Способ измерения параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников

(72) Авторы изобретен Бе йчук Бдв,(71) Заявитель(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НЕРЕЗОНАНСНЫХ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ жность процесса уравновешиврех регулирующих органовое быстродействие, а такжзме ения малых емкостей является сло ри помощии как авдствие цееИзобретение относится к электроизмеритель ной технике, в частности к измерению и контролю параметров трехэлементных нерезонансных двухполюсников, имеющих конечное сопротивление на постоянном токе, и может быть5 использовано для измерения и контроля параметров полупроводниковых структур и тонких пленок при производстве полупроводниковых приборов. для измерения параметров процессов на границе электрод-раствор в электрохимии и влагометрии.Известен способ измерения сложных комплексных сопротивлений, заключающийся в том, что симметричный мост питают прямоутольными импульсами напряжения с длительностью, большей длительности переходных процессов в нем и, используя форму импульсов напряжения разбаланса, уравновешивают его попеременной регулировкой образцовых элементов, попеременно с упомянутыми длинными прямо. угольными импульсами подают короткие прямоугольные импульсы с длительностью, близкой к длительности передних фронтов длинных импульсов и, для уравновешивания по активному сопротивлению, используют импульсы напр жения разбаланса, вызванные короткими импульсами питания 11.Недостатком известного способа измерения кая точность и р н противлений, обусловленная неидеальностью фронтов импульсов.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения па. раметров нерезонансных пассивных трехэлемен ных двухполюсников, существенными призна. ками которого являются преобразование комплексных сопротивлений (проводимостей) в ак тивную величину определенного вида, сравне. ние последней с синфазными (противофазными), компенсирующими сигналами, изменение частоты напряжения питания измерительной пи до наступления квазиравновесия, характ ризуемое максимальным значением реактив. ной составляющей, компенсируя часть активной составляющей величины, приводят измери.тельную цепь во второе квазиравновесие, характеризуемое равенством упомянутой реакт:зной и нсскомпенсированной активной состав.ляющих величин 2.Недостаток этого способа измерения заключается в низком быстродействии из-за сложности процесса измерения и его релаизации. Измерительную цепь необходимо привести вначале в одно квазиравновесие, характеризуемое. определенными признаками, затем в другоекваэиравновесие, характеризуемое другими признаками, и только после этого производятсяизмерения, вычисления и отсчеты измеряемыхпараметров,Целью изобретения является повышениебыстродействия измерений,Поставленная цель достигается тем, чтосогласно способу измерения параметров иере;зонансных трехэлементных двухполюсников,.включающему подачу на контролируемый нерезонансный трехэлементный двухполюсник напряжения гармонического сигнала, изменениечастоты напряжения гармонического сигнала,частоту напряжения гармонического сигнала изменяют до получения экстремального значениятангенса угла потерь или фазового сдвига,вносимого контролируемым нерезонанснымтрехэлементным двухполюсником, фиксируютв момент достижения экстремального значениятангенса угла потерь фазового сдвигазначение частоты напряжения гармоническогосигнала и, на фиксированном значении последней измеряют модуль комплексного сопротивления (проводимости) контролируемого нерезонансного трехзлементного двухполюсника. и его, сопротивление (проводимость) на посто.янном токе, по измеренным значениям опре.деляют параметры контролируемого нерезонансного трехзлементного двухполюсника.На фиг. 1 представлен пример реализацииспособа измерения; на фиг, 2 - виды нерезонансных трехэлементных двухполюсников;. на фиг, 3 - 6 - примеры реализации способаизмерения для конкретных видов нереэонансных трехэлементных двухйолюсников.Устройство реализации способа измерения(фиг, 1) содержит контролируемый нерезонансньй трехэлементный двухполюсник 1, изме.ритель 2, ключ 3, источник 4 постоянного напряжения, автоматический программируемыйвычислитель 5, ключ 6, генератор 7 гармонического сигнала, фазометр 8, преобразователь 9тока в напряжение, частотомер 10, измеритель11 модуля комплексного сопротивления, табло 12 - 14. На фиг. 2 изображены конденсаторы 15 и 16, активные проводимости 17 и 18,резисторы 19 - 24, катушки индуктивности 25и 26. На фиг. 3 приведены те же обозначения,что и на фиг. 1, и дополнительно приведены3 10 15 20 конденсатор 15 (С), активная проводимость 17 (У), резистор 19 (В), амперметр постоянного и переменного тока 27, измеритель тангенса угла потерь 28, частотомер 29. На фиг. 4 приведены те же обозначения, что и на фиг. 3, и дополнительно приведены катушка индуктивности 25 (1.), активная проводимость 18 (У), резистор 20 (В), усилитель 30, образцовый резистор 31, фильтр нижних частот 32, фильтр верхних частот 33, вольтметр постоянного то. ка 34, вольтметр переменного тока 35. На фиг, 5 приведены те же обозначения, что и на фиг. 4 и дополнительно приведены резисторы 21 (В) и 22 (В,), конденсатор 16 (С), измерители на постоянном и переменном токе 36 и 37. На фиг, 6 приведены те же обозначения, что и на фиг. 5, и дополнительно приведены резисторы 23 (В) и 24 (В 1), катушка индуктивности 26 (1.), генератор тока изменяющейся частоты 38, источник постоянного тока 39, вольтметр 40.