Цифровой измеритель добротности

СООЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ БЛИК й 27/ 51) ИГЕ ТКРЫТИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫИПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВ кое кл ОВ(56) Авторское свидетельство СССР М. 1367700, кл. 0 01 й 27/26, 1988.Автоос свидетельство СССР М. 1443582, . 6 01 В 27/26, 1988,(54) ЦИФР ОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДОБРОТНОСТИ(57) Изобретение относится к электронно- измерительной технике, в частности, предназначено для измерения добротности и емкости варикапов. Цель изобретения - повышение точности - достигается путем введения аналого-цифрового преобразователя 7, контроллера 8, переключателя 17 и сумматора 14, позволяющих устранить погреш 1647456 А 1 ность от кусочно-линейной аппроксимации. При отсутствии на измерительных зажимах исследуемого варикапа 26 производится калибровка цифрового измерителя добротности. На вход сумматора 14 через ключ 16 поступает нулевой потенциал (переключатель 17 в положении "калибровка"). Подается сигнал сброса, устанавливающий блок 27 управления и реверсивный счетчик 12 в исходное состояние, По сигналу пуска в единичное состояние устанавливается триггер блока управления, а его тактовый генератор начинает формировать импульсы напряжения, Реверсивный счетчик 12 управляет цифроаналоговым преобразователем 13. напряжение с его выхода через сумматор 14 и элемент 23 разводки поступает на варикап 18 настройки измерительного контура 3 в резонанс на частоте высокочастотного генератора 2. Импульс выхода детектора 5 по1647456 30 40 является пятым входом измерительного 45 50 ступает на вход ключа 6 и ключа блока управления. В режиме измерения переключатель 17 подключает к входу ключа 16 напряжение с выхода источника 15 напряжения, Контроллер 8, коммутируя ключ 6 и запуская аналогоИзобретение относится к электронно- измерительной технике и предназначено для измерения добротности и емкости вари- капов.Целью изобретения является повышение точности измерения.На фиг.1 приведена блок-схема цифрового измерителя добротности; на фиг.2 - блок-схема блока управления. Цифровой измеритель добротности содержит источник 1 напряжения смещения, высокочастотный генератор 2, измерительный контур 3, высокочастотный усилитель 4, детектор 5, ключ 6, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, контроллер 8, блок 9 индикации, содержащий цифровой индикатор 10 добротности и цифровой индикатор 11 емкости, реверсивный счетчик 12, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13, .аналоговый сумматор 14, источник 15 напряжения, ключ 16, переключатель 17. Измерительный контур 3 содержит варикап 18 настройки контура в резонанс, конденсатор 19. элемент 20 связи. конденсатор 21, катушку 22 индуктивности, элементы 23 и 24 развязки, конденсатор 25 (элемент связи), К четвертому и пятому входам измерительного контура 3 подключен исследуемый варикап 26,Измеритель имеет блок 27 управления, содержащий ключ 28, пиковый детектор 29, аналоговый инвертор 30, суммирующий усилитель 31, компаратор 32, элемент ИЛИ 33, триггер 34, элемент И 35, элемент ИЛИ 36, тактовый генератор 37, элемент И 38, счетчик 39 импульсов, ЦАП 40, инвертор 41, триггер 42, элемент И 43, счетчик 44 импульсов, триггер 45.Высокочастотный усилитель 4, детектор 5, ключ 6, АЦП 7, контроллер 8 и блок 9 индикации соединены последовательно.Второй выход АЦП 7 (выход "Конец преобразования") соединен с вторым входом контроллера 8, третий (управляющий) выход которого соединен с вторым входом (входом пуска) АЦП 7. Второй вход ключа 6 соединен с первым (управляющим) входом измерительного контура 3. второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами высокочастотного генератора 2 и ис 5 10 15 20 25 цифровой преобразователь 7, производит вычисление добротности и емкости исследуемого варикапа 26, значения которых выводит на цифровые индикаторы 10 и 11 блока 9 индикации, 1 з.