Измеритель активной и реактивной составляющих полного сопротивления

Измеритель активной и реактивной составляющих полного сопротивления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН Ия

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву

Союз Соввтских

Социалистических

Республик (11) 564608

2 (51) М, Кл (22) Заявлено24.11.75 (21) 2192236/21

t с присоединением заявки № 2142459/21 (23) Приоритет (43) Опубликовано 05.07,77рюллетень № 25

Я 01 R 27/02

Государственный комитет

Совета Министров СССР оо делам изобретений н открытий (53) УДК 621.317.3 (088.8) (45) Дата опубликования описания 21.08,77

В, В, Вопохин, Е. Т, Володарский, Ю, М, Туз, Ю, Н. Самарцев": и А, П. Васильковский (72) Авторы изобретенная

Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия

Великой Октябрьской социалистической революции (71) Заявитель (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ АКТИВНОЙ И РЕАКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮШИХ

ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Изобретение относится к эпектро -.радионзмеретельйой технике, может быть испопьзовано при определении активной и реактивной составляюших полных сопротивлений двух - и четырехпопюсников, 6

Известен измеритель активной и реактив- ной составляющих полного сопротивления, содержаший опорный генератор, включенный последовательно с эталонным сопротив- lp пением и внешними зажимами для подключения неизвестного комппексного сопротивпения. К эталонному сопротивлению подключен дифференциальный усилитель, выходной сигнал которого, пропорциональный току, про-16 ходяшему через эталонное сопротивление, подаваемому через усилители — ограничители на:стробированные.усилители, на другие.входы которых через парафазный усилитель подается напряжение с измеряемого сопро-. 20 тивления . Ha выходе стробированных усилителей, открываемых на поппериода прямоугольным напряжением усилитепей — ограничитепей,среднее значение тока пропорционально соответственно активной и реак- Я тивной составляюших полного сопротивления

f13 .

Однако при измерении больших сопротивлений в широком частотном диапазоне возникают значительные погрешности из - за

I шунтирорования измеряемого импенданса входным сопротивлением усилителя фазоинвертора и дифференциального усилителя, а также из — за частотных, погрешностей отдельных блоков измеритепя.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона измерения активной и реактивной составляющих полного сопротивпения в широком частотном диапазоне без снижения точности измерения - достигается тем, что в измеритепь активной и реактивной составпяюших полного сопротивпения, содержаший опорный генератор, включенный последовательно с эталонным сопротивлением и внешними зажимами, первый дифференпиапьный усилителей, фазоврашатепь, подключенный одновременно через последовательно соединенные первый усилитель-ограничитель и первый стробированный усилитель к индикатору реактивной составляюшей, ч че564608

60 реэ. последовательно соединенные второй усилитель — ограничитепь и второй стробированный усилитель к индикатору активной составляющей, а также усилитель — фазокнвертор, подсоединенный к обоим стробированным усилителям, введены стробоскопичес1 ийпреобразователь, второй дифференциальный усилитель, регулируемый фазовращатель, индикатор равенства фаз, операционный усилитель> источник опорного 10 напряжения с двумя переменными резисторами и нуль-орган,, причем опорный генератор через стробоскопическнй преобразователь, второй дифференциальный усилитель, первый диффиренциапьиый усилитель и операционный усипитепь подсоединен одновременно к первому и второму переменным резисторам и через ключ - к земле и источнику опорного напряжения, последний из которых соединен через второй и третий ключи соответственно с упомянутыми первым и вторым переменными резисторами, -подвижные контакты которых через четвертый ипятыйключн подсоединены к последовательно соединен- . ным шестому ключу, нуль- органу, седьмому ключу, а внешний зажим через стробоскы пический преобразователь подключен ко второму дифференциальному усилителю, седьмому ключу, усилителю — фазоинвертору . и через последовательно соединенные регу::ируемый фазовращатепь и индикатор равенс ва фаз — к обоим дифференциальным усилителям;:пятый ключ соединен с регулируемым фазовращатепем и индикатором равенства фазе

