Цифровой измеритель -параметров

Цифровой измеритель -параметров

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советскид

Социалистических

Республик

ОП ИКАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<1ц788036 +

„ 7 ..б -; —. (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 11.1278 (21) 2695057/18-21 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 15.12.80. Бюллетень ¹ 46

Дата опубликования описания 15.1280 (51) М KB 3

G 01 R 27/02 //

G 01 R 27/26

Государственный комитет

СССР ло делам нзобретеннй н открытнй (53) УДК 621. 317, . 73 (088. 8) (72) Авторы изобретения

А.А. Бабий, Н. И. Грибок, С.С. Обозовский и С.С. Ткаченко

Всесоюзный научно-исследовательский и конструКТорский" институт радиоэлектронной медицинской аппаратуры и Львовский политехнический институт (71) Заявители (54 ) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ RLC — ПАРАМЕТРОВ

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может найти применение при измерении RLC-параметров в широком частотном диапазоне.

Известен цифровой измеритель сопротивления, емкости, индуктивности, содержащий управляемый генератор синусоидального напряжения на основе перестраиваемого гетеродина, смесителя и фильтра нижних частот, подключенный ко входу частотозависимои цепи с образцовым и измеряемым элементами, преобразователь изменения параметров цепи в напряжение, вход которого подключен к выходу цепи, а его выход подключен к управляющему входу генератора, формирователь периода выходного сигнала генератора, цифровой измеритель периода, два коммутатора, источник напряжения постоянного тока, времяимпульсный преобразователь, цифровой измеритель отношения временных интервалов fl)

Недостатком устройства является .то, что оно обеспечивает измерения только на фиксированных частотах со сравнительно низкой точностью, так как построение ыирокодиапазонных смесителя, гетеродина и фильтра связано с значительными техническими трудностями, а ре зультат зависит от значения напряжения источника постоянного тока, коэффициента пропорциональности преобразователя временного интерв ала и чувствительности формирователя разностных временных интервалов, что значительно ухудыает точность измерения в иироком частотном диапазоне.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является цифровой измеритель В,С-параметров, содержащий генератор синусоидального сигнала, последовательно соединенные первый переключатель, первый интегратор, блок сравнения, селектор, цифровои делительный блок, цифровой отсчетный блок, причем второй вход блока сравнения соединен с общей шиной, ко второму входу селектора подключены последовательно соединенные второй переключатель, второй интегратор и второй блок сравнения, а третий вход селектора соединен с выходом генератора импульсов, блок управления, источник опорного напряжения, управляющий вход которого соединен с выходами первого и второго интеграто788036 ров, а выход — с сигнальными входами первого и второго переключателей, а также блок образцовых элементов, второй выход которого соединен с сигнальным входом ключа, общей шиной и первым входным зажимом устройства, второй входной зажим которого соединен с полюсом генератора синусоидального напряжения, второй полюс которого подключен к второму выход резистора и второму входу формирователя временного интервала, выход которого соединен с входом блока управления, другой вход которого соединен с выходом первого интегратора, а соответствующие выходы блока управления соединены с управляющими входами ключа, блока образцовых элементов, двух переключателей, селектора, цифрового делительного блока, цифрового отсчетного блока и формирователя временного интервала (2).

Недостатком известного технического решения является ограниченность точности измерения, обусловленная зависимостью уровня выходного напряжения U интегратора от периода Т унт исследуемых колебаний. При измерениях на высоких частотах, вследствие уменьшения Т уменьшается уровень напряжения на выходе интегратора,что приводит к снижению разрешающей способности преобразования напряжения во временные интервалы и числовые эквиваленты, а значит и к повышению погрешности измерений на высоких частотах.

