ЕМКОСТНАЯ МЕРА ДОБРОТНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01R27/26 

Предлагаемое изобретение относится к электро- и радиоизмерительной технике, в частности к средствам поверки мостовых и резонансных измерителей добротности (Q) или тангенса угла потерь варикапов и других объектов емкостного характера при частотах 0,1 100 МГц. Оно позволяет получать переменные значения добротности при неизменной емкости на входе.

Известна емкостная мера добротности, содержащая конденсатор и сменные резисторы, соединенные с конденсатором последовательно или параллельно [1] В такой мере количество воспроизводимых точек ограничено, практически невозможно получить целочисленные значения добротности. Для устранения этих недостатков набор резисторов заменяют на переменный резистор. Однако создание качественных переменных резисторов для высоких частот до сих пор представляет нерешенную задачу. Поэтому на высоких частотах для получения переменных значений емкостной добротности используют эквивалентные RC-цепи, в которых регулируемым элементом является не резистор, а переменный воздушный конденсатор, причем общая емкость на токовыводах меры сохраняется неизменной.

Известны меры тангенса угла потерь [2, 3] являющиеся по существу емкостными мерами добротности и содержащие RC-цепи, в которых в качестве регулируемого элемента по активной проводимости используют переменный конденсатор, причем общая емкость на токовыводах меры остается неизменной. Меры выполнены по схеме трехполюсника, что ограничивает верхнюю границу их частотного диапазона значением порядка 1 МГц. Кроме того, меры имеют ограниченный снизу диапазон емкости из-за наличия существенной начальной емкости, а также низкое быстродействие.

По совокупности существенных признаков наиболее близкой к заявляемой мере добротности является известная мера проводимости [4] которая может быть применена в качестве емкостной меры добротности. Известная мера (фиг. 1) включает две цепи из последовательно соединенных конденсатора и резистора и два токовывода. Оба конденсатора являются переменными и включены дифференциально, так что выходная емкость меры сохраняется неизменной. Активная проводимость меры является квадратичной функцией угла поворота ротора одного из конденсаторов. Т.к. добротность Q=ωC/G, то при C const и переменном G получаем переменные значения добротности, однозначно связанные с изменяющейся проводимость G или, что то же, с углом поворота ротора конденсатора.

Недостатками известной меры являются пониженная разрешающая способность по добротности, наличие начальной емкости и низкое быстродействие.

Пониженная разрешающая способность по добротности обусловлена тем, что количество отсчетных точек в лучших переменных конденсаторах, снабженных нониусной шкалой, составляет 1000, т.е. разрешающая способность по емкости в лучшем случае составляет 0,1% а по добротности (учитывая квадратичную зависимость Q от емкости) составляет 0,2%
Наличие начальной емкости является неизбежным в переменных конденсаторах. Оно обусловлено емкостью присоединительной части конденсатора и емкостью через изоляторы, крепящие электроды относительно друг друга. Начальная емкость составляет 8 100 пФ в зависимости от конструкции конденсатора и максимального приращения его емкости. Например, в разработанном во ВНИИМ конденсаторе КВЦП-9, рассчитанном на максимальное приращение 1 пФ, емкость фактически изменяется от 7,8 до 8,8 пФ. Это препятствует созданию емкостных мер добротности, имеющих малую емкость в единицы пикофарад.

Низкое быстродействие обусловлено ограниченным быстродействием воздушного переменного конденсатора из-за инерционности его механических частей и составляет 1 с и более.

Сущность предполагаемого изобретения заключается в том, что емкостная мера добротности, включающая две цепи из последовательно соединенных конденсатора и резистора и два токовывода меры, снабжена двумя варикапами и двухканальным источником смещения, выполненным в виде источника опорного напряжения, подключенных в его выводам двух цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) с дифференциально включенными однополярными выходами и блока управления, подключенного своими выходами к управляющим входам ЦАП, каждая цепь из конденсатора и резистора включена между одним из токовыводов меры и дифференциально-однополярным выходом одного из ЦАП, а варикапы соединены встречно-последовательно и включены между общими точками конденсаторов и резисторов, при этом выходы ЦАП другой полярности объединены и подключены к средней точке варикапов.

В предлагаемом устройстве добротность является функцией изменения емкости одного из варикапов, причем емкость на выходе устройства сохраняется неизменной.

Предлагаемое устройство обладает повышенной разрешающей способностью, минимальной начальной емкостью и высоким быстродействием.

Повышение разрешающей способности обусловлено тем, что изменение емкости варикапа может осуществляться весьма малыми шагами, зависящими от изменения напряжения источника смещения. Например, применяя 16-разрядный ЦАП, можно с помощью блока управления изменять напряжение смещения на варикапе, а следовательно, и его емкость, с дискретностью 0,01% Тогда разрешающая способность по Q составляет 0,02% что на порядок выше, чем у известного устройства.

