Цифровой измеритель @ -параметров Советский патент 1986 года по МПК G01R27/26 

Изобреге1ше относится к электроизмерительной технике и может найти применение при измерении RLC-парамет- ров цепей в широком частотном диапазоне.

Цель изобретения - повьппение точности измерения составляющих двух- компонентиых комплексных сопротивлевателя 16 и пятым неподвижным контактом переключателя 11. Подвижные контакты J и 71 подключены к соответствующим входам усилителя 12, два выхода которого соединены с соо ветствующими входами квадратора 13, двумя выходами соединенного с входами АЦП 14. Выход АЦП 14 через буфер 15 и преобразователь частоты в

НИИ в диапазоне частот.

На фиг.1 представлена функциональ- tO код через буфер 17 подключены к шиная схема цифрового измерителя RLC- не данных микропроцессора 20, с которой, кроме того, соединены вход регис1ра 18 команд и шины данных ОЗУ 21, ПЗУ 22 и вход блока 2 отоб- 5 ражения информации. С шиной адреса микропроцессора 20 связаны адресные шины ОЗУ 21, ПЗУ 22 и адресные входы буферов 17 и 15, регистра 18 команд и блока 2 отображения инпараметров; на фиг.2 - схемы замещения исследуемого объекта.

Устройство содержит генератор 1 синусоидального напряжения; блок 2 отображения информации, измеряемое комплексное сопротивление 3, первый переключатель 4, второй переключатель 5, первый блок 6 образцовых проводимостей, второй блок 7 образцовых проводимостей, первьй блок 8 образцовых элементов, второй блок 9 образцовых элементов, третий блок 10 образцовых зли-1ентов, двухполюсный переключатель 11, усилитель 12, квадратор 13, время-импульсный аналого- цифровой преобразователь А1Щ 14, второй буфер 15, преобразователь 16 частоты в код, первый буфер 17, регистр 18 команд,микро-ЭВМ 19,микропроцессор 20, оперативное запоминающее устройство ОЗУ 21, постоянное запоминающее устройство ПЗУ 22.

Генератор I синусоидального напряжения первым выходом соединен с первым входом преобразователя 16 час- тоты в код, первыми зажимами первого 6 и второго 7 блоков образцовых проводимостей, первым зажимом измеряемого комплексного сопротивления 3 и первым неподвижным контактом пере- ключателк II, второй неподвижный контакт которого подключен к второму зажиму измеряемого комплексного сопротивления 3 и подвижному контакту переключателя 5, первый неподвижный контакт которого связан с первым зажимом первого блока 8 образцовых элементов, вторым зажимом соединенного с третьим неподвижным контактом переключателя I1 и первым зажимом блока 9 образцовых элементов, к второму зажиму которого подключен четвертый неподвижный контакт переключателя 11 и первый зажнм блока 10 об- 55 а, - соответственно аддитивная и мультипликативная составляющие его коэффициента передачи. В первом цикле изразцовых элементов, вторым зажимом соединенного с вторым выходом генератора 1 , вторым входом преобразо eDeния контакт 1 переключателя 11

вателя 16 и пятым неподвижным контактом переключателя 11. Подвижные контакты J и 71 подключены к соответствующим входам усилителя 12, два выхода которого соединены с соответствующими входами квадратора 13, двумя выходами соединенного с входами АЦП 14. Выход АЦП 14 через буфер 15 и преобразователь частоты в

формации. К шине управления микропроцессора 20 подключены управляющие шины буферов 15 и 17, регистра 18 команд, ОЗУ 21, ПЗУ 22 и блока 2 отображения информации.

Вторые зажимы блоков 6 и 7 образцовых: проводимостей подключены со- ответственио к первому и третьему неподвшгчому коитактам переключателя 4, подвижный контакт которого

соединен с вторым неподвижным контактом переключателя 5 и соединением блоков 9 и 10 образцовых элементов, при этом вторюй неподвижный контакт переключателя 4 и третий неподвижный

контакт перекл}очателя 5 являются нейтральными, а восемь выходов регистра 1В команд подключены к управляющим входам первого 4 и второго 5 переключателей, двухполюсного переключателя

11, первого 6 и второго 7 блоков образцовых проводимостей и первого 8, второго 9 и третьего 10 блоков образцовых элементов.

Измеритель RLC-параметров работает

следующ -гм образом.

