Устройство для измерения добротности и резонансной емкости колебательных контуров Советский патент 1984 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть ис пользовано для измерения добротности, тангенса угла потерь, активного сопротивления, емкости и индуктивно ти радиоэлементов колебательных кон туров . Известно устройство для измерения добротности, индуктивности и ем кости в цифровом виде, содержащее источник сигнала, колебательный кон тур, блок отношения напряжений, блок автоматического поддержания амплитуды напряжения, широкополосны усилитель, охваченный обратной связ через образцовый реактивный элемент и блоки автоматической регулировки усиления и фазы IT . Недостатком известного устройств является относительно большая погреш ность измерения резонансной емкоети и добротности низкодобротного колебательного контура, так как определение указанных емкости и доб ротности производится посредством измерения отношения напряжений на выходе и входе колебательного конту ра на частоте резонанса, т.е. на на именее чувствительном участке ампли тудно-частотной характеристики,(АЧХ колебательного контура, а также ограниченный частотный диапазон измерения добротности и емкости за счет большой частотной зависимости в широком (Частотном диапазоне исходных для градуировки характеристик: фазо вого сдвига широкополосного усилите ля, коэффициентов передачи детекторов и коэффициентов связи входного и выходного элементов связи измерительного колебательного контура с внешними цепяр и. Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения добротности и резонансной емкости колебательного контура, содержащее генератор высо кой «астоты, частотный модулятор, соединенный с одной клеммой для подключения исследуемого колебательного контура, амплитудный детектор, блок поиска резонансной частоты, включающий блок выделения первой производной по частоте и нуль-орган, блок выделения второй производной по частоте, дополнительный нуль-орган, два запоминающих блока, перестраиваемый генератор низкой частоты, блок отсче та частоты, добротности и резонансной емкости колебательного контура (блок отношения частот), цепь из двух последовательно соединенных конденсаторов, делитель частоты, четыре ключа и блок управления 2J. , Данное устройство позволяет измерять добротность и резонансную ем- кость колебательного контура в-цифровом виде в широком диапазоне частот (до 300 МГц), так как определение указанных добротности и емкости производится посредством измерения отношения резонансной частоты к полосе пропускания колебательного контура, в связи с чем частотная зависимость измерительной схемы и элементов связи колебательного контура с внешними цепями ограничено полосой пропускания колебательного контура (менее 10% от резонансной частоты), что в свою очередь значительно уменьшает ,ее влияние на измерение указанных добротности и емкости. Однако данное устройство имеет относительно большую погрешность измерения резонансной емкости и добротности низкодобротного колебательного контура, так как последние определяются резонансной частотой колебательного контура, которая определяется по максимуму АЧХ, т.е. на наиболее пологом (малочувствительном) ее участке. Целью изобретения является повышение точности измерения резонансной емкости и добротности низкодобротных колебательных контуров. Поставленная цель .достигается тем, что в устройство для измерения добротности и резонансной емкости колебательных контуров, содержащее генератор высокой частоты, выходом соединенный с одной клех-ФЮй для подключения исследуемого колебательного контура и-блока отсчета частоты, добротности и резонансной емкости, амплитудный детектор, входом подключенный к другой клемме для подключения колебательного контура, а выходом соединенный с блоком поиска резонансной частоты, выход которого соединен с управляю дим входом генератора высокой частоты, цепь из двух последовательно соединенных конденсаторов, включенную между входом амплитудного детектора и общей шиной, запоминающий блок, три ключа, один из которых включен между общей шиной и общей точкой цепи из двух последовательно соединенных конденсаторов, блок управления, выходами соединенный с соответствующими управляющими входами запоминающего блока и первого и второго ключей, введены блок сравнения, одним входом соединенный с выходом амплитудного детектора и входом запоминающего блока, а другим входом - с выходом запоминающего блока, инвертор полярности напряжения, вход которого соединен с выходом блока сравнения и с входом второго ключа, а выход с входом третьего ключа, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления. Блок поиска резонансной частоты содержит последовательно соединенны триггер Шмитта, первый вход которог 1является входом блока поиска резона сной частоты, а второй вход соединен с вторым выходом запоминающего блока, генератор