п. ф-лы, 2 ил. точника 1 напряжения смещения. Второй вход ключа 6 соединен также с выходом сумматора 14, первый вход которого подключен к выходу ЦАП 13, а второй вход - к выходу ключа 16. Третий (управляющий) вход ключа 6 подключен к второму выходу контроллера 8. Первый вход ключа 6 соединен также с первым входом блока 27 управления, второй вход которого соединен с вторым выходом (выходом переноса) реверсивного счетчика 12. Первый (суммирующий) вход счетчика 12 соединен с вторым выходом блока 27 управления, а второй (вычитающий) вход - с третьим выходом блока 27 управления, первый выход которого соединен с третьим входом контроллера 8, четвертый вход которого соединен с вторым входом ключа 16 и выходом переключателя 17, Третий вход блока 27 управления подключен к шине запуска, четвертый вход - к шине сброса и к третьему входу реверсивного счетчика 12, первый выход которого соединен с входом ЦАП 13. Первый выход источника 15 напряжения подключен к первому входу ключа 16, третий вход которого соединен с общей шиной. Второй выход источника 15 напряжения соединен с первым входом переключателя 17, второй вход которого подключен к общей шине, выход измерительного контура 3 соединен с входом высокочастотного усилителя 4. Первый вывод конденсатора 25 является вторым входом измерительного контура 3, второй вывод соединен с первым выводом резистора 24, с первым выводом катушки 22 индуктивности и первым выводом конденсатора 21, второй вывод которого соединен с анодом варикапа 18 настройки измерительного контура 3 в резонанс и с об 1 цей шиной и контура 3, Катод ваоикапа 18 через конденсатор 19 соединен с вторым выводом катушки 22 индуктивности, который является четвертым входом измерительного контура 3, Катод варикапа 18 через резистор 23 соединен также с первым входом измерительного контура 3. Второй вывод резистора 24 является третьим входом измерительного контура 3, выход которого через элемент 20 связи соединен с общей шиной.5 10 15 20 25 35 40 50 Первый вход суммирующего усилителя 31 соединен с первым входом блока 27 управления, второй вход усилителя 31 соединен с выходом аналогового инвертора 30, выход усилителя 31 соединен с первым входом компарэтора 32, второй вход которого соединен с выходом ЦАП 40, Выход компаратора 32 соединен с первым входом элемента ИЛИ 33, второй вход которого соединен с шиной сброса и является четвертым входом блока 27 управления, Выход элемента ИЛИ 33 соединен с й-входом триггера 34, Я - вход которого соединен с шиной запуска и является третьим входом блока 27 управления. Выход триггера 34 соединен с первым входом элемента И 35, второй вход которого соединен с выходом тактового генератора 37. Выход элемента И 35 соединен с первым входом элемента ИЛИ 36, второй вход которого соединен с выходом элемента И 43. Выход элемента ИЛИ 36 является вторым выходом блока 27 управления. Первый вход элемента И 43 соединен с выходом инвертора 41, второй вход - с выходом триггера 42, В-вход которого соединен с шиной сброса, а Я-вход - с выходом компаратора 32, первым входом элемента И 38 и входом инвертора 41. Второй вход элемента И 38 соединен с выходом тактового генератора 37. Выход элемента И 38 соединен со счетным входом счетчика 39, В-вход которого соединен с шиной сброса. Выход счетчика 39 соединен с входом ЦАП 40. Первый вход тактового генератора 37 соединен с шиной запуска, второй вход - с первым выходом блока 27 управления и первым выходом счетчика 44, второй выход которого соединен с третьим выходом блока управления. Счетный вход счетчика 44 соединен с выходом тактового генератора 37. Вход аналогового инвертора 30 соединен с первым (информационным) выходом ключа 28, первый (управляющий) вход которого соединен с выходом триггера 45, второй (информационный) вход - с клеммой опорного сигнала, третий (информационный) вход - с первым входом блока 27 управления, 5-вход триггера 45 соединен с вторым входом блока управления, Я-вход - с шиной сброса, Выход пикового детектора 29 соединен с четвертым входом ключа 28, второй выход которого соединен с входом пикового детектора.