В исходном состоянии переключатель 4 находится в нейтральном положении Ь, а переключатель 5 - в положении а , В этом положении осущест

вляется измерение RLC-параметров последовательных схем замещения (фиг.2а, б). Квадратор 13 имеет функцию преобразования вида ,а,- и(t), где U(t) - его входное напряжение; а.

eDeния контакт 1 переключателя 11

нахол 1тся в положении а , а контакт 11 - в положении Ь Образцовые элементы блоков 8 - 10 в этом такте представляют собой активные сопротивле

и R . Ток в цепи генера- 5

i (t)

R. +Z.+Z,

Ol

07

где Z, - импеданс измеряемого сопротивления 3; - внутреннее сопротивление (импеданс) генератора 1;

10

вн

На вход усилителя 12 поступает напряжение U, (t)i(t) Zj. Выходное напряжение квадратора 13 U (t) ag-t-a,K i(t)t2 в АЦП 14 преобразуется в число импульсов

N,, , ,KU(t)Z , (4) и,(t) - его выходное напряжение. 5

Напряжение U, (t)i , (t)Z, усилива- которое фиксируется в ОЗУ 21. Коды ется усилителем 12 с )ициентом усиления К и подается на вход квадратора 3. Его выходное напряжение и„ (t) а + а,- К, U,(t) в А1Ш 14 20 с функцией преобразования (ФП) вида и (t) преобразует напряжение и„ (t) в

NH bo - b, а„ a,K uJ(t) 25 b b, а + а,-К. i,(t) Z , (2)

где X, у - соответственно синфазная и квадратурная составляющие импеданса 30 b , bj - аддитивная и мультипликативная составляющие функции передачи АЩ 1 4. Код N, считывается микро-ЭВМ 19 через буфер 15 и запоминается в 35 ОЗУ 21.

Во втором цикле измеретшя контакт II переключателя 11 переводится в полбжение С . Суммартгый иштеданс соN( , N, и N, удовлетворяют системе уравнений

N,,b,- b.a aX-i (t)(R -b-7cT); N,,b,b, а„-ьа,к 1(0 (R + R,,)+

(5

п Ьо-ьЬ, a,,K i (t)f(« R.;b RO, )

-ok

из которой

R RO, iNn -NM)r (R«,4rJ(N

07

- RoLlblL(Nj.7-ll4)

,,)-2R(,,)

(6)

при Rn R.., R

01

07

R .-Nj. .)l ,74 2 2(N,, -N,, ) - (N;;N,,)J

противлении Z и R,

равен 1

(o,) - J-c- a квадрат модуля импеданса

2 ( o,)- .

2 . У Напряжение U,, (t),K i|(t)Z

преобразуется в А1Щ 14 в код

N.. , ,,Vt)Z, (3)

который фиксируется в онератинном запоминающем устройстве 21 микро-ЭВМ 19.

При измерении емкости С через измеряемое комплексное сопротивлени 3 и образцовые элементы блоков 8 и 9 протекает ток i(t). В первом

В третьем 1,икле измерения контакт 1 1 переключателя 11 переводится 55цикле измерения переключатель 11 в положение j . При этом су с-1арный(П) находится в положении b , во импеданс сопротивления 3 и блоков 8втором цикле - в положении С, а в и 9 равен третьем - в положении d . Напряжения

10

На вход усилителя 12 поступает напряжение U, (t)i(t) Zj. Выходное напряжение квадратора 13 U (t) ag-t-a,K i(t)t2 в АЦП 14 преобразуется в число импульсов

которое фиксируется в ОЗУ 21. Коды

N( , N, и N, удовлетворяют системе уравнений

N,,b,- b.a aX-i (t)(R -b-7cT); N,,b,b, а„-ьа,к 1(0 (R + R,,)+

(5

п Ьо-ьЬ, a,,K i (t)f(« R.;b RO, )

-ok

которой

RO, iNn -NM)r 2(R«,4rJ(N

07

- RoLlblL(Nj.7-ll4)

,,)-2R(,,)

(6)

при Rn R.., R

01

07

R .-Nj. .)l ,74 2 2(N,, -N,, ) - (N;;N,,)J

Операция 7 вьшолняется в микро- ЭВМ 19, а результат вычислений пропорционален значению сопротивления R двухкомпонентных схем.

