Цифровой измеритель rlc-параметров

)5 110 с 2 ЕН ОП ТЕЛ ЬСТ АВТОРСКОМ В С-ПАРАлектроизм ть использ араметро м костного ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 702317, кл. б 01 К 27/26, 1979.Авторское свидетельство СССРЬЬ 748286, кл, 6 01 Я 27/26, 1 978.Авторское свидетельство СССРМ 1120254, кл, 6 01 К 27/26, 1984.(57) Изобретение относится крительной технике и может бвано для измерениякомплексного сопротивления Ы 2 1739314 А 1 индуктивного характера, Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем измерения тангенса угла потерь тцд и добротности О, Цель достигается путем введения в цифровой измеритель ВЕС- 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 (Ф НЧ) 14, 15, формирователь 25 опорного сигнала, интегрирующий АЦП 16, ФЧД 8, блока 9 формирования управля- Я ющих сигналов. 1 з.п, ф-лы, 2 ил,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров комплексного сопротивления емкостного и индуктивного характера,Известен цифровой измеритель Я С- параметров, 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, лого- метр, 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. Недостаток такого устройства - зависимость выходного сигнала при измерении реактивной составляющей от параметров (ЯС) фазовращателя, нестабильность которых приводит к погрешности измерения,Наиболее близким техническим решением является цифровой измеритель СИ- параметров, 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 щ д емкостного элемента и добротности 0 индуктивного элемента.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей измерителя, а именно получение возможности измерения тангенса угла потерь 19 д и добротности О,Поставленная цель достигается тем, что в цифровой измеритель В С-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 фазочувствительный 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 В С-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 1113, перекл ючатель 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 сигналь ным входом фазочувствительногодетектора8, 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, блока20 сравнения, формирователя 21 временного интервала, ключевого блока 23 и счетчика 24. Выход генератора 22 счетных импульсов соединен с входом формирователя 19 вре 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 вхо дом С-триггера 11. Прямой выход 0С-триггера 11 соединен со счетным входом С-триггера 12, а инверсный - со счетным входом С-триггера 13, Выходы 0 триггеров 12 и 13 соединены с входами переключателя 25 10, прямой выход 0 триггера 12 соединентакже с входом источника 1 гармонического сигнала, а выход 0 триггера 12 соединен с управляющим входом фазочувствительного детектора 8.30 Измеритель работает следующим образом.Формирователь 25 исходного сигналаформирует из сигнала генератора 22 счетных импульсов АЦП 16 последовательность 35 импульсов с частотой 11, в четыре раза превышающей частоту 1 г источника 1 гармонического сигнала, на который проводится измерение В С-параметров. Блок 9 формирования управляющих сигналов представ ляет собой пересчетное устройство: навыходах С-триггера 12 выделяются прямоугольные импульсы, соответствующие синфазной составляющей сигнала(выход 0 - на интервале от 0 до л, на выходе 0 - на 45 интервале отлдо 2 л), на выходе 0 триггера13 выделяются прямоугольные импульсы, соответствующие квадратурной составляющей сигнала 01 (интервал от- до+ ).Л Л 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 частотой2в =2 к 1 = - 1 и амплитудой О 1 г,4 йоПреобразователь 2 преобразует параметры объектов по параллельной схеме замещения с составляющими иСх и Ох илииндуктивных объектов по последовательной схеме замещения с составляющимив Ь и Вх в синфазные и квадратурные составляющие комплексного напряжения, В 5первом случае измеряемый объект 3 включается во входную цепь, а в цепь обратнойсвязи включается элемент 4, во втором случае объекты 3 и 4 меняются местами, Фазочувствительными детекторами 7 и 8 10осуществляется выделение составляющихкомплексного напряжения, несущих информацию об измеряемом параметре, присутствующем на его измерительном входе,путем управления его напряжением, поступающим с формирователя 9. Фильтры 14 и15 выделяют постоянные составляющие Ози О 4 выходных напряжений,Напряжение Оз прикладывается к измерительному входу, а напряжение О 4 - к 20опорному входу АЦП 16, Последний осуществляет преобразование отношения напряОзжений в цифровой код путемО 4двухтактного интегрирования. . 