Цифровой измеритель добротности работает следующим образом. При отсутствии на измерительных зажимах испытуемого варикапа 26 производится калибровка измерителя добротности. При этом на вход сумматора 14 через ключ 16 поступает нулевой потенциал (переключатель 17 в положении "калибровка" ). Подается сигнал "Сброс", который устанавливает блок 27 управления и реверсивный счетчик 12 в исходное состояние. По сигналу "Пуск", поступающему на вход блока управления, устанавливается в единичное состояние триггер 34. а тактовый генератор 37 начинает формировать импульсы напряжения, Эти импульсы через элементы И 35 и ИЛИ Зб поступают на суммирующий вход (+) реверсивного счетчика 12 (фиг,1). Счетчик 12 управляет ЦАП 13, и напряжение с его выхода через сумматор 14 и элемент 23 развязки поступает на варикэп 18 настройки контура 3 в резонанс. Этот варикап является и калибровочным, В режиме калибровки напряжение смещения, поступающее на варикап 18, изменяется (увеличивается) с нуля. Варикап 18 настройки выбирается таким, чтобы при малом напряжении смещения (примерно 0,8-1,5 В) его емкость позволяла настроить контур 3 в резонанс на частоте высокочастотного генератора 2. С поступлением напряжения смещения на варикап 18 контур 3 начинает настраиваться в резонанс, На выходе детектора 5, вход которого соединен с выходом высокочастотного усилителя 4, появляется колоколообразный импульс напряжения О ц, Этот импульс поступает на вход ключа 6 и ключа 28 (фиг,2). Так как триггер 45 блока 27 управления находится в нулевом состоянии, то О г через ключа 28 поступает на вход пикового детектора 29. На аналоговый инвертор 30 поступает напряжение+Оо, Пиковый детектор 5 выделяет и запоминает амплитудное значение напряжения Од, Точность выделения амплитудного значенияО зависит от крутизны нарастания изменяющегося напряжения смещения на варикапе 18, наклона вольтфарадной характеристики варикапа 18, постоянной времени детектора 5 и несколько отличается от истинного значения (как показали практические испытания, оно на 2 - 5 О меньше 0. Значение 001 выбирается из условия ОоО , при этом компаратор 32(фиг.2) не срабатывает,По окончании первого цикла счета счетчик 12 (фиг.1) формирует сигнал переноса, ко 1 орый поступает в блок 27 управления, После этого начинается второй цикл счета, при этом напряжение смещения из ЦАП 13 через сумматор 14 начинает подаваться нэ варикап 18 с нуля, Сигнал переноса устанавливает триггер 45 (фиг,2) в единичное состояние. При этом ключ 28 отключает Оц от1 входа пикового детектора 29 и подключает выход пикового детектора через инвертор 30 к входусуммирующего усилителя 31. ПриОггОг(Огрграничное значение Оц, Огрл 0,98 О р и выставляется инвертором 30) на выходе суммирующего усилителя 31 появляется сигнал, равный 10, (О д Огр), Коэффициен г 10 - коэффициент усиления усилителя 3 1, который берется примерно равным 10 для увеличения чувствительности системы при настройке контура в оезонанс, Сигнал с выхода усилителя 31 поступает на один из входов компаратора 32, и он устанавливается в единичное состояние, Сигнал с выхода компаратора через элемент ИЛИ ЗЗ поступает на Я-вход триггера 34, устанавливая его в нулевое состояние, Триггер 34 своим выходным сигналом, который поступает на один из входов элемента И 35, запоещает прохождение импульса с выхода тактового генератора 37 на выход элек ента ИЛИ 36, Кроме того, выходной сигнал компаратора 32 устанавливает в единичное состояние триггер 42, котооый разрешает прохождение сигналов с выхода компаратора 32 (здесь имеются в вису сигналы (перепады) на выходе компаратора 32 при его последующих срабатываниях) через инвертор 41, элемент И 43 и элемент ИЛИ Зб на вход счетчика 12 (фиг,1). Однов.1 еменно сигнал с выхода компаратора 32 разрешает прохождение импульсов с тактогого генера;ора 37 через элемент и 38 на вход счетчика 39, Выходной код счетчика 39 преобразуется в аналоговый