Цифровой измеритель rlc-параметров

2 Авторы изобретен Обухан ок иР Н.И,Львовский ордена Ленина политехнический институт) Завантел РОВОИ ИЗИЕРИТЕЛЬ Й 1.С-ПАРАИЕ аити приаметров Изобретение относится к электроизмерительной технике и может н менение при измерении ВС-пар в широком частотным диапазоне.Известен цифровой измеритель сопро тивления, емкости и индуктивности, содержащий управляемый генератор сину соидального напряжения, подключенный ко входу частотозависимой цепи с образцовым и измеряемым элементами, и преобразователь изменения параметров 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 коммута гора, источник напряжения постоянного тока, время-импульсный преобразователь и. цифровой измеритель отношения временных интервалов, причем выход источника напряжения постоянного тока.подключен ко входу измерительной цепи; вход, время-импульсного преобразовате-. ля подключен к выходу измерительной цепи, входы цифрового измерителя отношения временных интервалов подключены к выходам время импульсного пре. обраэователя напряжения и формирователя периода выходного сигнала генератора через первый коммутатор, уп" равляемый синхронно со вторым коммутатором, входы которого подключены к выходам генератора синусайдального напряжения и источника напряжения постоянного тока 1.Недостатком известного измерителя является то, что он обеспечивает измерения только на фиксированных частотах со сравнительно низкой точностью, так как построение широкодиапазонных смесителя, гетеродина и фильтра связано с значительными техническими трудностями, а результ т зависит от значения напряжения иточника постоянного тока, коэффициента пропорциональности преобразователя временного интервала и чувствительности формиро868629 40 вателя разностных временных интервалов, что значительно ухудшает точность измерения в широком частотномдиапазоне,Наиболее близким к предлагаемомуявляется цифровой измеритель КЫ-параметров, содержащий генератор синусоидального напряжения, последовательно соединенные переключатель, интегра, тор, блок сравнения, селектор, цифровой делитель и цифровое отсчетноеустройство, а также генератор импульсов, подключенный к второму входу селектора, второй переключатель,блок образцовых элементов, блок управления и источник опорного напряжения, выход которого подключен к вторымвходам обоих переключателей, причемодин из полюсов генератора синусоидального напряжения соединен с однимиз входных зажимов устройства, одинвыход блока образцовых элементов соединен с вторым входным зажимом устройства, второй вход блока сравненияподключен к общей шине, а выходы блока управления связаны с входами управления переключателей, селектора,цифрового делителя и цифрового отсчетного устройства, второй интегратор, второй блок сравнения, ключ иформирователь временного интервала,первый вход которого соединен с вторым выходом блока образцовых элементов, сигнальным входом второго переаключателя и выходом ключа, вход которого подключен к первому выходу блока образцовых элементов и к общей шине, второй вход Формирователя вре-,менного интервала соединен с вторымполюсом генератора синусоидальногонапряжения, а выход - с входом блокауправления, причем к выходу второгопереключателя подключен второй интегратор, выход которого связан с входом второго блока сравнения и входомуправления источника опорного напряжения, выход первого интегратора связан с вторым входом управления источника опорного напряжения и входомблока управления, второй вход второго блока сравнения подключен к общейшине, а выход - к третьему входу селектора, сигнальный вход первого переключателя соединен с первым входным зажимом устройства, а выходы блока управления связаны с управляющимивходами ключа, формирователя временных интервалов и блока образцовыхэлементов Г 23. 