Цель изобретения — повышение точности измерения и расширение частотного диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровом измерителе RLCпараметров, содержащем генератор синусоидального напряжения, последовательно соединенные первый переключатель и первый интегратор, а также блок сравнения, селектор, цифровой делительный блок и цифровой отсчетный блок, причем второй вход блока сравнения соединен с общей шиной, второй вход селектора соединен с выходом генератора импульсов, последовательно соединенные второй переключатель и второй интегратор, источник опорного напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом второго интегратора, блок управления, блок образцовых элементов, ключ, резистор, формирователь временного интервала, первый вход которого соединен со вторым выходом блока образцовых элементов, первым выводом резистора и выходом ключа, сигнальный вход которого подключен к первому выходу бло ка образцовых элементов, к общей шине и к первому входному зажиму устройства, второй входной зажим которого соединен с первым сигнальным входом первого переключателя и одним из полюсов генератора синусоидального напряжения, второй полюс которого подключен ко второму выводу резистора и второму входу формирователя временного интервала, выход которого соединен с первым входом блока управления, соответствующие выходы которого соединены с управляющими входами ключа, блока образцовых элементов, двух переключателей, селектора, цифрового делительного блока, цифрового отсчетного блока и формирователя временного интервала, первый сигнальный вход второго переключателя соединен с

15 выходом первого интегратора, а второй его сигнальный вход — с выходом источника опорного напряжения, выход второго интегратора соединен с первым входом блока сравнения и со

gQ вторым входом блока управления, а второй сигнальный вход первого переключателя подключен к первому входу формирователя временного интервала.

На чертеже изображена.блок-схема цифрового измерителя RLC-парамет-! ров.

Цифровой измеритель содержит переключатель 1, интегратор 2, переключатель 3, интегратор 4, блок сравнения 5, генератор импульсов 6, измеряемый элемент 7, генератор 8 синусоидального напряжения, источник . 9 опорного напряжения, селектор 10, цифровой делительный блок 11, цифроЗ5 вон отсчетныи блок 12, ключ 13, блок

14 образцовых элементов, резистор 15, формирователь 16 временного интервала, блок 17 управления.

Устройство работает следующим об40

Б исходном состоянии интеграторы

2 и 4 разряжены, ключ 13 сигналом с блока 17 управления разомкнут, переключатели 1.и 3 находятся в нейтральном положении, счетчики цифрового делительного блока 11 сброшены в состояние нуля, Езмерение синфаэной и квадратурной составляющих исследуемого сопротивления основано на двойном инте О грировании напряжения на измеряемом элементе 7 и блоке 14 образцовых элементов в течение времени, определяемого формирователем 16 временного интервала, который формирует

55 время измерения из длительности периода напряжения на резисторе 15, равное или кратное периоду исследуемого сигнала и совпадающее по фазе с током в исследуемой цепи.

При синусоидальной форме кривой напряжения генератора В U(t)

th — sinuO t напряжение на измеряемом сопротивлении Z равна

U = Z ° s in (et+ t) = 1„кз1п (иi t

2к - к

+М) 2„

788036 а напряжение на образцовом сопротивлении Zp

i Е Z o sin (" о)

I sin ())))t + М ) Е, где U 1 = UQZ — амплитудные значения напряжения и тока в исследуемой цепи соответственно:

Е = Е„+ Ео+ R + Нвн — общее сопротивление в цепи генератора 8, где R — активное сопротивление резистора 15;

R - внутреннее сопротивление

Ви генератора 8; У, )4 — фазовые сдвиги между током, протекающим через сопротивление Е„, и напряжением U a

)L также током, протекающим через 15

Z, и напряжением U,cooòâåòñòâåío о но, обусловленные комплексным характером Е„ и Z

При интегрировании напряжения на измеряемом сопротивлении Z< выходное напряжение интегратора 4 определяется выражением 1 ьт»

U = (д s)n(®t i)) 2. 6 tdt= инт,х Г )l, 12

arar 25

2 Т (Э вЂ” Ol) CDS(0UWT» Ч )—

2w<

2 )Г Т

5)ОЯ())-alcospc)a+a>) )), 30 где и Ф вЂ” постоянные времени интегрирования первого и второго инте1 Яграторов соответственно; а Т, вТ вЂ” моменты определяющие начало

35 и конец времени интегрирования, В случае, когда (в-а) Т = nT, где и = 1, 2, 3 ..., то есть время длительности первого такта интегрирования кратное периоду колебаний исследуемого сигнала, выражение (1) примет 40 вид

2 — — — — )ф-a)cos)2)ca+@) )2)