сигнал с помощью ЦАП 40. Этот сигнал поступает на второй вход компаратора 32, При превышении выходным напряжением ЦАП 40 напряжения, поступающего с выхода суммирующего усилителя 31, компаратор 32 устанавливается е нулевое состояние. При этом импульсы с выхода тактового генератора 37 не поступают на вход счетчика 39, так как на вход элемента И 38 не подается запрещающий сигнал с выхода компаратора 32. Также перепад напряжения с выхода комг 1 аратора 32 через инвертор 41, элемент И 43 и элемент ИЛИ 36 поступает на суммирующий выход (+) блока 27 управления и далее на суммирующий вход (+) счетчика 12, добавляя в счетчике единицу (один импульс). При этом напряжение смещения, поступающее с выхода ЦАП 13 через сумматор 14 на варикап 18 (фиг,1), увеличивается на один квант, также возрастет О гг на выходе детектора 5 и на выходе суммирующего усилителя 31 (фиг.2), Так как выход усилителя 31 соединен с входом компаратора 32, то напряжение на этом входе превышает напряжение, поступающее на другой вход компаратора 32 с выхода ЦАП 40, и компаратор 32 устанавливается в единичное состояние, 10 Далее процесс настройки повторяется и продолжается до тех пор, пока после очередного возрастания на один квант напряжения смещения Осм напряжение на выходе детектора 5 О гг(фиг.1) не уменьшится, Процесс настройки в резонанс заканчивается. Через время Т, заданное таймером(счетчик 44 на фиг.2), на вычитающий вход реверсивного счетчика 12 (фиг.1) с выхода таймера 44 (-) поступает перепад напряжения, и напряжение смещения Осм уменьшается на один квант, а напряжение Оц возрастает до максимального и будет близким к амплитудному напряжению резонанса в контуре 3, При правильном выборезначения кванта напряжения смещения погрешность настройки контура в резонанс непревышает 0,1.20Время Т задается заведомо большиммаксимального времени настройки контурав резонанс. Использование плавающегозначения Огр, а не фиксированного позволяет значительно повысить быстродействиенастройки в резонанс, так как точная настройка в резонанс (после срабатываниякомпаратора 32 на фиг,2) в данном случаезанимает примерно одинаковое время длявсех значений аплитуды О г. О гг зависит от30 добротности испытуемого варикапа 26 иимеет значение - 4 - 10 В. Фиксированноезначение Огр необходимо было бы задавать.равным4 В, и настройка контура в резонанс для О гав=10 В занимала бы длительноевремя,Таймер 44 после срабатывания выключает тактовый генератор 37 и выдает сигнал"Конец настройки", которь;й поступает наконтроллер 8 (фиг.1), С прихоом сигнала40 Конец настройки контроллер выдает сигнал на ключ б, который подключает напряжение Ок входу АЦП 7, Затем контроллерзапускает АЦП 7, По сигналу АЦП "Конецпреобразования", который поступает на45 вход контроллера 8, последний считываетзначение Ои запоминает его в ОЗУ. Значение Ог в дальнейшем используется привычислении добротности для компенсациитемпературных дрейфов измерительноготракта. Калибровка измерителя добротности производится перед началом работы наизмерителе и по мере необходимости, придлительной работе измерителя, периодически через 3-4 ч,8 режиме "измерения" переключатегь17 подключает к входу ключа 16 напряжениеОо с выхода источника 15 напряжения. Значение Оо выбирается несколько большимнапряжения смещения, при котором насту1647456 Оц О-35 1О =ЧЧ + У Снастр Се =Ск Снастр Са =Ск - 1(Осм) пает резонансв измерительном контуре 3 при отсутствии на измерительных зажимах испытуемого варикапа 26, Сигнал Оо через переключатель 17 поступает также на вход контроллера 8. При поступлении испытуемого варикапа 26 на измерительные зажимы происходит настройка контура 3 в резонанс аналогичнО описанному выше.По окончании настройки контура 3 в резонанс иэ блока 27 управления поступает сигнал "Конец настройки" на контроллер 8. Контроллер, коммутируя ключ 6 и запуская АЦП 7, считывает последовательно значение Ои напряжение смещения Осм на варикапе 18 настройки и запоминает их в ОЗУ.