линейно изменяющегося напряжения, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления, и сумматор напряжений, второй вход которого соединен с выходами второго и третьего ключей, а выход - с управляющим входом генератора высокой частоты, управляющие входы блока от счета частоты, добротности и резонансной емкости соединены с соответ ствующими выходами блока управления На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства/ на фиг. 2 диаграммы, поясняющие работу устрой ства . Устройство содержит генератор 1 высокой частоты, выход которого соединен с входом колебательного контура 2 и с входом блока 3 отсчета частоты, добротности и емкости, цепь 4 из двух последовательно соединенных конденсаторов, включенную между общей шиной и выходом колебательного контура 2, первый ключ 5, включённый между общей шиной и общей точкой конденсаторов цепи 4. йлход колебательного контура 2 соединен с входом амплитудного детектора б, выход которого соединен с входами запоминающего блока 7 блок 8 сравнения и блок 9 поиска резонансной частоты, содержащего последовательно соединенные триггер 10 Шмитта, первый выход которого является входом блока 9, а второй вход соединен с первым выходом запоминающего блока 7, генератор 11 линейно изменяющегося напряжения и сумматор 12 напряжений, выход которого соединен с управляющим входом генератора 1 высокой частоты. Второй вход блока 8 сравнения соединен с вторым выходом запоминающего блока, а выход - с входами второго клю ча 13 и инвертора 14 полярности напряжения, выход которого соединен с входом третьего ключа 15. Выходы ключей 13 и 15 соединены с входом сумматора 12 напряжений, а управляющие входы запоминающего блока 7, генератора 11 линейно Изменяющегося напряжения, блока 3 отсчета частоты добротности и емкости и ключей 5, 13 и 15 соединены с соответствующими выходами блока 16 управления. При измерении собственной зезона сной частоты и добротности колебательного контура устройство работае следующим образом. Ключ 5 переводят в неуправляемый режим, при котором он находится в закрытом состоянии. С выхода генератора 11 линейно изменяющееся напряжение (фиг. 26) через сумматор 12 поступает на управляющий вход генератора 1 высокой частоты, изменяя частоту его выходного напряжения. Указанное напряжение с меняющейся частотой подается через колебательный контур 2 на вход амплитудного детектора 6, на выходе которого напряжение изменяется в соответствии с АЧХ колебательного контура (фиг. 2в). Выходное напряжение амплитудного детектора 6 поступает на первый вход триггера 10 Шмитта и через запоминающий блок 7 на второй вход указанного триггера 10 Шмитта. В момент времени t t выходное напряжение амплитудного детектора достигает своего максимального значения Одд (фиг. 2в), при котором частота генера.тора 1 становится равной собственной резонансной частоте fg колебательного контура 2 Указанное максимальное напряжение на период времени запоминается в запоминающем блоке 7. Дальнейшее незначительное изменение частоты генератора 1, начиная с времени под действием напряжения (фиг. 2б) генератора 11 приводит к уменьшению выходного напряжения амплитудного детектора (в соответствии с АЧХ колебательного контура) и к появлению небольшой разности напряжений между входами триггера Шмитта 10. Под действием указанной разности напряжений триггер Шмитта 10 в момент времени t i t опрокидывается, вырабатывается импульс напряжения (фиг. 2д), поД управлением которого в генераторе 11 линейно изменяющегося напряжения на период времени , устанавливается постоянное напряжение (фиг. 2б), а в генераторе 1 на период времени устанавливается частота, примерно равная собственной резонансной частоте fj колебательного контура. Под действием управляющего импульса (фиг. 2е) блока 16 управления на период времени открывается ключ 13, образуя цепь автоподстройки частоты (АПЧ),.содержащую генератор 1 высокой частоты, колебательный контур 2, амплитудный детектор 6, блок 8 сравнения и сумматор 12 напряжений. На втором выходе запоминающего блока 7 с помощью делит;еля напряжения, входящего в состав запоминающего блока 7, получают опорное на- пряжение и 0,707 (фиг. 2г), которое подается на второй вход блодля предлагаемого устройства, исход из определения напряжения .ка колеба тельном контуре и обобщенной расстройки а ц и Q где и - напряжение, вводимое в колебательный контуру и - напряжение на выходе конту ра в момент резонанса -«&., do получим Ua :gU a;i%SQ. i/1 При обобщенной расстройке a 1 имеем . Принимая разрешающие способности схем автоматики известного и предла гаемого устройства по напряжению одинаковыми в соответствии с (4) и (10), получим .. (11 Учитывая, что выражение (4) имее смысл при условии п-0. то при Q 10 имеем (Jt,7 т.