25В первом такте интегрирования, времякоторого задается формирователем 19 в виде импульса, управляющего ключом 17 иформирователем 21, на вход интегратора 18поступает напряжение Оз(открыт канал "ас" 30ключа 17). Во втором такте интегрированияЙопо истечении времени То = на входоинтегратора 18 поступает напряжение противоположной первому поля рности (открытканал "Ьс" ключа 16),Начало второго такта интегрированияфиксируется формирователем 21 по входу Ксигналом То, а конец - по входу Я сигналомблока 20 совпадения, определяющего нулевое состояние интегрированного напряжения;1 то т,- , 3 Оз б 1 + - .У О 4 б т = 0 (1)о о 45 где т - постоянная времени интегратора, в виде импульса Тх, который разрешает прохождение счетных импульсов частотой 1 о от генератора 22 через ключевой блок 23 на вход счетчика 24, Из (1) видно, что Оз и О 4 50 должны быть противоположных полярностей. Условимся считать, что ОзО, а О 4О.Устройство имеет несколько режимов работы, которые определяются положениями переключателей 6 и 10, 55Режим измерения емкости Сх и индуктивностихПереключатель 6 - в нижнем (фиг.1) положении. Переключатель 10 осуществляет управление фазочувствител ьным детекто ром 7 в фазовом интервале от 2 до , т.е.Л Дна управляющий вход фазочувствительногодетектора 7 проходят импульсы с выхода Отриггера 13:(переключатель 10- в правом посхеме фиг.1 положении), Тогда постоянныенапряжения Оз и О 4 на выходах фильтров 14и 15 нижних частот составят:к к1 Фа.к, п,к (цк иьи(к(ий: ;а-к. (асх (2)ка 05 я 1 Заяця а, аЬк ( К яС- в режиме измерений емкостей лк лЯО,=а, а,ОасоааЕ 4(а+1=а, а,О,кйиук а)кк со 5 я 1 4 и ка аз (во(4) где а 1 и аз - коэффициенты передачи фазочувствительных детекторов 7 и 8;а 2 и а 4 - кОэффициенты передачи фильтров 14 и 15 нижних частот,Если эти значения напряжений подставить в выражение (1), то получится 2 а 1 аз Оъйо шСх=2 а 2 а 4 Оъ (5) То Тх т т- в режиме измерений емкости То ш 1 х Тх2 а 1 аз Оь - =2 а 2 а 4 4 О 1УккОВ(7) а а 1 ( ДФОП, о,как ВН,Режим измерения активных составляющих Ох и йх.В этом режиме переключатель 6 устанавливается в нижнее(по схеме фиг,1) поло - в режиме измерения индуктивности,Количество импульсов в счетчике 24 при измерении емкости йа и индуктивности й составитжение. 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 0 5 триггера 12 (переключатель 6 находится в левом по схеме фиг.1 положении). Тогда постоянные напряжения 0 з и 04 на выходах фильтров 14 и 15 нижних частот составят: 10РоО, О,О, Оа 5 ая 14(аЦоа, а, ) О,о "о " (9)кх . кх- 61 пН д(саЦ 2 а, аз - О,оЙо- в режиме измерений активного сопротивления / йа - Яо Мо Ох, (11)а 1 азРежим измерения добротности 0 индуктивного элемента и тангенса потерь сдд емкостного элемента.35В 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 х до+, 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 Оз и 04 составят: ооока.а,а,О совайкцЦ:О, а,)(13) 50соаи(хсацо 2 а, аз О,о 2, яСх=2 а, аз Оо, х- при измерении тангенса потерь сд д(14)- в режиме измерения активной проводимости04=-2 аг а 401 пКоличество импульсов в счетчике 24 при 25 измерении активной проводимости Ох и активного сопротивления Ях равно- при измерении добротности 0 2 л геО ( ф О о О 4О о51 О ОЙ к (Я 1) = Ок О оО 1 хФС,а; юм(саЧ.2 О,О Схн, ц,(15)- при измерении тангенса щ д2 с Г"О, а, О, О , апав хя 1 =О, а, ( О (1 6) .х - а 1 ац 14(аЦ.2 О, О, - " Окх . кхоо- при измерении добротности О.Количество импульсов в счетчике 24 при измерении добротности С 1 и тангенса потерь щ д составит а 1 аз Х(. а 1 азаг а 4 ЯХ а 2 а 4Таким образом, измеритель обеспечивает измерение (, С, Я, 6, щ д, 0-параметров и отображение их значений в цифровом виде.Формула изобретения 1. Цифровой измеритель Я( С-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 а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем измерения щ 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 комплексного12 1739314 оставитель В,Аване хред М.Моргентал ктор И.Горная Те Корректор С,Шевкун аз 2001 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, 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 Я С - параметров по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я 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 выходвторого триггера соединен с вторым выходом блока.