После этого контроллер 8 производит вычисление добротности Оа и емкости С исследуемого варикапа 26. Добротность испытуемого варикапа определяется по фор- муле где О ц - добротность измерительного контура 3 с испытуемым варикапом;Ок - добротность измерительного контура 3 без испытуемого варикапа;С - емкость измерительного контура 3, соответствующая резонансу в контуре.Емкость испытуемого варикапа Са однозначно определяется емкостью варикапа 18 настройки Снастр в момент резонанса в контуре: С находят экспериментально, а емкость Снастр однозначно связана с напряжением смещения Осм на варикапе 18, т,е. Снастр=т(Осм). Эта зависимость определяется экспериментально и записывается в ПЗУ контроллера 8 с высокой точностью. Таким образом, емкость испытуемого варикапа 26 в процессе измерения определяется контроллером по формуле Добротность измерительного контура 3 О без испытуемого варикапа 26 определяется добротностью катушки 22 индуктивности 01. и добротностью варикапа 18 настройки Онастр При фиксированной (стабильной) амплитуде высокочастотного генератора 2 добротность измерительного контура 3 прямо пропорциональна напряжению на нем:Од=КОц, Ок=КОкгде К - коэффициент пропорциональности. Тода выражение (1) можно переписать Оа -- ОСо аДля вычисления Оа необходимо знатьКзначения - и О. Эти параметры измериС10тельного контура 3 определяются экспериментально с помощью трех мер добротности следующим образом.Берут три меры добротности с параметрами Ом 1, Ом 2, Омз и См 1=См 2=См, Смз ипоочередно подключают к измерительным зажимам вместо испытуемого варикапа 26, На выходе детектора 5 измеряют три значения напряжения О стм 1 О ам 2 и 0 амз Используя значения приведенных напряжений и известные параметры мер добротности, определяют паоаметры измерительного контура 3 Найденные параметры измерительного25 контура К К у Ы гнастрСкО С где гнаср - сопротиелени потерь варикапа18 настройки;о) - круговая частота, записываются вПЗУ контроллера 8,Контроллер производит вычисление Снятие трех значений Огтм 1, Ог 2 иО гикмз производится за короткий промежуток времени. Это необходимо для того, чтобы за время эксперимента не изменились параметры измерительного тракта изме рителя (высокочастотного генератора 2,измерительного контура 3, усилителя 4, элементов 20 и 25 связи). В этот промежуток времени производится калибровка измерителя (как описано выше), снимается с выхода детектора 5 значение О о и заносится в ПЗУ контроллера 8. Контроллер производит вычисление добротности испытуемого вари- капа с коррекцией результата. Коррекция необходима для устранения погрешности 55 определения добротности, вызванной временной и температурной нестабильностью измерительного тракта. Вычисление добротности с учетом коррекции производится по формуле;/Я Оакгде О ак - значение напряжения на выходедегектора 5, полученное при калибровке изМ 8 РИ ГОЛ Я,Зыачен.я добротности и емкости испыту 8 мого Варикапа контроллер Выводит нацифровые индикаторы 10 и 11 блока 9 индикации,В ц фровом измерителе добротностиОтсутствуОт погрешности от кусочно-линейной аппроксимации и динамические погрев нсст и Вычислительного устройства.1 ыходное: апряжение детектора 5 н 8 зависит ОКри Визнь Вольт-фарадной характерис гик Варикапа 18 настройки, что повышает 201 Оч.Ость изм 8 рсния добротности.Формула изобретения1. Цифровой измеритель добротОсти, 25 содержащий блок управления, последовательно соединенные реверсивный с ."