При измерении значения С или L, (фиг. 2 о, Ь ) в качестве образцовых элементов блоков 8 и 9 используются образцовые емкости С, , С или ий- . дуктивности LQ, , LO при измерениях по схемах а и 6 соответственно.

50

При измерении емкости С через измеряемое комплексное сопротивление 3 и образцовые элементы блоков 8 и 9 протекает ток i(t). В первом

цикле измерения переключатель 11 (П) находится в положении b , во втором цикле - в положении С, а в третьем - в положении d . Напряжения

и„- ij(t)Z,; U,,.i,(t)Z ; и„ -i, (t)Z (8)

в усилителе 1 2, квадраторе 13, А1Д1 14 преобразуются в число импульсон

N.,.,.K i;(t)(.-4T); N,,-4+b, ,.K .i;(t)(R 4

;(9)

N

,,)(R +

где Z, - R --J--,;

R

7 Г. Г

w () с-ьс„,

а . r-i- -е - -с -) .

0, о-г

Решая систему 9 уравнений относительно -- имеем при G С𠈄

1 ,-3N7,3N,i |

Ы; -ьХГ-2 7 J

2G

rNei+Njj -2Nj 1

4N, J

(10)

Uoi Ьог)

-02

а в

Операция вычисления (10) осущест вляется в микро-ЭВМ 19.

Если измеряемый двухполюсник имеет вид фиг.25, в качестве элементов блока 8 используются активные сопротивления KO , а элементов блоков 9 и 10 - иидуктивности LO, и LO. При этом в первом цикле переключатель 11 (II) находится в положении С, во втором цикле - в положении J, а в третьем цикле в положении е. Сопротивление Rj, блока 8 в первом цикле равно сумме внутренних сопротивлений образцовых индуктивностей

LO, и RI.O,. т.е. RO, во втором оно равно R третьем - нулю.

Тогда преобразуемые квадраты модулей импедансов

Z R

Zj R + 0(L + Ь„, ) ;

z R -t- Q(L L,, LO) ,

(И)

где R -R + RL, R, a соответствующие им коды, зафиксированные в ОЗУ 21, удовлетворяют системе уравнений

N,,, ,K4(t)(R Ь)Ч) } Nj,b,b,,KU;(t)R

Cj (L + Ц, f ;(12)

, ,K i (t)rR

OU 4,-b L,) ,

0

5

5

Lp Ьд в микиз которой при Lg, ро-ЭВМ 19 по формуле

т ),, 1 . ч 2 2(N,,N,,) - (,,)

определяется искомая индуктивность.

Измерение RLC-параметров двухком- понеитных элементов с параллельной схемой замещения фиг.2 В, 2) осуществляется путем измерения проводимости эквивалентных цепей и представления ее через проводимости - син- GC и квадратурную G,,, т.е. . Для схемы фиг. 2 в G

I „г

.

We

а для схемы

фиг. 2-2 G,

1 „г 1 Р и Г- Р

вом цикле измерения переключатели 4 и 5 находятся в положении & , переключатель 1t (I) - в положении о, а 11 (11) - в положение В. Блок 10 образцовых элементов представляет собой активное сопротивление R,. При измерении фиг.26 в первом цикле ток i (t) генератора I проходит через Z,,Z, сопротивление 3 и сопротивление Ид блока 10. Во втором цикле переключатель 4 переводится в положение 1 и параллельно сопротивлению 3 включается синфазная образцовая проводимость GOJ .

В третьем цикле переключатель 4 переводится в положение С и парал-- лельно KZy )31 л очается образцовая проводимость G

Так как

Р2

Z

2

GC G ;

СЛ - - (Ge С„, ) G. ,

12527398

Поскольку для схемы (фиг .28) G (ОС, то

то находя разность 6, -G, 2Gf G, +G

01

можно определить значение

27

G - Gj; - Gjf,

,

(lA)

Для нахождения G и G, в первом цикле Zjj преобразуется в код числа N«

N, - b,+b, ,K i (t) Zj, (15)

а во втором цикле - в код числа N, NZ , , K4f(t) Z , (16)

В третьем цикле переключатель 11 (|) переводится в положение 6, а переключатель 1 1() в положение е . При этом напряжение i,(t)RQ, снижаемое с сопротивления R, преобразуется в код N.

