Устройство для измерения добротности колебательных контуров Советский патент 1985 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к радиоизм рительной технике :: южет быть испо зовано для измерения добротности, тангенса угла потерь, активного сопротивления,, емкости и индуктивност Известно устройство для измерени добротности, основанное на измерени отношения напряжений, содержащее усилитель, в цепь положительной обр ной связи которого включены колебательный контур и фазосдвигающеё уст ройство, блок отношения напряжений, своими входами подключенный параллел но колебательному к.онтуру и частото мер для контроля частоты сигнала в контуре РJ Однако источником сигн ла для контура в известном устройстве служит не отдельный генератор, а самовозб57ждающийся на резонансной частоте контура усилитель. Кроме того, известному устройству присуща низкая точность измерения добротнос ти из-за нелинейности блока отношен напряжений, несинусоидальностя сигналов, частотной зависимости козффициентов передачи элементов развязки колебательного контура от остальной схемы. Из-за возрастания погрешности блока отношения напряжений при уменьшении уровней сигналов на его входах устройство особенно малозффективно при малых урон нях сигнала на измеряемом объекте. Режим малого сигнала необходим при измерении параметров нелинейных злементов, т.е. элементов, параметр которых зависят от приложенного к ним.напряжения или протекающего через них тока. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения добротноеTHj основанное на ввделени полосы пропускания колебательного контура, содержащее последовательно соединенные колебательный контур, фазосдвигающий блок, усилитель, выхбдом подключенный к входу колебательного контура, а также частотомер для контроля частоты сигнала и подключенный к его выходу вычислительный блок 2 . Место подключения частотомера в данном устройстве не влияет на работоспособность и обеспечение точностных характеристик данного устройства, частотомер может быть подключен как к выходу колебательного контура, так и к другим узлам уст032ройстеа (к усилителю или фазосдвига- ющему блоку . В устройстве отсутствует сложный узел - блок отношения напряжений, а добротность, как и частота, определяется исходя из показаний частотомера. При определении полосы пропускания контура в данном устройстве получают ряд частот возбуждения (меняя фазовый сдвиг в фазосдвигающем блоке) при каждом из многих задаваемых козффициентов усиления усилителя. На этот процесс, а также на измерение полученных частот частотомером и анализ полученных результатов в вычислительном устройстве, затрачивается большое время, вследствие чего устройство имеет низкое быстродействие (до 20 с). Для получения приемлемой точности измерения полосы пропускания контура, а следовательно и добротности. Программируемый аттенюатор и фазосдвигающий блок в устройстве должны иметь высокие разрешающие способности. ,В условиях больших диапазонов измерения коэффициента передачи программируемого аттенюатора и фазового сдвига в фазосдвигающем блоке эти требования усложняют аттенюатор и фазосдвигающий блоКр а следовательно и все устройство в целом. .Цель изобретения - повьш1ение быстродействия устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения добротности колебательных контуров,содержашее последовательно соединенные клемгФ для подключения колебательного контура, фазосдвигающий блок и первьй усилитель-ограничитель, а также частотомер и вычислительный блок, вход которого соединен с выходом частотомера введен суммирующий блок, выход, которого соединен с одной из клемм для подключения колебательного контура, первый вход к выходу первого усклителя-ограничителя, и последовательно соединенные второй усилитель-ограничитель и ключ, выход которого соединен с вторым входом суммирующего блока, а вход второго усилителя-ограничителя соединен с другой клеммой для подключения колебательного контура.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство содержит последовательный колебательный контур I, образованый последовательным соединением катушки 2 индуктивности и конденсатора

3,фазосдвигающий блок 4 и второй усилитель-ограничитель 5, которые входами подключены к выходу контура

1, первый усилитель-ограничитель 6, посредством которого выход фазосдвигающего блока 4 подключен к входу 7 суммирующего блока 8, выходом подсоединенного к входу контура 1, ключ 9 посредством которого выход усилителя ограничителя 5 подсоединен к входу 10 суммирующего блока 8, частотомер 11, входом подключенный к выходу усилителя-ограничителя 6, и вычислительный блок 12, входом подсоединенный к выходу частотомера 11.

Связь: вход частотомера И - вход усилителя-ограничителя 6 некритична для предлагаемого устройства и частотомер I1 для контроля частоты сигнала может быть подключен также к другим узлам устройства, например к контуру I, фазосдвигающему блоку

4,усилителю-ограничителю 6. Устройство работает следующим

образом.

В первоначальный момент времени ключ 9 находится в разомкнутом состоянии. При обеспечении амплитудного и фазового, условий самовозбуждения происходит самовозбуждение замкнутой цепи: контур 1, фазосдвигающий блок 4, усилитель-ограничитель 6, суммирующий блок 8 на резонансной частоте контура 1, при которой выходное напряжение контура 1 отстает по фазе от его входного напряжения на четверть периода.

Выполнение фазового условия самовозбуждения на резонансной частоте контура 1 обеспечивается выбором необходимого фазового сдвига в фазосдвигающем блоке 4, а амплитудных выбором коэффициента усиления усилителя-ограничителя 6 исходя из условия

KQ I,(1)

где К - суммарный коэффициент передачи на частоте, совпадающей с резонансной частотой контура фазосдвигагоцего бло к а 4, усилителя-ограничителя 6, суммирующего блока 8 по входу 7; Q - добротность контура 1.

По мере нарастаний амплитуды автоколебаний усилитель-ограничитель 6 вступает в режим ограничения и его коэффициент усиления уменьшается.

