Квазиуравновешенный мост для раздельного измерения одного из параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик р>978054

Т

I г (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 0506.81 (21) 3295412/18-21 с присоединением заявки ¹â€”

Р М К з

G,01 R 17/10

Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытий (23) Приоритет— (53) УДК б 21;317.

1.733(088.8) .

Опубликовано 30.11.82. Бюллетень ¹ 44

Дата опубликования описания 3Q1132 (72) Авторы изобретения

В.Г. Плотников и Г.A. Етамбергер

Ивано-Франковский институт нефти и газа (71) Заявитель (54) КВАЗИУРАВНОВЕШЕННЫЙ МОСТ ДЛЯ РАЗДЕЛЬНОГО

ИЗМЕРЕНИЯ ОДНОГО ИЗ ПАРАМЕТРОВ НЕРЕЗОНАНСНЫХ

ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерению параметров пассивных комплексных величин, и может быть использовано для контроля и измерения параметров объектов, например в электрохимии и биологии для изучения природы электрохимических и биологических систем, в микроэлектронной электро- и радио-, нефтяной и химической промышленностях для конт роля различных технологических процессов.

Известен четырехплечий уравновешенный мост переменного тока, который состоит из четырехплечего моста, содержащего измеряемый объект, плечо сравнения, составленное иэ магазинов сопротивлений и магазина ем,костей, и вспомогательные плечи, генератора качающейся частоты и осциллографа Г13.

Недостатком моста является сложность и значительная продолжительность процесса приведения измеритель,ного моста к состоянию равновесия

I иэ-за наличия трех взаимосвязанных регулировок. Кроме того, в измерительной практике часто возникает за. дача измерения только одного инфрр. мативйого параметра объекта (двухполюсника), в то время как два других параметра являются неинформативными и усложняют процесс измерения.

B этом случае вышеуказанный мост необходимо уравновешивать и по неин формативным параметрам и тем самым затрачивать на измерение дополнительное время.

Наиболее близким по техническому . решению к предлагаемому является измеритель частотных характеристик сложных двухполюсников, позволяющий измерять один параметр трехэлементного двухполюсника независимо от двух других. Измеритель состоит иэ двух генераторов синусоидальных колебаний, одного коммутатора и трех ключей, трех индуктивных делителей напряжений, двух усилителей, сумматора, фазочувствительного детектора и блока сравнения C2). .Недостатком измерителя является сложность и продолжительность процесса измерения одного из трех параметров контролируемого двухполюсника, поскольку для измерения одного параметра необходимо приводить измеритель к двум состояниям, т.е. дважды добиваться равенства модулей

978054 сигналов. Кроме того, измеритель имеет низкую точность, поскольку измеряемый параметр определяется через коэффициенты передачи двух делителей напряжения и двух усилителей.

Цель изобретения — ускорение и упрощение процесса уравновешивания.

Поставленная цель достигается тем, что в квазиуравновешенный мост для раздельного измерения одного из параметров нереэонансных трехэлементных двухполюсников, содержащий два генератора синусоидальных колебаний, два ключа, переключатель и блок сравнения, генераторы синусоидальных колебаний соединены с коммутатором, введены четырехплечая цепь, состоящая иэ трех однотипных элементов, один иэ которых является регулируемым, и исследуемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника, блок вычитания, преобразователь переменного сигнала в постоянный, интегратор, фаэовращатель, формирователь прямоугольных импульсов, первый и второй блоки управления, генератор опорных импульсов, реверсивный счетчик и блок уравновешивания, причем измерительная диагональ четырехплечей мостовой цепи подключена к первому и второму входам блока вычитания, одна из вершин измерительной диагонали четырехплечей цепи соединена с первым входом первого ключа, а выход . блока вычитания соединен через преобразователь 35 переменного сигнала в постоянный с вторым входом первого ключа, выход последнего через интегратор и блок сравнения соединен.с одним иэ входов первого блока управления, 4р при этом второй вход блока управления соединен через формирователь прямоугольных импульсов и фазовращатель с выходом блока вычитания, выходы первого блока управления соединены 45 соответственно с первым и вторым ключами, причем генератор опорных импульсов через ключ и переключатель подключен к реверсивному счетчику, выход которого соединен с блоком уравновешивания, а выходы второго блока управления соединены с управляющими входами коммутатора, переключателя и реверсивного счетчика, при этом. одна из вершин диагонали итания четырехплечей цепи соединена .коммутатором, а другая — с общей шиной.