На фиг. 1 приведена функциональная электрическая схема предпагаемого устройства; íà >1>иг. 2 - векторная диаграмма токов и напряжений в измерительной цепи, На фщ. 3 представлен один из вариантов устройства. форный генератор 1 последовательно соединен с эталонным сопротивлением(3 ) э>

2 и с внешними зажимами 3 и 4 дпя подключения иссп чуемого комплексного сопротивпения (Zz ) . .5 причем зажим 4

=-оединен с точкой земли, Вход опорного канала стробоскопического преобразовагепя

6 подключен к генератору 1 и шунтирует его своим входным сопротивпением 7, Вход сигнального канала преобразователя 6 соединен с внешним зажимом 3, параллельно которому включено его собственное входное 2 „ сопротивление 8. Выход опорного канала подключен к одному из входов дифференциального усипителя 9, а выход сигнапьног0 канала — к другому его входу, а также ко входам регулируемого фазоврашатепя 1 О, усипитепя — фазоинвертора 1 1

4 и ключа 12, имеющего контакты 12 и .122, — к контакту 122. Выход усипитепя

9 подключен ко входам индикатора 13 равенства фаз дифференциального усилителя

132 и к контакту 12 ключа 12 .

Выход источника опорного напряжения

14 подсоединен к ключу 15 через контакт

151 и ключу 16 через контакт 16 . Общая точка активных переменных моделирующих резисторов 17 и 18 соединена со входом операционного усилителя 19 и с ключом 20 (контакты 20, 20 через под-, вижный контакт 202, а контакт 20 сое1 динен с источником опорного напряжения

14 и землей. Второй вЫвод моделирующего резистора 17 подключен к среднему подвижному .контакту ключа 15, у которого контакт 152 не задействован. Средний вывод резистора 17 подключен к среднему подвижному контакту ключа 21 (контакты

21„„212 ), у которого контакт 21 соединен через контакт 22, с ключом 22 и контакт 21 с выходом усилителя 19> подключенного к другому входу усилителя

132 .

Второй вывод моделирующего резистора

18 подключен к среднему подвижному кон такту ключа 16, у которого контакт 16

2 не задействован. Средний вывод резистора

18 подключен к среднему подвижному контакту ключа 23, у которого контакт 23

1 соединен с контактом 222 ключа 22, а контакт 232 подкпкчен к выходу фазоврашатепя 10, соединенного со вторым входом индикатора равенства фаэ. Один вход нульоргана 24 подключен к средне, у подвижному контакту ключа 22, другой — к среднему подвижному контакту ключа 12.

Выход дифференциального усилителя 13

2 подключен непосредственно и через фазовращатепь 25 последовательно к усялитепямограничителям 26 и 27> стробированным усилителям 28 и 29 и индикаторам актив-, ной 30 и реактивной 31 составляющих сопротивления. К другим входам усилителей

28 и 29 подключен выход усилителя — фазоинвертора 1 1.

Активная и реактивная составляющие полного сопротивления измеряются в два такта.

В первом такте измерения - такте калибровки — измеряется и запоминается входное сопротивление сигнального канала стробоскопического преобразоватепя 6. При этом ключи 15 и 16, 20, 21 и 23 находятся в положении "единица".

Амплитудно — фазовые соотношения высокочастотных напряжений порядка 1

100 МГц опорного генератора (0 ) оп

564(>08

35

g 1Чzsxc

СЕ СЕ причем вектор напряжения ц совпадаег.

60 по фазе с вектором тока . „,, ((poz

1 и напряжения Uc выделяемого на входном сопротивпении (2 ) 8 сигнапьъсх ного канала преобразователя 6> переносятся на промежуточную фиксированную частоту опорного сигнала, например 10 КГц, С выхода опорного канала снимается напряжение IT с выхода сигнального канап От7» > >, напряжение Ц, причем о оп ° с с 0

Источник опорного постоянного напряжения (Е) 14 нагружен на параллельно соединенные активные переменные моде, пируюшие резисторы 17 и 18, причем R =3, .Напряжение U, снимаемое со сред2 Г 1 ней точки резистора (R ) 17, равно