Минимальная начальная емкость обусловлена тем, что существующие варикапы (например, КВ 109 и КВ 122) имеют нижнюю границу диапазона емкости порядка 1
2 пФ. Следовательно, предлагаемое устройство может быть реализовано при малой емкости, начиная с 1 пФ, что приблизительно на порядок лучше, чем у известного устройства.

Выстродействие предлагаемого устройства зависит от времени установления выходного напряжения ЦАП, которое составляет микросекунды. Это на несколько порядков выше быстродействия известного устройства.

Предполагаемое изобретение поясняется следующими графическими материалами: фиг. 1 электрическая схема меры-прототипа; фиг. 2 - электрическая схема предлагаемой меры; фиг. 3 и 4 кривые зависимости добротности предлагаемой меры от емкости одного из варикапов на частотах 1 и 50 МГц соответственно.

Предлагаемая мера содержит цепь из последовательно соединенных конденсатора 1 и резистора 2, вторую цепь из конденсатора 3 и резистора 4, два встречно-последовательно соединенных варикапа 5 и 6 (соединенных встречно, например, в направлении прямого тока), двухканальный источник смещения 7 и два токовывода 8 и 9 меры. Источник смещения 7 выполнен в виде источника опорного напряжения 10, подключенных к его выводам двух ЦАП 11 и 12 с дифференциально включенными однополярными выходами 13 и 14 (например, с дифференциально включенными выходами отрицательной полярности) и блока управления 15, подключенного своими выходами к управляющим входам ЦАП 11 и 12. Выходы ЦАП 11 и 12 другой полярности (например, положительной) объединены в выходе 16 и подключены к средней точке варикапов 5 и 6, при этом цепь из конденсатора 1 и резистора 2 включена между токовыводом 8 меры и дифференциально-однополярным выходом 13 ЦАП 11, вторая цепь из конденсатора 3 и резистора 4 включена между токовыводом 9 меры и дифференциально-полярным выходом 14 ЦАП 12, а варикапы 5 и 6 включены между общей точкой конденсатора 1 с резистором 2 и общей точкой конденсатора 3 с резистором 4.

Сопротивление R₁ одного из резисторов, например резистора 2, устанавливается исходя из необходимости получения заданной минимальной добротности меры, сопротивление R₂ другого резистора, например резистора 4, выбирается больше сопротивления резистора 2 более чем на порядок.

Добротность на токовыводах 3 и 9 меры является функцией емкости одного варикапов, например варикапа 5 (при соблюдении указанного выше условия R₂>R₁), емкость меры при этом сохраняется практически неизменной.

Устройство работает следующим образом.

По сигналу управления 15 и при участии источника опорного напряжения 10 на выходах источника смещения 7, образованных выходами 13, 14 и 16 ЦАП 11 и 12, формируются два однополярных напряжения U₁ и U₂, изменяющихся дифференциально, т. е. U₁+U₂=const. Напряжение U₁ с выходов 13 и 16 изменяет емкость варикапа 5, что при наличии резистора 2 приводит к изменению добротности этого варикапа, а следовательно, и эквивалентной добротности на токовыводах 8 и 9 меры в соответствии с формулой

где

C₁ и C₂ емкости варикапов 5 и 6 соответственно;
R₁ и R₂ сопротивления резисторов 2 и 4 соответственно;
Q_н начальная добротность меры.

Одновременно изменяется емкость варикапа 6 благодаря изменяющемуся напряжению U₂ с выходов 14 и 16. Так как емкость и напряжение смещения варикапов связаны зависимостью, близкой к гиперболической, то соблюдение условия U₁+U₂=const при идентичности вольт-фарадной характеристики варикапов 5 и 6 равносильно условию и следовательно, выходная емкость C₁₂ (см. формулу 3) на токовыводах 8 и 9 меры сохраняется неизменной.

Резистор 2 выполняет также функцию развязки между источником смещения 7 и варикапов 5. Эту же функцию выполняет резистор 4 по отношению к варикапу 6. Конденсаторы 1 и 3 являются разделительными по постоянному току. Емкость их устанавливают на два и более порядка больше емкости меры, поэтому параметры конденсаторов 1 и 3 не влияют на добротность и емкость меры.

Следует отметить, что требование об идентичности варикапов 5 и 6 является вполне выполнимым, т.к. в настоящее время выпускаются парные варикапы, выращенные на одном кристалле (например, КВС III), в которых идентичность обеспечивается уже на этапе изготовления.

Предлагаемая мера может быть использована и в случаях неидентичности вольт-фарадных характеристик варикапов 5 и 6, а также на участках вольт-фарадной характеристики, отличающихся от гиперболы. Выходная емкость меры в этих условиях не будет постоянной величиной. Для поддержания неизменности выходной емкости следует использовать программируемый двухканальный источник смещения, в котором напряжение смещения на варикапе 6 изменяется с помощью программы таким образом, чтобы емкость этого варикапа изменялась по закону .

