Способ измерения параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников

 

О П И С А Н И Е ()890270

ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Союз Советских

Социалистических

Респубпии

В. Г. Плотников, IO. Н. Захаров, Я. Н. Сарапи

А. И. Ярухин, Е. Е. Добров, К. В. Ткаченко и (22) Авторы изобретения

Be йяук, j1!, 585gg0 (7I) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

НЕРЕЗОНАНСНЫХ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ

ДВУХПОЛЮСНИКОВ

Изобретение относится к электроизмеритель ной технике, в частности к измерению и контрогпо параметров трехэлементных нерезонансных двухполюсников, имеющих конечное сопротивление на постоянном токе, и может быть

5 использовано для измерения и контроля параметров полупроводниковых структур и тонких пленок при производстве полупроводниковых приборов. для измерения параметров процессов на границе электрод-раствор в электрохимии и влагометрии.

Известен способ измерения сложных комплексных сопротивлений, заключающийся в том, что симметричный мост питают прямоутольными импульсами напряжения с длительностью, большей длительности переходных процессов в нем и, используя форму импульсов напряжения разбаланса, уравновешивают его попеременной регулировкой образцовых элементов, попеременно с упомянутыми длинными прямоугольными импульсами подают короткие прямоугольные импульсы с длительностью, близкой к длительности передних фронтов длинных импульсов и, для уравновешивания по активног му сопротивлению, используют импульсы напряжения разбаланса, вызванные короткими импульсами питания (1).

Недостатком известного способа измерения является сложность процесса уравновешивания при помощи трех регулирующих органов и как иыдствие низкое быстродействие, а также низкая точность измерения малых емкостей н сопротивлений, обусловленная неидеальностью фронтов импульсов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения параметров нерезонансных пассивных трехэлементных двухполюсников, существенными признаками которого являются преобразование комплексных сопротивлений (проводимостей) в активную величину определенного вида, сравнение последней с синфаэными (противофазными), компенсирующими сигналами, изменение частоты напряжения питания измерительной цепи до наступления квазиравновесия, характеризуемое максимальным значением реактивной составляющей, компенсируя часть активной составляющей величины, приводят иэмери890270 тельную цепь во второе квазиравновесие, характеризуемое равенством упомянутой реакт:мной и нсскомпенсированной активной составляющих величин (2).

Недостаток этого способа измерения заключается в низком быстродействии из-за сложности процесса измерения и его релаизации. Измерительную цепь необходимо привести вначале в одно квазиравновесие, характеризуемое . определенными признаками, затем в другое кваэиравновесие, характеризуемое другими приз. наками, и только после этого производятся измерения, вычисления и отсчеты измеряемых параметров, Целью изобретения является повышение быстродействия измерений. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения параметров иере; зонансных трехэлементных двухполюсников, .включающему подачу на контролируемый нерезонансный трехэлементный двухполюсник напряжения гармонического сигнала, изменение частоты напряжения гармонического сигнала, частоту напряжения гармонического сигнала изменяют до получения экстремального значения тангенса угла потерь или фазового сдвига, вносимого контролируемым нерезонансным трехэлементным двухполюсником, фиксируют в момент достижения экстремального значения тангенса угла потерь фазового сдвига значение частоты напряжения гармонического ° сигнала и, на фиксированном значении последней измеряют модуль комплексного сопротивления (проводимости) контролируемого нерезонансного трехзлементного двухполюсника . и его, сопротивление (проводимость) на постоянном тОке» по измеренным значениям определяют параметры контролируемого нерезонан,,сного трехзлементного двухполюсника.

На фиг. 1 представлен пример реализации способа измерения; на фиг. 2 — виды нерезонансных трехэлементных двухполюсников; . на фиг. 3 — 6 — примеры реализации способа измерения для конкретных видов нереэонансных трехэлементных двухйолюсников.

Устройство реализации способа измерения (фиг. 1) содержит контролируемый нерезонансный трехэлементный двухполюсник 1, измеритель 2, ключ 3, источник 4 постоянного напряжения, автоматический программируемый вычислитель 5, ключ 6, генератор 7 гармонического сигнала, фазометр 8, преобразователь 9 тока в напряжение, частотомер 10, измеритель

11 модуля комплексного сопротивления, табло 12 — 14. На фиг. 2 изображены конденсаторы 15 и 16, активные проводимости 17 и 18, резисторы 19 — 24, катушки индуктивности 25 и 26. На фиг. 3 приведены те же обозначения, что и на фиг. 1, и дополнительно приведены

20 конденсатор 15 (С), активная проводимость 17 (Y), резистор 19 (R), амперметр постоянного и переменного тока 27, измеритель тангенса угла потерь 28, частотомер 29. На фиг. 4 приведены те же обозначения, что и на фиг. 3, и дополнительно приведены катушка индуктивности 25 (1), активная проводимость 18 (Y) резистор 20 (R) усилитель 30, образцовый резистор 31, фильтр нижних частот 32, фильтр верхних частот 33, вольтметр постоянного тока 34, вольтметр переменного тока 35. На фиг. 5 приведены те же обозначения, что и на фиг. 4 и дополнительно приведены резисторы

