Устройство для измерения добротности колебательных контуров Советский патент 1983 года по МПК G01R27/26 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДОБРОТНОСТИ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ

Изобретение относится к рациоизме- рительной технике и может быть использовано для измерения цобротн(х;ти, тангенса угла потерь, активного сопротивления, емкости и инцуктивности радиоэлементов колебательных контуров. По основному авт. св. № 892351 известно устройство для измерения добротности колебательных контуров, содер« хжащее перестраиваемый генератор высо кой частоты, один выход которого через последовательно соединенные первый клю второй вход которого подключен к выходу частотного модулятора, и делитель частоты соединен с одним из входов блока отношения частот, а другой - с первым входом частотного модулятора, второй вход которого соединен с выходом второг ключа, а выход - с входом измерительно го блока, содержащего измерительный конденсатор, два зажима для подключени измеряемых элементов, два последовател но соединенных конденсатора, включенных межпу пефвым зажимом и обшей шиной. И третий ключ, включенный между общим выводом последовательно включенных конденсаторов и общей шиной, первый амплитудный детектор, вход которого подключен к выходу измерительного блока, а выход - к входу блока поиска резонансной частоты, первый выход которого соединен с первым входом блока выделения второй производной по частоте, а второй - с входом первого запоминак) щего блока, выход которого подключен к входу перестраиваемого генератора высокой частоты, генератор низкой частоты, выход которого подключен к входу второго ключа и связан с вторым входом блока отношения частот, а вход подключен к выходу второго запоминающего блока, вход которого подключен к выходу нульоргана, четвертый ключ, выход которого подключен к входу нуль-органа, а входы к входу и выходу блока выделения второй производной по частоте, блок управления, соответствующие выходы которого подключены к управляющим входам блока поиска 3 резонансной Частоты, обоих запоминаидаи блоков, второго 1р ретьего ключей,- блока выделения второй производной по частоте и частотного модулятора. Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечиЕ ает отсчета индуктивности колебательного контура в цифровом виде. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства для измерения добротности колебательных контуров за счет обеспечения цифрового отсчета индуктивности. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения добротности Колебательных контуров введены пятый, шестой и седьмой ключи, второй амплитудный детектор, операционный усилитель, формирователь прямоугольных импульсов и образцовая катушка инцуктив ности, причем последняя включена между вторым зажимом для подключения измеряемых элементов измерительного блока и общей щиной, а пятый ключ подключен параллельно образцовой катушке индуктивности, а вход второго амплитудного детектора подключен к второму зажиму для подключения измеряемых элементов измерительного блока, выход второго амплитудного детектора соединен .с одним из входов операционного усилителя, другой вход которого соединен с вьпсодом первого амплитудного детектора, а выход последнего соединен с первым входом щестого ключа, второй вход которого .соединен с другим входом операционного усилителя, а выход шестого ключа через интегратор соединен с одним из входов формирователя прямоугольных импульсов, другой вход которого соединен с выходом . перестраиваемого генератора низкой частоты и с одним из входов седьмого ключа, другой вход которого соединен с первым выходом формирователя прямо- i.v- |-ii;jujiiv4 JLJUJUT. i-f.A ЧЛУД j,J j-Jivi ri. j. ч M-i угольйых импульсов, второй вьосод послед него соединен с третьим входом шестого ключа, выход которого соединен с входом блока отношения частот, а управляющий вход пятого ключа соответственно соединен с пятым выходом блока управления. На фиг, 1 приведена функциональная электрическая схема предлагаемого устрсйства на фиг, 2 - диаграммы, поясняю щие работу устройства. Устройство содержит частотный модулятор 1, перестраиваемый генератор 2 высокой частоты, ключ 3, перестраиваемый генератор 4 низкой частоты, измери 9344 тельный блок 5, включающий измерительный конденсатор 6, цепь 7 из цвух пооледовательно соединенных конденсаторов. Ключ 8, зажимы 9 и 10 для подключения измеряемых элементов, образцовую катушку 11 индуктивности и ключ 12, амп- ). литудные детекторы 13 и 14, операционный усилитель 15, ключ 16, интегратор 7, формирователь 18 прямоугольных импульсов, ключ 19, блок2О поиска резонансной частоты, состоящий из блока 21 выделения первой производной и нуль-органа 