ИНТ Х 2 1т „С

Исходя из выражения (2), для выделения синфазной составляющей исследуе- 5 мого сигнала достаточно обеспечить условие а = - = 1 2 .. ° (3)

2

Так,при к=2,а=l иn=в — а=50

1 выражение (2) запишется в виде т

amn Zx xT йНТ.)(Х 2 Я С (4)

При измерении квадратурной состав55 ляющей необходимо выполнить условие а = (— + ), при к=0,1,2... (5)

2 Л

Например, при к=2, а = у и п

= в — а = 1 выражение (2) преобразуется следующим образом: 60

Д 7ТХ

s)n Ч (6) ииТ.И.Ч 2 К Г Г

1 2

Интегрирование напряжения U> происходит аналогично в следующем Уакте я преобразования. При этом, выходное напряжение интегратора 4 определяется выражением

ЕоТ и соз(1Ка+Ч) ) (7)

MH T.O 27T C Г

О

При определении синфазной составляющей напряжения на измеряемом элементе 7 формирователь 16 временного интервала формирует из опорного напряжения U sine)t R/Z на резисторе

Ф)

15 временной интервал длительностью пТ при соблюдении условия (3) . Выходной сигнал формирователя 16 поступает на вход блока 17 управления, который переводит на время длительности первого такта интегрирования переключатели, 1 и 3 в положение

1 1 I 1

Во втором такте интегрирования блок 17 управления переводит переключатель 1 в нейтральное положение, а переключатель 3 — в положение в и открывает селектор 10, Напряжение

U от источника опорного напряжения, о полярность которого противоположна полярности выходного напряжения интегратора 4 поступает на вход инI тегратора. B момент окончания второго такта интегрирования, когда выходное напряжение интегратора 4 равно нулю, имеем:

1 — (Ц (it. =О, инТм С и

2О а с учетом (4)

) С1 +)cT . Ср ч)1.

uo Tg.

-»- — = О 2 =

За время длительности Т íà вход первого счетчика цифрового делительного блока ll поступит )число импульг сов н = у т — " тоьч т 24Х О 1 1%Г1ио (8)

В следук)щем такте преобразования при интегрировании напряжения на образцовом элементе блока 14 блок 17 управления переводит переключатель 1 в положение в, переключатель 3 в положение а, размыкает ключ 13 и включает в элемент блока 14 активное сопротивление Rp. Поскольку при измерении синфазной составляющей сопротивления Z„ çëåìåíò блока 14 берется чисто активным, то в нем отсутствует фазовый сдвиг М . Однако в качестве Z можно использовать и комплексное сопротивление, но при, известном постоянном значении составляющей R . В процессе первого такта интегрирования напряжение на выходе интегратора 4 с учетом (7) равно

am Qa инт.сх 2Х С )1 2 (9) 788036

В цифровом делительном блоке 11 выполняется операция деления N /N вследствие чего, на основании (8) и (10) „ получаем код числа сов 4i): (ЪХ

2- х, t=os V, О ла который поступает на вход цифрового отсчетного блока 12.

Таким образом, значение синфазной составляющей R < сопротивления Z>

В =- Z cosM= В N /N (11) пропорциойально кодовому значению

И „/N „при Ro кратном 10 и не зак висит от частоты исследуемых колебаний напряже ния U s in e> t генератора

8, его амплитудного значения U, час- 30 тоты f генератора 6 импульсов, постоянных времени Ч „ и ь интеграторов

2 и 4, стабильность которых требуется обеспечить лишь на время измерения, При измерении квадратурной состав-35 ляющей исследуемого сигнала блок 17 управления закрывает ключ 13 и под действием сигнала формирователя 16, который формирует временной интервал длительностью пТ с учетом условия (5), переводит переключатели l и 3 в положение а . К концу первого такта интегрирования адаптация к роду измеряемого параметра (в зависимости от емкостного или индуктивного характера комплексного со- 45 противления напряжение на выходе интегратора 4 будет положительным или отрицательным соответственно) .