5 10 15 25 30 35 4Недостатком данного измерителя является отсутствие возможности измерения полного сопротивления с высокой точностью на переменном токе,Цель изобретения - повышение точности измерения полного сопротивления.Поставленная цель достигается тем, что в цифровой измеритель КЫ-параметров, содержащий генератор синусоидального сигнала, первый выход которого соединен с первым входным зажимом измерителя для подключения измеряемого сопротивления, второй выход - с первым выводом резистора второй вывод которого соединен с первым входом ключа и с первым зажимом первого блока образцовых элементов, второй зажим которого соединен со вторым входом ключа и с общей шиной. переключатель, первый подвижный контакт которого соединен с первым входом первого интегратора, селектор, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход - с последовательно соединенными цифровым вычислительным блоком и цифровым отсчетным блоком, блок управления, первый выход которого соединен с управляющими входами ключа и переключателя, второй выход - с управляющим входом первого блока образцовых элементов, третий выход - с управляющими входами селектора, цифрового вычислительного блока и цифрового отсчетного блока, введен второй блок образцовых элементов, первыч зажим которого соединен с первым входным зажимом измерителя и с первым входом блока управления, второй и третий входы которого включены параллельно выводам резистора, первый выход соединен с управляющим входом генератора синусоидального сигнала, четвертый выход соединен со вторыми входами интеграторов, а пятый - с уп-,равляющим входом второго блока образцовых элементов, второй зажим которого подключен к вторым неподвижнымконтактам переключателя, первые неподвижные контакты которого подключены к второму входному зажиму измерителя,а второй подвижный контакт соединенс вторым зажимом первого блока образцовых элементов, второй зажим которого соединен с первым входом второго интегратора, выход которого соединен с третьим входом селектора, второй вход которого соединен с выходомпервого интегратора.868629 1 О 15 20 30 35 40 50 На чертеже представлена блок-схема цифрового измерителя Р 1.С-параметров.Цифровой измеритель РС-параметров содержит генератор 1 синусоидального сигнала, измеряемое сопротивление 2, второй блок З.образцовых элементов, переключатель 4, первый интегратор 5, селектор 6, вычислительный блок 7, цифровой отсчетный блок 8, резистор 9, ключ 1 О, первый блок 11 образцовых элементов, генератор 12 импульсов, блок 13 управления, второй интегратор 14.Измеритель работает следующим образом.Измерение синфаэной и квадратурной составляющих импеданса основано на интегрировании напряжения на измеряемом 21, 2 и образцовом 20 11 импедансах в течение времени, определяемого блоком 13 управления. При синусоидальном напряжении на сопротивлениях 2 и 11 0(С)"-0 51 п(ай+Щ + Ч) в процессе их интегрирования в течение времени от й ы аТ до й = ЬТ получим 8 т0 кнт1 0 в(щф+Ч)ф1 Гс 1 т- " 1 в пп(о.Ь 1+чэпп(ь), (1) где Оп 1 - амплитудное значение напряжения,Г - постоянная времени интегрирования;Т - период исследуемых колебаний,В выражении (1) составляющаяэпап (а+Ь)+ Ч 3 пропорциональна соз Ч1при а + Ь = - , и 51 пЧ при а + Ь = 1,2Вторая составляющая 51 пП(а - Ь) независит от сдвига фаз Ч между токоми напряжением и определяется лишьмоментами й = аТ и й ж ЬТ.1При интегрировании за время, равное полупериоду С 1 = аТ = О,= Ь Т= -" из (1) получим синфазнуюсоставляющую сигнала(2)Для получения .квадратурной составляющей условие а + Ь = 1 выполняетсяпри обеспечении симметрии моментов= аТ и= ЬТ относительно перехода через нуль опорного напряжения.0 , = 51 пЧ зпП(Ь-д) (3)0,п При измерении синфазной составляющей сопротивления первый подвижный контакт переключателя 4 находится в положении 11, а второй подвижный контакт - в положении 1. Поэтому через сопротивление образцового элемента 3 ток не проходит, Ключ 10 разомкнут.