Е. > 1

> а напряжение U снимаемое

К» пz со средней точки резистора (Й ) 18, равно —, где г — сопротивление меж-, Е r2

R2 >

1 0 ду точкой земли и средней точкой переменного резистора 17, зависящее от положения среднего вывода, а Р - сопротивление резистора 18, также зависящее от положения его среднего вывода, Сначала ключи 22 и 12 находятся в положении 2". Изменяя сопротивление резистора 18 добиваются равенства постоян>

>р ного напряжения О» - и напряжения („( по модулю по показанию нупь - органа 24, т. е. U> = /0< (, а изменяя сопротивпеХ

I ние г> резистора 17, добиваются, равенства

» у напряжения U г, и напряжения ОЯ по модулю по показанию нуль — органа, т. е.

U„= 10йэ» 1, где 4 3» — напряжение, формируемое на выходе усилителя 9, при> чем О » — Оо — 0 и 03 »= 0,а, где

Э» Э>

U — падение напряжения, вчядепенное на

%3 этапонном сопротивпении (% в 2.

Через входное сопротивление Z 40 сигнального канала протекает ток .

Ос„(»в» ъхс вхс э

Модуль сопротивления 45 (и, (((, u„>t е 3>„3

> 2 ,(= — Я, 50

Если при этом R = R, то! вхс - п„э(Регупируемым фазоврашатепем 10 с коэффициентом передачи к = 1 изменяют фазу напряжен(»я 0 до тех пор, пока напряжения не совпадут по

55 фазе. Тем самым на фазоврашатепе запоминается фазовое соотношение z в„с между (/ напряжением на сопротивлении (Z в„с 1 8 и током, протекаюшим через него,т.е.,если угол между напряжением на сопротивлении в„с

8 и протекаю(цим через .него равен Yz Bxc> то у "ол 4ф,»,, запомненный фазоврашатепем

10, равен 1, в„, Зт угоп и явпяея аргументом комплексного сопротивления 8.

Таким образом, в такте "капибровка запоминаются модуль и фаза ко(.(ппексного соп ротивления.

Во втором такте измеряются активная и реактивная составпяюшие измеряемого полного сопротивления, и к внешним зажи» мам 3 и 4 подключается измеряемое сопротивление 5.

Ток протекающий через неизвестное ком> плексное сопротивление (Z x ) 5, > — (>. ->ю

=д -3 zx Z лвхс„> где J — вектор суммарного тока, про» текаюшего через эталонное сопротивление (V3) 2;

Э вЂ” вектор тока,.„протекаюшего четвхс» ФЬ рез сопротивпение () 8, не равный вектору тока Э в,>с, протекаюшего по тому же сопротивлению в такте."калибровка > гвхс» 2ъхС

ФЛ

Суммарный ток 3g, протекаюший через эталонноесощотнвленйе (R ) 2, равен

IR где 0 — вектор напряжения, вы43Z 3 -ИЕ деленного на эталонном сопротивпении (Р3 ) 2, не равный вектору напряжения, выделенного на том же сопротивлении в такте капибровки, Ток „с„п(зотекаюший через входное сопротивление (Z « ) 8 сигнапьного канала стробоскопического преобразователя 6, равен О т, „,где

U вектор, напряжения на внешних зажимах 3 и 4. Комплексное сопротивление у у (.Е х((xc вхс вхс где в„с — аргумент комплексного сопротивления 2. хс, равгщй углу сдвига фаз между напряжением (С и током . ВхС»

Следовательно, — "К3 С 0

3 г z (- I> +za„c э вхс

33VV2 Ñ аозт; с «>.:

-e

Я у „!

В числителе второго с;пагаемого выражения (3 ) произведение 0 Х Е 2 в хс можно представить как поворот на угол Ч в„ вектора U равного (>

564608 текаюшего по сопротивлению 2- в„с равного по модулю 0с, .т. е.

1О„(=! 0

Выше приведенные выкладки пояняются век- 5 торной диаграммой на фиг. 2.