22, запоминающий блок 23, блок 24 выделения второй йроизводной, ключ 25, нуль-орган 26, запоминающий блок 27, ключ 28, делитель 29 частоты, блок 30-отнощения частот, блок 31 управления и измеряемый элемент 32. Устройство работает следующим обра- зом. В режиме измерения добротности коэффициент деления делителя 29 частоты равен двум, вход делителя 29 частоты через ключ 28 подключается к выходу перестраиваемого генератора 2 высокой частоты, вход нуль-органа 26 через ключ 25 - к выходу блока 24 выделения второй производной по частоте, ключи 8 и 12 закрыты. Через ключ 19 к второму входу блока ЗО отношения частот подключается второй выход формирователя 18 прямоугольных импульсов. В режиме поиска резонансной частоты блок 31 управления на заданное время открывает запоминающий блок 23, закрывает второй запоминающий блок 27 и ключ 3 и переводит частотный модулятор 1 в режим выделения несущей высокой частоты.. , За это время блок 2О поиска резо- нансной частоты вырабатывает линейно изменяющееся во времени напряжение U( /(фиг. 2с), Этим напряжением изменяется частота выходного напряжения перестраиваемого генератора 2 высокой частоты, -I Р частотный модулятор 1 поступает на вход измерительного блока 5, После прохождения через измерительный блок 5 и амплитудный детектор 13 высокочасто гное напряжение с изменяющейся частотой преобразуется в напряжение Ua, изменяющееся во времени (фиг, 2 ) и соответствующее амплитуа но-частотной характеристике входящего в измерительный блок 5 колебательного контура, образованного измерительным конденсатором 6, двумя последовательно соединенными конденсаторами 7, образновой индуктивностью 11 и измеряемым элементом 32. Это изменяющееся во ep мени напряжение блок 21 выцеления пер вой производной по частоте, управляемы блоком 31 управления, пифференцирует, в результате чего на его выхоце выделя ется напряжение US (фиг. 2б ), пропо{ циональное первой производной по часто амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) колебательного контура, т.е. Us a- постоянный коэффициент прогде а порциональности. Этим напряжением управляется нульорган 22, в котором при прохождении напряжения U5 через нуль устанавливает выходное нагфяжение (фиг. 2 В ), а следовательно, устанавливается частота выходного напряжения перестраиваемого генератора 2 высокой частоты, равная собственной резонансной частоте колебательного контура. В режиме выделения полосы пропуска ния блок 31 управления на заданное вре мя закрывает запоминающий блок 23, открывает второй запоминающий блок 27 и ключ 3 и переводит частотный модуля тор 1 в режим .выделения боковой часто ты. На это время в запоминающем блоке 23 запоминается напряжение (фиг. (фиг. 26), а следовательно, и частота выходного напряжения перестраиваемого генератора 2 высокой частоты, равная собственной резонансной частоте колебательного контура. За это время нуль орган 26 вырабатывает линейно изменяю щееся во времени напряжение U g (фиг. 2ё Этим напряжением изменяется частота выходного напряжения перестраиваемого генератора 4 низкой частоты, которое через ключ 3 поступает на второй вход частотного модулятора 1. В результате воздействия на частот- двух напряжений с час ный модулятор 1 тотами i р и на его вькоце получают с частотой напряжение i-iotP, частота перестраиваемого генератора 2 высокой частоты, частота перестраиваемого генератора 4 низкой частоты. После прохождения этого напряжения через колебательный контур, амплитудный детектор 13 и блок 21 выцеления первой производной по частоте высокочастотное напряжение с изменяющейся 1 34 частотой преобразуется в напряжение и 5 (фиг. 2 б ), изменяющееся во времени и соответствующее первой производной по чартоте АЧХ колебательного контура. Это напряжение 24 выделения второй производной по частоте, управляемый блоком 31 управления, дифференцирует, в результате на его выходе выделяется напряжение и л (фиг. 2 О ), пропорциональное второй Производной по частоте АЧХ колебательного контура, т.е. Ъ - постоянный коэффициент пропорциональности. Этим напряжением управляется нульорган 26, в котором при прохождении напряжения U л через нуль устанавливается выходное напряжение LI со (фиг. 2е ) и фиксируется во втором запоминающем блоке 27, а следовательно, фиксируется частота выходного напряжения перестраиваемого генератора 4 низкой частоты, равная половине полосы пропускания колебательного контура между точками перегиба его АЧХ. Переход из режима поиска резонансной частоты в режим выделения полосы пропускания производится автоматически блоком 31 управления через заданные интервалы времени. При этом добротность колебательного контура определяется по формуле Q 0,107 2д17F и непосредственно измеряется блоком 