Устройство для измерения комплексной проводимости Советский патент 1986 года по МПК G01R27/26 

смещения 26, усилители 41, 27 постоянного тока, балансные 8, 29, 30 смесители, селективные 34., 33 усилители, синхронные детекторы 37, 36, 39, 40, источники опорного напряжения 38, 42, для достижения цели введены триггеры 31, 32, 28, делитель частоты 16, синхроиньш детектор 15,

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и мо яет быть использовано для автоматического измерения и контроля параметров двухполюсников, в частности для измерения комплексной проводимости полупроводниковых структур (t fjin,, диоды, варикапы, барьеры Шотки, фотодиоды, транзисторы и др.) в зазиси- мостн от величины поляризующего над- ряжения и частоты тест-сигнала.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона измерений

На чертеже приведена блок-схема предложенкого устройства,

Устройство содержит блок 1 управления, перестраиваемый высокочастот- ньй генератор 2, четвертый балансный cмecитeJ:ь 3, второй фильтр 4 низких частот, второй автоподстраиваеный кварцевьш генератор 5, пятый смеситель 6, регулируемый усилитель (аттенюатор) 7, первый балансный смеситель 8, третий RC -фильтр 9 третий селективный усилитель 10, пер-вый кварцевый генератор 11, первый фильт 12 низких частот, преобразователь 13 частота-напряжение, нуль-орган 14, пятый синхронный детектор 15, делитель 16 частоты, выходной усилитель 17, 18, к которым подключается измеряемы.й двухполюсник, измерительный конденсатор 19, нагрузочный конденсатор 20, эталонный конденсатор 21, второй RC -фильтр 22, управляемый фазовращатель 23 первый широкополосный усилитель 24 второй широкополосный усилитель 255 источник 26 смещения, второй усилитель

27 постоянного тока, третий I) -триггер 28, второй балансный смеситель 29, третий балансный смеситель 30, первый 315 второй 32 D -триггеры,

иуль-ор1 аи 14, RC-фильтр 9, балансный смеситель 3, ФНЧ 4, смеситель 6, селективный усилитель 10, регулируемый усилитель 7, кварцевый ав- топодстраиваемый генератор 5. Для точного измерения к выводу может подключаться внешний дифровой вольт- eтD. 1 ил.

5 0

5

0

второй селективный усилитель 33, первый селективный усилитель 34, первый RC-фильтр 35, третий синхронный детектор 36, первый синхронный детектор 37, первый источник 38 опорного напряжения, четвертый синхронный детектор 39, второй синхронный детектор 40, первьм усилитель 41 постоянного тока, второй источник 42 опорного напряжения.

Вход перестраиваемого генератора 2 подключен к выходу блока 1 управления, выход генератора 2 Подключен к второму входу четвертого балансного смесителя 3 и к первому входу первого балансного смесителя 8, выход которого соединен с входом первого фильтра 12 низких частот, выход которого подключен к входу выходного усилителя 17, первы выход которого подключен к внешнему регистру частоты и входу преобразователя 13 частота-напряжение, выход которого подключен к внешнему регистратору, выход выходного усилителя 17 подключен к первому измерительного конденсатора 19, второй вывод которого подключен к входу второго широкополосного усилителя 25 и к первому зталонного конденсатора 21, второй вывод которого подключен к общей шине, выход второго широкополосного усилителя 25 соединен с первым входом третьего балансного смесителя 30, второй вход которого подключен к второму входу второго балансного смесителя 29 и выходу второго фильтра 4 низких частот, вход которого соединен с выходом четвертого балансного смесителя 3, выход третьего балансного смесителя 30 соединен с входом первого селективного усилителя 34, выход которого подключен к

