Устройство для измерения резонансной частоты последовательного колебательного контура

)5 30 ИСА И Т К АВТОРС ВИДЕТЕ ии инсти о СССР входом и яжение-к бразовате входом и средняя ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО КОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРА (57) Использование; в измерительной технике, Выходы трех источников (1, 2, 3) переменного напряжения соединены соответственно с первым, вторым и третьим входными контактами управляемого ключа 4, переключающийся вывод которого подключен к первому входу первого преобразователя.11 напряжение-код, первый выход которого соединен .с первым входом вычислительного блока 14, второй выход первого преобразователя 11 напряжение-код соединен с вторым в вычислительного блока 14, средняя между переключающимся вы водом яемого ключа 4 и первым входом первого преобразователя 11 напряжение-код через последовательный колебательный контур 5 подключена к первому входу второго преобразователя 12 напряжение-код, первый выход которого подключен к третьему входу вычислительного блока 14, второй выход второго преобразователя 12 напряжение-код соединен с четвертым входом вычислительного блока 14, к переключающемуся выводу управляемого ключа 4 подключен и первый вход преобразователя 10 частота-код, первый выход которого соединен с пятым входом вычислительного блока 14, второй выход преобразователя 10 частота-код соединен с шестым входом вычислительного блока 14, выход ко- Я торого соединен с блоком 13 управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с управляющим входом управляемого ключа 4, вторым ервого преобразователя Я11. напр од, вторым входом второго прео ля 12 напряжение-код и вторым реобразователя 10 часто-та-код, точка между последова- СО тельным колебательным контуром 5 и а первым входом второго преобразователя 12 С) напряжение-код через эталонный резистор (р 9 соединена с общей шиной. 5 ил, бд0Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения резонансной частоты последовательного колебательного контура,. параметров радиоэлементов.Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства,На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства, На фиг.2 - частотная характеристика последовательного колебательного контура. На фиг,3 - схема блока . управления. На фиг.4 - схема преобразователя частота-код, На фиг.5 а,б - схемы двух одинаковых преобразователей напряжение-код,5 10 15 Устройство (фиг.1) содержит три источника 1, 2 и 3 переменного напряжения, управляемый ключ 4, последовательный колебательный контур 5, который состоит из катушки 6 индуктивности 1.х, конденсатора 7 емкостью Сх активное суммарное сопротивление 8 потерь катушкй 6 индуктивности и конденсатора 7, эталонный резистор 9 - Вн, преобразователь 10 частота-код, два преобразователя 11 и 12 напряжение-код, блок 13 управления и вычислительный блок 14,20 25 30 Устройство работает следующим образом. По сигналу "Пуск" блока 13 управления управляемый ключ 4 подключает к последовательному колебательному контуру 5 ис 55 точник 1 переменного напряжения с При этом источники 1, 2 и 3 переменного напряжения попеременно через управляемый ключ 4 соединены одновременно с первыми входами преобразователя 10 частота-кода и первого преобразователя 11 на пряжение-код и через последовательный колебательный контур 5 с первым входом второго преобразователя 12 напряжениекод, который через эталонный резистор 9 - . Вн соединен с общей шинбй, Первый и 40 второй выходы первого и второго преобразователей 11, 12 напряжение-код и преобразователя 10 частота-код соединены, соответственно, с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым входами вычис лительного блока 14, выход которого соединен с входом блока 13 управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены, соответственно, с управляющим входом управляемого ключа, вторыми входами первого и второго преобразователей 11, 12 и преобразователя 10 частотакод. частотой а, По первому сигналу блока 13 управления преобразователь 10 частотакод преобразует частоту ои в код, а по второму сигналу - первый преобразователь 11 напряжение-код преобразует в.