Втчик и ЦИфсЗЛОГОВЫЙ П 08 ООРазоваТ 8 ЛЬ. ИЗМЕ рительный коь ур, источник напряжения смещения, высокочастотный генератор, по следовательно соединенные высокочастотный усилпель и детектор, последовательно соедине:ые источник напряжения и перВый кл)оч, а так 1",8 блок индикации, О т л и ч а ю ш, и й с я тем, что, с целью повышения 35 гочкости измерения, он содер кит последовательно соединенные второй клОч, аналого-цифровой преобразователь и контОоллер, первый выход которого соединен с блоком индикации, а также переключатель 40 и сумматор, причем первый вход второго ключа соединен с выходом детектора и первым входом блока управления, второй вход второго ключа соединен с первым входом измерительного контура и выходом сумма тора, третий вход второго ключа соединен с вторым выходом контроллера, третий выход которого соединен с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, второй выход которого соединен с вторым входом 50 контроллера, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым выходом блока управления и с вторым входом первого ключа, суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика 55 соединены соответственно с вторым и третьим выходами блока управления, второй выход счетчика соединен с вторым входом блока управления. выход цифроаналогового преобразователя соединен с первым входом аналогового сумматора, второй вход коорого соединен с выходом первого ключа, третий вход которого соединен с общей шиной, второй выход источника напряжения соединен с первым входом переключателя, второй вход которого соединен с общей шиной, выход переключателя соединен с вторым входом первого ключа, третий вход блока управления соединен с шиной запуска, четвертый вход блока управления соединен с шиной сброса и третьим входом реверсивного счетчика, второй и третий входы измерительного контура соединены соответственно с выходами высокочастотного генератора и источника напряжения смещения, выход измерительного контура подключен к входу высокочастотного усилителя, четвертый и пятый входь Измерительного контура представляют собой первую и вторую клеммы для подклочекия исследуелого варикапа,2, Измеритель поп,1,отл ичающийс я тем, что блок управления содержит суммирующий усилитель, два счетчика, цифроаналоговый преобразователь, три триггера, ключ, пиковый детектор, аналоговый инвертор, компаратор, два элемента ИЛИ, три элемента И. тактовый генератор и инвертор, 1 р:.чем первый вход с,ммирующего усилители соединен с первым входом блока управления, второй вход - с выходом аналогового инвертора, а Выход - с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, выход компаратора соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с шиной сброса, Выход элемента ИЛИ соединен с Я-входом первого триггера, Б;вход которого соединен с шиной запуска, выход первого триггера соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом тактового генератора, выход первого элемента И соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, выход второго элемента ИЛИ является вторым выходом блока управления, первый вход второго элемента И соединен с выходом инвертора, второй вход элемента И соединен с выходом второго триггера, Я-вход которого соединен с шиной сброса, а Я-вход - с выходом компаратора, первым входом третьего элемента И и входом инвертора, второй вход третьего эг 8- мента И соединен с выходом тактового генератора, выход третьего элемента И соединен со счетным входом первого счетчика, В-вход которого соединен с шиной сброса, а выход - с входом цифроаналогового пре13 1647456 14 Составитель Ю.МинкинТехред М,Моргентал Корректор М.Шарош Редактор Т.Юрчи аказ 1648 В Н И И ПИ Госуда Тираж 424 Подписное венного комитета по изобретениям и открыти 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5 при ГКНТ ССС роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 обрэзователя, первый вход тактового генератора соединен с шиной запуска, второй вход - с первым выходом блока управления и первым выходом второго счетчика, второй выход которого соединен с третьим выхо дом блока управления, а счетный вход - с выходом тактового генератора, вход аналогового инвертора соединен с первым выходом ключа, первый вход которого соединен с выходом третьего триггера, второй вход - склеммой опорного сигнала, а третий вход - с первым входом блока управления, Я-вход третьего триггера соединен с вторым входом блока управления, а К-вход - с шиной сброса, выход пикового детектора соединен с четвертым входом ключа. второй выход которого соединен с входом пикового детектора.