Сущность изобретения заключается в следующем. Измеряют сопротивление контролируемого нерезонансного трехэлемеитного двухполюсника 1 на постоянном токе (фиг. 1) при помощи измерителя 2, при этом измеритель 2 идвухполюсник 1 (контролируемьй нерезонансньй трехэлементный) питаются .череззамкнутый ключ 3 от источника 4 постоянного на.пряжения, Результат измерения с измерителя 2поступает в виде цифрового кода на автоматический программируемьй вычислитель 5,в котором запоминается измеренное значение,После этого ключ 3 размыкается, а ключ 6замыкается, Изменяют частоту генератора 7гармонического сигнала, следят за показаниями фазометра 8, один вход которого подклю.чен к одной клемме контролируемого нерезо.40нансного трехэлементного двухполюсника, авторой вход - ко второй клемме последнегочерез преобразователь 9 тока в напряжение,При достижении максимума или минимумапоказаний фазометра 8 процесс изменения час 4 ф тоты генератора 7 гармонического сигнала прекращают, и проводят измерение частоты сдсигнала частотомером 10, а также измеряютйзмерителем 11 модуль комплексного сопротив-ления контролируемого нерезонансного трехФб элементного двухполюсника 1. Измеренные значения в виде цифрового кода поступают ввычислитель 5. Вычислитель 5 по заданной программе производит обработку результатов измерений. Программа вычислителю 5 задается Я в зависимости от вида схемы контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника. Результаты вычислений высвечиваютсява цифровых табло 12 - 14 и соответствуют890270 3 10 3 20 Ко КВ,Кг - Кг Ко - К со К Кго- КоКз ю (К - К, ) Ког гВ,Ко Ке К -Ко г г Ко Кг иК параметрам контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника, 1, Так, например, если обозначить сопротивление контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 напостоянном токе через Ко, а модуль комплексного сопротивления через К при частоте ы то для схемы контролиру. емого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1,чзображенной на фиг, 2, емкость конденсатора 15 (С), проводимость активной проводимости 17 (В 1) и сопротивление резистора 19 (В) вычисляются следующим образом" = Ко Для двухполюсника (фиг, 2 б), состоящего иэ катушки индуктивности 25 (.), проводимости 18 (Я,) и резистора 20 (В)КгВ =Ко Для двухполюсника (фиг. 2 в), состоящего из резистора 21 (В 2 резистора 22 (В,), конденсатора 16 (С можно записать:КгВ =7Ко(К, - К)Для двухполюсника (фиг, 2 г), состоящегоиз резисторов 23 (В) и 24 (В,) и катушкииндуктивности 26искомые параметрыопределяются следующим образом:В = Ко 6.П р и м е р 1. На фиг. 3 приведена принципиальная схема устройства, реализующая способ измерения, например, для двухполюсника, изображенного на фиг, 2 а. Контролируемый двухполюсник 1, состоящий из конденсатора 15 (С), активной проводимости 17 е (У,) и резистора 19 (Я) подключают через ключ б к генератору 7 гармонического сигна. ла, при этом второй полюс контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 подключают на корпус через амперметрпостоянного и переменного тока 27, Изменяют частоту сигнала генератора 7 гармонического сигнала до наступления минимума тангенса угла потерь контролируемого нереэонансного трехэлементного двухполюсника 1, фиксируют ее измерителем тангенса утла потерь 28, Пос. ле этого фиксируют частоту генератора 7 гармонического сигнала и измеряют период Т частоты фиксированного сигнала частотомером 29, Далее амперметром 27 измеряют- перемен. ный ток фиксированной частоты,нротекающий через контролируемый нереэонансный трехэлементный двухполюсник 1, Затем размыкают ключ23 б, и замыкают ключ 3, тем самым подключают контролируемый нерезонансный трехэлементный двухполюсник 1 к источнику 4 постоянного напряжения, и амперметром 27 измеряютпостоянный ток о, протекающий через контЗ 0 ролируемый нерезонансный трехэлементныйдвухполюсник 1 Бсли выходное напряжение источника 4 постоянного напряжения и генера.тора 7 гармонического сигнала равно О, топроводимость контролируемого нерезонансного3трехэлементного двухполюсника 1.на постоянномтоке определяется, как Уо = о/О, а проводимость на фиксированной частоте, - как У == /О. По измеренным величинам определяютискомые параметры контролируемого нерезо.нансного трехэлементного двухполюсника 1 -Я, УВ = 1/Уо,У, = У 6 - Уо,С = Т(У - Уой),43где 6 = У/УоП р и м е р 2. (Фиг. 4) . Способ реализуется следующим образом. Изменяют часто.ту генератора 7 гармонического сигнала до достижения на фазометре 8 максимальных показаний, и в этот момент времени фиксируют50частоту генератора 7 гармонического сигналаЗатем производят одновременное измерение час.тоты ог частотомером 10, постоянного напряжения Оо - вольтметром 34 и переменного напряжения О - вольтметром 35. По измерен.