Цифровой измеритель rlc-параметров

Цифровой измеритель rlc-параметров

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров комплексного сопротивления емкостного и индуктивного характера. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем измерения тангенса угла потерь и добротности Q. Цель достигается путем введения в цифровой измеритель RLC- параметров, содержащий источник 1 гармонического сигнала, линейный преобразователь 2 комплексного сопротивления в напряжение на базе операционного усилителя 5 с измеряемым объектом 3 и образцовым активным элементом 4 сопротивления, переключатель 10, фазочувствительный детектор (ФЧД) 7, фильтры нижних частот (ФНЧ) 14,15, формирователь 25 опорного сигнала, интегрирующий АЦП 16, ФЧД 8, блока 9 формирования управляющих сигналов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 R 27/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 :» 1 0 с Я

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 1) 4827278/21 (22) 17.05,90 (46) 07.06.92. Бюл, hh 21 (72) В.М.Аванесов и А.И,Морозов (53) 621.317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 702317, кл. 6 01 R 27/26, 1979.

Авторское свидетельство СССР

hb 748286, кл, G 01 R 27/26, 1 978.

Авторское свидетельство СССР

M 1120254, кл. G 01 R 27/26, 1984. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ В(С-ПАРАМЕТРОВ

{57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров комплексного сопротивления емкостного и

„> SU („1739314 А1 индуктивного характера, Цель изобретения — расширение функциональных возможностей путем измерения тангенса угла потерь

tgD и добротности Q. Цель достигается путем введения в цифровой измеритель RLCпараметров, содержащий источник 1 гармонического сигнала, линейный преобразователь 2 комплексного сопротивления в напряжение на базе операционного усилителя 5 с измеряемым объектом 3 и образцовым активным элементом 4 сопротивления, переключатель 10, фазочувствительный детектор (ФЧД) 7, фильтры нижних частот (Ф НЧ) 14, 15, формирователь

25 опорного сигнала, интегрирующий АЦП

16, ФЧД 8, блока 9 формирования управляющих сигналов. 1 з.п, ф-лы, 2 ил.

1739314

Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров комплексного сопротивления емкостного и индуктивного характера, Известен цифровой измеритель RLCпараметров, содержащий переключатель, интегратор, блок сравнения, генератор синусоидального напряжения, измеряемый элемент, источник опорного напряжения, генератор импульсов, селектор, цифровой отсчетный блок, ключ, блок образцовых элементов, блок управления, интегратор, блок сравнения, формирователь временного интервала.

Недостатком указанного устройства является наличие образцовых реактивныхэлементов как емкостного, так и индуктивного характера, нестабильность которых увеличивает погрешность измерения, Известен измеритель емкости, проводимости конденсаторов, индуктивности и сопротивления катушек индуктивности, содержащий источник синусоидального сигнала, преобразователь параметров комплексного сопротивления в напряжение на базе операционного усилителя с измеряемым объектом и образцовым элементом сопротивления, фазовращатель в виде операционного усилителя на базе интегратора, переключатель, фазочувствител ьн ый детектор, управляющий вход которого через формирователь соединен с выходом источника синусоидального сигнала, и фильтр нижних частот, а также канал формирования опорного напряжения, выполненный в виде последовательно соединенного амплитудного детектора и фильтра нижних частот, логометр, выполненный в виде последовательного соединения управляемого ключа, интегратора, блока совпадения, формирователя измеряемого интервала времени ключевого блока счетчика, а также генератора счетных импульсов, выход которого соединен с вторым входом ключевой схемы, а через формирователь опорного интервала времени — с вторым входом формирователя измеряемого интервала времени и управляющим входом ключа, входы которого являются входами АЦП, Таким образом, на первый входАЦП (измерительный) поступает напряжение с выхода канала преобразования, а на второй вход АЦП (опорный) — с выхода канала опорного напряжения.

Н едостаток такого устройства — зависимость выходного сигнала при измерении реактивной составляющей от параметров (ВС) фазовращателя, нестабильность которых приводит к погрешности измерения, Наиболее близким техническим решением является цифровой измеритель CLRпараметров, содержащий источник гармонического сигнала, фазовращатель на базе операционного усилителя в режиме интегратора, переключатель, линейный преобразователь комплексного сопротивления в напряжение на базе операционного усилителя с измеряемым объектом и образцовым активным элементом, амплитудный и фазочувствительный детекторы, фильтры нижних частот, формирователь опорного сигнала рабочей частоты и интегрирующий

АЦП, в который входят управляемый ключ, интегратор, блок совпадения, формирователь интервала времени, ключевой блок, счетчик и генератор счетных импульсов.

