СКАНИРУЮЩИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ CG-ДВУХПОЛЮСНИКОВ Российский патент 2013 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения эквивалентных параметров CG-двухполюсников с повышенными диэлектрическими потерями и может быть использовано в системах производственного контроля электрорадиоэлементов и технологического контроля диссипативных веществ и сред.

Известен автоматический измеритель составляющих проводимости CG-двухполюсников, содержащий генератор высокочастотных колебаний, измерительный контур, включающий катушку индуктивности, управляемый конденсатор, модулирующий конденсатор, ключ, регулируемый аттенюатор, контролируемый двухполюсник, синхронный детектор, измерительный усилитель, блок динамического слежения, блоки контроля активной проводимости и емкости, фазовращатель [А.с. №924616 СССР, заявл. 02.10.80, опубл. 30.04.82].

Недостатком данного устройства является низкая помехоустойчивость, вызванная переходными процессами в измерительном контуре при работе ключа.

Наиболее близким решением к предлагаемому устройству является измеритель параметров диссипативных CG-двухполюсников, содержащий компаратор, амплитудные детекторы, индикатор проводимости, генератор высокой частоты, соединенный через преобразователь напряжение-ток с измерительной цепью, к информационному и общему входам которой подключен измеряемый CG-двухполюсник, а к управляющему входу - интегратор и индикатор емкости [Патент РФ №2314544, заявл. 14.04.2006, опубл. 10.01.2008].

Недостатком этого устройства является снижение разрешающей способности по реактивной составляющей адмитанса CG-двухполюсника, при возрастании погрешности измерения фазы.

Задачей изобретения является повышение разрешающей способности по реактивной составляющей адмитанса CG-двухполюсника.

Поставленная задача достигается тем, что в сканирующий измеритель параметров CG-двухполюсников, содержащий амплитудный детектор, индикаторы проводимости и емкости, интегратор, компаратор, генератор высокой частоты, соединенный через преобразователь напряжение-ток с измерительной цепью, к сигнальному входу которой и к общему проводу подключен измеряемый двухполюсник, дополнительно введены пиковый детектор, дифференциатор, таймер, генератор прямоугольных импульсов, решающее устройство, модулирующий конденсатор, причем к выходу измерительной цепи индикатор проводимости подключен через пиковый детектор, первый вход компаратора - через амплитудный детектор и дифференциатор, второй вход компаратора соединен с общим проводом, выход - с первым входом таймера, второй вход которого соединен с первым выходом генератора прямоугольных импульсов, выход - со входом решающего устройства, первый выход решающего устройства соединен с управляющим входом измерительной цепи, второй - с индикатором емкости, а второй выход генератора прямоугольных импульсов соединен через интегратор с управляющим входом модулирующего конденсатора.

На фигуре 1 изображена схема сканирующего измерителя параметров CG-двухполюсников; на фиг.2 - сканированная резонансная характеристика.

Сканирующий измеритель параметров CG - двухполюсников содержит генератор высокой частоты 1, соединенный через преобразователь напряжение-ток 2 с измерительной цепью 3. Измеряемый двухполюсник 4 подключен к сигнальному входу и общему проводу измерительной цепи 3. Первый выход измерительной цепи 3 соединен через пиковый детектор 5 с индикатором проводимости 6, второй - через амплитудный детектор 7 и дифференциатор 8 - с первым входом компаратора 9, второй вход которого соединен с общим проводом. Выход компаратора 9 соединен с первым входом таймера 10, выход которого соединен с входом решающего устройства 11. Первый выход решающего устройства 11 соединен с управляющим входом измерительной цепи 3, второй - с индикатором емкости 12. Первый выход генератора прямоугольных импульсов 13 соединен с вторым входом таймера 10, второй - через интегратор 14 с управляющим входом модулирующего конденсатора 15.

Устройство работает следующим образом.

Функция преобразования ток I - напряжение U измерительной цепи 3 имеет вид

$$\frac{U\left(j\omega \right)}{I}=\frac{1}{Y\left(j\omega \right)},(1)$$

где комплексная проводимость равна

$$Y\left(j\omega \right)=G+g_L+j\omega C_{Э}-j{b}_L,(2)$$

где

$$g_L=\frac{r}{r^2+{\omega }^2{L}^2}(3)$$

- эквивалентная активная проводимость индуктивной ветви,

$$b_L=\frac{\omega L}{r^2+{\omega }^2{L}^2}(4)$$

- эквивалентная индуктивная проводимость, r - активное сопротивление катушки индуктивности, G - измеряемая проводимость,

$${С}_{Э}=C_0+C_B+C(5)$$

- эквивалентная емкость, определяемая суммой начальной емкости C₀, емкости варикапа С_B и измеряемой емкости С.

