. Бабий, Н. И. Грибок, С, С. Обоэовский и С, С. Ткаченко

Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт радиоэлектронной медицинской аппаратуры (71) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ RLC ПАРАМЕТРОВ

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может найти приме-. нение при измерении RLC-параметров в широком частотном диапазоне.

Известно устройство для измерения 1т1.С-параметров, в котором измерения комплексных составляющих тока основаны на интегрировании кривой тока в определенные интервалы времени и преобразовайии полученного аналогового сигнала в число импульсов, пропорциональное тО измеряемой величине (1).

Однако измерение синфазной и квадратурной составляющих тока возможно лишь на фиксированных частотах, поскольку нет узлов, обеспечивающих независимость результата из. мерения от периода синусондального колебания. При этом дополнительные ограничения на измерения и диапазоне частот вызваны применением фазовращателя на 90 .

Известно устройство, содержащее управляе,мый генератор синусоидального напряжения, подключенный к входу частотно-зависимой . цепи с образцовым и измеряемым элементами, преобразователь изменения параметров цепи в

2 напряжение,,вход которого подключен к выходу цепи, а его выход подключен к управляющему входу генератора, формирователь периода выходного сигнала генератора, ь1нфро вой измеритель периода н два коммутатора, причем выход источника напряжения постоянна» го тока подключен к входу измерительной цепи, вход времяимпульсного преобразователя подключен к выходу измерительной цепи, входы цифрового измерйтеля отношения временМых интервалов подключены к выходам времяимпульсного преобразователя напряжения и формирователя выходного сигнала генератора через первый коммутатор, управляемый синхронно с вторым коммутатором, входы которого подключены к выходам генератора сннусоидального напряжения, а выходы фаэовременного формирователя и формирователя периода умноженной частоты подключены к входам формирователя раэностных временных интервалов, выход которого связан с входом интегратора, выход которого соединен с перестраи ,, ваемйм гетеродином; входом формирователя временного интервала, выходом ключа, вхо702317

3 дом активного сопротивления и сигнальным входом второго переключателя, вь1ход которого соединен с входом второго интегратора, который по выходу связан с входом управления источника опорного напряжения и пер5 вым входом. второго устройства сравнения, другой вход которого связан с общей шиной, а выход соединен с входом селектора, между выходом которого и входом цифрового отсчетного устройства включено цифровое дели- щ тельное устройство, причем выход первого интегратора подключен к входу управления источника опорного напряжения и к входу управления, выходы которого связаны с входами управления ключа, образцового элемента, цифрового делительного устройства и формирователя временного йнтервала, выход которого соединен с входом блока управления (2).

Недостатком известного устройства является: а) ограниченность частотного диапазона, обус- 2р ловленная использованием гетеродиков, смесителя и фильтра нижних частот; б) сложность реализации умножителя частоты исследуемого сигнала на восемь в широком частотном диапазоне; 25 в) ограниченность точности измерения, обус-ловленная влиянием на результат измерения коэффициента передачи времяимпульсного преобразователя, а также формирователя разностных временных интервалов и значения напряжения so источника опорного напряжения; г) возникновение погрешности измерения импеданса емкостного н индуктивного характера при фазовых сдвигах между током и напряжением больше чем 45

35 д) отсутствие адаптации к роду измеряемого параметра.

Целью изобретения является повышение точности измерения в широком частотном диапазоне. 40

Лля этого в цифровой измеритель Н(С-параметров, содержащий генератор синусоидального напряжения, последовательно соединенные переключатель; интегратор, блок сравнения, селектор, цифровой делитель и цифровое отсчет- 4S ное устройство,, а также генератор импульсов, подключенный к второму входу селектора, второй переключатель, блок образцовых элемен-.. тов, блок управления и источник опорного напряжения, выход которого подключен к вто- so рым входам обоих переключателей, причем один из полюсов генератора синусоидального напряжения соединен с одним иэ входных зажимов устройства, один выход блока образцовых элементов соединен с вторым входным ss зажимом устройства, второй вход блока сравнения подключен к общей шине, а выходы блока управления связаны с входами управления .