3

первым входам первого синхронного детектора 37 и второго синхронного детектора 40, первый вход первого усилителя 41 постоянного тока подключен к выходу второго синхронного де- тектора 40, а второй вход первого RC-фильтра 35 подключен к выходу первого усилителя 41 постоянного тока, выход RC -фильтра 35 соединен с вторым входом регулируемого усилителя 7, выход которого подключен к второму входу первого балансного смесителя вход соединен с первым выводом первого кварцевого генератора 11 второй вывод которого соединен с вхо дом делителя 16 частоты, второй выход которого подключен к входу D третьего -триггера 28, третий выход - к второму входу управляемого фазовращателя 23, а первый выход под- ключен к второму входу пятого син- хронно о детектора 15 и входам первого 31 и второго 32 Б -триггеров выход первого D -триггера 31 подключен к вторым входам второго Синхрон- ного детектора 40 и четвертого синхронного детектора 39, выход которого подключен к внешнему регистратору выход второго D -триггера 32 подключен к вторым входам первого син- хронного детектора 37 и третьего синхронного детектора 36, выход которого подключен к внешнему регистратору выход управляемого фазовращателя 23 подключен к входу С третьего Б- триггера 28, первьгй вход которого соединен с входом С первого D -триггера 31, а второй выход - с входом С второго Б -триггера 32, вход второго RC -фильтра 22 соединен с выхо- дом второго усилителя 27 постоянного тока,а выход - с первым входом управляемого фазовращателя 23, первый вход усилителя 27 подключен к. выходу первого синхронного детектора 37, а второй вход подключен к выходу второго источника 42 опорного напряжения, первый вьшод 18 измеряемого двухполюсника соединен с вто- рым выходом выходного усилителя 17 и первым выходом источника 26 смещения, втопой выход которого подключен к внешнему регистратору,вход первого широкополосного усилителя 24 соединен с вторым выводом 18 измеря- емого двухполюсника и первым вьшодом нагрузочного конденсатора 20, второй вывод которого подключен к об5664

шей шине, вход второго баланс/юго смесителя 2 соединен с выходом усилителя 24, а выход подключен к входу второго селективного усилителя 33, выход которого подключен к первым входам третьего синхронного детектора 36 и четвертого синхронного детектора 39, выход второго автопод страиваемого кварцевого генератора 5 подключен к первому входу четвертого балансного смесителя 3 и первому входу пятого смесителя 6, выход которого соединен с входом третьего селективного усилителя 10, выход которого подключен к первому входу пятого синхронного детектора 15, выход которого соединен с входом нуль- органа 14, а выход последнего подключен к входу третьего RC -фильтра 9, выход которого подключен к входу кварцевого генератора 5, второй вход пятого смесителя 6 соединен с треть- им выходом первого кварцевого генератора 11.

Устройство работает следующим обра 3 ом.

Высокочастотный сигнал с выхода кварцевого генератора 11 с частотой i, и,/21Г (например 5 МГц) поступает на второй вход смесителя 6, на первый вход которого поступает напряжение с выхода второго автопод- страиваемого кварцевого генератора 5, частота которого может регулироваться в небольших пределах изменением напряжения на регулирующем входе i 5 МГц (0-200 Гц) С второго выхода кварцевого генератора 11 сигнал с частотой W, поступает на вход 16 частоты, где происходит деление частоты Q, с коэффициентом 2 по первому выходу.

(1-2)

- по второму выходу и 2 по третьему выходу. Таким образом, имеем на первом выходе ii , /2V, на втором - 2bi f, , на третьем - 4 ui | . Если, например, выбрать г| 18, той 19 Гц 2й 38 Гц; 4 ui 76 Гц. Сигнал с первого выхода делителя 16 поступает на второй вход синхронного детектора 15. Сигналы с частотами а, и Uj поступают на входы смесителя 6, разностная частота со, - со выделяется селективньп усилителем 10 и далее поступает на первый вход синхронного детектора 15, на второй вход которого поступает опорное напряжение

.с частотой ьсо , сигнал с выхода детектора 15 через нуль-орган 14 и RC-фильтр 9 поступает на регулирующий вход автоподстраиваемого кварцевого генератора 5,-замь кая цепь отрицательной обратной связи авто- подстраиваемой частоты генератора 5. Обратная связь работает таким образом, что разностная частота на выходе смесителя 6, поступающая на первый вход синхронного детектора 15 через усилитель 10, поддерживается равной опорной частоте, поступа- юще11 на второй вход детектора 15,, сигнал на выходе детектора 15 через нуль-орган и RC -фильтр поддерживается равным нулю. Это означает, что разностная частота равна опорной частоте uw и частота а генератора 5 поддерживается равной ы О, - UCO с большой точностью.