Вся совокупность вышеуказанных признаков позволяет получить простой и быстрый процесс уравновешивания 6р мостовой измерительной цепи. Уравновешивание происходит при помощи одного контура уравновешивания и раздельно, независимо от двух других, в данном случае неинформативных, 65 параметров контролируемого трехэле-! ментного двухполюсника. Измерение одного из параметров контролируемого двухполюсника происходит с высокой точностью, поскольку в основу положен мостовой метод измерения.

На фиг. 1 дана функциональная электрическая схема квазиуравновешенного моста; на фиг. 2-4 — примеры построения четырехплечих мостовых цепей при измерении параметров исследуемых двухполюсников с различными схемами замещения.

Квазиуравновешенный мост содержит (фиг. 1) четырехплечую мостовую цепь, соединенную с генераторами 1 и 2 синусоидальных колебаний посредством коммутатора 3, в четырехплечую цепь входят образцовые резисторы 4 и 5, регулируемый образцовый резистор б и исследуемый двухполюсник 7, сос- тоящий из резисторов 8 и 9 и конденсатора 10. Кроме того, кваэиуравновешенный мост содержит блок 11 вычитания, преобразователь 12 переменного .сигнала в постоянный, интегратор 13, блок 14 сравнения, ключ 15, фазовращатель 16, формирователь 17 прямоугольных импульсов, первый блок 18 управления, генератор 19 опорных импульсов, ключ 20, переключатель 21, реверсивный счетчик 22, второй блок 23 управления и блок

24 уравновешивания. Все узлы квазиуравновешенного моста выполняются на серийных элементах аналоговой и цифровой техники.

Устройство работает следующим образом.

По команде с второго блока 23 управления при поглощи коммутатора

3 к четырехплечей цепи подключается генератор 1 синусоидальных колебаний и отключается генератор 2. После установления колебаний. в четырехплечей цепи по команде с первого блока 18 управления открывается ключ

15 и переменное напряжение непосредственно через этот ключ начинает поступать на интегратор 13, который интегрирует поступающее на него переменное напряжение. По прошествии времени, заданного половиной периода колебаний, поступающих с формирователя 17, блок 18 управления выдает команду ключу 15 на прекращение подачи переменного напряжения на интегратор. 13 и подключает к интегратору 13 через ключ 15 постоянное напряжение, снимаемое с выхода преобразователя 12. Это постоянное напряжение интегрируется, в результате чего происходит разряд интегратора, и в момент, когда напряжение на выходе интегратора 13 достигнет нулевого значения, срабатывает блок

14 сравнения, по .его команде при помощи блока 18 и ключа 15 постоян978054 нения, генераторы синусоидальных колебаний соединены с коммутатором, 55 отличающийся тем, что, с целью ускорения и упрощения процесса уравновешивания, в него введены четырехплечая цепь, состоящая из трех однотипных элементов, один из которых является регулируемым, 6 и исследуемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника, блок вычитания, преобразователь переменного сигнала в постоянный, интегратор, фазовращатель, формирователь

65 прямоугольных импульсов, первый и ное напряжение отклоняется от входа интегратора 13. Время разряда интегратора постоянным напряжением фиксируется блоком 18 в виде длительности прямоугольного импульса, поступающего с блока 18 на ключ 20.

Ключ 20 открывается на время длительности этого прямоугольного импульса и импульсы с генератора 19 через ключ 20 и переключатель 21 поступают на прямой вход реверсивного счетчика 22. Далее второй блок 23 управления при помощи коммутатора 3 подключает к четырехплечей цепи генератор 2 синусоидальных колебаний и отключает генератор 1.

