Цифровой измеритель -параметров

Союз Советскид Социалистических РеспубликОП ИКАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 11.1278 (2 ) 2695057/18-21с присоединением заявки Мо(51)М. Кл,С 01 В 27/02//С 01 В 27/26 Государственный комитет СССР ло делам изобретений н открытий(72) Авторы изобретения А.А. Бабий, Н,И. Грибок, С.С. Обозовский и С,С. Ткаченко Всесоюзный научно-исследовательский и конструКторский"институт радиоэлектронной медицинской аппаратурыи Львовский политехнический институт( 54 ) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ В С - ПАРАМЕТРОВ Изобретение относится к электро.измерительной технике и может найтиприменение при измерении В.С-параметров в широком частотном диапазоне.Известен цифровой измерительсопротивления, емкости, индуктивности, содержаний управляемый генератор синусоидального напряжения наоснове перестраиваемого гетеродина,смесителя и Фильтра нижних частот,подключенный ко входу частотозависимои цепи с образцовым и измеряемымэлементами, преобразователь измененияпараметров цепи в напряжение, входкоторого подключен к выходу цепи,а его выход подключен к управляюцемувходу генератора, формирователь периода выходного сигнала генератора, цифровой измеритель периода, два коммутатора, источник напряжения постоянного тока, времяимпульсный преобразователь, цифровой измеритель отношения временных интервалов (1),Недостатком устройства является,то, что оно обеспечивает измерениятолько на фиксированных частотахсо сравнительно низкой точностью,так как построение ыирокодиапазонных смесителя, гетеродина и фильтра связано с значительными техническими трудностями, а результат зависит от значения напряжения источника постоянного тока, коэффициента пропорциональности преобразователя временного интервала 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, содержаций 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 обцей 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, управляюций вход которого соединен с выходами первого и второго интеграторов, а выход - с сигнальными входамипервого и второго переключателей,а также блок образцовых элементов,второй выход которого соединен с сигнальным входом ключа, общей шинойи первым входным зажимом устройства,второй входной зажим которого соединен с полюсом генератора синусоидального напряжения, второй полюскоторого подключен к второму выходрезистора и второму входу формирователя временного интервала, выходкоторого соединен с входом блокауправления, другой вход которогосоединен с выходом первого интегратора, а соответствующие выходы блокауправления соединены с управляющимивходами ключа, блока образцовыхэлементов, двух переключателей, селектора, цифрового делительного блока, цифрового отсчетного блока иформирователя временного интервала (2) .Недостатком известного технического решения является ограниченностьточности измерения, обусловленнаязависимостью уровня выходного напряженияинтегратора от периода Тунтисследуемых колебаний. При измеренияхна высоких частотах, вследствиеуменьшения Т уменьшается уровеньнапряжения на выходе интегратора,чтоприводит к снижению разрешающейспособности 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 достигаетсятем, что в цифровом измерителе ВЬСпараметров, содержащем генератор синусоидального напряжения, последовательно соединенные первый переключатель и первый интегратор, а такжеблок сравнения, селектор, цифровойделительный блок и цифровой отсчетныйблок, причем второй вход блока сравнения соединен с общей шиной, второйвход селектора соединен с выходомгенератора импульсов, последовательно соединенные второй переключательи второй интегратор, источник опорного напряжения, управляющий входкоторого соединен с выходом второгоинтегратора, блок управления, блокобразцовых элементов, ключ, резистор,формирователь временного интервала,первый вход которого соединен совторым выходом блока образцовых элементов, первым выводом резистора ивыходом ключа, сигнальный вход которого подключен к первому выходу блока образцовых элементов, к общейшине и к первому входному зажимуустройства, второй входной зажимкоторого соединен с первым сигнальным входом первого переключателяи одним из полюсов генератора синусоидального напряжения, второй полюскоторого подключен ко второмувыводу резистора и второму входуформирователя временного интервала,выход которого соединен с первымвходом блока управления, соответствующие выходы которого соединены суправляющими входами ключа, блокаобразцовых элементов, двух переклюф чателей, селектора, цифрового делительного блока, цифрового отсчетногоблока и формирователя временногоинтервала, первый сигнальный входвторого переключателя соединен с15 выходом первого интегратора, а второй его сигнальный вход - с выходомисточника опорного напряжения, выходвторого интегратора соединен с первым входом блока сравнения и соЯ вторым входом блока управления, авторой сигнальный вход первого переключателя подключен к первомувходу формирователя временного интервала.