Недостатком данного измерителя является отсутствие возможности измерения тангенса угла потерь tg д емкостного элемента и добротности Q индуктивного элемента.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей измерителя, а именно получение возможности измерения тангенса угла потерь tg д и добротности Q, Поставленная цель достигается тем, что в цифровой измеритель RLC-параметров, содержащий источник гармонического сигнала, линейный преобразователь комплексного сопротивления в напряжение на базе операционного усилителя с измеряемым объектом и образцовым активным элементом сопротивления, фазочувствительный детектор, фильтры нижних частот, формирователь опорного сигнала, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, выполненный в виде последовательного соединения управляемого ключа, интегратора, блок совпадения, первого формирователя времени, ключевого блока, счетчика, а также генератора счетных импульсов, выход которого соединен с входом формирователя исходного сигнала, с вторым входом ключевого блока и входом второго формирователя интервала времени, выход последнего соединен с вторым входом первогс формирователя и управляющим входом ключа, сигнальные входы которого подключены к выходам первого и второго фильтров нижних частот, причем вход первого фильтра соединен с выходом первого фазочувствительного детектора, вход которого соединен с выходом линейного преобразователя комплексного сопротивления в напряжение, вход которого соединен с выходом источника гармонического сигнала, введены второй фазочувствитель1739314 ный детектор, переключатель, блок формирования управляющих сигналов, причем вход второго фазочувствительного детектора соединен с выходом переключателя, а выход — с входом второго фильтра нижних частот, замыкающий контакт переключателя соединен с выходом преобразователя комплексного сопротивления в напряжение, размыкающий контакт — с его входом, вход блока формирования управляющих сигналов — с выходом формирователя исходного сигнала, первый выход — с управляющим входом источника гармонического сигнала, второй выход — с управляющим входом второго фазочувствительного детектора, а третий выход — с управляющим входом первого фазочувствительного детектора, причем блок формирования управляющих сигналов содержит три счетных триггера, переключатель, причем управляющий вход блока соединен со счетным входом первого триггера, прямой выход которого соединен со счетным входом второго триггера, а инверсный выход — со счетным. входом третьего триггера, прямой выход второго триггера соединен с первым выводом переключателя и первым выходом блока, прямой выход третьего триггера соединен с вторым входом переключателя, а третий вывод переключателя соединен с третьим выходом блока, инверсный выход второго триггера соединен с вторым выходом блока.

На фиг,1 приведена структурная схема предлагаемого измерителя; на фиг,2 — временные диаграммы, поясняющие работу измерителя.

Цифровой измеритель RLC-параметров содержит источник 1 гармонического сигнала, линейный преобразователь 2 на базе операционного усилителя 5 с измеряемым объектом 3 и образцовым активным элементом 4, переключатель 6, фазочувствительные детекторы 7 и 8, блок 9 формирования управляющих сигналов, в состав которого входят счетные триггеры 11...13, переключатель 10, фильтры 14 и 15 нижних частот, интегрирующий АЦП 16, в который входят управляемый ключ 17, интегратор 18, блок

20 сравнения, формирователи 19 и 21 интервалов времени, генератор 22 счетных импульсов, ключевой блок 23, счетчик 24 и формирователь 25 исходного сигнала.

Выход источника 1 гармонического сигнала соединен с входом линейного преобразователя 2 и с размыкающим контактом переключателя 6. Выход линейного преобразователя 2 соединен с замыкающим контактом переключателя 6 и с сигнальным входом фазочувствительного детектора 7, выход последнего соединен с входом фильтра 14 нижних частот, а выход последнего— с первым (измерительным) входом АЦП 16, Выход переключателя 6 соединен с сигналь5 ным входом фазочувствительногодетектора

8, выход последнего соединен с входом фильтра 15 нижних частот, выход которого — с вторым (опорным) входом АЦП 16.-АЦП

16 представляет собой последовательное

10 соединение ключа 17, интегратора 18, блока

20 сравнения, формирователя 21 временного интервала, ключевого блока 23 и счетчика

24. Выход генератора 22 счетных импульсов соединен с входом формирователя 19 вре15 менного интервала и входом ключевого блока 23, с входом формирователя 25 исходного сигнала, выход которого соединен с входом блока 9 формирователя управляющих сигналов, вход которого является счетным вхо20 дом С-триггера 11. Прямой выход Q

С-триггера 11 соединен со счетным входом

С-триггера 12, а инверсный — со счетным входом С-триггера 13, Выходы Q триггеров

12 и 13 соединены с входами переключателя

25 10, прямой выход Q триггера 12 соединен также с входом источника 1 гармонического сигнала, а выход Q триггера 12 соединен с управляющим входом фазочувствительного детектора 8.

30 Измеритель работает следующим образом.