4 переключателей, селектора, цифрового делителя и цифрового отсчеткого устройства, введены второй интегратор, второй блок сравнения, ключ и формирователь временного интервала, первый вход которого соединен с вторым выходой блока образцовых элементов, сигнальным входом второго переключателя и выходом ключа, вход которого подключен к первому выходу блока образцовых элементов и к общей шине, второй вход формирователя временного интервала соединен с вторым полюсом генератора синусоидального напряжения, а выход — с входом блока управления, причем к выходу второго переключателя подключен второй интегратор, выход которого связан с входом второго блока сравнения и входом управления источника опорного напряжения, выход первого интегратора связан с вторым вхо- . дом управления источника опорного напряжения, и входом блока управления, второй вход второго блока сравнения подключен к общей шике, а выход — к третьему. входу селектора, сигнальный вход первого переключателя соединен с первым входным зажимом устройства, а выходы блока управления связаны с управляющими входами ключа, формирователя, временного интервала и блока образцовых элементов, На фиг. 1 изображена структурная электрическая схема цифрового измерителя Rt Ñ-параметров.

Измеритель содержит переключатель 1, интегратор 2, блок сравнения 3, генератор синусоидального напряжения 4, измеряемый элемент 5, источник опорного напряжения 6, генератор импульсов 7, селектор 8, цифровой. делитель 9, цифровое отсчетное устройство 10, ключ 11, блок образцовых элементов 12, блок управления 13, переключатель 14, интегратор 15, блок сравнения 16, формирователь временного интервала 17, состоящий иэ резистора 18 и собственно формирователя 19.

Измеритель работает следующим образом.

В исходном состоянии интеграторы 2 и 15 разряжены, ключ 11 сигналом с блока управления 13 замкнут, счетчики цифрового делителя 9 сброшены, а переключатели 1 и 14 нахоI дятся в нейтральном положении.

Измерение синфаэной и квадратурной составляющих исследуемого импеданса основано на интегрировании напряжения на измеряемом сопротивлении в течение времени, определяемого формирователем временного интервала 17, который формирует время измерения из длительности периода напряжения на резисторе 18, моменты перехода через нуль которого совпадают с моментами перехода через нуль кривой

70231 ц„М =U á«è (ø Ü+Ч) 5 для измерения синфазной составляющей напряжения UI (t) необходимо его интегрировать в течение полупериода опорного напряжения. Тогда получим !

9 тц,„

ИНТх ПФ

При измерении квадратурной составляющей напряжения UI (t) должно выполняться условие, 15 что моменты времени tI = а Т и tq = в Т начала и конца интегрирования должны быть симметричны относительно момента тэ перехода через нуль опорного напряжения UnII sin t (фиг. 2 а). При соблюдении условия а + в = 1 получим " х хнт ех- П С. z со, (4) N f.Tu f,Tu ххсохЧ ч

И ll0 1 х х ll.u 7 о

RI(о о

7Õ(=ÎÜÌ„

R пропорциональный значению. синфазной составляющей Zx. cos рх в комплексном сопротивлении 2х, так как

5 тока в цепи генератора 4 синусоидального напряжения.

При синусоидальной форме кривой напряжения

Те0

О „„,, = - — „ -е пФь(о П (с-a). (2) При измерении Rl C-параметров генератор 4 синусоидального напряжения UI (t) =Огл1 sin со t, измеряемый элемент (сопротивление 2х 5), образцовый элемент (сопротивление Zo 12) и резистор 18 образуют делитель напряжения 01 (t) . Сойротивление 2х 5 и Zo 12 являются 30

KoMIUIeKcHblMH. При измерении емкости Z и Zo содержат емкостные составляющие сопротивления и активные сопротивления утечки. При измерении индуктивности в 2х u Zo входят индуктивные сопротивления и активные сопро- З5 тивлення катушек. При измерении активного сопротивления R„s комплексном сопротивлении Z 5 блок управления размыкает ключ 11 и включает в элемент 12 активное сопротивление Ro. «О

Поскольку сопротивление Z„ 5 комплексное, то между током, протекающим через него, и напряжением на нем имеется фазовый сдвиг

Ф х, Формирователь временного интервала 19 о „Ыиа 4, из опорного напряжения 1 . на

2 резисторе 18 (фиг. 2 а) формирует временной интервал (фиг, 2 б) длительностью, равной полупериоду опорного напряжения. Сигнал с вы50 хода формирователя 19 поступает на вход блока 13 управления. На время его длительности переключатели 1 и 14 устанавливаются в полоU„;„Мп (аАФЧ (Д жение а. Напряжение 05(1)= 2 2, 55 .на сопротивлении Z)(5 и напряжение

U -. 1««а на элементе 12 ин«7 7 о

6 тегрируются соответственно в интеграторах 2 и 15. Поскольку при измерении активного сопротивления Н„элемент 12 берется чисто активным, то в нем отсутствует сдвиг фаз уо. Однако в качестве Zo можно в этом случае применять и комплексное сопротивление, но при известном значении активной составляющей Ro.