Модуль комплекса (2)

$$Y\left(\omega \right)=\sqrt{{(G+g_L)}^2+{(\omega C_{Э}-b_L)}^2},(6)$$

фаза

При ωC_Э=b_L в измерительной цепи наступает резонанс, при котором фаза

$$\varphi (\omega )=\mathrm{0,}(8)$$

а модуль комплекса

$$Y(\omega )=G+g_L.(9)$$

В результате выходное напряжение по (1) достигает максимума, в котором не зависит от реактивной проводимости измерительной цепи:

$$U=\frac{I}{G+g_L}.(10)$$

При фиксированной амплитуде питающего тока и активной проводимости индуктивной ветви g_L это напряжение определяется только измеряемой проводимостью G, т.е. инвариантно к емкости CG-двухполюсника.

Для поиска резонанса к измерительной цепи подключен модулирующий конденсатор 15. На управляющий вход этого конденсатора подается экспоненциально изменяющееся пилообразное напряжение, которое формируется интегрированием в блоке 14 импульсов, снимаемых со второго выхода генератора прямоугольных импульсов 13.

На этапе экспоненциального спада управляющего импульса временная зависимость емкости C_в2(t) модулирующего конденсатора близка к линейной, поэтому периодическое изменение этой емкости приводит к формированию на выходе измерительной цепи 3 переменного напряжения, огибающая которого отражает резонансную характеристику в виде периодической функции времени (фиг.2). Амплитудным детектором 7 огибающая восстанавливается, в результате формируется переменное напряжение в виде периодически повторяющейся с частотой модуляции сканированной резонансной характеристики (фиг.2).

На фигуре 2 сканированная характеристика K1(t) получена на частоте f=10 МГц при r=1 Ом, R=1 кОм, L=1,7 мкГн, С=80 пФ, G=0 и G_x=1 мСм. Кривая K2(t) получена также при емкости С=80 пФ, но при проводимости G_x=2 мСм. Видно, что изменение проводимости G_x, шунтирующей контур, отражается изменением амплитуды сканированной характеристики, но не приводит к временному сдвигу резонанса, что обеспечивает инвариантность G_x=inv(C_x). Положение максимума функций K(t) определяется только величиной С_х, что обеспечивает определение С_х=inv(G_x). Наиболее отчетливо изменение емкости контура проявляется во временном сдвиге склонов резонансных характеристик.

Для повышения точности контроля положения ветвей сканированной характеристики следует перейти от временной функции резонансной характеристики к ее производной, для чего напряжение с выхода амплитудного детектора 7 дифференцируется в блоке 8. На фиг.2 приведен один период продифференцированной сканированной характеристики D(t) на выходе дифференциатора 8. В момент прохождения резонанса функция D(t) обращается в ноль. Следовательно, достаточно зафиксировать компаратором 9 моменты перехода характеристик D(t) через ноль (для чего второй вход компаратора соединен с общим проводом), чтобы принять решение о вхождении в этот момент времени измерительной цепи 3 в резонанс. С этой целью прямоугольные импульсы с выхода компаратора 9 вводятся на первый вход таймера 10, на второй вход которого поступают импульсы с генератора прямоугольных импульсов 13. Выходное напряжение таймера поступает на вход решающего устройства 11. Решающее устройство 11 при отключенном измеряемом двухполюснике 4 (режим холостого хода) устанавливает на управляющем входе измерительной цепи 3 напряжение U₀, при котором емкость С_в1ХХ+C₀=C₁ вводит измерительную цепь 3 в резонанс в момент времени

$$t_{ре{з}_0}=t_0+{\tau }_0,(11)$$

где t₀ - момент перехода управляющего импульса с фронта на срез, принимаемый за начала отсчета, τ₀ - сдвиг во времени момента наступления резонанса, соответствующий холостому ходу измерительной цепи 3. На индикаторе емкости 12 решающее устройство формирует отсчет 0.