ным величинам и, Оо, О легко определяютискомые параметры контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1:., У В, Если принять сопротивление резисто0270 О 1 26 И ЗО 33 7 89ра 31 и напряжение источника 4 постоянногонапряжения и напряжение генератора 7 гармонического сигнала равными единичным значениям, тогда напряжения Оо и О будут численно равны соответственно проводимости Уоконтролируемого нерезонансного трехэлемент,ного двухполюсника 1 на постоянном токеи проводимости 4 контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 нафиксированной частоте, В этом случае величина индуктивности катушки индуктивности 25(1.) определяется как1 = 1/ (1 - 0) ыУ;а активная проводимость 18 (У,), какУо - У 0и сопротивление резистора 20 (В), какВ У /У 2где 0 = У/Уо .П р и м е р 3. (Фиг. 5), Способ реализуется следующим образом. Изменяют частотугенератора 7 гармонического сигнала до достижения на фазометре 8 максимальных показаний, и в этот момент времени фиксируютчастоту генератора 7 гармонического сигнала,Затем производят одновременное измерение:периода сигнала частотомером 29, коэффйциен.та передачи усилителя 30 на постоянном токеизмерителем 36 и коэффициента передачи усилителя 30 на фиксированной частоте измерителем 37. По измерительным величинам легкоопределяются искомые параметры контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1; В, В, С, Если, для простоты, сопротивления образцового резистора 31 принятьравными единичному зйачению, то коэффициен.ты передачи усилителя 30 на постоянном токе и на фиксированной частоте будут соответственно равны сопротивлению контролируемогонерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 на постоянном токе (Ко) и сопротивле.нию контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 на фиксированнойчастоте (К), и если период сигнала на фиксирующей частоте равен Т, то искомые параметры находятся следующим образом:В= К 7В 1 = Ко - 7 КС Т/ (1 - 7 ) Кгде 7 - отношение сопротивления контроли.руемого нерезонансного трехэлементного двух.полюсника 1 К к сопоотивлению Ко,П р и м е р 4, (Фиг. 6), Способ реализу. ется следующим образом. Изменяют частоту генератора тока изменяющейся частоты 38, предварительно .замкнув ключ 6, до достижения минимального значения тангенса угла по. терь контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1, которое фиксируется измерителем тангенса угла потерь 28, который имеет два входа - один вход с высокимвходным сопротивлением, другой - с низким.После достижения минимального значения тангенса угла потерь фиксируют частоту генератора тока изменяющейся частоты 38, и измеряют падение напряжения О на контролируемом нерезонансном трехэлементном двухполюснике 1 при помощи вольтметра 40, а затем измеряют период Т синусоидального сигнала генератора тока изменяющейся частоты 38частотомером 29, Далее размыкают ключ 6,замыкают ключ 3, и измеряют падение напряжения Оо на контролируемом нерезонансномтрехэлементном двухполюснике 1 при помощивольтметра 40. По измеренным величинам О,Оо, Т легко определяются искомые параметры контролируемого нерезонансного трехэле.ментного двухполюсника 1: В, В 1 Примемтоки генератора тока изменяющейся частоты 38и тока источника постоянного тока 39 одинаковыми и равными единичному значению, тогда сопротивление Ко контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 напостоянном токе будет численно равно напряжению Оо, измеренному вольтметром 40, а сопротивление К на фиксированнойчастоте такжечисленно равно напряжению О, измеренномувольтметром 40, Искомые параметры контролируемого нерезонансного трехэлементного двух полюсника 1 находятся следующим образом:КоК 7 - Ко1. = Т (К - Ко/7 )где 7 - отношение сопротивления контролируемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника 1 К к сопротивлению Ко,Формула изобретения Способ измерении параметров нерезонансныхтрехэлементных двухполюсников, включающий. подачу на контролируемый нерезонансный трехэлементный двухполюсник напряжения гармонического сигнала, изменение частоты напряжения гармонического сигнала, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышениябыстродействия измерений, частоту напряжениягармонического сигнала изменяют до получения экстремального значения тангенса углапотерь или фазового сдвига, вносимого контролируемым нерезонансным трехэлементнымдвухполюсником, фиксируют в момент достижения экстремального значения тангенса угла ф потерь или фазового сдвига значение частотынапряжения гармонического сигнала и, на фиксированном значении последней измеряют модуль комплексного сопротивления (проводи890270 мости) контролируемого нереэонансного трех.элементного двухполюсника и его сопротивление (проводимость) на постоянном токе, поизмеренным значениям определяют параметрыконтролируемого нерезонансното трехэлементного двухполюсника. 10 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР У 344367,кл. 6 01 й 17/10, 09.11.70. 2, Авторское свидетельство СССР Мф 234508. кл. 6 01 й 31/26, 18.12,67 (прототип),Проектная, 4 илиал ППП "Патент", г. Ужг ктор О, Персияндева оставнтель П, Сехред Т.Маточка комитета СССР открытийушская наб д. 4/5