код амплитуду напряжения Оо 1 на входе последовательного колебательного контура 5. значения которых последовательно заносятся в память вычислительного блока 14. а сигнал об окончании записи поступает в блок 13 управления, С задержкой по времени по сравнению с сигналом блока 13 управления на первый преобразователь 11 напряжение-код для достижения установившегося режима в последовательном колебательном контуре 5, с блока 13 управления подается сигнал на второй преобразователь 12 напряжение-код, который преобразует амплитуду напрякения 01 на выходе последовательного колебательного контура 5, значение которой заносится в память вычислительного блока 14, По окончании записи третьей величины 01 в память с вычислительного блока 14 поступает третий сигнал, от которого в блоке 13 управления вырабатывается сигнал, подключающий второй источник 2 переменного напряжения с частотой сигнала где к последовательному колебательному контуру 5. По аналогичной схеме последовательно во времени поступают сигналы с блока 13 управления на преобразователь 10 частота-код, преобразователи 11 и 12 напряжение-код, которые преобразуют частоту сигнала в амплитуды напряжений О 02 и О 2 на входе и выходе последовательного колебательного контура 5, значения которых заносятся в память вычислительного блока 14. По окончании записи третьей величины О 2 в память вычислительного блока 14 с него поступает сигнал в блок 13 управления, от которого в блоке 13 управления вырабатывается сигнал подключающий через управляемый ключ 4 к последовательному колебательному контуру 5 третий источник 3 переменного напряжения с частотой сигнала вз. По аналогичной схеме происходит преобразование в код частоты вз, амплитуд напрякения Ооз и Оз на входе и выходе последователь-. ного колебательного контура 5 и занесение в память вычислительного блока 14, после чего вычисляются параметры индуктивности катушки 1 х, емкости Сх конденсатора, суммарного активного сопротивления Вх потерь катушки индуктивности и конденсатора, резонансная частота ох последовательного колебательного контура 5 и другие параметры.. где К 1 = - , К 2-- . Кз =- --- отношеО 1 О 2 Озния амплитуд напряжений на входе к выходу последовательного колебательногоконтура на трех частотах в 1. в 2 и вз входныхсигналов. соответственно.Далее процесс измерения параметровпоследовательного колебательного контура5 повторяется до осуществления в блоке 13управления (фиг.З) "Останов",Блок 13 управления (фиг,З) содержитдва ключа 15 и 16, троичный счетчик 17,триггер 18 и два элемента задержки 19 и 20.При этом вычислительный блок 14 черезключ 15 соединен с троичным счетчиком 17и через триггер 18 соединенс управляющимвходом управляемого ключа 4, с первымвходом преобразователя 10 частота-код, через элемент задержки 19 соединен с пер-.вым входом первого преобразователя 11напряжение-код. э через элементы задержки 19 и 20 соединен с первым входом второго преобразователя 12 напряжение-код.При "Пуске" через ключ 16 на второй входтриггера 18 подается положительное напряжение от источника питания - постоянногонапряжения, Выходной сигнал триггера 18подключает через управляемый ключ 3 пер. вый источник 1 переменного напряжения,первый вход преобразователя 10 частотакод, через элемент задержки 19 первый преобразователь 11 напряжение-код, а черездва элемента задержки 19 и 20 второй преобразователь 12 напряжение-частота, После трех сигналов с вычислительного блока14 о записи в память последовательно трехданных а 1, Оо 1 и О 1 срабатывает троичныйсчетчик 17, а затем триггер 18, в результатечего подключается управляемым ключом 4второй источник 2 переменного напряже. ния. После трех сигналов с вычислительногоблока 14 о записи в память последовательнотрех данных йа, Оо 2 и О 2 срабатывает троичный счетчик 17 и происходит аналогичнымобразом третий цикл записи данных са, Оози Оз после чего в вычислительном блоке 14определяются параметры последовательного колебательного контура и резонанснаячастота вх. Процесс измерения может продолжаться до тех пор пока не будет разомкнут ключ 15 "Останов", Результатыизмерения могут быть получены в различном виде (печатном, на мониторе).