Формирователь 25 исходного сигнала формирует из сигнала генератора 22 счетных импульсов АЦП 16 последовательность

35 импульсов с частотой f<, в четыре раза превышающей частоту f< источника 1 гармонического сигнала, на который проводится измерение RLC-параметров. Блок 9 формирования управляющих сигналов представ40 ляет собой пересчетное устройство: на выходах С-триггера 12 выделяются прямоугольные импульсы, соответствующие синфазной составляющей сигнала(выход Q — на интервале от 0 до zt, на выходе Q — на

45 интервале отлдо 2x), на выходе Q триггера 13 выделяются прямоугольные импульсы, соответствующие квадратурной составляющей сигнала U> (интервал от- до+ -2).

X 7C

50 Диаграммы напряжений на выходах триггеров 12 и 13 показаны на фиг,2. Источник 1 гармонического сигнала преобразует выходное напряжение формирователя 9 управляющих сигналов в синфазный

55 синусоидальный сигнал с частотой

2л в =2xf, = — f, и амплитудой Uim, 4 Np

Преобразователь 2 преобразует параметры объектов по параллельной схеме за1739314 мещения с составляющими а Сх и Gx или индуктивных объектов по последовательной схеме замещения с составляющими

eLx и Rx в синфазные и квадратурные составляющие комплексного напряжения, В 5 первом случае измеряемый объект 3 включается во входную цепь, а в цепь обратной связи включается элемент 4, во втором случае объекты 3 и 4 меняются местами, Фазочувствительными детекторами 7 и 8 10 осуществляется выделение составляющих комплексного напряжения, несущих информацию об измеряемом параметре, присутствующем на его измерительном входе, путем управления его напряжением, посту- 15 пающим с формирователя 9. Фильтры 14 и

15 выделяют постоянные составляющие Оз и U4 выходных напряжений.

Напряжение 0з прикладывается к измерительному входу, а напряжение U4 — к 20 опорному входу АЦП 16, Последний осуществляет преобразование отношения напря0з жений в цифровой код путем

} 4 двухтактного интегрирования. . 25

В первом такте интегрирования, время которого задается формирователем 19 в виде импульса, управляющего ключом 17 и формирователем 21, на вход интегратора 18 поступает напряжение Оз(открыт канал "ас" 30 ключа 17). Во втором такте интегрирования

No по истечении времени 7o = на вход

fo интегратора 18 поступает напряжение протиBOположной первому полярности (открыт канал obc" ключа 16).

Начало второго такта интегрирования фиксируется формирователем 21 по входу R сигналом То, а конец — по входу S сигналом блока 20 совпадения, определяющего нуле- 40 вое состояние интегрированного напряжения:

1тО „т, — ) 03 dl+> 3 U4dl=0 (1)

45 где г — постоянная времени интегратора, в виде импульса Тх, который разрешает прохождение счетных импульсов частотой fo от генератора 22 через ключевой блок 23 на вход счетчика 24, Из (1) видно, что Оз и U4 50 должны быть противоположных полярностей. Условимся считать, что 0з > О, à U4 < О.

Устройство имеет несколько режимов работы, которые определяются положениями переключателей 6 и 10, 55

Режим измерения емкости Сх и индукти в н ости Lx.

Переключатель 6 — в нижнем (фиг.1) положении. Переключатель 10 осуществляет управление фазочувствител ьным детекто— в режиме измерений емкостей

Я +"а= а 0> J 02„cosQt 1f(àÖ=a, а, f fj, 1 а и L

„< 4 uL„ — сжя1 J(uf}-2а,.а ц1

° 3 И 1 (3) — в режиме измерений индуктивности, 2

0}=а2а4 3 01щк

Л

x Sin В т d (В т ) = — 2 а2 a4 U 1m (4) где а1 и аз — коэффициенты передачи фазочувствительных детекторов 7 и 8; а2 и а4 — кОэффициенты передачи фильтров 14 и 15 нижних частот, Если эти значения напряжений подставить в выражение (1), то получится

2а1аз U1mRo аСх=2а2а4 Оиру (5) То Тх т — в режиме измерений емкости

То © -х Тх

2а1аз U1m — =2а2а4 4 U1

t Rо

m (6) — в режиме измерения индуктивности, Количество импульсов в счетчике 24 при измерении емкости Nc и индуктивности NL составит: а, а 9ifo а;а> ФК (7у

aa, g f, oa, 1Í,1

Режим измерения активных составляющих 6х и Rx.

В этом режиме переключатель 6 устанавливается в нижнее(по схеме фиг,1) полором 7в фазовом интервале от до, т.е.

