Устройство для определения параметров трехэлементных двухполюсных цепей

Устройство для определения параметров трехэлементных двухполюсных цепей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: в контрольно-измерительной технике и для измерения параметров трехэлементных двухполюсных цепей. Сущность: устройство содержит формирователь 1 опорного напряжения, опорный конденсатор 2, операционный усилитель 3, клеммы 4 для подключения исследуемой двухполюсной цепи, ключ 5, блок 6 управления , блоки 7,10, 11.12 выборки и хранения, блоки 8,15 вычитания напряжений, интегратор 9, масштабирующие преобразователи 13, 14, усилитель 16. Особенностью изобретения является замена непосредственного измерения напряжения на выходе операционного усилителя в первый момент времени (to), пропорционального значению одного из параметров цепи, на экстраполяцию этого значения напряжения после измерения значений напряжения на выходе операционного усилителя в другие моменты времени (ti, 2ti), что позволяет повысить точность измерения. 7 ил. Ј

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИЛЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 R 27/02, 27/26

ГОСУДАРСТВЕ Н((Ы Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<о

С1

Со (21) 4828605/21 (22) 22.05.90 (46) 30.08.92. Бюл. N. 32 (71) Пензенский политехнический институт (72) А,Н.Андреев, В.А.Казаков, А.И.Мартяшин, С.В.Никишин и А.В.Светлов (56) Боровик Л.П„А.М.Павлов. О преобразовании параметров многоэлементных двухполюсников при импульсном питании.

Приборы и системы управления, N. 2, 1978, с.24,25. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНЫХ ЦЕПЕЙ (57) Использование: в контрольно-измерительной технике и для измерения параметров трехэлементных двухполюсных цепей.

Сущность: устройство содержит формиро-

5U 1758587 А1 ватель 1 опорного напряжения, опорный конденсатор 2, операционный усилитель 3, клеммы 4 для подключения исследуемой двухполюсной цепи, ключ 5, блок 6 управления, блоки 7, 10, 11, 12 выборки и хранения, блоки 8, 15 вычитания напряжений, интегратор 9, масштабирующие преобразователи

13, 14, усилитель 16. Особенностью изобретения является замена непосредственного измерения напряжения на выходе операционного усилителя в первый момент времени (to), пропорционально о значению одного из параметров цепи, на экстраполяцию этого значения напряжения после измерения значений напряжения на выходе операционного усилителя в другие моменты времени (т(, 2т(), что позволяет повысить точность измерения. 7 ил.

1758587

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, в частности к измерению параметров трехэлементных двухполюсных RC или RL-цепей, Задача определения параметров таких цепей встречается в случае преобразования параметров полупроводниковых и металлдиэлектрик-полупроводник-структур, в случае исследования характеристик неоднородных объектов с распределенными параметрами, в случае контроля параметров слоистых сред при помощи параметрических датчиков и т.п.

Известен преобразователь параметров трехэлементного двухпалюсника. Преобразователь позволяет определить параметры этих всех элементов трехэлементнай цепи, Однако известный преобразователь характеризуется недостаточной точностью определения параметров трехэлементного двухполюсника вследствие невозможности непосредственного измерения нап ряжения пропорционального параметрам трехэлементного двухполюсника в начальный момент времени.

Целью изобретения является повышение точности преобразователя параметров трехэлементного двухполюсника;

На фиг. I приведена схема устройства для определения параметров трехэлементных двухполюсных цепей; на фиг. 2 — временные диаграммы изменения выходных напряжений формирователя 1 опорного напряжения, операционного усилителя 3, выхода 5 блока 6 управления; на фиг. 3 — схема блока управления, на фиг. 4 — схема включения микросхем К155АГ1 для формирования коротких импульсов длительностью tz= RzCz с задержкой At — — т1 = В161 (например, при Rt= 10 кОм; С1= 0,1 мкФ; Л 1= 10 с; при

В = 1 кОм, С2= 1000пФ: rz= 10 с); на фиг.

-6

5 — схема масштабирующих преобразователей; на фиг. 6 — схема инвертирующего усилителя; на фиг. Y — первый-четвертый блоки выборки и хранения.