Преобразователь 10 частота-код (фиг.4)содержит формирователь 21 импульсов, две схемы совпадения 22 и 23, счетчик 24 им. пульсов, кварцевый генератор 25 опорной частоты, делитель 26 частоты и схему 27 управления и может быть построен нэ стандартных микросхемах. При этом сигнал с выхода управляемого ключа 4 поступает нэ формирователь 21 импульсов. а сигнал с второго выхода блока 13 управления поступает на вход начала преобразования схемы 27 управления, с выхода которой сигнал готовности данных поступает на шестой вход разрешения записи в память вычислительного блока 14. Разрядные выходы кода счетчика 24 импульсов соединены с пятым входом данных вычислительного блока 14. В качестве схемы 27 управления может быть использован интервальный таймер (КР 580 ВИ 53), который представляет собой программируемый таймер-счетчик, в котором имеется возможность схемотехнического уп равляемого строба (см. Микропроцессоры. Под ред, Л.Н.Преснухина, Минск, Высшая школа, том 1, 1987, стр, 167).Преобразователи 11 и 12 напряжениекод (фиг,а,б) аналогичны и содержат амплитудные детекторы 28 и 30 и функционально закончен н ые аналого-цифровые и реоб разователи 29 и 31 типа К 1113 ПВ 1, в которых имеются клеммы 10-разрядного цифрового выхода, готовности данных, а также питания и аналогового входа, При поступлении сигнала с блока 13 управления на АЦП 29 и 31в течение 35 мксек осуществляется преобразование сигнала в код и после передачи сигнала готовность нэ вход разрешения записи осуществляется запись разрядного кода в память вычислительного блока 14В качестве вычислительного блока 14 могут быть использованы стандартные микропроцессорные наборы, которые могут реализовать функции выполненияпредлагаемого решения (см. Микропроцессоры. Под ред. Л:Н.Преснухина, Минск. Высшая школа, том 1 и 2, 1987).Комплексное напряжение в измерительной цепи (фиг,1) последовательного колебательного контура 5 с нагрузочнымсопротивлением 9 - йн,Оо = Овых + - ( Вх +) й) 1 х - 1 - )Овых 1Вн вСх(2)Модули комплексного напряженияесть наблюдаемые амплитуды напряже(2) К Вн =(Вн( г (и)3 --- ) (3)2 2 2 1 ги 1 Сх 5 В результате математической обработки наблюдаемых частот входных сигналови амплитуд напряжений определяются значения 1 х и Сх раздельно от сопротивления10 потерь йх, а затем и значения резонанснойчастоты последовательного колебательногоконтура, позволяет расширить функциональные возможности измерительных устройств подобного типа, упрощается15 настройка таких устройств,В последовательном колебательномконтуре резонансные частоты, соответствующие максимуму резонансного пика напряжения на конденсаторе и на катушке20 индуктивности, не равны собственной частоте колебательного контура и)х (фиг,2),(-иР (.2, +Сх(10) 25 где и , и и) х( - резонансные частоты, соответствующие пику напряжений на конденсаторе и на катушке индуктивности,соответственно,В предлагаемом устройстве резонансЗ 0 ная частота, соответствующая пику напряжения на конденсаторе. определяетсясогласно (8) на частотах и)1, и)2, из входныхсигналов (см. фиг.2), а резонансная частотавх, соответствующая пику напряжения накатушке индуктивности, определяется согласно (8) на частотах и)4, в 5, вб входныхсигналов (см, фиг,2), Соответственно, резонансная частота колебательной системы определяется согласно (10),Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определить резонансные частоты ихс и вх(, соответствующих пику,напряжений на конденсаторе и катушки индуктивности и собственную частоту а)х.Кроме того, из полученных данных (б),50- добротность последовательного колебательного контура 0 = -; х- степень успокоения 3.= 1/20; 55 - частота свобонных затухающих колебаний все =и 1 х 1 - / .(.г Огде К = ---- отношение амплитуды наОвыхпряжени 11 на входе цепи Оо к амплитуде напряжения на выходе цепи Овых.