Дпя определения вектора тока 7 х протекающего через неизвестное сопротивпение (7. „} 5, ключи 15, 16, 20, 21, 23 переводятся в положение "2 . Как в такте калибровка" амплитудно- фазовые соотношения высокочастотных напряжений

Ори опорного генератора Q и «3 на входных зажимах 3 и 4 переносятся на промежуточную фиксированную частоту опорного генератора, С выхода опорного канала преобразователя 6 снимается напряжение Ор„1 как и в такте калибровка, р1111

Ф а с выхода сигнального канала 0 о 7Ф ь СЕ1 У 26 пр ем ОО *Uo, и Г„-Ц, Hà выходе усипи теля 9 формируется йапряжение « грэг,, « р„„- Цсн причем .« р

На фазоврашатель 10 подается напряжение, Ос,, снимаемое с сигнального канала преобразователя. 6 а „с.выхода его снимае тся напряжение 0„„ = 0 р р си1 совпадающее по фазе с током, протекающим по входному сопротивлению (Хв ) 8 сигнального канала преобразователя 6, В такте измерения сопротивление р подключено в цепь обратной связи усилителя 1 9, а сопротивление и — в его прямую цепь, и к ней подключается выход фазовращателя

10, поэтому на выходе операционного уси- 55 л итепя 1 9 фор миру ется напря жение )ь 1 У {Р

Р ц - лвхс иых Оу- 11 . ся г

В такте капибровка" модуль сопротивдения (Евхс, ) 8 опредепипся как. вхс = 40

=(г/,) в . Подставив значение /Увхс! в выражение (М. ), получим — м г (0 — " 1 () Е 2вхс)

zx ч ива, > ск

Э * 2

На вход. усилителя 13< подаются напряжение «живых д „с усилителя 19 и напряжение 0< с дифференциального усилителя 9, а с выхода его снимается напряжение

50 2ВХС « вых.u. v. ìýï„ сг:„

Отсюда видно, что напряжение - в х д о .с усипйтеля 132 пропорционально о УУ

Z.Õ протекающему по неизвестному полному соп- 55 ротивпению (; );5. Вектор тока 3 х и напряжение О, приложенное к неизгэстному сопротивлению, отражают качественную и количественную стороны измеряемого комплексного сопротивления (7» ) х

Полученное напряжение «! „, „, пропорциональное вектору тока 3 хх поступает на усилитель — ограничитель 26 и через фао эовращатепь 25 — на усилитель — ограничитепь 27. Прямоугольные импульсы сформированные в усилителях — ограничителях типа "Меандр", сдвинутые на 90, стро -+ г бируют сигнал U<< 0, снимаемый с

1 усилителя — фаэоинвертора 11, в стробированном усилителе 28 активной составляющей и стробированном усилителе 29 реактивной составляющей. Напряжения, пропорциональные составляющим комплексного сопротивления (2 ) 5, поступает на х измеритель активной 30 и реактивной 31 составляющих неизвестного комплексного сопротив ения.

Как следует из приведенного описания, измеритель позволяет определить активные и реактивные боставпяюшие неизвестных комплексных сопротивлений. Благодаря вклю чению в схему стробоскопического преобразователя, дифференциального усилителя, регулируемого. фазовращатепя, индикатора равенства фаз,операционного усилителя, источника опорного напряжения с двумя активными, сопротивлениями и нуль - органа динамический диапазон измерения активной

I и реактивной составляющих полного сопротивления расширяются в 5 — 10 раз, в частотном диапазоне 1 — 100 МГц без потерь в точности за счет исключения погрешности от шунтирования измеряемого комплексного сопротивления входным сопротивлением сигнального канала стробоскопического преобразователя

Один иэ вариантов устройства представлен на фиг. 3.

Опорный генератор 1 последовательно соединен с эталонным сопротивлением 2 и внешними зажимами 3 и 4 для подключения исследуемого комплексного сопротивления 5.

Выход опорного генератора 1 подключен к опорному каналу стробоскопического преобразователя 6, а вход сигнального канала — к зажиму 3. Выход опорного канала стробоскопического преобразователя 6 подключен ко входу дифференциального усилителя 7, другой вход которого соединен со входами квадратичных детекторов суммы 8 и 9, а также со входами — квадратичных детекторов разности 10 и 11 и подключен к выходу сигнального канала.

