Цифровой измеритель rlc-параметров

 

(72) Авторы изобретения

Н.И. Грибок и Р.-А.В. Обуханич

В

Львовский ордена Ленина политехнический институт (7!) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ ИЗИЕРИТЕЛЬ К1.С-ПАРАМЕТРОВ

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может найти применение при измерении RLC-параметров в широком частотным диапазоне.

Известен цифровой измеритель сопротивления, емкости и индуктивности, S содержащий управляемый генератор синусоидального напряжения, подключенный ко входу частотозависимой цепи с образцовым и измеряемым элементами, и преобразователь изменения параметров

1О в напряжение, вход которого подключен к выходу цепи, а его выход.подключен к управляющему входу генератора, формирователь периода выходного

3S сигнала генератора, цифровой измеритель периода, два коммута гора, источник напряжения постоянного тока, время-импульсный преобразователь и. цифровой измеритель отношения времен20 ных интервалов, причем выход источника напряжения постоянного тока.подключен ко входу измерительной цепи; вход. время-импульсного преобразовате-. ля подключен к выходу измерительной цепи, входы цифрового измерителя отношения временных интервалов подключены к выходам времяимпульсного преобразователя напряжения и формирователя периода выходного сигнала генератора через первый коммутатор, управляемый синхронно со вторым коммутатором, входы которого подключены к выходам генератора синусаИдального напряжения и источника напряжения постоянного тока $1).

Недостатком известного измерителя является то, что он обеспечивает измерения только на фиксированных частотах со сравнительно низкой точностью, так как построение широкодиапазонных смесителя, гетеродина и фильтра связано с значительными техническими трудностями, а результ т зависит от значения напряжения иточника постоянного тока, коэффициента пропорциональности преобразователя временного интервала и чувствительности формиро8686?9

40 вателя разностных временных интервалов, что значительно ухудшает точ- . ность измерения в широком частотном диапазоне.

Наиболее близким к предлагаемому является цифровой измеритель RLC-параметров, содержащий генератор синусоидального напряжения, последовательно соединенные переключатель, интегра, тор, 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 устройства, второй вход блока сравнения подключен к общей шине, а выходы блока управления связаны с входами управления переключателей, селектора, цифрового делителя и цифрового отсчетного устройства, второй интегратор, второй блок сравнения, ключ и формирователь временного интервала, первый вход которого соединен с вторым выходом блока образцовых элементов, сигнальным входом второго переа ключателя и выходом ключа, вход которого подключен к первому выходу блока образцовых элементов и к общей шине, второй вход формирователя вре-, менного 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 Г2 .

t0

4

Недостатком данного измерителя является отсутствие возможности измерения полного сопротивления с высокой точностью на переменном токе.

Цель изобретения — повышение точности измерения полного сопротивления. I

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой измеритель RLC-параметров, содержащий генератор синусоидального сигнала, первый выход которого соединен с первым входным зажимом измерителя для подключения измеряемого сопротивления, второй выход — с первым выводом резистора„ второй вывод которого соединен с первым входом ключа и с первым зажимом первого блока образцовых элементов, второй зажим которого соединен со вторым входом ключа и с общей шино",. переключательр первый подвижный контакт которого соединен с первым входом первого интегратора, селектор, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход — с последовательно соединенными цифровым вычислительным блоком и цифровым отсчетным блоком, блок управления, первый выход которого соединен с управляющими входами ключа и переключателя, второй выход — с управляющим входом первого блока образцовых элементов, третий выход — с управляющими входами селектора, цифрового вычислительного блока и цифрового отсчетного блока, введен второй блок образцовых элементов, первыч зажим которого соединен с первым входным зажимом измерителя и с первым входом блока управления, второй и третий входы которого включены параллельно выводам резистора, первый выход соединен с управляющим входом генератора синусоидального сигнала, четвертый выход соединен со вторыми входами интеграторов, а пятый — с уп-, равляющим входом второго блока образцовых элементов, второй зажим которого подключен к вторым неподвижным контактам переключателя, первые неподвижные контакты которого подключены к второму входному зажиму измерителя, а второй подвижный контакт соединен с вторым зажимом первого блока образцовых элементов, второй зажим которого соединен с первым входом второго интегратора, выход которого соединен с третьим входом селектора, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора.