В процессе интегрирования напряжение на выходе интегратора 2 равно 1 «

"MНТ.R rl. Д Х

11 = 2 ° СОВКАХ а напряжение на выходе интегратора 15 где т1 и т — постоянные времени интеграторов 2 и 15 соответственно.

Во втором такте преобразования блок 13 управления переводит переключатели 1, 14 в положение б и открывает селектор 8. Напряжение Uo с выхода источника опорного напряжения 6 поступает через переключатели 1 и 14 на входы интеграторов 2 и 15, вследствие чего начинается интегрирование Uo до моментов

t4, t5 равенства нулю напряжений и на выходе интеграторов 2 и 15 (фиг. 2 в, г), За время t<-t3 на вход первого счетчика цифрового делительного устройства 9 с выхода генератора 7 импульсов через селектор 8 поступит число импульсов (фиг. 2 в). (+ - «=- 2;Co5$y,, (5)

Хот ЦФ1

«Х О 5 Ь ««U 7 а в течение времени t4 — t3 в друтом счетчике цифрового делителъного устройства 9 зафиксируется код числа (фиг. 2 r) . то„„

2 00 7 (э

Моменты tz и t4 равенства нулю выходных напряжений интеграторов 2 и 15 фиксируются блоками сравнения 3 и 16, которые являются нуль;органами. В цифровом делителе 9 выполняется операция отношения N,x/Ng вследствие чего на основании 5 и 6 получаем код числа о%х=гхсоБЧ„=О.".х„„ М „, (Z) 7023

О 7 6 ТО Ми П(4-a)

tn °

П с„=CQ Ng3 I N„„

7 где йх —.синфазная составляющая комплексно- го сопротивления Ех.

Кодовое значение Niq/й х с выхода цифрового делителя 9 пбступает на вход цифрового отсчетного устройства 10 и при Яо кратном

10к пропорционально синфазной Ях составляющей импеданса Ех и не зависит от периода Т колебаний напряжения Um sin ыт источника 4, его амййтудного значения Um, частоты fo ге" нератора импульсов 7, постоянных времени т1 и r интеграторов 2 и 15. Их стабильность требуется обеспечить лишь на время измерения.

Измерение квадратурных составляющих импеданса (емкости или индуктивности) производится в два такта, Первый такт используется is для определения характера комплексного сопротивления (емкостного или индуктивного), то есть осуществляется адаптация к роду измеряемого параметра. Для этого блок 13 управления закрывает ключ 11, а формирователь 17 N временного интервала формирует временной интервал t — t6, который симметричен относительно точки t3 перехода через нуль опорного напряжения Um> sin ют (фиг. 2 а и 2 д), то есть выполняются условия а + в = 1 и

t 4 t6 = Т, 8 зависимости от емкостного или индуктивного характера измеряемого импеданса Zz 5 напряжение на выходе интегратора 2 в момент t6 будет положительным или отрицательным соответственно. Поэтому лри поло- ЗО жительном напряжении на выходе интегратора 2 блок 13 управления по управляющему сигналу с выхода интегратора 2 выбирает в блоке 12 образцовую емкость Со, а при отрицательном напряжении — образцовую индуктивность Ео. З5

При этом Со или 1о не обязательно должны. быть высокодобротными, требуется лишь точно знать значения их реактивных (квадратурных)

Со и "1о составляющих. Во втором такте производится измерение 40 квадратурной составляющей импеданса, для чего блок 13 уйравления размыкает ключ 11 и подает сигнал управления на формирователь

17 временного интервала, который в произвольный момент t> из опорного напряжения

U >- sin mt, снимаемого с резистора 18, формирует передний фронт импульса (фиг. 2 д), который посредством блока 13 управления переводит переключатели 1 и 14 в йоложение а.

