Цифровой измеритель -параметров

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свУ 8555 О, кл. С 0Авторское свилУ 467302, кл, С 0 1 г 111 гггг,гх злсГло 1 топ 11 про 1 яиГп 1 ульс н лй аналого-цифровой преобразователь 1 1. Введение блоков 9 и О ,гбразцо:гггггггсп гон, блоков Гг 11 7 обраэ 11:х Г(роводимос 1 ей, и. 1 екггкгчателей 4 и 5, двухполюсного переклкгчателя 11, усилителя 12, квадратора 3, пре-г:г.гзопптел 11 16 частотм в код, тригт;гб(1 гг,пьгх буферов 5 и 17, регистра Г команд, блока 2 отображения инфор,п(ггп, мглкро-ЗВ 19 и образодание новго: .11 гг.ей в иэмерителе обеспечивают воэможность за счет устранения в.пиг(н 11 параметров усилителя 12 изГг:1,11 ть 1( Б С -параметгг 1 полупрсводпиког;г х э гс. гг ггтов в дипгтаэоне частот м,п;ггм уровнем напряжения в них, что г 1:"1111 ует их работоспособность поспр г г допив измерения. 2 ил.Изобрегение относится к электроизмерительной технике и может найтиприменение при измерении К,С-параметров цепей в широком частотном диапазоне. 5Цель изобретения - повышение точности измерения составляющих двухкомпонентных комплексных сопротивлений н диапазоне частот.На фиг.1 представлена функциональ- Оная схема цифрового измерителя КЬСпараметров; на фиг,2 - схемы замещения исследуемого объекта.Устройство содержит генератор 1синусоидального напряжения; блок 2 5отображения информации, измеряемоекомплексное сопротивление 3, первыйпереключатель 4, второй переключатель 5, первый блок 6 образцовых проводимостей, второй блок 7 образцоных 20проводимостей, первый блок 8 образцовых элементов, второй блок 9 образцовых элементов, третий блок 10 образцовых элементов, двухполюсныйЪ 5переключатель 11, усилитель 12, квад.ратор 13, время-импульсный аналогоцифровой преобразонатель АЦП 14,второй буфер 15, преобразователь 16частоты в код, первый буфер 17,регистр8 команд, микро-ЭВМ 19,микро 30процессор 20, оперативное запоминающее устройство ОЗУ 21, постоянноезапоминающее устройство ПЗУ 22.Генератор 1 синусоидального напряжения первым выходом соединен с 35первым входом преобразователя 16 час тоты в код, первыми зажимами первогоб и второго 7 блоков образцовых проводимостей, перним зажимом измеряемого комплексного сопротивления 3 40и первым неподвижным контактом переключателя 11, второй неподвижный контакт которого подключен к второмузажиму измеряемого комплексного сопротивления 3 и подвижному контакту 45переключателя 5, первый неподвижныйконтакт которого связан с первым зажимам первого блока 8 образцоныхэлементов, вторым зажимом соединенного с третьим неподвижным контактом 50переключателя 11 и первым зажимомблока 9 образцовых элементов, к второму зажиму которого подключен четвертый неподвижный контакт переключателя 11 и первый зажим блока 10 образцоных элементов, вторым зажимомсоединенного с нторым выходом генератора 1, вторым входом преобразователя 6 и пятым неподвижным контактом переключателя 11, Подвижныеконтакты 1 и 31 подключены к соответствующим входам усилителя 12,два выхода которого соединены с соответствующими входами квадратора 13,двумя выходами соединенного с входами АЦП 14. Выход АЦП 14 через буфер 15 и преобразователь частоты вкод через буфер 17 подключены к шине данных микропроцессора 20, с которой, кроме того, соединены входрегистра 18 команд и вины данныхОЗУ 21, ПЗУ 22 и вход блока 2 отображения информации. С шиной адресамикропроцессора 20 связаны адресные шины ОЗУ 21, ПЗУ 22 и адресныевходы буферов 17 и 15, регистра 18команд и блока 2 отображения информации. К шине управления микропроцессора 20 подключены управляющие шины буферов 15 и 17, регистра18 команд, ОЗУ 21, ПЗУ 22 и блока 2отображения информации,Вторые зажимы блоков 6 и 1 образцовых проводимостей подключены соответственно к первому и третьемунеподвижному контактам переключателя 4, подвижный контакт которогосоединен с вторым неподвижным контактом переключателя 5 и соединением блоков 9 и 10 образцовых элементов, при этом второй неподвижный контакт переключателя 4 и третий неподвижный контакт переключателя 5 являются нейтральными, а восемь выходов регистра 18 команд подключены к управляющим входам первого 4 и второго 5 переключателей, двухполюсного переключателя 11, первого 6 и второго 7 блоков образцовых проводимостей и первого 8, второго 9 и третьего 10 блоков образцовых элементов.