868629

15

25

35

50

На чертеже представлена блок-схема цифрового измерителя RLC-параметров.

Цифровой измеритель RLC-параметров содержит генератор 1 синусоидального сигнала, измеряемое сопротивление 2, второй блок 3.образцовых элементов, переключатель 4, первый интегратор 5, селектор 6, вычислительный блок 7, цифровой отсчетный блок

8, резистор 9, ключ 10, первый блок

11 образцовых элементов, генератор

12 импульсов, блок 13 управления, второй интегратор 14.

Измеритель работает следующим образом.

Измерение синфаэной и квадратурной составляющих импеданса основано на интегрировании напряжения на измеряемом Zx 2 и образцовом Z0 11 импедансах в течение времени, определяемого блоком 13 управления.

При синусоидальном напряжении на сопротивлениях 2 и 11 U(t)"-0 51п(lot+

Al

+ Ч) в процессе их интегрирования в течение времени от t„ = aT po t = Ь( получим

Вт

0кнт ) 0в "" (" ++®)8t=

1 Г

Clf

51п(п(Ь)+Ч)э nп(ь- ) (1) где Оп1 — амплитудное значение напряжения, — постоянная времени интегрирования;

Т вЂ” период исследуемых колебаний.

В выражении (1) составляющая

i n$n (а+Ь)+ Ч3 пропорциональна cos Ч

1 при а + Ь = —. и sinV при а + Ь = 1.

Вторая составляющая 51пП(а - Ь) ие зависит от сдвига фаз Ч между током и напряжением и определяется лишь моментами t = а ° Т и t = Ь - Т.

При интегрировании за время, равное полупериоду t< = aT = О, = b . Т= -" из (1) получим синфазную составляющую сигнала (z)

Для получения .квадратурной составляющей условие а + Ь = 1 выполняется при обеспечении симметрии моментов

= aT u t я = ЬТ относительно пере1 хода через нуль опорного напряжения.

"- v !»(Ь- ) (3) т 0

При измерЕнии синфазной составляющей сопротивления первый подвижный контакт переключателя 4 находится в положении II а второй подвижный контакт — в положении I. Поэтому через сопротивление образцового элемента 3 ток не проходит. Ключ 10 разомкнут.

Напряжения на сопротивлениях Z@2 и Z011 равны () U и (ю х) 2, () 0„1(й) " " " О 2О, (5

Z где Ч„, Ч0 — сдвиги фаз между током и напряжением на сопротивлениях 2х2 и 2011;

2 = Ех +го+й9+КЬ11; где КВ11 — внутреннее сопротивление генератора I;

В0 †сопротивление резистора 9.

Напряжения (4) и "(5) за время Т/2 интегрируются интеграторами 5 и !4 и двухтактным преобразованием переводятся в числовые эквиваленты У 1 и

У 2, с учетом (2), (4). и (5) имеем

41

"1 0 (2)

Z "2"

0 0

При квантовании интервалов получаем

" 002 (9) г1 0оЕ

Разделив (8) и (9), определяем значение синфазной составляющей импеданса

R y, = Zgcos Ч = RîN (10) й1 од2

Операция деления й1/Nz вьтполняется вычислительным блоком 7.

Измерение квадратурной составляющей импеданеа производится в два такта, Первый такт используется для определения характера комплексного сопротивления. Ключ 10 закорачивается и блок 13 управления формирует временной интервал, симметричный относительно перехода через нуль опорного напряжения. В зависимости от емкостного или индуктивного характера измеряемого импеданса Ех2 напряжение на выходе интегратора будет соот868629 8 мируются из напряжений (4) и (5) соответственно, то в выражениях (4) и (5) Чх и 4 0 можно опустить. При интегрировании (4} и (5) и двухтактном преобразовании в числовые эквиваленты получаем ветственно положительным или отрицательным. При положительном напряже-. нии блок 13 управления выбирает в боке ll образцовую емкость Со, а при отрицательном — индуктивность L0.