Напряжения на сопротивлениях 22 и 2011 равны 0 (й) Оп 1 з 1 п(ЮС+ЧХ) 2, (1,)( ) 0)тфп (%01+Чо) ( )2где Ч, Ч 0 - сдвиги фаз между токоми напряжением на сопротивлениях 2 х 2 и 2011;г = 2+г,+Р +Р 11; где РВ 11 - внутреннее сопротивлениегенератора 1;Р всопротивление резистора 9.Напряжения (4) и "(5) за время Т/2 интегрируются интеграторами 5 и 14 и двухтактным преобразованием переводятся в числовые эквиваленты У 1 и У 2, с учетом (2), (4). и (5) имеем 110ф 0о 0 о0ОПри квантовании интервалов полу- чаем(9)Г 1 0 О 2Разделив (8) и (9), определяем значение сннфазной составляющей импедансаР у, = 21 соз Ч 11 щ Ро (10)одОперация деления й 1/М 2 выполняется вычислительным блоком 7. Измерение квадратурной составляющей импеданеа производится в два такта,Первый такт используется для определения характера комплексного сопротивления. Ключ 10 закорачивается и блоК 13 управления формирует временной интервал, симметричный относительно перехода через нуль опорного напряжения. В зависимости от емкостного или индуктивного характера измеряемого импеданса 2 х 2 напряжение на выходе интегратора будет соототсюда Сх = Со -+й13Измерение низкоомных полных сопротивлений осуществляется следующим образом. Посредством блока 13 управления первый подвижный контакт переключателя 4 устанавливается в положениеа второй - в положение . Сопротивление блока 3 устанавливается равным нулю. При этом ключ 10 разомкнут. Вследствие введения связи с первого входного измерителя на вход блока 13 управления становится возможным осуществлять формирование временного интервала из напряжения на сопротивлении 2 х 2, а наличие связи с первого ,зажима блока 11 дает возможность формировать временной интервал из напря" ,жения на сопротивлении 2011, Влок 13 управления разрешает интегрирование напряжения (4) в блоке 5 на время Т/2, а в блоке 14 напряжение (5) также интегрируется в течение Т/2, Поскольку временные интервалы Т/2 форВыражение (19) справедливо лишьдля случая, когда входное сопротивление интеграторов 5 и 14 намного боль- Ф,Уше Преобразуемых сопротивлений 2 Х и 2 О. ветственно положительным или отрицательным. При положительном напряже-. нии блок 13 управления выбирает в боке 11 образцовую емкость СО, а при отрицательном - индуктивность 0. При измерении квадратурной составляющей импеданса 2 х ключ 10 размыкается и блок 13 управления на время ( Ь Т - а Т), симметричноеотносительно перехода через нуль опорного напряжения, разрешает интегрирование напряжений (4) и (5) интеграторами 5 и 14, где двухтактным интегрированием напряжение преобразуется в числовые эквиваленты Й З и М а4 именноК О Т О 51 пц(Ь-а) 2 .Ъ П. 2 О 251 п Мх; (11)О 10 Т Опзпп(Ь-а) 2 51 пЮОй.- ,2 О (12)Разделив (11) на (12), получаемсинфазную составляющую импеданса7 )1 з 1 и Му = 2 О 5 1 и МОй(13)йПри измерении индуктивности2 хз =" 1 х 20 о =этому- (1 М)х - о 1При емкостном характере импеданса 2 х 22 хз 1 пЧх= - ,цС к Т/2/СгХ 1 Оь,0 " О ,0лтИО1 О2+ - 10 у,:0 5При квантовании временных интервалов С, и йс частотой генератора12 импульсов имеем Т/ООщРп Ю 1гоРо2 Ц Т/Я1 д 1 О %1 ои 1г 5Й ОЯО Разделив (6) на (17), получаемИ2 х= 2 оМКогда в качестве 2 О берется чисто активное сопротивление, имеется возможность измерения 2 А в диапазоне частот М.,35 2 Х= О;(19)2так как Й не изменяется с изменениемчастоты. При измерении больших сопротивлений по сигналу блока 13 управления вкачестве сопротивления блока 11 берут чисто активное сопротивление В0а второй блок 3 образцовых элементовимеет сопротивление 2 О, В первом такте измерения ключ 10 разомкнут, аподвижные контакты переключателя 4 установлены соответственно в положение 551 и . На сопротивлении 1 имеетсянапряжение О=(1)В О, пропорциональное току генератора 1 синусоидального сигнала. Сопротивление Й выбиОрается много меньшим входного сопро, га,м О и гх =г.