Измеритель К 1 С-параметров работает следующим образом.В исходном состоянии переключатель 4 находится в нейтральном положении 1, а переключатель 5 - в положении а . В этом положении осущестм вляется измерение К 1,С-параметров последовательных схем замещения (фиг.2 а, б), Квадратор 13 имеет функцию преобразов;.ния нида У=а,а, Ц (С), где Н - его входное напряжение; а, а, - соответственно аддитивная и мультипликатнвная составляющие его коэффициента передачи. В первом цикле измерения контакт "1" переключателя 11находится в положении а , а контакт11 - в положении ) . Образцовые элементы блоков 8 - 10 в этом такте представляют собой активные сопротивления КК и К, Ток в цепи генератора 1 равен г - импедацс измеряемого сопротивления 3;2 - внутреннее сопротивление б)((импеданс генератора 1; П,(с) - его выходное напряжение. 15Напряжение Б (г.)=1,2 усиливается усилителем 12 с коэч)цциецтом усиления К и подается ца вход квадратора 13, Его выходное напряжение Б(= а +а, К 13 в АЦП 14 20 с функцией преобразования )П) вида Г 1=Ь +Ъ ьпреобразует напряжение Б(г) в Б =Ь + Ь, а,+ а,К Б(г)1 где х, у - сОответственно синфаэцаяи квадратурная составляющие импеданса 2, 30Ь Ь, - аддитивная и мультипликативная составляющие функции передачи АИП 14.Код Г 14 счить)нает(.я микро-ЭВГ 19 через буфер 15 и запоминается в35 ОЗУ 21.Во втором цикле измере)и(я контакт 11 переключателя 1 переводится в полджецие С . Суммарный импедацс сопротивлений 2и К, равен 40 25 1 г = (к+к )+-. -- ,2 1(. С а квадрат модуля импедацса,2НапРЯжецие ог (ь) =а+а К 1,27 преобразуется в А 11 П 14 в кодК, = Ь +Ь, (а а,К 1, 2 , (3) который Фиксируется в оперативном запоминающем устройстве 21 микро-ЭВИ 19.В третьем цикле измереция контакт 11 переключателя 1 переводится 55 в положение 3, При этом суммарный иипедацс сопротивления 3 ц блоков 8 и 9 ранец ци) К.К +К .2 +2г =(к+к +к )+- - ,-г 3 о ога квадрат модуляг г 12 = (К+К +К ) +5 о ог И СкНа вход усилителя 12 поступает напряжение 05(С)=,(1) 25, Выходное напряжение квадратора 13 Б(С)а +а,К 1.(с) в АЦП 4 преобразуется в число имйульсовК, = Ь,+Ь, (а +а К а)24, (4)которое фиксируется в ОЗУ 21. КодыГц а Гг ц Г 1 г 5 удовлетворяют системеуравненийК =ЬЬ (а+а К ( (Ь)(К+- - -12 .7 2 11 О О %угС 7 кК=ЬЬ, а +а К (,(Ь)(К+ К,) +1(6)прц Ко( Ког КОКо (Г-Г) - 41 Б(г -Г)К = (7) 2 2(Г 4, -Г) - (Г 1, - .Г 1 ц )Операция 7 выполняется в микро- ЭВМ 19, а результат вычислен)(й пропорционален значению сопротивления К двухкомпонецтных схем.При измерении значения С или 14 (фцг,2 оа) в качестве образцовых элементов блоков 8 и 9 используются образцовые емкости СС г или ин" дуктивностн Ь Ь при измерениях по схемах а исоответственно.При измерении емкости С черезизмеряемое комплексное сопротивление3 и образцовые элементы блоков 8и 9 протекает ток 1,2(1:). В первомцикле измерения переключатель 111 43 и -3 Иг Х 71 2 41 Со 7 Э+ 1 г 211 ггМг +Иг -2 БггС2 С407, -3117, -Й Операция вычисления (0) осущест вляется в микро-ЭВИ 19.Если измеряемый двухполюсник ычеет вид фиг.26, в качестве элементов блока 8 используются активные сопротивления р, 1 а элементов блоков 9 и 10 - индуктивности 1.р, и 1.рг, Приэтом в первом цикле переключатель 11 (11) находится в положении С, во втором цикле - в положении д, а в третьем цикле в положении е, Со противленне К, блока 8 в первом цикле равно сумме внутренних сопротивлений образцовых индуктивностейК и К 1,рг, т.