Цифровой измеритель параметров комплексного сопротивления

.Макухюк, С Савенко 8 СССР 972,ельств 27/26,слов ск н Ю,С.87. Е.П. вов: ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ(54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВКОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к областицифровой электроизмерительной техники, Цифровой измеритель параметровкомплексного сопротивления содержитгенератор 1 синусоидального напряжения, усилитель 2 мощности, образцовый резистор 3, измеряемое комплексное сопротивление 4, переключатели 6.1 - 6.4 рода работ, операционный усилитель 5, цифровой от1437799 счетный блок 22, ицтегрирукяций аналого-временной преобразователь 14,генератор 11 образцовой частоты,квадратичный преобразователь 7, фазоинвертор 8, перемцажитель 10, переключатель 9, источник 12 напряжения смещения, циФроаналоговый преобразователь 13, элементы И 15, 18, 24,30, триггеры 16, 17, 23, счетчики Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано при построении измерителей К-, 1,- и С-параметров.Цель изобретения - повышение точности измерения в диапазоне частот.На фиг,1 приведена блок-схема цифрового измерителя. параметров комплекс. ного сопротивления; на Фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его ра боту.Цифровой измеритель содержит генератор 1 синусоидального напряжения, усилитель 2 мощности, образцовый резистор 3; измеряемое комплексное сопротивление 4, операционный усилитель 5, переключатели 6.1-6,4 рода работы, квадратичный преобразователь 7 Фазоинвертор 8, переключатель 9, пере- множитель 10, генератор 11 образца вой частоты, источник 12 напряжения смещения, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13, интегрирующий аналого-временной преобразователь 14, первый элемент И 15, первый 16 и второй 17 триггеры, второй элемент И 18,первый счетчик 19, блок 20 перезаписи, реверсивный счетчик 21, цифровой от-. счетный блок 22, третий триг 1 ер 23, третий элемент И 24, первый 25 и вто рой 26 формирователи импульсов, усилители 27 и 28, фазорасщепляющий блок 29, четвертый элемент И 30 и второй счетчик 31.Выход генератора 1 сицусоидально го напряжения через усилитель 2 мощности соединен с первым входом ицтегрирующего аналого-временнога преобразователя 14, первым контактом переключателя 6.3, первым контактам ,10 переключателя 6,2, первым к:тактом 1931, реверсивцый счетчик 21,блан20 перезаписи, фармирацатепп 25, 26импульсов, усилители 27, 28, фазоРасщепляющий блок 29. Цифровой измеритель параметров обеспечивает вь 1 сакую точность измерении в ширакомдиапазоне частот за счет устранениявлияния ца результат измерецпя адднтивной составляющей погрешности. 2 пл. переключателя 9, входам квадратичного преобразователя 7 и входом фазаицвертора 8, выход которо; а соединенс вторым контактом переключателя 9,выход которого соединен с первым входом фазорасщепляющега блока 29 и входам усилитчя 28, Выход каторага сое,динен с третьим входам переключателя6. 1, Выход операционного усилителя 5подключен к второму входу переключателя 6.3, второму входу переключате"ля 6,2, входу усилителя 27 и второмувходу фазарасщепляющего блока 29,второй выход которого соединен с Вторым входом переключателя 6.1, а перВый - с четвертым входам переключателя 6.1, первый вход переключателя6,1 соединен с выходам усилителя 27,Два выхода переключателя 6. падклочецы соответственна к двум Входамперемножителя 10 выход которого соединен с вторым входам интегрирующегоаналого-временного преабразоватсля14 через источник 12 пвчряжвппя сме щения, Выход квадратичного ;реабразавателя 7 падкл:очеп ь первому входупереключателя 6,4 и входу .