Сигнал с частотой Ы) от кварцевого генератора 11 через регулируемый усилитель 7 поступает на второй вход балансного смесителя 8, на первый вход которого поступает высокочастотный сигнал от перестраиваемого генератора 2, частота которого.может автоматически (или в ручном режиме) изменяться от и до 04 (например от 5 до 8 МГц)5 что обеспечивается блоком 1 управления.

После смешивания в балансном смесителе 8 и прохождения через фильтр 12 на входе выходного усштителя 17 появится сигнал, частота которого равна со и может автоматически изменяться от Q к CO,j-Q, до W g О,- СО,. Таким образом, на выходе усилителя 17 в точке А появляется напряжение |,-е. е ,

40

где Ufl - амплитуда переменного сигнала,, которая может регулироваться изменением амплитуды сигнала частоты W, , поступающего на второй вход балансного смесителя 8 через регулируемъш усилитель 7, а Ч и - фаза этого сигнала,

Напряжение высокочастотного сигнала с выхода перестраиваемого генератора 2 также поступает на второй 50 вход балансного смесителя 3, на пер- вьш-вход которого поступает напряжение с частотой Й2 0), - UU с выхода генератора 5, После смешивания в балансном смесителе 3 и прохождения 55 через фильтр 4 низких частот на вторых входах балансных смесителей 29 и 30 появляется сигнал, частота которого равна U д и и может изменяться в следующих пределах:

(1)

Оц-С0з г WJ-U,- UW йО) ,

Og, О4 W, -i-ba) Ug « uu

w n(W4-bu1 со , Сигнал с выхода выходного усилителя 17 поступает на эталонный конденсатор 21 с большой добротностью, при этом на измерительном конденсаторе 19 вьщеляется напряжение, пропорциональное току, текущему через конденсатор 21, так что напряжение, присутствующее на входе широкополосного усилителя 25,, в точке В равно

и. и,. г И5М

g utgJo A

(2)

С усилителя 25 усилет ный сигнал с частотой W (cOf,) поступает на первый вход третьего балансного смесителя 30, на второй вход которого поступает напряжение с выхода фильтра 4 низких частот, смешивается в балансном смесителе 30 и с его вы- -хода сигнал поступает на вход селективного усилителя 34, где происходит выделение частоты

(Q + UCO )-CJ &Q ,

Таким образом, на выходе селективного усилителя 34 появляется напряжение с частотой йо:) равное

Ч я

А (с

tucpico)

(3)

где и.

Сс

и е

-fft

- соответ - м

ственно амплитуда и фаза сигнала на входе широкополосного усилителя 25, а множители А (со) и ьЗ (и) определяют амплитудно-частотную и фазочастот- ную характеристики трактов усиления и преобразования частоты. Это напряжение поступает на первые входы первого 37 и второго 40 синхронных детекторов .

С второго выхода делителя 16 частоты сигнал с частотой 2 йо) поступает на D -вход триггера 28, где синхронизует по фазе сигналы управления триггерами 31 и 32, С третьего выхо-, да делителя 16 частоты сигнал с частотой 4 йы поступает на второй вход управляемого фазовращателя 23, с выхода которого управляемый по фазе сигнал с частотой 4 йсо подается на С-вход триггера 28. На выходах триггера 28 имеем противофазные сигналы с частотой 2 ЛЫ управления триггерам

31и 32. На входы D триггеров 31,

32подан сигнал синхронизации с частотой ли с первого выхода делителя 16 частоты. На выходах триггеров 31, 32 имеем два меандра с частотой ДСО , фазовый сдвиг между которыми составляет 90 и сохраняется строго постоянным при работе цепи фазовой автоподстройки. Таким образом, на выходах триггеров 31 и 32 присутствуют два квадратурных сигнала с час- TOTO1I UCO , сигнал с выхода триггера 31 поступает на вторые входы синхронных детекторов 39 и 40, а сигнал с выхода триггера 32, сдвинутый на 90 , поступает на вторые входы синхронных детекторов 36 и

37.