е. Ко Кьо + Ког во втором оно равно К, , а в 55рг ф третьем - нулю. Тогда преобразуемые квадраты модулей импедансов уг 1.. г 72 =К,+И(1.+1,)Е = К + 41(т. + 1. + 1.) где К "К + К + Кко Ога соответствующие им коды, заФиксировацные в ОЗУ 1, удовлетворяют системе уравнений И 1 Ь+Ь а+аКд (й)(К+ыЬ)В =Ь +Ь, а +а,К д (с)К, + иэ которой при 1 о, 1., = 1 в микро-ЭВИ 19 по Формуле. Гф"" (з)2 2117 -И, ) - (з 1-1 Н ) определяется искомая индуктивность.Измерение К 1.С-параметров двухкомонецтных элементов с параллельной схемой замещения ( Фиг.2 р, г) осуществляется путем измерения проводимости эквивалентных цепей и представления ее через проводимости - снцФазную Сс и квадратурную Ск, т.е. С =С +С . Для схемы фиг.2 в С гс с1 . 7 гС =Р С а для схемыКф 1 7 1 2фиг,2 г С = 7 Сс Кг к вом цикле измерения переключатели4 и 5 находятся в положении б , переключатель 11 (1) - в положении О,а 11 (11) - в положецие 3, Блок 1 Ообразцовых элементов представляетсобой активное сопротивление К.11 рн измерении фиг.2 о в первом цикле ток (с) генератора 1 проходитчерез Е=Е, сопротивление 3 и сопротивление 1. блока 10. Во второмцикле переключатель 4 переводится вположение 1 и параллельно сопротивлению 3 включается синФаэная образцовая проводимость Ср 1 . В третьем цикле переключатель 4 переводится в положение С и параллельно КЕ включается образцовая проводимость СРг еТак какггС == С + СЕг с к.(22) С = - "(С +С ) +С1с о 1 к ьг гто находя разность Сг -С, 2 С, С, +г+С , можно определить значениео ьг г гС - С - СДфс 2 С г гДля нахождения С и С, в первом цикле Е преобразуется в код числа н и, щ ь +ь, а +а,к 1, (ь) е, (35) а во втором цикле - в код числа И МЬ,+Ь, а +а, К (, (ь) Е (16) В третьем цикле переключатель 11 (1) переводится в положение 3, а переключатель 11(И)- в положение е . 30 При этом напряжение ).1Ко, снижаемое с сопротивления Ко, преобразуется в код Мь, - ьь,а,+а,к,(ь) ь,.,В четвертом цикле переключатель 4 переводится в положение Ъ, а переключатель 5 - в положение С,Здесь на вход ОЗУ поступает код30 числа 1(4 Ьо аа (18)Вычитая М -М 4, М,-И 4 и К -1)14, находим систему уравнений 351 1 115 114 1 7- =С + С2 Кг К - нс к 14 о 11)1 -И, г г- в - =(С +С ) +С ,К И -Ы, о о( кье 440 из которой определяем значение сннфаэ 1 ной составляющей прн С = виз вью(2 О) К 2 К И -К 4 И -И,Квадратурная составляющая проводимость находится из соотношения Частота й колебаний г.(С) преобразуется преобразователем 16 частоты в код, а результат заносится микро-ЭВИ 19 через тристабильный буфер 17, В случае схемы фиг,2 г С-- , тогк у ь да с учетом значений С, Се и Г индуктивность определится иэ выражения При наличии образцовых мер реактивной проводимости процесс измерения ЕС-параметров осуществляется слеследующим образом. Переключатель 4 переводится в положение с, а переключатель 5 - в положение 1) . Блок 7 образцовых проводимостей представляет собой набор образцовых проводимостей. Для схемы фиг.2 3 параллельно к емкости С подключается образцовая емкость С, а для схемы фиг.22 образцовая индуктивность Ео во вторых циклах измерения. При этом для схемы фиг.2 6 блок 1 О образцовых элементов представляет собой образцовую емкость С , а для схемы фиг.2 г образцовую индуктивность Ь . В этом случае уравнения 15 - 18 принимают вид 1)1( Ьо+Ь, (а +а, К 1 (с)2)г);11 г " Ь +Ь, (а +а,К 1(с)2)(г); (25)Ь Ь (а +а К 1 г2114 Ь+Ь, аггде 2 1/сд Со при анализе схемыфнг,2 он 2 = со 1 для схемы фнг,2.Отсюдаг 1(1 -МгС -цС --- -=С + Со д с к 1С - С - - -=С +(С +С );г г г Б -11411го к о ь1 ФгС -С -Са С= в -д,2 С Подставляя энач е ния С , С, н С э,имеем Со И-И 4 Ба-В, С.,.2 Йг -Б 4 11, -11(27) Ь 2 Ь И-И 4 И -И, 14 1 4 Коды чисел 11 М, г, "г запоминаются в ОЗУ 21 и обрабатываются в микро-ЭВИ 19. Результаты обработки заносятся в блок 2 отображения информации.