10

Частота f колебаний i(t) преобразуется преобразователем 16 частоты в код, а результат заносится микро-ЭВМ

19 через тристабильный 17. В

J

случае схемы фиг. 2 2 G. ,Г тог- Си Lt

да с учетом значений G, G, и f индуктивность определится из выражения

«5

I

2Tf

(24)

При наличии образцовых мер реактивной проводимости процесс измерения LC-параметров осуществляется сле- 20 следующим образом. Переключатель 4 переводится в положение с, а переключатель 5 - в положение Ь. Блок 7 образцовых проводимостей представля., U L Г /17Л собой набор образцовых проводи- NJ - b,b,ao+a,K i,(t) RoJ (17;

В четвертом цикле переключатель 4 переводится в положение Ь, а переключатель 5 - в положение С.

числа

25 мостей. Для схемы фиг.2 Б параллельно к емкости С подключается образцовая емкость GO, а для схемы фиг.22 образцовая индуктивность L, во вто-.„„рых циклах измерения. При этом для

Здесь на вход ОЗУ поступает код. о в - ,п

30 схемы фиг.26 блок 10 образцовых

элементов представляет собой образ- (18) цовую емкость С, а для схемы фиг.27 образцовую индуктивность LQ. В этом случае уравнения 15 - 18 приниэс мают вид

.I-Ni. l „7 . .7

NX

Ьо , 0

Вычитая , N,-N4 и , находим систему уравнений

Z

N, - N4 7

N;J е ,.

+ G

к

(19)

2 . 1

N, « Ь„-кЬ,(,К i;(t)7,v );

40

ИЗ которой определяем з1гачение синфаз1

ной составляющей при G ражения (14) с учетом (19)

д -г- из вы-

45

N - , (,K4(t)Zxp; (25) 1Ц - ,((t)z; ); N4 - Ь„+Ь,а„,

2 2 7

где )Co при анализе схемы ФИГ.2&Н ZP CoLp для схемы фиг.2г. Отсюда

G:

.«о) c, -4 - fEitH- .

so .,. .

а значение R равно

+ (G, +

(J

(23)

0

Частота f колебаний i(t) преобразуется преобразователем 16 частоты в код, а результат заносится микро-ЭВМ

19 через тристабильный 17. В

J

случае схемы фиг. 2 2 G. ,Г тог- Си Lt

да с учетом значений G, G, и f индуктивность определится из выражения

«5

I

2Tf

(24)

При наличии образцовых мер реактивной проводимости процесс измерения LC-параметров осуществляется сле- следующим образом. Переключатель 4 переводится в положение с, а переключатель 5 - в положение Ь. Блок 7 образцовых проводимостей представля

2 . 1

N, « Ь„-кЬ,(,К i;(t)7,v );

N - , (,K4(t)Zxp; (25) 1Ц - ,((t)z; ); N4 - Ь„+Ь,а„,

2 2 7

где )Co при анализе схемы ФИГ.2&Н ZP CoLp для схемы фиг.2г. Отсюда

G:

c, -4 - fEitH- .

+ (G, +G.,);

R

2R.

N,-N4 N,-N,

Nj-N, N,-N, Квадратурная составляющая прово- 55

димость находится из соотношения

G, - - cf,

а G.

г -г -г

2G«

Подставляя значения Gg, G и G,,

имеем

(22)

C rNi:N4 Ni;N.l - ,-N, N,-N,J-

При определении индуктивности )L, тогда Gg

со L,,

L «2L

1

N.-N4 ,

(27)

N,-N, N,-N, J

Коды чисел N, N,N, N запоми- наются в ОЗУ 21 и обрабатываются в микро-ЭВМ 19. Результаты обработки заносятся в блок 2 отображения информации.

Из выражений (7), (10), (13), (21) , (26) и (27) следует, что результат измерения инвариантен к зна чеиию частоты f, параметрам Ь, Ь, АЦП 14, вд, а, квадратора 13, коэффициенту передачи К усилителя.

Обеспечение возможности устранения Влияния параметров усилителя 12 обеспечивает возможность измерения RLC- параметров полупроводниковых элементов в диапазоне частот с малым уровнем напруокения на них, что гарантирует их работоспособность после проведения измерений.