Преобразуем (3) К Вн =Он+ Вх) - 2 - "+Сх При измерениях на трех частотах щ 1,и)2 и аз входных сигналов получим систему из трех уравнений с тремя неизвестными ( х,Схийх, К 1 Вн =НВн+ йх) - 2 3+Сх К 2 Йн =И)(н+ Вх) - 2 )+ 2 2 2 ) х СхКз йн =(йн+ х) -2 - -3+2 2 2Сх О 01 О2, Ооз где К 1 = - , К 2=, Кз= -- отношеО 1 О 2Оз ния амплитуд напряжений на трех частотах и)1, и)2, вз входных сигналов, соответственно.Решение (5)(ы,-(,)(6-(,)(ого-г а,)гг(г й) х( р, г)хг( г а) х юг (ог ы,) ,ы,-(,) ы,-(,) (г)(г г)( г а) Таким образом, только предлагаемым устройством можно измерить значение собственной резонансной (лсготыоь без предварительного определения добротности 0 или степени успокоения Р последовательного колебательного контура,Выбор соотношения между частотамив 1, в 2, щ г в, об, мб) входных сигналов определяется из минимальной динамическойпогрешности Ь д, возникающей при изменении индуктивности Ь последовательногоколебательного контура по линейному закону в процессе трехтактовых измерений при 10постоянных других параметров,Ь(г) = Ь 0+ Ь(г) г. При времени тактовых измерений Лг на 15 фиксированных частотах шг, о)2, аз, индуктивность будет изменяться: в первом такте - на Л , во втором - на 2 Ьи в третьем - на 3 ЛСумма динамических, погрешностей тактовых измерений может быть равна нулю при положительном значении Ь Овых в одном каком-либо такте измерения и отрицательных значениях в двух других тактовых измерениях и наоборот.25Из подстановки тактовых значений Ь(г) в (5) решении системы уравнений и преобразовании для минимального значения динамической погрешности Ьдбыло получено соотношениеЗО 2 хЯ Я03 03 Р 2) которое выполняется при соотношении частот вг: а 2; вз =. 1, что не имеет смысла. Поэтому выбираются соотношения частот близкими к единице из условия простоты 40 вычислительных операций вг:й 2:вз = = 3:4:5, при которых динамическая погрешность Ь д будет мала в достаточной степени.Формула изобретенияУстройство для измерения резонансной 45 частоты последовательного колебательного контура, содержащее два истОчника переменного напряжения, два преобразователя напряжение-код. упранляемый ключ, эга лонный резистор, один вывод которого сое динен с общей шиной, блок управления и вычислительный блок, выходы первого и второго источников переменного напряжения соединены соответственно с первым и вторым входными контактами управляемого ключа, переключающийся вывод которого подключен к первому входу первого преобразователя напряжение-код, первый выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, второй выход первого преобразователя напряжение-код соединен с вторым входом вычислительного блока, первый выход второго преобразователя напряжение-код подключен к третьему входу вычислительного блока, второй выход второго и реобразователя напряжение-код соединен с четвертым входом вычислительного блока, выход которого соединен с входом блока управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющим входом управляемого ключа. вторым входом первого преобразователя напряжение-код и вторым входом второго преобразователя напряжение-код, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены преобразователь частота-код и третий источник переменного напряжения, выход которого соединен.с третьим входным контактом управляемого ключа, переключающийся вывод которого подключен к первому входу преобразователя частота-код, к второму входу преобразователя частота-код подключен четвертый выход блока управления, первый выход преобразователя частота-код соединен с пятым входом вычислительного блока, второй выход преобразователя частота-код соединен с шестым входом вычислительного блока, переключающийся вывод управляемого ключа через последовательный колебательный контур соединен с первым входом второго преобразователя напряжение-код и с вторыми выводами эталонного резистора,.Иванова едак Заказ 1444 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 водственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 от 14Ос тавитель Т.Рзаевред М,Моргентал Корректор В.Петр