е. резонансная частота колебательного контура в предлагаемом устройстве по сравнению с известным измеряетс (устанавливается) точнее более чем в 10 раз, а следовательно, во стол ко же раз точнее измеряются малые значения добротности и резонансные емкости колебательного контура при малых значениях добротности. При и мерении высокодобротных контуров погрешность определения указанных параметров в предлагаемом и извест ном устройствах примерно сравнимы, т.е. наибольший эффект предлагаемо устройство дает при измерении пара метров низкодобротных колебательны контуров. В качестве базового объекта мож быть принято устройство для измере ния добротности Е4-11, содержащее перестраиваемый вручную генератор высокой частоты, измерительный колебательный контур, кувольтметр. Для измерения добротности в приборе Е4-11 используется резонанс напряжений в последовательном колебательном контуре, при этом добротность определяется отношением напряжения на измерительном конденсаторе к входному напряжению контура при настройке его в резонанс. В приборе Е4-11 при измерении добротности выполняются вручную следующие операции: установки нуля, калибровка и настройка измерительного контура в резонанс. Отсчет добротности производится по шкале стрелочного прибора, а частоты и емкости по механическим шкалам, при этом шкала измерительного конденсатора проградуирована на частоте 1000 Гц. Предлагаемое устройство для измерения добротности и резонансной емкости колебательных контуров по сравнению с базовым имеет следующие преимущества: отсутствуют операции установки нуля и калибровки, автоматизированы операции настройки измерительного контура в резонанс и. выборы пределов измерения добротности,, отсчет частоты, добротности и емкости на частоте измерения добротности производится в цифровом виде. В связи с тем, что собственная резонансная частота, резонансная емкость и добротность колебательного контура определяется по граничным .частотам его полосы пропускания, которым соответствуют наиболее чувствительные участки АЧХ, снижены погрешности отсчета частоты до 0,1% и емкости до 0,13-1,3% вместо соответственно 1% и 1-5,5%, снижены погрешность измерения добротности.до 3-5% вместо 15-30% при измерении параметров колебательных контуров с добротностью более 10. Повышение метрологических характеристик достигнуто за счет того, что в предлагаемом устройстве реализовано измерение параметров методом вариации частоты, при этом автоматически осуществляется настройка генератора на частоты, характеризующие параметры колебательного контура. В предлагаемом устройстве повышена также технологичность изготовления за счет исключения сложных механических и верньерных механизмов в генераторе высокой частоты и измерительном блоке и достигнута тем самым более высокая рентабельность его производства.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДОБРОТНОСТИ И РЕЗОНАНСНОЙ ЕМКОСТИ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ, содержащее генератор высокой частоты, выходом соединенный е клеммой для подключения исследуемого колебательного контура и блока .отсчета частоты, добротности и резонансной емкости, амплитудный детектор, входом подЙлюченный к другой клемме для подключения колебательного контура, а выходом соединенный с блоком поиска резонансной частоты, выход которого соединен с управляющим входом генератора высокой частоты, цепь из двух последовательно соединенных конденсаторов, включенную между входом амплитудного детектора и общей шиной, запоминающий блок, три ключа, один из которых включен между общей шиной и общей точкой цепи из двух последо-, вательно соединенных конденсаторов, блок управления, выходами соединённый с соответствуюи1ими управляющими входами запоминающего блока и первого и второго ключей, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения резонансной емкости и добротности низкодобротных колебательных контуров, в него введены блок сравнения, одним входом соединенный с выходом амплитудного детектора и входом запоминающего блока, а другим входом - с выходом запоминающего блока, инвертор полярности напряжения, вход которого соединен с выходом блока сравнения и с входом второго ключа, а выход с входом третьего ключа, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления. i 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, блок поСЛ иска резонансной частоты содержит последовательно соединенные триггер Шмитта, первый вход которого является входом блока поиска резонансной частоты, а второй вход - соединен с вторым выходом запоминающего блока генератор линейно изменяющегося напряжения, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления, и сумматор напря СП жений, второй вход которого соединен с выходами второго и третьего ключей а выход - с управляющим входом генератора высокой частоты, управляющие СО входы блока отсчета частоты, до.бротГности и резонансной емкости соедине00 ны с соответствующими выходами блока управления.

в

k

e

4

tf tl t3и 5 is

Фиг. 2