21 (R) и 22 (R>) конденсатор 16 (С), измерители на постоянном и переменном токе 36 и 37. На фиг. 6 приведены те же обозначения, что и на фиг. 5, и дополнительно приведены резисторы 23 (8) и 24 (В1), катушка индуктивности 26 (L), генератор тока изменяющейся частоты 38, источник постоянного тока 39, вольтметр 40.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Измеряют сопротивление контролируемого нерезонансного трехэлемеитного двухполюсника 1 на постоянном токе (фиг. 1) при помощи измерителя 2, при этом измеритель 2 и двухполюсник 1 (контролируемьй нерезонансньй трехэлементный) питаются .через замкнутый ключ 3 от источника 4 постоянного напряжения. Результат измерения с измерителя 2 поступает в виде цифрового кода на автоматический программируемьй вычислитель 5, в котором запоминается измеренное значение.

После этого ключ 3 размыкается, а ключ 6 замыкается. Изменяют частоту генератора 7 гармонического сигнала, следят за показаниями фазометра 8, один вход которого подключен к одной клемме контролируемого нерезо40 нансного трехэлементного двухполюсника, а второй вход — ко второй клемме последнего через преобразователь 9 тока в напряжение.

При достижении максимума или минимума показаний фазометра 8 процесс изменения частоты генератора 7 гармонического сигнала прекращают, и проводят измерение частоты са„ сигнала частотомером 10, а также измеряют йзмерителем 11 модуль комплексного сопротив- ления контролируемого нерезонансного трехЖ элементного двухполюсника 1. Измеренные значения в виде цифрового кода поступают в вычислитель 5. Вычислитель 5 по заданной программе производит обработку результатов измерений. Программа вычислителю 5 задается

Я в зависимости от вида схемы контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника. Результаты вычислений высвечиваются ва цифровых табло 12 — 14 и соответствуют

890270

S 0

13

Ко К

R)

К вЂ” К

Ко

Ко

Кг. К вЂ” Ko

Кз

L— ю „(К вЂ” К, ) Ко г г

R1

Ко

Ке

К г г

Ко

Кг

L =

К параметрам контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника. 1. Так, например, если обозначить сопротивление контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 напостоянном токе через Ко, а модуль комплексного сопротивления через К при частоте ы,, то для схемы контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1,чзображенной на фиг. 2, емкость конденсатора 15 (С), проводимость активной проводимости 17 (R>) и сопротивление резистора 19 (R) вычисляются следующим образом

" = Ко

Для двухполюсника (фиг. 2 б), состоящего иэ катушки индуктивности 25 (L), проводимости 18 (Я1) и резистора 20 (Я)

Кг

R =

Ко

Для двухполюсника (фиг. 2 в), состоящего из резистора 21 (82 резистора 22 (В,), конденсатора 16 (С можно записать:

Кг

R =

Ко

К<„ (Кго — Кг)

Для двухполюсника (фиг, 2 г), состоящего из резисторов 23 (R) и 24 (R ) и катушки индуктивности 26 (L) искомые параметры определяются следующим образом:

R = -Ко

6.

Пример 1. На фиг. 3 приведена принципиальная схема устройства, реализующая способ измерения, например, для двухполюсника, изображенного на фиг. 2 а. Контролируемый двухполюсник 1, состоящий из конденсатора 15 (С), активной проводимости 17 (Yi) и резистора 19 (R) подключают через ключ б к генератору 7 гармонического сигнала, при этом второй полюс контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 подключают на корпус через амперметр постоянного и переменного тока 27. Изменяют частоту сигнала генератора 7 гармонического сигнала до наступления минимума тангенса угла потерь контролируемого нереэонансного трехэлементного двухполюсника 1, фиксируют ее измерителем тангенса утла потерь 28, После этого фиксируют частоту генератора 7 гармонического сигнала и измеряют период Т частоты фиксированного сигнала частотомером 29.

Далее амперметром 27 измеряют I — переменный ток фиксированной частоты, нротекающий через контролируемый нереэонансный трехэлементный двухполюсник 1. Затем размыкают ключ

2S 6, и замыкают ключ 3, тем самым подключают контролируемый нерезонансный трехэлементный двухполюсник 1к источнику 4 постоянного напряжения, и амперметром 27 измеряют постоянный ток lp, протекающий через конт30 ролируемый нерезонансный трехэлементный двухполюсник 1Бсли выходное напряжение ис точника 4 постоянного напряжения и генератора 7 гармонического сигнала равно U, то проводимость контролируемого нерезонансного

3S трехэлементного двухполюсника 1.на постоянном токе определяется, как Yo = lo/U, а проводимость на фиксированной частоте, — как Y =

= I/U. По измеренным величинам определяют искомые параметры контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника1—

Я,Y,,С;

R = 1/ Уо;

Yl = Ye — Yp

С T(Y Ype)

43 где 9 = Y/Yp.

Пример 2. (Фиг. 4) . Способ реализуется следующим образом. Изменяют частоту генератора 7 гармонического сигнала до достижения на фазометре 8 максимальных показаний, и в этот момент времени фиксируют

30 частоту генератора 7 гармонического сигнала..