ПАП 13Выход катарога соединен с в гарь В,. О-.дом переключателя 6,4, выход переключателя 6.4 соединен с третьям вха -дам интегрирующего ацал ОГ О- вр емец цсга преобразователя 14. Выха;, леры,оиочателя 6.2 соединен с первым зажимамобразцового резистора 3, втарсй зажим которого соецццец с цнвертцрующпм вхацам операционного усилите.я 5и с первым зажимам измеряемого ксмплекспога сопротивления 4, Второйззжим катарага соединен с выходам и . -Реключателя 6.3. Первый вьхадразователя 14 подк:почец к входу ус25 14377 тацовки второго триггера 17 и входам сброса счетчика и 31 и цифрового отсчетного блока 22. Второй выход преобразователя 14 подключен к второму входу третьего элемента И 24 и перво 5 му входу четвертого элемецта И 30, второй вход которого соединен с вьгходом генератора 11 образцовой частоты и вторым входом первого элемента И 15, первый вход которого подключен к третьему выходу преобразователя 14, входу записи ЦАП 13 и входу первого триггера 16, выход которого соединен с управляющим входом пере ключателя 9. Выход четвертого элемента И 30 соединен с входом счетчика 31, информационный выход которого подключен к информационному входу ЦАП 13. Выход ьторого триггера 17 20 соединен с вторым входом второго элемента И 18 и первым входом третьего элемента И 24, выход которого через лервый формирователь 25 импульсов подключен к входу блока 20 перезаписи и входу второго формирователя 26 импульсов, выход которого соединен с входами сброса счетчика 19 и третьего триггера 23, выход которого подключен к входу управления ЗО реверсивного счетчика 2 1, информационный выход счетчика 21 соединен с информационным входом цифрового отсчетного блока 22. Выход элемента И 15 подключен к счетному входу счетчика 19 и первому входу элемента И 18, выход которого соединен со счетным входом реверсивного счетчика 21. ИнФормационные выходы счетчика 19 подключены к информационным входам бло О ка перезаписи 20, выходы которого связаны с входами записи реверсивного счетчика 21, выход счетчика 21 подключен к входу установки триггера 23. Неинвертирующий вход операци онного усилителя 5 подключен к общей шине, Входы управления переключателей 6,1, 6.2, 6.3 и 6.4 рода работы соединены между собой. Информационный выход счетчика 19 соединен с инФормационным выходом блока 20 перезаписи, информационный выход которого соединен с информационным входом реверсивного счетчика 21.Цифровой измеритель работает сле 55 дующим образом.При измерении синфазной составляющей сопротивления последовательной Е,1,-схемы переключатели рода13 = 13 з 1 ии с,где 13, - амплитуда;ы - круговая частота,- время,Из этого напряжения, которое поступает на первый вход преобразователя 14, формируется временной интервал ,-(см. Фиг.2 д), кратный периоду Т напряжения 13(с), т,е, Т=,- -с, = и Т (и = 1, 2, 3,)Через переключатель 9 и усилитель 28 с коэффициентом усиления К и фазовым сдвигом на второй вход перемножителя 10 поступает напряжение 13 (С) = К Б,з 1 и(ый+Ц),(2) На выходе операционного усилителя5 имеется напряжение 13 (г.) = 13(с)Ех о= - Н з и (иС+ Ч),ЕхВ.огде 4 - сдвиг фаз между напряжениемЦ(с) и У фй), вызванный реактивностью 2.Напряжение У (с) усиливается уси лителем 27 с коэффициентом усиления К и фазовым сдвигом , как и у усилителя 28 вследствие идентичности их характеристик. Поэтому на первый вход перемножителя 10 поступает напряже- ние 13, (с) = Е х зЫ(ь+ Ч+Ч) . (4) При перемножении 13 (г.) и Б, (г)на выходе перемножителя 10 получается и, =13,+К 13,(с) 13(С) -Ц,+ КоК Б Е994работы находятся в следующем положении: 6.2 - в нижнем, 6.1 - в верхнем, 6.3 - в верхнем, 6.4 - в нижнем. Счетчики 19, 21 и 31 и триггеры 16, 17 и 23 установлены в нулевое состояние. Переключатель 9 находится в верхнем положении. Элементы И 24 и 30 закрыты сигналом с третьего и второго выходов преобразователя 14, элемент И 18 закрыт сигналом.