В дальнейшем, после установления переходного процесса в чеФырехплечей цепи весь процесс повторяется снова с той лишь разницей, что блок

23 переводит переклю атель 21 в другое положение, и импульсы.с опорного генератора 19 поступают не на .прямой, а на реверсивный вход счетчика 22. В результате двух этих тактов на счетчике 22 остается записанным какое-то число, причем счетчик 22 выполняется с индикацией знака этого числа. Далее по команде блока 23 управления полученное на счетчике 22 число с учетом знака считывается и поступает на блок 24 уравновешивания, который может быть выполнен или в виде шагового двигателя, или в виде цифрового суммирующего блока. Блок 24 уравновешивания регулирует сопротивление образцового резистора б до достижения состояния квазиравновесия, при котором после каждых двух тактов подключения генераторов 1 и 2 к четырехплечей цепи на реверсивном счетчике 22 фиксируется число, равное нулю. В этом случае один из измеряемых параметров, в данном примере сопротивление резистора 8, трехэлементного двухполюсника 7 раз.дельно отсчитываются по образцовому резистору б. При этом состояние квазиравновесия моста не зависит от двух других, в данном случае неинформативных параметров резистора 9 и конденсатора 10, входящих в контролируемый трехэлементный двухполюсник 7. Поскольку интегрирование переменного напряжения происходит за время, равное половине периода синусоидального напряжения, то каждые два такта, после которых вырабатывается регулирующее воздействие, осуществляются за время, чуть большее наибольшего периода сигналов генераторов 1 и 2. Все это позволяет су.щественно ускорить процесс уравновешивания мостовой измерительной цепи.

Квазиуравновешенный мост позволя-, ет производить раздельное измерение разных параметров трехэлементных двухполюсников с различными схемами замещения.

На фиг. 2 показаны примеры раз,тичных трехэлементных двухполюсников с различными схемами замещения. В три других плеча четырехплечей мостовой цепи включены однотипные элементы. В принципе, любой из этих образцовых элементов 4,5 и 6, выпол1 ненных в виде либо резисторов, либо конденсаторов, либо катушек индуктивностей — регулируемый. В состоянии,квазиравновесия могут быть раздельно измерены сопротивление резис15 тора 25 (фиг. 2), емкость конденсатора 26 (фиг. 3), индуктивность ка;тушки индуктивности 27 (фиг. 4).

Предлагаемое устройство практически опробовано. Определялись различные параметры трехэлементных двухполюсников с различными схемами заме. щения. Мост питался от двух генераторов с частотами 1 кГц.и 7 кГц.

В качестве регулируемого элемента

25 использовалось цифроуправляемое сопротивление. Время первоначального приведения моста к состоянию квазиравновесия в автоматическом режиме не превышало 4.2 Тс. Изменение в широ3О ких пределах двух других паразитных параметров контролируемого двухполюсника практически не влияло на состояние квазиравновесия.

Предлагаемый уравновешенный мост

35 может использоваться для измерения параметров полупроводниковых структур при изготовлении больших интегральных схем. Измерения позволяют корректировать и управлять техноло40 гическим процессом и тем самым влиять на процент выхода годных микросхем.

Формула изобретения

Квазиуравновешенный мост для раздельного измерения одного из параметров нерезонансных трехэлементных

5О двухполюсников, содержащий два генератора синусоидальных колебаний, два ключа, переключатель и блок срав978054 второй блоки управления, генератор опорных импульсов, реверсивный счетчик и блок уравновешивания, причем измерительная диагональ четырехплечей цепи подключена к первому и второму входам блока вычитания, одна из вершин измерительной диагонали четырехплечей цепи соединена с первым входом первого ключа, а выход блока вычитания соединен через преобразователь переменного сигнала в постоянный с вторым входом первого ключа, выход последнего через интегратор и блок сравнения соединен с одним из входов первого блока управления, .при этом второй вход блока управления соединен через формирователь прямоугольных импульсов и фазовращатель с выходом блока вычитания, выходы первого ( блока управления соединены соответственно с первым и вторым ключами, причем генератор опорных импульсов через ключ и переключатель подключен

5 к реверсивному счетчику выход котоУ рого соединен с блоком уравновешивания, а выходы второго блока управления соединены с управляющими входами коммутатора, переключателя и реверсивного счетчика, при этом од1О на из вершин диагонали питания сое динена с коммутатором, а другая с общей шиной.

Источники информации, принятые во внимание при экспертиза

35 1. Авторское свидетельство СССР

Р 158627, кл. Ci 01 R 17/10, 1962.

2. Авторское свидетельство СССР

Ð 530273, кл. 6 01 R 27/28, 1975 (прототип).

978054

Составитель И. Бахтина

Редактор Н. Стащишина ТехредМ.Надь Корректор A Дзятко

Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Закаэ 9208/60

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