Устройства для определения параметров трехэлементных двухполюсных цепей содержитформирователь 1 опорного напряжения, опорный конденсатор 2, операционный усилитель 3, клеммы 4для подключения исследуемой двухполюсной цепи, ключ 5, блок 6 управления. первый, второй, третий и четвертый блоки 10, 7, 12, 11 выборки и хранения, первый и второй блоки 15, 8 вычитания напряжений, интегратор 9, первый и второй масштабирующие преобразователи 13, 14, усилитель 16.

Выход формирователя 1 опорного напряженая через опорный конденсатор 2 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 3. в цепи отрицательной обратной связи которого включены клеммы 4. При этом его неинвертирующий

5 вход соединен с общей точкой схемы. Выход операционного усилителя 3 соединен с первым входом второго блока 8 вычитания напряжений и с входам второго блока 7 выборки и хранения. выход последнега сое10 динен с вторым входом второго блока 8 вычитания напряжений, Выход второго блока 8 вычитания напряжений соединен через интегратор 9 с входом третьего блока 12 вь.борки и хране15 ния и со входами первого и четвертого блоков 10, 11 выборки и хранения. Выход первого блока 10 выборки и хранения соединен с входом первого масштабирующего преобразователя 13 и первым входом пер20 ваго блока 15 вычитания напряжений. Выход четвертого блока 11 выборки и хранения через второй масштабирующий преобразователь 14 соединен с вторым входом первого блока 15 вычитания напряжений, выход

25 которого соединен с входом усилителя 16.

Выход усилителя 16 соединен с управляющими входами первого и второго масштабирующих преобразователей 13, 14. Вход и выход ключа 5 соединен с клеммами 4 для

30 подключения исследуемой двухполюсной цепи.

Управляющие входы формирователя 1 опорного напряжения и ключа 5 соответственно соединены с выходами 1, 5 блока 6

35 управления. Выход 2 блока 6 управления соединен суправляющими входами второго и третьего блоков 7, 12 выборки и хранения, а выходы 3 и 4 блока 6 управления соответсгвенно соединены с управляющими входа40 ми первого и четвертого блоков 10, 11 выборки и хранения.

Устройство работает следующим образом.

45 Устройство работает в циклическом режиме, Работай устройства управляет блок 6 управления, который вырабатывает импульсные последовательности, поступающие на управляющие входы формирователя 1 опор50 ного напряжения блоков 7, 10, 11, 12 выборки и хранения, ключа 5.

Па команде блоха 6 управления формирователь 1 опорного напряжения в момент времени to подает на вход измерительной

55 схемы скачок постоянного напряжения амплитудой 4, действующий втечение промежутка времени to-tz, Выходное напряжение операционного усилителя 3:

1758587

А

Uo Со + Uo Co g

С С

U2 U3 (тУ )

0Со однозначно определяемое параметром

С1.

При повторной подаче скачка напряжения на вход операционного усилителя 3 вы- 20 ходное напряжение второго блока 8 вычитания напряжений

0о Со

С2 25

g, 2

08=03 07

С1

0. С 0. С

С1 С2

Интегратор 9 интегрирует это напряжение с постоянной интегрирования zÄ

„ 0. С. R („, — ;

Ти

Третий блок 12 выборки и хранения измеряет и запоминает значение выходного напряжения интегратора 9 в установившемся режиме

012 = Ug (ty) =

Uo CoR

<и однозначно определяемое параметром 45

R.

Выходное напряжение второго блока 8 вычитания напряжений 0в =

0.С

6 С2 х х е 6, полученное при повторной подаче скачка напряжений на вход операционного усилителя 3, также поступает на входы первого и четвертого блоков 10, 11 выборки и хранения, которые измеряют и запоминают значения этого напряжения по команде с блока 6 управления (выходы 3 и 4) в моменты времени, равные t=t1 и t=2t1 соответственно.

Моменты времени t1 и 2t1 соответствуют наиболее характерному этапу протекаВторой блок 7 выборки и хранения измеряет и запоминает значение выходного 5 напряжения операционного усилителя 3 в установившемся режиме (t=ty); что соответствует практическому установлению напРЯжениЯ 0(t), т.е. ty > (5-6) z, где z= RC2), т.е. после практического завершения пе- 10 реходного процесса в измерительной схеме ния переходного процесса в измерительной схеме с постоянной времени z(z ЯС2), когда значение т может быть определено с малой погрешностью, т.е.

t1 > 0 5 т, 2О < 5 z.