При положительном напряжении на выходе интегратора 4 блок 17 управ- 5Î ления включает в блоке 14 образцовую емкость С, а при отрицательном напряжений — образцовую индуктивность

С и L не обязательно должны

О О б ть высокодобротными, требуется

:лишь точно знать значения их квадратурных составляющих С и »

По окончании первого такта интегрирования блок 17 управления открывает селектор 10 и переводит переключатель 1 в нейтральное положение, а переключатель 3 — в положение в, вследствие чего выходное напряжение генератора 6 интегрируется

1 до момента равенства нулю выходного у а к концу второго такта интегрирования длительностью Т выполняется соотношение rnR.àÒ Оо Т2

ХЛ Г С2 С - — =о

1 2 2

При этом на вход второго счетчика цифрового делительного блока 11 поступит число импульсов

N =f Т 3 ROfOT

2. (10)

2Х О 1 !О напряжения второго интегратора 4, когда согласно (6), ° ЕТ ° Г

Г о @ =а

1Л"Г1 2 Г .(о

1 о

За время длительности Т на вход первого счетчика в цифровом делительном блоке 11 поступит число импульсов

Э 2хУ т1

N =f т=- — "— — в . (12)

14 0 1 2ЛГО

О

Процесс преобразования напряжения на образцовом элементе происходит аналогично преобразованию его при измерении синфаэной составляющей.

При этом, в течение второго такта интегрирования вторым счетчиком цифрового делительного блока 11 зафиксируется число импульсов

Т -ото . „Ч (13)

2-+ О 2. 2хГ Г tl o о

После выполнения операции деления (12) и (13) в цифровом делительном блоке 11 получаем значенйе квадратурной составляющей

Z sin% = Z sin Y . х пропорциональное при Z sin V кратном

10 кодовому отношению N >/N>z, кок торое поступает в цифровой отсчетный блок 12.

При измерении индуктивности

Z„sin Q =el . и Z>sin У = ай. .тогда х 0 о

)- =3- и /Й „(14)

Если характер измеряемого сопротивления емкостный, то Zzsin ч = 1/и/С а Е з1пЧ = 1 Cо

ОNЛМ/N М (15)

Таким образом, устройство позволяет измерять RLC-параметры в широком частотном диапазоне, поскольку результат измерения не зависит от частоты колебаний генератора 8 синусоидального напряжения, его амплитудного значения U сопротивления измерительной цепи, постоянных 4, Ь времени интеграторов 2 и 4.

Формула изобретения . Цифровой измеритель RLC-параметров, содержащий генератор синусоидального напряжения, последовательно соединенные первый переключатель и первый интегратор, а также блок сравнения, селектор, цифровой делитель иый блок и цифровой отсчетный блок, причем второй .вход блока сравнения соединен с общей шиной, второй вход селектора соединен с выходом генератора импульсов, последовательно соединенные второй переключатель и второй интегратор, источник опорного напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом второго интегра788036

Составитель Л. Фомина

Редактор Н. Кешеля ТехрЬд М.Петко Корректор ц. Синицкая

Заказ 8345/53 Тираж 1019 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 тора, блок управления, блок образцовых элеме нтов, ключ, ре зистор, фор- мирователь временного интервала, первый вход которого соединен со вторым выходом блока образцовых эле-. ментов, первым выводом резистора и выходом ключа, сигнальный вход которого подключен.к первому выходу блока образцовых элементов, к общей шине и к первому входному зажиму устройства, второй входной зажим ко-. торого соединен с первым сигнальным входом первого переключателя и одним из полюсов генератора синусоидального напряжения, второй полюс которого подключен ко второму выводу резистора и второму входу формирователя временного интервала, выход которого соединен с первым входом блока управления, соответствующие выходы которого соединены с управляющими входами ключа, блока образцовых элементов, двух переключателей, селектора, цифрового делительного блока, цифрового отсчетного блока и формирователя временного интервала, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения частотного диапазона, первый сигнальный вход второго переключателя соединен с выходом первого интегратора, а второй его сигнальный вход — с выходом источника опорного напряжения, выход второго интегратора соединен с первым входом блока сравнения и со вторым входом блока управления, а второй сигнальный вход первого переключателя подключен к первому входу формирователя временного интервала °

15 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Авторское св идетельство СССР

М 467302, кл. G 01 R 27/26, 10. 11. 72.

29 2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2518035/18-21, кл. G 01 R 27/26, 15 ° 08. 77 (прототип) .