При измерении квадратурной составляющей импеданса Z ключ 10 размыкается и блок 13 управления на время (Ь. Т - а Т), симметричное относительно перехода через нуль опорного напряжения, разрешает интегрирование напряжений (4} и (5) интеграторами 5 и .14, где двухтактным интегрированием напряжение преобразуется в числовые эквиваленты N 3 и 11 а

4. Ф именно

f0.Т .0 sinll(b-а) — Zu 51п х, (11

Zх! (М (18) 20з1п О= — (15) 1 юС 0 отсюда Сх = С -+ и

Ъ

Измерение низкоомных полных сопротивлений осуществляется следующим образом.

Посредством блока 13 управления первый подвижный контакт переключателя 4 устанавливается в положение 11 а второй — в положение !. Сопротивление блока 3 устанавливается равным нулю. При этом ключ 10. разомкнут.

Вследствие введения связи с первого входного измерителя на вход блока 13 управления становится возможным осуществлять формирование временного интервала из напряжения на сопротивлении 2х2, а наличие связи с первого ,зажима блока ll дает возможность формировать временной интервал из напря.жения на сопротивлении 2011, Влок 13 управления разрешает интегрирование напряжения (4) в блоке 5 на время

Т/2, а в блоке 14 напряжение {5) также интегрируется в течение Т/2. Поскольку временные интервалы Т/2 форВыражение (19) справедливо лишь для случая, когда входное сопротивление интеграторов 5 и 14 намного больУ, t ше преобразуемых сопротивлений 2х

fo T sintt(b-а) Z sing

МФ-, „.Zu u0 (12)

Разделив (11) на (12), получаем синфазную составляющую импеданса

2хз1пМу,= 20s f n÷ä и (13)

При измерении индуктивности

2хз 1пЧх = 1-х 1 20s 1 пало ы 1- у поэтому — {14) х — 0 1„

При емкостном характере импеданса 2х2

Z,з in х= —, UuC x т/2

Г " " 2 — 1u а=О.

/\l х.=1 ° ь.„

10 1 10 .0 л 1 0 5lnat

ТД

0 0

z + — 1 0 g --0

0 в

При квантовании временных интервалов t< и t 2 с частотой генератора 12 импульсов имеем г/2

%0(031.n t

20 11 0 о 211

Т/Я

Q 1 U sinw<

25 Й 0 2

2 10

Разделив (16) на (17), получаем

И

ZX 20

N2

Когда в качестве Z О берется чисто активное сопротивление, имеется возможность измерения Z в диапазоне частот

1

2Х= RO„N (19)

2 так как Й не изменяется с изменением частоты.

При измерении больших сопротивлений по сигналу блока 13 управления в качестве сопротивления блока 11 берут чисто активное сопротивление R

0 а второй блок 3 образцовых элементов имеет сопротивление Z 0. В первом такте измерения ключ 10 разомкнут, а подвижные контакты переключателя 4 установлены соответственно в положение

Ii и I, На сопротивлении Ii имеется напряжение uÄ Ä = (t ) R 0, пропорциональное току генератора 1 синусоидального сигнала. Сопротивление R выби0 рается много меньшим входного сопро8 8629

5 (20) = ЕХ+ Zo+ 28 тщ ц)! Л(»)я)a)

М=

0о (2г.) го

М„

" М

3 измерения емкости

1 Co (30) Lx =

Zx mm

В случае

1 соСх Ns и при:1(й) = Э„(t) имеем С„=Со

N4

В выражениях (28), (30) и (31) результат измерения L и С не зависит от частоты и генератор синусоидального сигнала, постоянных времени Г,, и 72 интегрирования, частоты fo генератора импульсов 12, значений сопротивлений R, 28х, К8н, что позволяет измерять полное сопротивление в диапазоне частот. т 2 о )2о 28х +