При подключении измеряемого двухполюсника 4 его емкость С_х увеличивает емкость измерительной цепи 3 до С₁+С_х, что сопровождается уменьшением временного сдвига, фиксируемого таймером 10 до τ₁<τ₀. Для восстановления исходного значения С₁ эквивалентной емкости нагруженной измерительной цепи 3 решающее устройство 11 увеличивает напряжение на ее управляющем входе до тех пор, пока не будет восстановлено равенство τ₁=τ₀. При этом емкость конденсатора С_в1 уменьшается до значения С_в1н, при котором компенсируется дополнительная емкость С_х. Разность

$${С}_{в1}-{С}_{в1н}=C_x,(12)$$

следовательно, компенсирующее напряжение, сформированное решающим устройством 11, может использоваться для индикации измеряемой емкости С_х. Для этого решающее устройство 11 должно ввести на проградуированный в единицах емкости индикатор 12 напряжение, пропорциональное С_x.

Информация о проводимости G_x содержится в амплитуде сигнала, снимаемого с контура, поэтому в канал измерения проводимости G_х включен пиковый детектор 5. На выходе блока в соответствии с (10) постоянное напряжение в режиме холостого хода равно

$$U_{G_0}=\frac{I}{G_0+g_L},(13)$$

где G₀ - начальная эквивалентная активная проводимость ненагруженной измерительной цепи 3. При подключении измеряемого двухполюсника 4 после восстановления резонанса напряжение на выходе пикового детектора 5

$$U_{G_{н}}=\frac{I}{G_x+G_0+g_L}\text{. }(14)$$

Отношение

$$\frac{U_{G_0}}{U_{G_{н}}}=1+\frac{G_x}{G_0+g_L}\text{. }(16)$$

Из (16) следует функция измерительного преобразования индикатора проводимости 6:

$$G_x=(G_0+g_L)\left(\frac{U_{G_0}}{U_{G_{н}}}-1\right),(17)$$

где g=G₀+g_L - параметр, определяемый при градуировке измерителя.

Таким образом, предложенное устройство позволяет инвариантно измерять C_x и G_x в режиме сканирования передаточной характеристики измерительной цепи, что, в отличие от известных технических решений, повышает точность измерений на 10…15% и обеспечивает цифровую обработку сигналов во всех звеньях измерительных цепей.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения эквивалентных параметров CG-двухполюсников. Сканирующий измеритель параметров CG-двухполюсников содержит амплитудный детектор, индикаторы проводимости и емкости, интегратор, компаратор, генератор высокой частоты, соединенный через преобразователь напряжение-ток с измерительной цепью, к сигнальному входу которой и к общему проводу подключен измеряемый двухполюсник. Дополнительно введены пиковый детектор, дифференциатор, таймер, генератор прямоугольных импульсов, решающее устройство, модулирующий конденсатор. К выходу измерительной цепи подключен индикатор проводимости через пиковый детектор, первый вход компаратора - через амплитудный детектор и дифференциатор, второй вход компаратора соединен с общим проводом, выход - с первым входом таймера, второй вход которого соединен с первым выходом генератора прямоугольных импульсов, выход - со входом решающего устройства, первый выход решающего устройства соединен с управляющим входом измерительной цепи, второй - с индикатором емкости, а второй выход генератора прямоугольных импульсов соединен через интегратор с управляющим входом модулирующего конденсатора. Технический результат изобретения - повышение разрешающей способности по реактивной составляющей адмитанса CG-двухполюсников, а также уменьшение погрешности измерений. 2 ил.

Сканирующий измеритель параметров CG-двухполюсников, содержащий амплитудный детектор, индикаторы проводимости и емкости, интегратор, компаратор, генератор высокой частоты, соединенный через преобразователь напряжение-ток с измерительной цепью, к сигнальному входу которой и к общему проводу подключен измеряемый двухполюсник, отличающийся тем, что дополнительно введены пиковый детектор, дифференциатор, таймер, генератор прямоугольных импульсов, решающее устройство, модулирующий конденсатор, к выходу измерительной цепи подключен индикатор проводимости через пиковый детектор, первый вход компаратора - через амплитудный детектор и дифференциатор, второй вход компаратора соединен с общим проводом, выход - с первым входом таймера, второй вход которого соединен с первым выходом генератора прямоугольных импульсов, выход - со входом решающего устройства, первый выход решающего устройства соединен с управляющим входом измерительной цепи, второй - с индикатором емкости, а второй выход генератора прямоугольных импульсов соединен через интегратор с управляющим входом модулирующего конденсатора.