30 отношения частот. Для определения добротности измеряемой катушки 32 индуктивности автоматически вводится коррекция в измеренную величину Q с помощью амплитудного детектора 14, операционного усилителя 15, ключа 16, интегратора 17 и формирователя 18 прямоугольных импульсов. Коррекция производится следующим образом. На первый и второй входы операционного усилителя 15 подаются напряжения соответственно с выходов амплитудных детекторов 13 и 14. Указанные напряжения пропорциональны соответственно полному напряжению на контуре и напряению на образцовой катушке 11 индуктивности. В связи с тем, что операционый усилитель 15 работает в режиме вычитания, на его выходе получают напр жение, пропорциональное напряжению на измеряемой катушке 32 инцуктивности. В результате на вход интегратора 17 через ключ 16 поочередно поступают напряжения с выхода амплитудного детек тора 13 и с выхода операционного усилителя 15, пропорциональные соответстве но полному напряжению колебательного контура и напряжению на измеряемой катушке 32 индуктивности. Ключ 16 управляется формирователем 18 прямоугольных импульсов, который, в свою очередь, управляется генератором 4 низкой частоты и интегратором 17. При прямом интегрировании на вход интеграгора 17 подается напряжение с выхода операционного усилителя 15, пропорциональное напряжению на измеряемой катушке 32 индуктивности, а время прям го интегрирования пропорционально пери оду колебания генератора 4 низкой частоты. Тр.. При обратном интегрировании на вход интегратора 17 подается напряжение с выхода амплитудного детектора 13, пропорциональное полному напряжению на колебательном контуре, в результате время обратного интегрирования прямо пропорционально отношению напряжения на измеряемой катушке индуктивности к полному напряжению на колебательном контуре. При прохождении напряжения об ратнотО интегрирования в интеграторе 17 через нуль на втором выходе формирователя 18 прямоугольных импульсов форми руется прямоугольный импульс, период которого пропорционален отношению напр жения на измеряемой катушке 32 индуктивности к полному напряжению на колебательном контуре. Указанные прямоугольные импульсы через ключ 19 посту пают на второй вход блока 30 отношения част9т, в котором производится непосред ственный отсчет добротности измеряемой катушки 32 индуктивности в виде отношения периодов колебаний -период резонансной частоты колебательного контура - период прямоугольных импульсов с второго выхода формирователя 18 прямоугольных импульсов, jj - напряжение на измеряемой катушке 32 индуктивности; У-)- напряжение колебательного контура (напряжение на выходе измерительного блока 5). Измерение индуктивности на резонансной частоте осушествляе тся следуюшим образом. Делитель 29 частоты переводят в со- ответствуюший режим деления (на2,4...) в зависимости от выбранного значения образцовой катушки 32 индуктивности, его вход через ключ 28 подключают к выходу частотного модулятора 1, а вхоц нуль-органа 26 через ключ 25 - к выходу блока 21 выделения первой производной по частоте, ключ 12 переводят в управляемый режим. Второй вход блока 30 отношения частот через ключ 19 подключают к выходу перестраиваемого генератора 4 низкой частоты. Блок 31 управления на заданное время открывает запоминаюший блок 23, закрывает второй запоминаюший блок 27 и ключи 3 и 12 и переводит частотный модулятор 1 в режим выделения несуш.ей высокой частоты. За это время производится поиск частоты перестраиваемого генератора 2 высокой частоты, соответст- вуюшей собственной резонансной частоте колебательного контура, как это осуществляется в режиме поиска резонансной частоты. Через заданное время, достаточное для настройки перестраиваемого генератора 2 высокой частоты на собственную резонансную частоту колебательного контура, блок 31 управления на заданное время закрьшает запоминаюший блок 23, открывает второй запоминаюший блок 27 и ключи 3 и 12 и переводит частотньй модуяятор 1 в режим выделения боковой частоты. На это время запоминается частота i выходного напряжения перестраиваемого генератора 2 высокой час- тоть равная собственной резонансной частоте колебательного контура. Открытый ключ 12 закорачивает образцовую катушку 11 ршдуктивности и, следовательно, изменяет значение индуктивности и собственной резонансной частоты колебательного контура соответственно На величины Д LJ и Л i:. В это время нульорган 26 под управлением блока 21 выделения первой производной по частоте начинает вырабатывать линейно изменяк шееся во времени напряжение. Этим напряжением изменяется часгога выхоаного напряжения перестраиваемого генератора 4 низкой частоты, которое через ключ 3 поступает на второй вхоа частотного модулятора 1.