Формула изобретения

Цифровой измеритель RLC-параметров, содержащий генератор синусоидального напряжения, первый блок образцовых элементов и времяштульс- ный аналого-цифровой преобразопа- тель, о т л и ч а О щ и и с я тем, что, с цр.лью повышения точности измерений в Егироком частотном диапазоне В него введены второй и третий блоки образцовых элементов, два блока образцовых проводимостей, nepBui i и второй переключатели, двухполюсньй переключатель, ус1шитель, квадратор, преобразователь частоты в код, ре- гистр команд, блок отображения информации, два тристабильных буфера и микро-ЭВМ, содержащая микропроцессор оперативное и постоянное запоминающие устройства, причем к шине данных

микропроцессора подключены информационные входы регистра команд блока отображения информации, шины данных оперативного и постоянного запоминающих устройств, а также информа- ционные выходы первого и второго три- стабильных буферов, с шиной адреса микропроцессора соединены адресные

Q

5 0

5

0

0

5

входы первого и второго тристабильных буфероп, регистра команд, оперативного и постоянного запоминающих устройств и блока отображения информации, а к шине управления микро-. процессора подключены шины управления двух тристабильных буферов, регистра команд, оперативного и постоянного запомина1опц1х ус1ройств и блока отображения информации, причем информационный вход первого буфера соединен через преобразователь частоты в код с выходами генератора синусоидального напряжения, с первым из которых соединены первые зажимы первого и второго блоков образцовых проводимостей, измеряемого компх1ексного со- П1 )отивления т первый неподвижный контакт двухполюсного переключателя, иторой неподвижный контакт которого соединен с вторым зажимом измеряемого

комплексного сопротивления и подвижным контактом второго переключателя, первый неподвижный контакт которого подключен к первому зажш1у первого блока образцовых элементов, вторым зажимом соединенного с третьим иеподвшкньгм контактом двухполюсного переключателя и первым зажимом второго блока образцовых элементов, иторой зажнм которого соединен с )1одри:1 :пым контактом первого переключателя, а также с вторым непо- движнь1М контактом второго переключателя, че гверт1.м нсподтзижн1 м контактом дву:-:полюсного переключателя и первым зажимом третьего блока образцовых элементов, вторым зажимом соединенного с вторым вькодом ге- iicpaTopa синусоидального напряжения и пятьс-t неподпн ;ныт-1 контактом дну:- Л1Оо11осного переключателя, nepsbni и второй подвшсный контакты которого подключены к двум входа.м усилителя соответственно, два выхода которого соединены с входами квадра- 1 орл, выход которого подключен к входу времяимпульсного аналого-цифрового преобразонатоля, выходная шина которого подключена к информационному входу второго буфера, первый и третий неподвижный контакты перво- I o переключателя соединены с вторыми зажи Мами первого и второго блоков образцовых проводимостей соответственно, а второй неподвю:;ный контакт первого переключателя и третий неподвижный контакт второго переключателя являются нейтральньми, при этом восемь выходов регистра команд подк1иочены к управляющим входам первого и второго переключателей, двухполюсного переключателя, двух блоков образцовых проводимостей и трех блоков образцовых элементов соответ- /ственно.

Изобретение относится к области электроизмерительиои lexunui. изобретения - повышение точности измерений в широком частотном диапазоне. Измеритель ссдержиг i.-.iU parup 1 синусоидального напря.ие лил . Г-лик 8 ;:.|1Л .иьи1ых элсмеяпсш и лремяимпульс- H rf; аналого-цифровоЛ преобразователь 1ч. Введение блоков 9 и 10 образцо- ii:,ix эль меитов, б-поков h It 7 образ- п I l ;х проводимое ей, пег ек.пючателей 4 и 5, двухполюсного переключателя 1 i, усилителя 12, квадратора 13, пре- оОр;1зоп. 1теля 16 частот, в код, три- стлбил лгьгх буферов 15 м 17, регистра 18 команд, блока 2 отображения инфор- илцпя, микро-ЭВМ 19 и образование но- Bi IX в измерителе обеспечивают возможность за счет устранения влияния параметров усилителя 12 из- К L,С-параметры полупроводиико- T1I X 1.пп -;рптов в диапазоне частот с McUiiiM уровнем напряжения в шгх, что I ip их работоспособность пос- . 1|р(чи:депця измерения. 2 ил. ю сл NP ел IsD СО со 4.iJ . :;« . Jt

Редактор О.Бугир

Составитель В.Стукай Техред И.Верес

Заказ 4619/А7 Тираж 728Подписное

ВНЮШИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. А/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4

Фиг. 2

Корректор В.Бутяга