Иэ выражений (7), (10), (13), (21), (261 и (27) следует, что результат измерения ицвариантен к значению частоты Г, параметрам Ьо, Ь АЦП 14, а , а, квадратора 13, коэффициенту передачи К усилителя,О 15 20 Обеспечение возможности устранения влияния параметров усилителя 12 обеспечивает возможность измерения ВЬС- параметров полупроводниковых элементов в диапазоне частот с:алым уровнем напряжения ца цих, что гарантирует их работоспособность после провецения измерений. ф о р м у л а изобретения30 Цифровой измеритель 111,С -параметров, содержащий генератор сцнусоидального напряжения, первый блок образцовьгх элементов и времяцпульсный аналого-циФровой преобрдэс 1 натель, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений в широком частотном диапазоне в него введены второй и третий блоки образцовых элементов, два блока образцовых проводимостей, первый и второй переключатели, двухполюсцы переключатель, усилитель, квадрдтор, преобразователь частоты в код, регистр команд, блок отображения информации, два тристабильных буфера и микро-ЭВМ, содержащая микропроцессор, оперативное ц постоянное запоминающие устройства, причем к шине данных микропроцессора подключены информационные входы регистра коиацд блока отображения информации, шины данных оперативного и постоянного запо - минающих устрсйств, а также ицформа ционцые выходы первого и второго тристабильных буферов, с шиной адреса микропроцессора соединены адресные вхсд первого и второго тристдбцльцых буферн, регистра команд, оперативного и постоянного запоминающи устройств и блока отображения информации, а к шине управления микропроцессора подключены шины управлениядвух тристдбцльцых буферов, регистракоманд, оперативного и постоянногозапоминающих устройств и блока отображения информации, причем информационный вход первого буфера соединен через преобразователь частоть вкод с выходами генератора сицусоидальцого напряжения, с первым иэ которых соединены пс рные зажимы первогои второго блоков образцовых проводиыосте, иэгеряеього комплексного сопротцвлецця и первый неподнижцьй контакт двухполюсного переключателя,второй неподвижный контакт которогосоединен с вторьм зажимом измеряемогокомплексного сопротивления и подвижным контактом второго переключателя,первый цеподвцжгый контакт которого подключен к первому зажиму первого блока образцовых элементов, вторыи зажимом соединенного с третьимцеподвгжгыи контактом двухполюсного переключателя ц первым зажимомвторого блока образцовых эхементов,второй зажим которого соедицец сподвижным коцгдктои первого перекгнс 1 дтеля, д также с вторым неподгцмцым контактом второго переключдтеля, четвертым негодтзгжцыы ;оцтактои двухполюсного переключателя итервым зажимом третьего блока образцовых элеиец гон, вторым зажимомсоедгцеццого с вторым выходом генератора сццусоидальцого напряжения и пятьг пепс 1 джкцыи контактомднухпо;пс 1 сцс го переключателя, первыйи второй подагл ный контакты котор 4 го цодкочецы к двум входам усилителя соответственно, два выхода которого соедицецы с нходаыи квадраторд, выход котороо подключен квходу вреиянипульсного дцдлого-цифрово Го 1 еобрдзодтеляпьходцая ицакоторого подключена к информационному входу второго буфера, первый итретгй неподвижный контакты первого переключателя соединегы с вторыми зажимами первого и второго блоков образцовых пронодимостей соответственно, а второй цеподви:;ный контактпервого перключателя и третий неподвижный контакт второго переклюФиг. 2 Составитель В.СтуканТехред И,Верес Корректор В.Бутяга Редактор О.Бугир Заказ 4619/47 Тирал 728 Подписное ВНЮПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 13035, Иосква, Ж, Рауаская наб., д. 4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г.уагород, ул.Проектная,4 чателя являются нейтральными, приэтом восемь выходов регистра командподключены к управляющим входам первого и второго переключателей, двух 252739 12полюсного переключателя, двух блоков образцовых проводимостей и трехблоков образцовых элементов соответственно.