с выхода триггера 17.Напряжение на выходе усилителя 2 мощности(14) В момент 4 срабатывает первый формирователь 25, который на время- = 4 выдает импульс на блок 20 25 перезаписи, переписывая код числа Ы из счетчика 19 в реверсивный счетчик 21. В момент С срабатьвает формирователь 26, который в течение времени (-С ) выдает импульс и сбра- З 0 сьвает в нуль счетчик 19 и триггер 23. В момент9 импульс с первого выхода преобразователя 14 записьвает код числа И 1=Го Т 1 из счетчика 31 в ЦАП 13За ВРЕМЯ С 1 о-СЗ С ВЫХОДа ЭЛЕМЕН- . та И 15 на вход счетчика 19 и через э 7.емент И 18 на вычитающий вход счетчика 21 поступает число импульсов 2 Кп КгК, Ккп К2 Кп Кг112 К, К Ксоз 17 77 ЛП КП О где К.=Е соя Ч- значение сопротивления в последова- тельной схеме К ,Из выражения (16) видно, что результат измерения не зависит от зна 35 40 45 50 55 элементов цепи аналого-цифрового преобразованил. Их стабильность требуется обеспечить на время измерения, что технически легко осуществимоК моментув счетчике 2 1 зафиксируется код числа, определяемый выражением (16) который при- 10 (где п 7=0, 1,2,3,)14 лп кп 1 опропорционален значению сопротивления КВ счетчике 19 запоминается код числа И 7 г . Результат Б-Б 1 г вы+ водится в цифровом отсчетном блоке 22.Для уменьшения динамической погрешности вследствие разновременного преобразования в третьем цикле получается код числа И . К моменту его поступления в реверсивном счетчике 21 из счетчика 19 переписан код числа И, ( И 1 Поэтому с приходом числа М 1 импульсов в М счетчик 21 переходит в нулевое состояние, опроки-, дывает триггер 23 в единичное состояние, что приводит к переводу реверсивного счетчика 21 в режим суммирования. ПослецующиеК иКг1 Ь 12 К Ккп цлп оимпульсы зафиксируются в счетчике 21. Аналогично происходит в последующих циклах, т.е. в каждом цикле преобразования в цифровом отсчетном блоке 22 выдается результат измерения.При измерении реактивной составляющей сопротивления последовательной КЬ -цепи переключатели рода работы находятся в следующем положении: 6.2 - в нижнем; 6.1 - в нижнем, 6.3 - в верхнем; 6.4 - в верхнем. Счетчики 19, 21, 31, триггеры 16, 17, 23 сброшены в состояние нуля, Переключатель 9 находится в верхнем положении. Элементы И 24 и 30 закры. ты сигналом с третьего выхода преобразователя 14, элемент И 18 закрыт сигналом с выхода триггера 17, Напряжение, описанное формулой (1), с выхода усилителя 2 мощности через переключатель 9 поступает на первый вход фазорасщепляющего блока 29, на второй вход которого поступает напряжение, описанное формулой (3), с выхода операционного усилителя 5, На выходе фазорасщепляющего блока 29 получаем два напряжения:7799 1 Оет напряжение, определяемое выражением (12) Б 2, ;), сдвинутое по фазена 180 по отношению к напряжению по выражению (1). При этом ца выходе 5Фазорасщепляющего блока 29 имеются два напряжения:О т(С) = К О , яз.п)+И,),10 Б (С) - " " яы)С+(2 +у+270),К т:тосдвинутые по фазе ца угол 270 + кР.На выходе перемножителя 1 О появляется напряжение152, )2-я 2.п(Р.соя 2 т.т+ (к)+270 + (1 т)1 , (20) напряжениемяжения смещеак при преобв выражении (9)ой составляющей 42т о сколь= Нс сло им ьсов 2 к(т К 7, ы", (22тс (т Ы 2)-К Кко (9 "г)С 1)с )4 Р +к) см) Тт.) о ак как 40 Ея 9.