г 1. уь значенияе частот(29) 20 Во втором такте измерения блок 13 управления переводит подвижные контак ты переключателя 4 в положения 1 и 11. При этом генератор 1 имеет ток Э(С), В интеграторе 5 интегрируется напряжениег,(г,г)го+гх+2 В 2+ геЭ.2 О 28 х(23)го+2 х+2 яхНапряжение О =,1(й) Вр и напряжение (23) двухтактным интегрированием в интеграторах 14 и 5 преобразуется во временные интервалы С 3 и С. при квантовании которых с частотой имеем тва Э (С) при поддержаниЭ(с)й1.х =М(3 ц) гВ выражрезультатот частотьного сигнаи Т инте1 Т/О о)2 о 26 х генераторпротивлен ляет иэм диапазон 1(ф)оТ/:(й)д 1 в выро.тйа31 (С)сС в25)о имеем рмула изобретения одставив Цифровой измеритель ВС-параметров, содержащий генератор синусоидального сигнала, первый выход которого соединен с первым входным зажимом измерителя для подключения измеряемого сопротивления, второй выход - с первым выводом резистора, второй вывод 55которого соединен с первым входом клю ча и с первым зажимом первого блока образцовых элементов, второй зажим ,которого соединен со вторым входом(26. тивчепця 29 инте ратгр4. В ин 1 еграторе 5 интегрируется напряжениеО =Э(С) 2 "(го+ 2 В) Л Ехг го гах Тг о 2 вх+ го+ гвхяжение О = Э (С)йо и напря 1120) двухтактным интегрироваинтеграторе 14 и 5 преобраэу числовые эквиваленты ОПри выборе го чисто активным,т.е. 26 = "О2 = 11 - " -ф (27)х ом 1. ЙЪкоторое не зависит от значения входного сопротивления гх интегратора 5,что позволяет значительно повыситьточность измерения больших значенийполных сопротивлений в диапазоне час- О тот. Это выражение можно упростить,если в двух тактах измерения путемизменения напряжения О источника 1поддерживается постоянным значениетока э (с) = Э 1 (й), когда выполняется 5 равенство М= йа, вследствие чеговыражение (26) принимает видх= о - - 28)о й Из (28) видно, что и 2 о =аг 1. О можно измери ндуктивности в диапазо й й 10 М,М й равенениях (28), (30) и (31)измеренияи С не зависити генератор синусоидальла, постоянных времени гГ,грирования, частоты ГОимпульсов 12, значений сой 11, 2, йн, что позвоять полное сопротивление вчастот,868629 12 ключа и с общей шиной, переключатель,первый подвижный контакт которого соединен с первым входом первого интегратора, селектор, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход - с последовательносоединенными цифровым вычислительнымблоком и цифровым отсчетным блоком,блок управления, первый выход которого соединен с управляющими входамиключа и переключателя, второй выход -с управляющим входом первого блокаобразцовйх элементовтретий выход - .с управляющими входами селектора, цифрового вычислительного блока и цифрового отсчетного блока, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, введен второйблок образцовых элементов, первый зажим которого соединен с первым входным зажимом измерителя и с первым.входом блока управления, второй итретий входы которого включены параллельно выводам резистора, первый выход соединен с управляющим входом аж 735 Подписное Иужгород, ул. ТТроек 1 няя,1 ИПИПИ Заказ 831 7/ЬФи тияч ТТТ Тятент генератора синусоидального сигнала, четвертый выход соединен со вторыми входами интеграторов, а пятый - с управляющим входом второго блока образцовых элементов, второй зажим которого подключен к вторым неподвижным контактам переключателя, первые неподвижные контакты которого подключены к второму входному зажиму изме- ТО рителя, а второй подвижный контактсоединен с вторым зажимом первого блока образцовых элементов, второй зажим которого соединен с первым входом второго интегратора, выход которого 15 соединен с третьим входом селектора,второй вход которого соединен с выходом первого интегратора. Источники информации,20 принятые но внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРУ 467302, кл. С 01 й 27/26, 1972.2. Авторское свидетельство СССРВ 70237, кл. С 01 В 27/26, 1977