Уменьщение коэффициента усиления усилителя-ограничителя 6 происходит до тех пор, пока в схему не постулит режим установившися автоколебаний, при котором вьтолняется условие

KQ 1.(2)

Применение режима ограничения в усилителе-ограничителе 6 (т.е. режима, при котором усилитель-ограничи1тель 6 имеет нелинейную характеристику) позволяет получить устойчивость автоколебаний по амплитуде в широкой полосе частот и при большом диапазоне изменения добротности контура.

После измерения резонансной частоты fy контура 1 частотомером 11 ключ 9 замыкается.

При фазовом сдвиге, вносимом усилителем-ограш чктелем 5 и суммирующим блоком 3 по входу 10 равным нулю или кратным 2ii, в контур 1, через замкнутьш ключ 9 и- суммирующий блок 8 с усилителя-ограничителя 5 дополнительно поступает напряжение по фазе, совпадающее с напряжением на выходе контура 1. Под воздействием данного напряжения частота возбуждения автогенераторной цепи уменьшается и становится равной f..

После прекращения переходных процессов в схеме, обусловленных замыканием ключа 9, частотомером 1 измеряется частота fy.

Добротность контура 1 вычисляется в вычислительном блоке 12 исходя из значений частот f и f. При измерении больших добротностей расчетная формула для добротности имеет вид

Q -У1 - )

и, fj-ff 3)

где Uy, и - амплитуда основных гармоник напряжений вводимых в контур I с усилителей-ограничителей 5 и 6 соответственно.

.При соблйздении равенства (которое легко выполнить задавая одинаковые уровнн ограничения yewлителей-ограничителей 5 и 6) формул (3) принимает вид f« - |j2 (4) 1 f2 о -Ч В предлагаемом устройстве изменя частоту возбуждения автогенераторно цепи можно не только в сторону умен шения частоты, но и в сторону резонансной характеристики т.е. в стор ну увеличения частоты. Для этого не обходимо, чтобы суммарный фазовый сдвиг, вносимьй усршителем-огранйчи телем 5 и суммирующим блоком 8 по входу 10, был равным IT или кратным . В этом случае после замыкания кл ча 9 частота возбуждения становится равной fg, и добротность при определяется исходя из формулы г, - Ё1-.-±2. rs) Чfj с2 2 о ИЛИ более простой формулы f. - f, В предлагаемом устройстве при измерении добротности контура в отличие от известного не требуется получения н измерения большого коли чества частот возбуждения автогенераторной цепи, поэтому быстродействие предлагаемого устройства намного выше, чем у известного. Бремя измерения добротности в предлагаемом устройстве определяетс в основном только временем, затрачи ваемым при измерении частот f(, f, f- (или соответствующих периодов) и составляет менее 0,5 с (в то время как в известном время измерения достигает 20 с). Кроме того, в предлагаемом устройстве не требуется дискретного изменения в. большом диапазоне и с большой разрешающей способностью коэффициента усиления усилителя-огр ничителя 6 и фазосдвигающего блока 4, введенные же дополнительные усилитель-ограничитель 5, ключ 9, суммирующий блок 8 просты по исполнени Основными источниками погрешност в определении полосы пропускания ко тура по заданному уровню расстройки 36 в предлагаемом устройстве является неточность в поддержании заданного отношения напряжений (это отношение определяет уровень расстройки контура) и несоответствие суммарного фазового сдвига усилителяограничителя 5 и суммирующего блока 8 по входу 10 требуемому (О или 1). Поддержание постоянства отношения „ Иг напряжении --- можно осуществить с высокой точностью простыми средствами в широкой полосе частот. В полосе частот 10 МГц набег фаз в реальных усилителях с небольшим коэффициентом усиления (2) относительно О или f небольшой и не приводит к заметной погрешности в измерении добротности. На частотах свыше 10 МГц с целью уменьшения влияния этого, источника погрешности усилитель-ограничитель 5 можно выполнить регулируемым по фазе и поддерживать автоматически требуемый фазовый сдвиг в нем. В качестве базового объекта для предлагаемого, устройства может быть принят измеритель добротности Е4-|3 (Тг2.728.020 ТУ). Диапазон рабочих частот измерителя добротности 1 кГц 1 МГц, уровень напряжения на контуре не более 50 мВ. . В предлагаемом устройстве, в отличие от прибора Е4-13, отсутствует блок отношения напряжений, заниающий в прибора Е4-13 до 40% площади печатных плат и вносящий погрешность в измерении добротности колебательного контура до 2%. Погрешность определения полосы пропускания в диапазоне частот 1 кГц 1 МГц F .предлагаемом устройстве даже при несложной электрической схеме дополнительно введенных признаков может быть достигнута, десятых долей процента, что меньше, чем погрешность блока отношеьшя в приборе Е4-13 (остальные источники погрешности измерения добротности в сравниваемых устойствах одни и те же).

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗЖРЕНИЯ ДОБРОТНОСТИ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ, содержап1ее последовательно соединенные клеммы для подключения колебательного контура, фазосдвигающий блок и первый усилитель-ограничитель, а также частотомер и вычислительный блок, вход которого соединен с выходом частотомера, отличающееся тем, что, с целью повьппения быстро действия, в него введен суммирующий блок, зыход которого соединен с одной из клемм для подключения колебательного контура, первый вход - к выходу первого усилителя-ограничителя, и последовательно соединенные второй усилитель-ограничитель и ключ, выход которого соединен с вторым входом ч суммирующего блока, а вход второго, (Л усилителя-ограничителя соединен с другой клеммой для подключе1шя колес: бательного контура.