п (,РКтт К ТтКтт (т 9) 2 Г К 2 нТ .к К 2 и 1 т 11) -И4 Хо К так как1- т-т)совП И Кко Нт2. п.7)(23 К ктт р 2 1=пТЭтот процесс отличается лишь тем, что в качестве разрядного напряжения) используется выходное напряжение квадратичного преобразователя 7, которое через переключатель б.4 поступает на третий вход преобразователя 14.55С момента с 9 переключатель 9 находится в цижцем положении, на вход фазорасщепляющего блока 29 поступа 9 143и = К О я 1 п.)+;Б- я 2.п)+ к+(р+90 ),11сдвинутые по Фазе на угол (90 +4 . В зависимости от частотывносятся одинаковые фазовые сдвиги (Р и осуществляется одинаковое усиление сиг- налоВ Б, (С) и Б 2,(С) с коэффициентом усиления К. Усиление необходимо осуществлять с целью согласования напряжения на входе перемцожителя и сигналами исследуемого объекта.Напряжения Н (с) и О тт(Е) перемножаются в перемножителе 10, вследствие чего на его выходе получается напряжение К,т К 2 132о- со я 2 Ьс+ (р) +90 + )т которое суммируется с Нисточника 12 напр ния и в дальнейшем, к разовании О т)1(Е) +Н см при измерении синфазн которое суммируется с О, и двухтактным преобразованием ацалогт."чцо выражению (18) преобразуется г число им- пульсов Г Ъй) (О +О )Т 1 0 (10 9) К тс)2 2)Ктт ,Е,КК 2Е Я 2.П(. (21))то выражение (22) упрощается и не зависит от эцачеция параметровО, к:, Ц, Т, БР, Б цепи аналогоцифрового преобразования. Нх стабильность требуется обеспечить лишь цавремя измерения, Независимость результата измерения (23) от частоты иамплитуды колебаний напряжения Б(т)- О,т, яп С позволяет осуществлятьвысокоточные измерения 1, в диапазоне частот. Б выражении (23) коэффициентгде ш = О, 1, 2, 3,При измерении параметров параллельной ЕС-цепи осуществляются следующие измерения. В схеме должно осуществляться измерение сицфазцой составляющей проводимости.При измерении синфазной составляющей проводимости переключатели рода работы находятся в следующем положении: 6.2 - в верхнем; 6.1 в верхнем; 6.3 - в нижнем, 6.4 в нижнем.При измерении емкости параллельной Ц.С -цепи переключатели рода работы находятся в следующем положении: 6.2 - в верхнем, 6.1 - в нижнем, 6.3 - в нижнем, 6.4 - в верхнем.Предлагаемый измеритель И,С-параметров обеспечивает высокую точпость измерений в широком диапазоне частот за счет устранения влияния на результат измерения аддитивной составляющей погрешности. Формула из обретения Цифровой измеритель параметров комплексного сопротивления, содержащий генератор синусоидального напряжения, усилитель мощности, образцовый резистор, измеряемое комплексное сопротивление, переключатель рода работы, операционный усилитель, цифровой отсчетцьп блок, интегрирую,.;ий аналого-временной преобразователь, генератор образцовой частоты, в котором выход генератора синусоидальцого напряжения соединен с входом усилителя мощности, выход которого соединен с неподвижцымн контактами переключателярода работы третьего ц второго направлений, выход переключателя рода работы третьего направления соединен с первым. зажимом измеряемого комплексного сопротивления, второй зажим которого подключен к инвертирующему входу операционного усилителя и первому зажиму образцового резистора, второй зажим которого соединен с выходом переключателя рода работы второго направления, неинвертцруюпдй вход операционного усилителя подключен к общей шине,а выход соединен с вторыми входами нерекзючателя рода работы третьего 143779912и второго цаправлепя, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения в диапазонечастот, в него дополнительно введеныквадратичный преобразователь, фаэоинвертор, перемножитель, переключатель, источник