Выход дифференциального усилителя

7 подключен ко входам квадратичного детек-. тора 12, фазоинвертора 1 3 и ко второму входу квадратичного детектора суммы 9.

564608

Выход фазоннвертора 13 подключен ко второму входу квадратичного детектора разности 11, а также ко входу фазоврашатепя 14 /выход которого соединен со входами второго фазоинвертора 15 и квадратич- 5 ного детектора разности 10, Выход фазоинвертора 15 подключен ко входу квадратичного детектора суммы 8.

Выходы квадратичных детекторов разности 10 и суммы 8 соединены соответ- щ ственно со входами блока выделения.реактивной составпяюшей напряжения 16, а выходы квадратичных детекторов суммы 9 и разности 11 подключены ко входам блока выделения активной составляющей напряжения 17, Выход квадратичного детектора 12 подключен к первым входам формирователей

18 и 19 напряжения, пропорционального . реактивной и активной составляющим попно- 20 го сопротивления, их другие входы подключены соответственно к выходам блоков

16 и 17 выделения реактивной и активной составляющих напряжений, а выходы подключены к индикаторам 20 и 21 реактив- 25 ной и активной составляющих полного соп- . ротивпения, Измеритель составляющих попнбго сопротивления работает следующим образом.

При подключении к внешним зажимам измеряемого комплексного сопротивления Z> вектор напряжения Ua, выделяемый на модуле неизвестного сопротивления, отстает от вектора напряжения U опорного генео.п

35 ратора ипи опережает его в зависимости от характера вносимого сопротивления. Амппитудно - фазовые соотношения высокочастотных напряжений 0 и Ц переносятся стробоскопическнм преобразователем на

40 промежуточную фиксированную частоту спорного сигнала, например 12,5 КГц. С выхода сигнального канала снимается преобразованное напряжени ; Ос, а с выхода опорного канала — 0о„, причем

4 45

1 — — Ъ» — -, с с„an an

Вычитая на дифференциальном усилителе из опорного напряжения Uo,,напряжение снимаемое сигнального каналаупо»

1 лучим напряжение U R 3 приложенное к эталонному сопротивлению, т. е, R оп с„ э

Йпя выделения актйвной составляющей измеряемого сопротивления Z на вход х фаэоинвертора 13 поступает напряжение

V Д .На выходе аэоинвертора формируетэ ся напряжение Оо, равное по модулю, но сдвинутое относительно его на о

180, которое и поступает ца один иэ входов вадратичного детектора разности двух сигналов 1 1, на .другЯ вход которого поступает напряжение Ц с . Ha выходе детектора 11 формируется постоянное напряжение Е, пропорциднапьное квадрату суммы сигналов !!!с и Uöo, сдвинутых на угол . Это напряжение поступает на один из входов выделения активной составпяюшей напряжения 17 на неизвестном сопротивлении, на другой вход которого. поступает напряжение Е> с первого квадратичного детектора суммы 9, пропорциональное квадрату суммы сигнапов 0 и f

На выходе блока выделения активнои составляющей 17 формируется постоянное напряжение Е пропорциональное разности нап» ряжений Е и Е . Напряжение Е поступает на один иэ входов формироватепя напряже» ния, пропорционального активной составляющей импеданса 19, на другой вход которого поступает постоянное напряжение с квадратичного детектора 12, пропорционального квадрату напряжения Я„

На индикатор активной составляющей

21 поступает напряжение Е пропорцнонапьное активной составляющей измеряемого сопротивления, Дпя выделения реактивной н составляющих измеряемого conpoTUBëåHHH, а также дпя случая, если его активное сопротивп ение отрицательно, напряжение U, снимаемое с выхода фаэоинвер-:ора .13, поступает на фазоврашатепь 14, HB выходе фаэовращатепя формируетсянапряжен",,е U„, равное ,ду„ю lu,l 1 „ЦГ,I--!!..I-" IU„,I, „, сдвинутое на 90 относительно !, поступающее на квадратичный детектор разностидвух сигнапов 10, на другой вход которого поступает напряжение U, На выходе детектора 10 формиру е —.-я постоянное наг.ряжение Е, пропорциональное квадрату