На чертеже изображена блок-схемацифрового измерителя В.С-параметров.Цифровой измеритель содержитпереключатель 1, интегратор 2, переключатель 3, интегратор 4, блоксравнения 5, генератор импульсов 6,измеряемый элемент 7, генератор 8синусоидального напряжения, источник9 опорного напряжения, селектор 10,цифровой делительный блок 11, цифроЗ 5 вон отсчетныи блок 12, ключ 13, блок14 образцовых элементов, резистор 15,формирователь 16 временного интервала, блок 17 управления,Устройство работает следующим об 40Б исходном состоянии интеграторы2 и 4 разряжены, ключ 13 сигналомс блока 17 управления разомкнут,переключатели 1.и 3 находятся внейтральном положении, счетчики цифрового делительного блока 11 сброшеныв состояние нуля,Езмерение синфаэной и квадратурной составляющих исследуемого сопротивления основано на двойном интеО грировании напряжения на измеряемомэлементе 7 и блоке 14 образцовыхэлементов в течение времени, определяемого формирователем 16 временного интервала, который формирует55 время измерения из длительности периода напряжения на резисторе 15,равное или кратное периоду исследуемого сигнала и совпадающее по фазес током в исследуемой цепи.При синусоидальной форме кривойнапряжения генератора В О- э 1 пЮ 1 напряжение на измеряемомсопротивлении 2 равноП = У."ф 2э 1 п (щ+М) = 1 в 1 п(ик6 +М) 2а напряжение на образцовом сопротивлении ЕОП = - . Е з 1 п о + Ч )1 з 1 п (ю +Мр ) Ергде , 1 = П Е - амплитудные значения напряжения и тока в исследуемой цепи соответственно:Е = Е+ Е + Н + й- общее сопротивление в цепи генератора 8,где В - активное сопротивлениерезистора 15;Н - внутреннее сопротивлениеВигенератора 8;ф, - Фазовые сдвиги между током, протекающим через сопротивление Е, и напряжением 1) , атакже током, протекающим через 15Е , и напряжением П ,соответствено Хр фно, обусловленные комплекснымхарактером Е и Е,При интегрировании напряжения наизмеряемом сопротивлении Ех выходноенапряжение интегратора 4 определяется выражением 1ьт1) = - ( (Ып(Ф г. йиИ:инт,х Гт1 гатат 252 Тг(а-о соь(аат.).ч) -2")Г (- 2тл. та)а)т(и-а) саБРГ(са)а)+Ю),ЗОгдеи о - постоянные времени интегрирования первого и второго интеф.граторов соответственно;а Т, вТ - моменты определяющие начало35и конец времени интегрирования,В случае, когда (в-а) Т = пТ, гдеи = 1, 2, 3, то есть время длительности первого такта интегрирования кратное периоду колебаний исследуемого сигнала, выражение (1) примет 40вид- 2 ааш,от в .(а.а)саа(1 и+ ц) (2)инт.х 2.3 т 7 сИсходя из выражения (2), для выделения синфазной составляющей исследуе.ф 5мого сигнала достаточно обеспечитьусловиеа = - К, при К = О, 1., 2(3)12Так, при к = 2, а = 1 и п = в - а=501 выражение (2) запишется в виде 3) г)сСоз (аинт,хх 2 Я ь(4)При измерении квадратурной состав"55 ляющей необходимо выполнить условиеа =- + в ), при к=0,1,2 (5)2. флНапример, при к=2, а = у и п = в - а = 1 выражение (2) преобразуется следующим образом: 1 603), 2.тг) х е)П ц (6)и т.хл гКГ т1 ХИнтегрирование напряжения У. происходит аналогично в следующем такте у преобразования. При этом, выходное напряжение интегратора 4 определяется выражениемЕоТо )" о соМХКа+Ч) ) (7)инт.о г 3 тт с ОПри определении синфазной составляющей напряжения на измеряемом элементе 7 Формирователь 16 временного интервала Формирует из опорного напряжения Б з 1 па) В/Е на резисторет15 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 положениеВо втором такте интегрирования блок 17 управления переводит переключатель 1 в нейтральное положение, а переключатель 3 - в положение в и открывает селектор 10, Напряжение Б от источника опорного напряжения, ополярность которого противоположна полярности выходного напряжения ин-тегратора 4 поступает на вход интегратора. В момент окончания второго такта интегрирования, когда выходное напряжение интегратора 4 равно нулю, имеем:з.О + - 0 сМ=О,инт хх .,) ооа с учетом (4)Г Ди 2.хт, се%+го.)- - = ОХЗа время длительности Т на вход первого счетчика цифрового делитель- ного блока 11 поступит )число импульссовМ =Т --"о Т соЬР.)т 2-х О г га 10 (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 йо, Поскольку при измерении синфазной составляющей сопротивления Е элемент блока 14 берется чисто активным, то в нем отсутствует фазовый сдвиг М , Однако в качестве Е можно использовать и комплексное сопротивление, но при, известном постоянном значении составляющей Во, В процессе первого такта интегрирования напряжение на выходе интегратора 4 с учетом (7) равноД, ЦоТинт О( г,) Г. Г )га к концу второго такта интегрирования длительностью Т выполняется соотношениеЗъКаТ Оо Тхлт х С- - :оХ 2. 