напряжения смещения,цифро-аналоговый преобразователь, четыре элемента И, три триггера, двасчетчика, реверсивцый счетчик, блокперезаписи, два формирователя импульсов, два усилителя и фазорасщепляю"щий блок, выход усилителя мощностисоединен с первым входом интегрирующего преобразователя напряжения вовременной интервал, первым входом переключателя, входом квадратичногопреобразователя и входом фазоинвертора, выход которого соединен с вторым входом переключателя, управляющийвход которого соединен с выходом первого триггера, выход переключателясоединен с входом второго усилителяи первым входом фазорасщепляющегоблока, второй вход которого соединенс выходом операционного усилителя ивходом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с первым вхо"30 дом переключателя рода работы первогонаправления, второй вход которогосоединен с вторым выходом фазорасщепляющеи цепи, третий вход - с выходом второго усилителя, четвертый входс первым выходом фазорасщепляющей цепи, а два выхода переключателя родаработы первого направления соединеныс двумя входами перемножителя, выходкоторого соединен с первым выводом4 О источника напряжения. смещения, второйвывод источника напряжения смещениясоединен с вторым входом интегрирующего аналого-временного преобразова-теля, третий вход которого соединенс выходом переключателя рода работычетвертого направления, первый входпереключателя рода работы четвертогонаправления соединен с выходом квад-ратичного преобразователя и входомцифроаналогового преобразователя, авторой вход - с выходом цифроанзлоговаго преобразователя, информационный вход которого соединен с информационным выходом второго счетчика,а вход управления записью числа соединен со счетным входом первоготриггера, первым входом первого элемента И, и третьим выходом интегрирующего аналого-временного преобраэо1 437799 Э) Я ль П,МельниковСердокова 1(орректо став актор Л,Пчелинская Б Грн як Заказ 5890/4.ираж 772 Подписноеета СССРрытийаб., д, 4/5 БПИИПИ Государстве по делам изобре 035, Москва, Ж, ОГО КОМИТ ений и от аузс к. 5. 1 С ТВ Е Н 1 О-ПО 1 ИРче 1 к 1 ". педритие г Уж"1ог у 1 г;о 1 ; а 5 ро вателя, второй выход которого соед 1 нен со вторым входом третьего элемента И и первым входом четвертогоэлемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора образцовойчастоты и вторым входом первого элемента И, а выход - со счетным входомвторого счетчика, вход сброса которого соединен с входом управления цифрового отсчетного устройства, первымвыходом интегрк уюцего аналого-временного преобразователя и входомвторого триггера, выход второго триггера соединен с вторым входом второ- г,го элемента И и первым входом третьего элемента И, выход которого соединен с входом первого формирователя,выход первого формирователя соединенс входом управления схемы перезаписии входом второго формирователя, выход которого соединен с входами сбросапервого счетчика и третьего триггера.вход установки третьего триггера ссединен с выходом реверсивного счетчика, а выход - с входом управления режимом работы реверсивного счетчиков,информационный выход которого соединен с входом цифрового отсчетного .блока, счетный вход соединен с выходом второго элемента И, и 1 формацион -ный вход записи числа соединенинформационным выходом блока перезаписи, информационные входы которогоподключены к информационным выходампервого счетчика,. счетный вход первого счетчика соединен с первым входом второго элемента И и выходом первого элемен а И, а входы управленияпереключателя рода работы всех чет 1 рех направлений соедие 11; между собой.,