Расчетно-экспериментальная проверка прделагаемого устройства проводилась заявителем на частотах 1 и 50 МГц.

Для меры на 1 МГц использованы варикапы КВ 127 в рабочем диапазоне изменения емкости 40 240 пФ. С целью увеличения емкости каждый варикап шунтирован керамическим конденсатором 100 пФ, т.ч. диапазон изменения емкости составил 140 340 пФ. Выходная емкость меры C₁₂ 100 пФ; R₁ 80 кОм, R₂ 1 МОм, C₃ C₄ 10 нФ.

Для меры на 50 МГц использованы варикапы КВС III в рабочем диапазоне изменения емкости 20 35 пФ; C₁₂ 10 пФ, R₁ 100 кОм, R₂ 1 МОм, C₃=C₄ 1 пФ.

В качестве двухканального источника смещения применены два вольтметра-калибратора B1-18 с минимальной дискретностью 0,1 мкВ.

Для каждого варикапа предварительно определены емкость и начальная добротность с шагом изменения напряжения смещения 10 мкВ. Использованная аппаратура: на 1 МГц измеритель LCR цифровой E7-12; на частоте 50 МГц - измеритель резонансного типа, используемый для контроля параметров варикапов на заводе-изготовителе.

Значения добротности меры, рассчитанные по формуле (I), приведены на фиг. 3 и 4 (для частот 1 и 50 МГц соответственно). Диапазон изменения добротности составил: на 1 МГц 99 410, на 50 МГц 436 536.

Расчетные значения добротности на 1 МГц сравнивали также с экспериментальными значениями, полученными на измерителе E7-12. Указанный прибор измеряет tgδ с погрешностью 0,01tgδ+0,003, при этом разрешающая способность по tgδ составляет 1•10^-4. Диапазон tgδ для предлагаемой меры на 1 МГц при пересчете добротности Q 99 410 составляет 0,0024 0,0101. Результаты измерений tgδ совпадали с расчетами в пределах 0,0005, т.е. лучше, чем допускает погрешность приборы.

Источники информации.

1. Гиржман Н.И. Костылева Н.А. Логинова Л.С Высокочастотные образцовые емкостные меры добротности. Исследования в области измерений параметров электрических цепей с сосредоточенными постоянными на ВЧ. НПО "ВНИИМ им.Д.И. Менделеева". Сб.научных трудов, Ленинград, 1982, с.30-38.

2. Авт. св. СССР N 1061067, кл. G 01 R 27/26. Мера тангенса угла потерь переменного значения. Клионский М.Д. Опубл. в Б.И. N 46, 1983.

3. Авт. св. СССР N 1468208, кл. G 01 R 27/26. Устройство для имитации тангенса угла потерь. Клионский М.Д. Опубл. в Б.И. N 11, 1989.

4. Авт.св. СССР N 1167534, кл. G 01 R 27/26, Мера проводимости. Михайленко А.А. и др. Опубл. в Б.И. N 26, 1985.

Использование: в электро- и радиоизмерительной технике, в частности в средствах проверки мостовых и резонансных измерителей добротности или тангенса угла потерь варикапов и других объектов емкостного характера при частотах 0,1 - 100 МГц. Мера позволяет получать применение значения добротности при неизменной емкости на входе.

Емкостная мера добротности включает две цепи из последовательно соединенных конденсатора и резистора и два токовывода меры. Она снабжена двумя варикапами и двухканальным источником смещения, выполненным в виде источника опорного напряжения, подключенным к его выводам двух цифро-аналоговых преобразователей с дифференциально включенными однополярными выходами и блока управления, подключенного своими выходами к управляющим входам цифро-аналоговых преобразователей. Каждая цепь из конденсатора и резистора включена между одним из токовыводов меры и дифференциально-однополярным выходом одного из цифро-аналоговых преобразователей, а варикапы соединены встречно-последовательно и включены между общими точками конденсаторов и резисторов, при этом выходы цифро-аналоговых преобразователей другой полярности объединены и подключены к средней точке варикапов. Мера обладает повышенной разрешающей способностью, минимальной начальной емкостью и высоким быстродействием. 4 ил.

Емкостная мера добротности, включающая две цепи из последовательно соединенных конденсаторов и резистора и два токовывода меры, отличающаяся тем, что она снабжена двумя варикапами и двухканальным источником смешения, выполненным в виде источника опорного напряжения, подключенных к его выводам двух цифроаналоговых преобразователей с дифференциально включенными однополярными выходами и блока управления, подключенного своими выходами к управляющим входам цифроаналоговых преобразователей, каждая цепь из конденсатора и резистора включена между одним из токовыводов меры и дифференциально-однополярным выходом одного из цифроаналоговых преобразователей, а варикапы соединены встречнопоследовательно и включены между общими точками конденсаторов и резисторов, при этом выходы цифроаналоговых преобразователей другой полярности объединены и подключены к средней точке варикапов.