5При этом на вход второго счетчика цифрового делительного блока 11 по" ступит число импульсовН: Т: - ,Х(10)1 Х О 1 О ке 1 В цифрововыполняетсявследствие чи (10)полуНх ю 2.З м делительномоперация деленего, на основачаем код числа ии (8 5 ХоТ" сояфй а Фровог кото отсч Трыи поступает на вход ци оетного блока 12.аким образом, значение синфазной составляющей Всопротивления 2В=- 2,сояЧ = ВМ /И (11) пропорциойально кодовому значению И /И при Во кратном 10 и не зак висит от частоты исследуемых колебаний напряжения У я 1 пЖгенератора 8, его амплитудного значения О, час тоты й генератора б импульсов, постоянных времени Ч и ь интеграторов 2 и 4, стабильность которых требуется обеспечить лишь на время измерения,При измерении квадратурной составляющей 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 1 и 3 в положение а. К концу первого такта интегрирования адаптация к роду измеряемого параметра (в зависимости от емкостного или индуктивного характера комплексного со противления напряжение на выходе интегратора 4 будет положительным или отрицательным соответственно) . При положительном напряжении на выходе интегратора 4 блок 17 управ ления включает в блоке 14 образцовую емкость С , а при отрицательном напряжений - образцовую индуктивностьС и 1. не обязательно должныО Обть высокодобротными, требуется лиш точно знать значения их квадратурных составляющих С и .По окончании первого такта интегрирования блок 17 управления открывает селектор 10 и переводит пе" 60 реключатель 1 в нейтральное положение, а переключатель 3 - в положение в, вследствие чего выходное напряжение генератора б интегрируется1до момента равенства нулю выходного у 4 55напряжения второго интегратора 4,когда согласно (6),;) То к, 8 п Р+ Г О сИ =ОГ1 о За время длительности Т на вход первого счетчика в цифровом дели- тельном блоке 11 поступит число им- пульсов 114 О 1 2 ЛГО Р кратном. Цифровой измеритель В).С-параметро 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 интеграОПроцесс 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 импульсовТф-отой . ;, Ч (13)1 Ф О 3. 2 хГГ У ооПосле выполнения операции деления (12) и (13) в цифровом делительном блоке 11 получаем значенйе квадратурной составляющей2 я 1 пЧ = 2 я 1 пУхпропорциональное прия 1 п 10 кодовому отношению Икторое поступает в цифровой ный блок 12.При измерении инду ности 2 я 1 п Ч =щ 1 и 2 я 1 п аИ-отогдак О о)-=)ъ,/фд(14)ю.Если характер измеря сопротивления емкостный, то 1/ц 1 Со2 оя 1 п Чо - 1/аС о.= ср/ы (15)Таким образом, устройство позволяет измерять В)С-параметры в широком частотном диапазоне, поскольку результат измерения не зависит от частоты колебаний генератора 8 синусоидального напряжения, его амплитудного значения О, сопротивления измерительной цепи, постоянных ь , Ь времени интеграторов 2 и 4,788036 10 Составитель Л. ФоминаРедактор 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, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП Патентфф, 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 ивыходом ключа, сигнальный вход которого подключен к первому выходублока образцовых элементов, к общейшине и к первому входному зажимуустройства, второй входной зажим ко-.торого соединен с первым сигнальнымвходом первого переключателя и однимиз полюсов генератора синусоидальногонапряжения, второй полюс которогоподключен ко второму выводу резистора и второму входу формирователявременного интервала, выход которогосоединен с первым входом блока управления, соответствующие выходыкоторого соединены с управляющимивходами ключа, блока образцовых элементов, двух переключателей, селектора, цифрового делительного блока,цифрового отсчетного блока и формирователя временного интервала, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения точности измеренияи расширения частотного диапазона,первый сигнальный вход второго переключателя соединен с выходом первого интегратора, а второй его сигнальный вход - с выходом источникаопорного напряжения, выход второгоинтегратора соединен с первым входомблока сравнения и со вторым входомблока управления, а второй сигнальный вход первого переключателя подключен к первому входу формирователявременного интервала15 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССРМ 467302, кл. 6 01 В 27/26,10.11.72.20 2, Авторское свидетельство СССРпо заявке 9 2518035/18-21,кл. С 01 й 27/26, 15.08.77 (прототип),