Алгоритм определения значения

U (o)= 0 2 -=0(t ) К (где

U2

U(t1)

0(г ) )

НЕОбХОДИМОГО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ 013 = 0З(1о) =

Uo Co, однозначно определяемого пара2 метром С2, реализован в аналоговой форме путем масштабирования аналоговых сигналов масштабирующим преобразователем 13 с коэффициентом передачи, пропорциональным значению К =, При этом

0 211 требуемое значение коэффициента передачи масштабирующего преобразователя устанавливается по критерию равенства напряжений 0(t1) и 0(2t1) К, Действительно, U(2t1) К = U(t1) при К =

° °

U t1 . Данная операция осуществля11 ется первым блоком 15 вычитания напряжений, один вход которого подключен к выходу первого блока 10 выборки и хранения, а второй вход через второй масштабирующий преобразователь 14 — к выходу четвертого блока 11 выборки и хранения, и усилителем 16, вход которого соединен с выходом первого блока 15 вычитания напряжений, а выход — с управляющими входами первого и второго масштабирующих преобо разователей 13, 14..

Поскольку устройство работает в циклическом режиме с многократным повторением процесса измерения, за несколько тактов измерения достигается точное равенство напряжений U(t1) и U(2t1) К на входах блока 15 вычитания напряжений, а следовательно, на выходе масштабирующего преобразователя 13 получаем точное значение и э = Ов (ь ) — — „+-11-—

=U(t1) К- С .

U t1 где К вЂ” 0

1758587

Uñ Со

Значение Ов (то)

С2 определяется экстраполяцией

О

О 2t< функции Ua(t) на момент времени 1„, следующим образом:

Us(t) = А е где А =Ов(t0) =, r =ВСг.

Uо Со

С

Для момента времени t< и 2t> выражение Us(t) можно представить в следующем виде 4

Ов(ц) = А е " (1)

° .2ф

Ua(2ti) =Ае " (2)

Выражения (1) и (2) можно переписать следующим образом

Ь

0 (ц}} (3) 1 г О г !!} (4)

Логарифмируя правые и левые части уравнений (3) и (4), получим

+ (5)

@8

Ine = In

U ((2t> ) (б)

Преобразуя выражения (5) и (6), можно записать (7)

In

О 2 tt 2 1

А

На основе выражений (7) и (8) можно составить следующее равенство

l„ uii ). — I„ U2ö}

А 2 Л которое можно переписать в следу<ощем виде о < i! } U2

А2 А

Проводя дальнейшие преобразования, получим

Действительно, при вкл<очении в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 3 двухполюсника емкостного характера (с г<оследователы<о включенной емкостью) необходимо в каждом цикле преобразования осуществлять задание начального (обычно нулевого) напряжения на емкости, Управление кл<очом 5 осуществляется по команде с выхода 5 бло .à 6 управления, причем для установления начальных условий ключ открывается на интервал времени

Лт =. тз-г: (см. фиг. 2), необходимь и для разряда емкостей исследуемой двухполюсной . цепи(см. фиг, 1), где tz > t> момент времени, определяющий спад постоянного напряжения, подаваемого на вход операционного усилителя 3 с формирователя 1 опорного наг<ря>кения, Момент времени тз< to, где toî— момен — времени, соответству<ощий подаче следующего скачка постоянного напряжения U»

3, Таким образом; предлагаемое устройство позволяет с высокой точностью определить параметры всех элементов трехэлементного двухполюсника, Тем самым поставленная цель — повышение точности преобразователя параметров трехэлементного двухполюсника — достигается, Предлагаемое устройство может быть сравнительно легко реализовано с использованием элементной базы, выпускаемой в настоягцее время отечественной промышленностью.