Одновременно начинается интегрирование напря- 50 жений, снимаемых с элементов 5 и 12, в интеграторах 2 и 15 до момента t6 при соблюдении условия t> + tq Ф Т, В момент t6 блок управления 13 переводит переключатели 1 и 14 в положение б, вследствие чего выходное напряжение Uo источника опорного йапряжения 6, полярность которого противоположна полярности напряжений на вы17

8 ходе интеграторов, поступает на вход интеграторов 2 и 15 и интегрируется до моментов

t7 и тв равенства нулю выходных напряжений интеграторов 2 и 15 (фиг. 2 е и 2 ж), которые фиксируются устройствами сравнения 3 и 1 6, За время t7-ts с выхода генератора 7 импульсов через селектор 8 на вход первого счетчика цифрового делителя 9 поступит число импульсов (фиг. 2 е) а во втором счетчике цифрового делителя 9 зафиксируется код числа (фиг. 2 д) Разделив (6) на (9), получим

2.- вам =z-ьа .

N13 (1о).

Х Х о о 11,„

Операция деления N> /N @ выполняется в цифровом делителе 9, и при Zo ве ро,кратном

10 », результат отношения N> y/N>y с выхода цифрового делителя 9 вьщается на цифровое

1отсчетное устройство 10.

При измерении индуктивности 2х sin px

= u.L а о sin Фо — »а 1-о Подставив эти значения в (10), получим

Х О 4Ч1 2 Я)

При емкостном характере комплексного со4 пРотивлениЯ х в п Ф х = — à Zo sin

1 ШС

> откуда, с учетом (10) имеем г. »

Таким образом, по сравнению с известными измерителями RLC-параметров в предложенном устройстве обеспечена возможность измерения с высокой точностью В1.С-параметров комплекс- ных сопротивлений в широком частотном диапазоне, так как результаты измерения не зависят от частоты колебаний генератрра 4 синусоидального напряжения, его амплитудного Um значения, сопротивления Z преобразовательной цепи, постоянных времени r и га интеграторов 2 и 15, частоты f„ генератора 7 импульсов, и что особенно важно, от значений моментов начала t> и конца t интегрирования в первом такте при измерении квадратурных составляющих импеданса.

702317

Это дало возможность отойти от необходимости применения фазосдвигающих цепей на

90, построение которых со стабильным значением 90 фазового сдвига для широкого дианазона частот представляет значительные технические трудности.

Формула изобретения !

О

Цифровой измеритель RLC параметров, содержащий генератор синусоидального напряжения, последовательно соединенные переключатель, интегратор, блок сравнения, селектор, цифровой делитель и цифровое отсчетное устройство, а также генератор импульсов, подключенный к второму входу селектора, второй переключатель, блок образцовых элементов, блок управления, и источник опорного напряжения, выход которого подключен к вторым входам обоих переключателей, причем один из полюсов генератора синусоидального напряжения соединен с одним из входных зажимов устройства, один выход блока образцовых элементов соединен с вторым входным зажимом устройсни, второй 35 вход блока сравнвния подключен к общей шине, а выходы блока управления связаны с входами управления переключателей, селектора цифрового делителя и цифрового отсчетного устройства, отличающийся тем, что,i „ 3O с целью повышения точности измерения в широком частотном диапазоне, в него введены второй интегратор, второй блок сравнения, ключ и формирователь временного интервала, первый вход которого соединен с вторым выходом блока образцовых элементов, сигнальным входом второго переключателя и выходом ключа, вход которого подключен к первому выходу блока образцовых элементов и к общей шине, второй вход формирователя временного интервала соединен с вторым полюсом генератора синусоидального напряжения, а выход — с входом блока управления, причем к выходу второго переключателя подключен второй интегратор, выход которого связан с входом второго блока сравнения и входом управления источника опорного напряжения, выход первого интегратора связан с вторым входом управления источника опорного напряжения и входом блока управления, второй вход второго блока сравнения подключен к общей шине, а выход— к третьему входу селектора, сигнальный вход первого переключателя соединен с первым входным зажимом устройства, а выходы блока управления связаны с управляющими входами ключа, формирователя временных интервалов и блока образцовых элементов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент ПНР N 76778, кл. G 01 R 19/06.

2. Авторское свидетельство СССР N 467302, кл. G 01 R 27/26.

702317 фиг. 2

Составитель Н. Ледащев

Техред 3Яужик

Редактор Л. Гельфман

Корректор .Г. Рептетник

Тираж 1073 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35,-Раушская наб., д. 4/5

Заказ 7583/43

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 г