В результате на выходе-частотного модулятора 1 получают напряжение с частотой 1 IQ + Р . При достижении частотой i значения, равного собственной резонансной частоте колебательного ю и

контура, частота Гц перестраиваемого генератора 4 низкой частоты фиксируется нуль-органом 26, как это указывалось в режиме поиска полосы пропускания.

При этом индуктивность измеряемой катушки 32 индуктивности определяется формулой

Измерение инауктивности и емкости колебательного контура осуществляется при периодическом переключении устройства блоком 31 управления из режима поиска резонансной частоты в режим расстройки колебательного контура.

Отсчет индуктивности и емкости колебательного контура на резонансной частоте в соответствии с выражениями (1)

блоком ЗО отношения частот.

Предлагаемое устройство обеспечивает измерение индуктивности колебательных контуров в цифровом виде в щироком диапазоне частот, практически до 300 МГц, что значительно повыщает эксплуатационные характеристики устройства. (2), непосредственно производится Форм у л а изобретения Устройство для измерения добротности колебательных контуров к авт. св. № № 892351, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены пятый, шестой и седьмой ключи, второй амплитудный детектор, операционный усилитель, формирователь прямоугольных импульсов и образцовая катушка индуктивности, причем последняя включена между вторым зажимом для подключения измеряемых элементов измерительного блока и общей шиной, а пятый ключ подключен параллельно образцовой катушке индуктивности, а вход второго амплитудного детектора подключен к второму зажиму для подключения измеряемпх элементов измерительного блока, выход второго амплитудного детектора соединен с одним из входов операционного усилителя, другой вход которого соединен с выходом первого амплитудного детектора, а выход последнего соединен с первым входом шестого ключа, второй вход которого соединен с другим входом операционного усилителя, а выход шестого ключа через интегратор соединен с одним из входов формирователя прямоугольных импульсов, другой вход которого соединен с выходом перестраиваеКюгогенератора низкой частоты и с одним из входов седьмого ключа, другой вход которого соединен с выходом формирователя прямоугольных импульсов, второй выход последнего соединен с третьим входом шестого ключа, выход которого соединен с входом блока отношения частот, а управляющий вход пятого ключа соответственно соединен с пятым выходом блока управления.

Ud

Ud

//

foFj ,

Y/y

V/

US S

/

tM

Uc

X

l/fO

Ud

й

Ue

l/fff

/

и