Так, управляющий работой всего устройства блок 6 управления может быть реализован по схеме (фиг. 3), содержащей генератор импульсов G с частотой следования, равной «еобходимой частоте следования импульсов опорного напряжения (Т > ty), одновибраторы S, формирующие короткие импульсы, управля<ощие работой блоков 7, 10, 11, 12 выборки и хранения, а также импульсы, . управляющие оаботой ключа 5, и элемен15

РР Р t Р

), А = LI 2 " — — Оз(т).

С f10

1758587

10 ты задержки, обеспечивающие срабатывание одновибраторов в моменты времени

О,2t1 су,сг.

Генератор импульсов G может быть реализован по любой из многочисленных схем, опубликованных в технической литературе, например, на микросхемах серии

155. Одновибраторы и элементы задержки 10 также могут быть реализованы множеством способов, например, на микросхемах

К155АГ1.

Формирователь 1 опорного напряжения может быть реализован, например по 15 известным схемам.

В качестве операционного усилителя 3 может быть использован любой высококачественный интегральный операционный усилитель, например, отечественная 20 микросхема К544УД2А.

В качестве масштабирующих преобразователей 13 и 14 может быть использована схема (фиг. 5), содержащая инвертирующий усилитель А1 на микросхеме К544УД2А с 25 оптроном АОР104Б во входной цепи и формирователь управляющего оптроном сигнала на микросхеме А2.

В качестве усилителя 16 может быть использована схема инвертирующего усили- 30 теля (фиг. 6), содержащая интегральный операционный усилитель А1, например, отечественная микросхема К553УД2А.

Усилитель 16 выполняет роль сглаживающего усилителя, необходимого для прида- 35 ния астатизма цепи автоматического регулирования коэффициента передачи масштабирующих преобразователей 13, 14.

Интегратор 9, первый и второй блоки

15, 8 вычитания напряжений могут быть вы- 40 полнены по типовым схемам.

Первый, второй, третий и четвертый блоки 10, 7, 12, 11 выборки и хранения могут быть построены по схеме, приведенной на фиг. 7. Схема содержит ключ (транзистор 45

КП304А), запоминающий конденсатор емкостью 1000 пФ, повторитель с большим входным сопротивлением (микросхема

К544УД2А) и формирователь управляющего ключом сигнала на транзисторах КТ315Б. 50

В качестве ключа 5 может быть использован любой высококачественный ключ с малым остаточным сопротивлением, например, полевой транзистор КП304А.

Указанные примеры реализации блоков предлагаемого устройства не являются единственно возможными.

Формула изобретения

Устройство для определения параметров трехэлементных двухполюсных цепей, содержащее формирователь опорного напряжения, опорный конденсатор, операционный усилитель с клеммами для подключения исследуемой двухпол осной цепи в цепь отрицательной обратной связи, первый, второй и третий блоки выборки и хранения, первый и второй блоки вычитания напряжений, интегратор, причем выход формирователя опорного напряжения соединен через опорный конденсатор с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной. а выход которого соединен с первым входом второго блока вычитания напряжений и с входол второго блока выборки и хранения, выход которого соединен с вторым входом второго блока вычитания напряжений, выход которого соединен через интегратор с входом третьего блока выборки и хранения, выход первого блока выборки и хранения соединен с первым входом первого блока вычитания напряжений, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью повышения точности, в устройство введены первый и второй масштабирующие преобразователи, четвертый блок выборки и хранения, усилитель, блока управления и ключ, причем вход первого масштабирующего преобразователя соединен с выходом первого блока выборки и хранения, вход четвертого блока выборки и хранения соединен с выходом второго блока вычитания напряжений, а его выход соединен с входом второго масштабирующего преобразователя, выход которого соединен с вторым входом первого блока вычитания напряжений, выход которого соединен с входом усилителя, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго масштабирующих преобразователей, вход и выход ключа соединены с клеммами для подключения исследуемой двухполюсной цепи, с первого по пятый выходы блока управления соединены с управляющим входами соответственно формирователя опорного напряжения, второго и третьего, первого и четвертого блоков выборки и хранения и ключа.

1758587

- 1-

1

К срормароВогпЕлю4 опорноао напр.

to

4 -t, 1758587

1758587 к 544 Й2А

Фиг. 7

Составитель В.Ежов

Техред M.Mîðãåèòàë Корректор 3,Салко

Редактор С.Лисииа

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2998 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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