; (24) т 2

М 1() о а тивления 78„инте(ратор» 14. В и пеграторе 5 инте рируется напряжение

2х(2о 2вх) Z ex

2»» za+»в» Т2 о» 2)») Напряжение 0 = «J (t)Ro и напря1 жение (20) двухтактным интегрированием в интеграторе 14 и 5 преобраэу10 ются в числовые эквиваленты т!2 о (+1 8х 2-х

Я; (2))

1 (ZÄ+ Zo+ 2-эх) Uo

Во втором такте измерения блок 13 управления переводит подвижные контакты переключателя 4 в положения 1 и 11. При этом генератор 1 имеет ток 3„(t). В интеграторе 5 интегрируется напряжение

zo(zx+z)») 2

Z o+Zx+ Z 8x Ех+ Z8x

3„(t) Zo Z8x (23) ЗО

Zo+Zx+Z 8х

Напряжение 0 = 3„(t) Rp и напряжение (23) двухтактным интегрированием в интеграторах 14 и 5 преобразуется во временные интервалы t y u при квантовании которых с частотой

35 имеем!

О

При выборе Z о чисто активным, т.е. Zg = Ro )

Z = К вЂ” "-- (27)

Х ой1. "Ъ которое не зависит от значения входного сопротивления Z8x интегратора 5, что позволяет значительно повысить точность измерения больших значений полных сопротивлений в диапазоне частот. Это выражение можно упростить, если в двух тактах измерения путем изменения напряжения 0() источника 1 поддерживается постоянным значение тока !(t) = д (t) когда выполняется равенство М 2 = N4, вследствие чего выражение (26) принимает вид

Z += о (28) к- оМ

Яз (28) видно, что при Z x = w "х ) а Z о =а L o можно измерить значения индуктивности в диапазоне частот (29) х= оМ,М а при поддержаний равенства Э (t)

3„(t) "о тУ2

Подставив j .")(t)dt в выражение о тИ (21) из (22), à J Д (t)dt в выражение (?4) иэ (25); имеем

̄—

М о 8 о

Разделив N на М, получаем

z „= z " - — " 2 МЪ (26-) 45

Формула изобретения

Цифровой измеритель RLC-параметров, содержащий генератор синусоидального сигнала, первый выход которого соединен с первым входным зажимом измерителя для подключения измеряемого сопротивления, второй выход — с первым выводом резистора, второй вывод

55 которого соединен с первым входом ключа и с первым зажимом первого блока образцовых элементов, второй зажим ,которого соединен со втопым входом

868629

Б11ИИПИ Заказ 8317/65 Тирах 735 Подписное

Фи тияч Ш111 11ятент, г. Ужгород, ул. 11роекч няя, ключа и с общей шиной, переключа fåëb, первый подвижный контакт которого соединен с первым входом первого интегратора, селектор, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход — с последовательно соединенными цифровым вычислительным блоком и цифровым отсчетным блоком, блок управления, первый выход которого соединен с управляющими входами ключа и переключателя, второй выход— с управляющим входом первого блока образцоввтх элементов,.третий выход — . с управляющими входами селектора, цифрового вычислительного блока и цифрового отсчетного блока, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, введен второй блок образцовых элементов, первый зажим которого соединен с первым входным зажимом измерителя и с первым .входом блока управления, второй и третий входы которого включены параллельно выводам резистора, первый выход соединен с управляющим входом генератора синусоидального сигнала, четвертый выход соединен со вторыми входами интеграторов, а пятый — с управляющим входом второго блока образцовых элементов, второй зажим которого подключен к вторым неподвижным контактам переключателя, первые не1 подвижные контакты которого подключены к второму входному зажиму изме10 рителя, а второй подвижный контакт соединен с вторым зажимом первого блока образцовых элементов, второй зажим которого соединен с первым входом второго интегратора, выход которого соединен с третьим входом селектора, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора.

Источники информации, 20 принятые RO внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

У 467302, кл. G 01 R 27/26, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 702317, кл. G 01 R 27/26, 1977 (прототип).