6 суммы сигналов U н Ц„,которое гоступает на вход блока Ъыдепения реактивной соста пяющей напряжения 16 на известном импендансе, на другой вход которого поступает напряжения Е с квадратичного детектора суммы 8, пропорциональное квадрат ту суммы сигналов Ус и U, rge Uz- нап с, z ряжение, снимаемое с выхода фаэоннвертора

15, равное по модулю напряжению tU I а также Iu,! =10„! UîI I и„ýI, но сдвинутое относительно 0„на 180

На выходе блока выделения ре;,хтивной составляющей 16 формируется постоянное напряжение E>, пропорциональное разности напряжений Е: и Е . Это напряжение поступает на вход формирователя напряжения, пропорцчонапьного реактивной составляющей нмпеданса 18, на другой вход которого поступает постоянное напряжение Eg

564608, с квадратичного детектора 12. На индикатор, реактивной составляющей 20 поступает налряжение Е, пропорциональное:, реактивной составляющей измеряемого сопротивления.

Введение в известное устройство для

5 измерения полного сопротивления стробоскопического преобразователя с опорным и сигнальным каналами расширяет частотный диапазон измерителя, наличие диференциального усилителя дает возможность измерять неизвестное сопротивление, имеющее заземленную общую точку с опорным гене ратором., а введение второго фЬзоикверто-.ра и ààð» H«î детектора разности Оз.-,воляет измерять реактивную составйоощуМ.— при отрицательной активной составляющей полного сопротивления.

Ь

1В

Фор мула изобретения

Измеритель активной и реактивной сос- тавпяющих полного сопротивления, сойерmammA опорный генератор, включенный пос, педоватепьно с эталонным. сопротивлением и внешними зажимами, первый дифферен-. циальный усилитель,. фазоврашатепь, подключенный одновременно через посиедовательно соединенные первый.усилитель. ог. 30раничитель и первый стробированный усилитель к индикатору реактивной составляющей, а через последовательно соединенные второй усилитель -ограничитель и второй стробированный усилитель - к индикатору И активной составляющей, а также усилителйфазоинвертор, подсоединенный к обоим стробированным усилителям, о т п и ч а ю-ч ш и и с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона измерения активной и реактивной составляющих полного сопротивления в широком. частотном диапазоне без снижения точности измерения, в него введены стробосхопический преобразователь, второй дифференциальный уси» литель регулируемый фазоврашатель, индикатор равенства фаз, операционный усилитель, источник опорного напряжения с двумя пе ременными резисторами и нуль-орган, причем опорный .генератор через стробос копический преобразователь, второй дифферен-. циальный усилитель, первый дифференциальный усилитель,и операционный усилитель подсоединен одновременно к первому и второму переменным.резисторами|через первый ключ к земле и источнику опорного напряжения, пос- педний из которых соединен через второй; и третий ключи соответственно с уломянуты, мй первым и вторым переменными резисторами, подвижные контакты которых через четвертый и пятый ключи подсоединены к последовательно соединенным шестому ключу, нуль-органу, седьмому ключу и второму дифферен циальному усилителю, а внешний зажим через стробоскопический преобразователь подключен «о второму дифференциальному усилителю, седьмому ключу, усилителю-фазоинвертопу: и через последовательно сое диненные регулируемый фазовращатель и индикатор равенства фаз - к"обоим дифференциальным усилителям, при этом пятый ключ соединен с регулируемым фозоврашателем и индикатором равенства фаз.

Источники информации, принятые во внимание нри экспертизе:

1. Патент США No 3284705, кл 324 57, 08.11.66) 564608

Уис. я

Составитель .В, Скоробогатова

Редактор Б. Федотов Текред А. Богдан Корректор А. Гриценко

Заказ 21731211 Тираж 1101 Подписное

UHHHHH Государственного комитета Совета Министров СССР ло делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г. Ужгород. ул. Проектнан, 4