Затем производят одновременное измерение частоты са частотомером 10, постоянного напряжения Uo — вольтметром 34 и переменного напряжения U — вольтметром 35. По измерен ным величинам с, Оо, U легко определяот искомые параметры контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1:

L, Yg, В. Если принять сопротивление резисто0270

Способ измерении параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников, включающий . подачу на контролируемый нерезонансный трехэлементный двухполюсник напряжения гармонического сигнала, изменение частоты напряжения гармонического сигнала, о т л и ч а юшийся тем, по, с целью повышения быстродействия измерений, частоту напряжения ° гармонического сигнала изменяют до получения экстремального значения тангенса угла потерь или фазового сдвига, вносимого контролируемым нерезонансным трехэлементным двухполюсником, фиксируют в момент достижения экстремального значения тангенса угла потерь или фазового сдвига значение частоты напряжения гармонического сигнала и, на фиксированном значении последней измеряют модуль комплексного сопротивления (проводи7 89 ра 31 и напряжение источника 4 постоянного напряжения и напряжение генератора 7 гармонического сигнала равными единичным значениям, тогда напряжения 0о и U будут числен но равны соответственно проводимости Уо контролируемого нерезонансного трехэлемент, ного двухполюсника 1 на постоянном токе. и проводимости 4 контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 на фиксированной частоте, В этом случае величина индуктивности катушки индуктивности 25 (L) определяется как

1 = 1/ (1 — О) ыУ, а активная проводимость 18 (Y>) как о — О> и сопротивление резистора 20 (R), как

Р У /Y2 где О = Y/Yo.

Пример 3. (Фиг. 5). Способ реализуется следующим образом. Изменяют частоту генератора 7 гармонического сигнала до достижения на фазометре 8 максимальных показаний, и в этот момент времени фиксируют частоту генератора 7 гармонического сигнала.

Затем производят одновременное измерение: периода сигнала частотомером 29, коэффйциента передачи усилителя 30 на постоянном токе измерителем 36 и коэффициента передачи усилителя 30 на фиксированной частоте измерителем 37. По измерительным величинам легко определяются искомые параметры контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1; R, R, С, Если, для простоты, сопротивления образцового резистора 31 принять равными единичному зйачению, то коэффициенты передачи усилителя 30 на постоянном токе и на фиксированной частоте будут соответственно равны сопротивлению контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 на постоянном токе (Ко) и сопротивлению контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 на фиксированной частоте (К), и если период сигнала на фиксирующей частоте равен Т, то искомые параметры находятся следующим образом:

R= К 7

Rl = Ko — 7К>

С Т/ (1 — 7 ) К, где 7 — отношение сопротивления контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 К к сопоотивлению Ко.

Пример 4. (Фиг. 6). Способ реализуется следующим образом. Изменяют частоту генератора тока изменяющейся частоты 38, предварительно .замкнув ключ 6, до достижения минимальногб значения тангенса угла потерь контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1, которое фиксирует!

О

2О

2$

ЗО

33 ся измерителем тангенса угла потерь 28, который имеет два входа — один вход с высоким входным сопротивлением, другой — с низким.

После достижения минимального значения тангенса угла потерь фиксируют частоту генератора тока изменяющейся частоты 38, и измеряют падение напряжения U на контролируемом нерезонансном трехэлементном двухполюснике 1 при помощи вольтметра 40, а затем измеряют период Т синусоидального сигнала генератора тока изменяющейся частоты 38 частотомером 29. Далее размыкают ключ 6, замыкают ключ 3, и измеряют падение напряжения 0о на контролируемом нерезонансном трехэлементном двухполюснике 1 при помощи вольтметра 40. По измеренным величинам U, Uo, Т легко определяются искомые параметры контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1: R, R>, 1.. Примем токи генератора тока изменяющейся частоты 38 и тока источника постоянного тока 39 одинаковыми и равными единичному значению, тогда сопротивление Ко контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 на постоянном токе будет численно равно напряжению Up измеренному вольтметром 40, а сопротивление К на фиксированнойчастоте также численно равно напряжению О, измеренному вольтметром 40. Искомые параметры контролируемого нерезонансного трехэлементного двух полюсника 1 находятся следующим образом:

Ko

К 7 — Ko>

1 = Т (K — Ko/7) где 7 — отношение сопротивления контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 К к сопротивлению Ко.

Формула изобретения

890270 мости) контролируемого нереэонансного трехэлементного двухполюсника и его сопротивление (проводимость) на постоянном токе, по измеренным значениям определяют параметры контролируемого нерезонансното трехэлементного двухполюсника.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР ¹ 344367, кл. G 01 R 17/10, 09.11.70. и 2. Авторское свидетельство СССР № 234508. кл. 6 01 R31/26,,18.12.67 (прототип). °

890270

Составитель П. Сотникова

Техред Т.Маточка Корректор Н. Стен

Редактор О. Персияндева

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

Заказ 10962/72 Тираж 735 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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