Л Д на управляющий вход фазочувствительного детектора 7 проходят импульсы с выхода Q триггера 13:(переключатель 10- в правом по схеме фиг.1 положении). Тогда постоянные напряжения Оз и U4 на выходах фильтров 14 и 15 нижних частот составят:

1 в II

1 1 l

В,,a,ju,.. 11(иЮ- ° ) —, - 67сх (2) хаоьяЬd(t}. 2 а, а U«Ro caC„

1739314

10 жение. Переключатель 10 осуществляет управление фазочувствительным детектором

7 в фазовом интервале от 0 до ж, т.е. на управляющий вход фазочувствительного детектора 7 проходят импульсы с выхода Q 5 триггера 12 (переключатель 6 находится в левом по схеме фиг.1 положении). Тогда постоянные напряжения Оз и U4 на выходах фильтров 14 и 15 нижних частот составят:

r

II

II

U3 а,а, JUa„5 о<а . ((а )оа, а> JU, » о о (9)

2х . 2» х — sincot.<)(сН)"-2 а, as — О< о о — в режиме измерений активного сопро- 15 тивления

П -О, о» fu, о<о<41»)(<оЦ=о,о, <<<„ хС„R,.Ûт) я14(ай=Я а, а> Р,.С„Ь„„ — в режиме измерения активной проводимости

U4 = -2 аг а4 Uim

Количество импульсов в счетчике 24 при 25 измерении активной проводимости Gx и активного сопротивления Rx равно

I »»< о

ll;a»à, f U „cos

»cos<оИ(<о»)о2а, а,.U Rо <аСх=2 а, а U, — при измерении тангенса потерь щ д ,Я

»

0 .а, а» 0 ообя1 д(я1} о<аз

»СОЬ<О». I((COt)*2a

У<» о

"() <. 2о

55 (14) йа — Ro No Gx, (11) а1 аз

Режим измерения добротности Q индуктивного элемента и тангенса потерь щд емкостного элемента.

В этом режиме переключатель 6 — в верхнем (по схеме фиг.1) положении. Переключатель 10 осуществляет управление фазочувствительным детектором 7 в фазоЛ Л 40 вом интервале от т до+ т, т.е. на управляющий вход фазочувствительного детектора 7 проходят импульсы с выхода триггера 13 (переключатель 10 — в правом по схеме фиг.1 положении). Тогда постоянные 45 напряжения 0з и U4 составят: — при измерении добротности 0

2» гг.

U4 04 04 f()s s<»Iîé <)(

Ф I Ох 2, О<» <ОМ(ИЦ-2 а,а, G„R, U<„ (15) — при измерении тангенса tg д

2c 2„()4 4а» а< О „,.ЫаЯ1 d(cot)=a»a<,..fUI » (16)

М 4< — а аа d(cot)-2 о, о, — ".О

2» . я„ о 2о — при измерении добротности Q.

Количество импульсов в счетчике 24 при измерении добротности Q и тангенса потерь tg д составит а1 аз Х) . а1 аз а2 а4 Rx а2 а4

Таким образом, измеритель обеспечивает измерение (, С, R, G, tg д, Q-параметров и отображение их значений в цифровом виде.

Формула изобретения

1. Цифровой измеритель RLC-параметров, содержащий источник гармонического сигнала, линейный преобразователь комплексного сопротивления в напряжение на базе операционного усилителя с измеряемым объектом и образцовым активным элементом сопротивления, переключатель, фазочувствительный детектор, два фильтра нижних частот, формирователь опорного сигнала, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с входом формирователя опорного сигнала, выход первого фазочувствительного детектора через первый фильтр нижних частот соединен с первым входом интегрирующего аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с выходом второго фильтра нижних частот, о т л и ч à ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем измерения tg д и добротности, в него введены второй фазочувствительный детектор, блок формирования управляющих сигналов, вход которого соединен с выходом формирования опорного сигнала, первый выход — с управляющим входом источника гармонического сигнала, второй выход — с управляющим входом первого фазочувствительного детектора, а третий выход соединен с управляющими входами фазочувствительных детекторов и первым выводом переключателя, второй вывод переключателя соединен с выходом линейного преобразователя комплексного

1739314

Составитель В,Аванесов

Техред М.Моргентал Корректор С,Шевкун

Редактор И.Горная

Заказ 2001 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 сопротивления в напряжение и входом второго фазочувствительного детектора, а третий вывод переключателя соединен с входом источника гармонического сигнала и вторым выводом линейного преобразователя комплексного сопротивления в напряжение.

2, Измеритель RLC — параметров по п.1, отличающийся тем, что блок формирования управляющих сигналов содержит три счетных триггера, переключатель, причем управляющий вход блока соединен со счетным входом первого триггера, прямой выход которого соединен со счетным входом второго триггера, а инверсный — со счетным входом третьего триггера, прямой выход

5 второго триггера соединен с первым выводом переключателя и первым выходом блока, прямой выход третьего триггера соединен с вторым выводом переключателя, а третий вывод переключателя соединен

10 с третьим выходом блока, инверсный выход второго триггера соединен с вторым выходом блока.