Синхронный детектор 40 настроен на реактивную компоненту сигнала, так что на его выходе появляется постоянное напряжение,,пропорциональное

UдA(.5iл(ч At&q|(,W)). (4)

Это напряжение поступает на усилитель 27 постоянного тока, где сравнивается с опорным напряжением, поступающим от источника 42 опорного напряжения. Величина опорного напряжения источника 42 не превьпнаеТ +5 м и служит для компенсации напряжения смещения усилителя 27. Сигнал рассогласования усиливается в усилите- ле 27 и через RC -фильтр 22 поступает на управляющий вход фазовращателя 23, замыкая цепь обратной связи фазовой автоподстройки.

Обратная связь работает таким образом, что напряжение на выходе синхронного детектора 37 поддерживается равным нулю, т.е. выполняется условие

5in(q fltiq)():zO иди qip|4uq(u)0 (5)

так что набег фазы в усилительных трактах йЦ (GJ) при изменении частоты сигнала автоматически компенсируется изменением фазы управляемого фа- зовращателя на частоте 4 йсо и, соответственно, фазы опорных квадратурных сигналов с частотой йсо .

12575668

Синхронный детектор 40 настроен на реактивную компоненту сигнала, так что на его выходе появляется напряжение, пропорциональное

Alcol p---co5((ul),

с

которое с

учетом (5) равно

11 . -

UfS

A(u))

изм

(6)

Это постоянное напряжение поступает на первый вход усилителя 41 постоян- - ного .тока, где сравнивается с опорным напряжением источника 38 опорного напряжения и через RC -фильтр 35 поступает на второй регулирующий вход усилителя, изменяя в небольших пределах его усиление и, соответственно, величину сигнала с частотой W,, поступающего на второй вход балансного смесителя 8 от генератора 11, и замыкая отрицательную обратную связь автоподстройки амплитуды. Эта связь работает таким образом, напряжение на выходе синхронного детектора 40 поддерживается равным опорному от источника 38 опорного напряжения с точностью лучше

0,1%. Uft A(uV7 copgt ,

или.

с,

учитывая , что С ,, и изм - постоянные величины, имеем на выходе син- хронного детектора 40

J „-Atu) const.

(7)

Таким образом, нелинейность АЧХ усилительных и частотно-преобразовательных блоков, а также нестабильность амплитуды кварцевых генераторов и перестраиваемого генератора, а также неидеальность передаточной характеристики фильтров 4 и 12 низких частот автоматически компенсируется изменением амплитуды тест-сигнала в точке А вследствие изменения напряжения с частотой и, ,,поступа- ющего на второй вход балансного смесителя 8 через регулируемый усилитель 7 от кварцевого генератора 11.

Одновременно сигнал с выхода усилителя 17 поступает на измеряемый двухполюсник, при зтом на измерительном конденсаторе 19, емкость которого выбирается в зависимости от емкости С у измеряемого двухполюсника и

требуемой точности измерений, кает напряжение, пропорциональное току, текущему через измеряемый двухполюсник, так что напряжение в точке С равно

., I, ICO-t Ч А 1 ir

U, U«-e -е -----IC,

10

(8)

С выхода широкополосного усилителя 24 усиленный сигнал частоты со„ о (jg поступает на первьш вход балансного смесителя 29, на второй вход которого поступает напряжение с выхода фильтра 4 низкой частоты. Сигналы смешиваются в балансном смесителе 29 и с его выхода сигнал поступает на вкод селективного усилителя 33, где происходит выделение частоты л со . Таким образом, на выходе усилителя 33 появляется сигнал с частотой йО , равный

U,.AM..(c,.lG,/).e

о г.

4С|(О)

(9)

Это напряжение с выхода селективного усилителя 33 поступает на первые входы синхронных детекторов 36 и 39, на вторые входы которых поступает опорное квадратурное напряжение с выходов триггеров 31 и 32.

Работа и настройка детекторов 36 и 39 полностью аналогична работе и настройке соответственно детекторов 37 и 40. Синхронный детектор 39 (аналогично детектору 40) настроен на реактивную компоненту сигнала, так как на его выходе имеет место постоянное напряжение, равное

UA ftM c/co6(cfft + uCp(cj)VCiJcj5in(cffttuqi(cjl) .

(10)

Синхронный детектор 36 (аналогично детектору 37) настроен на активную компоненту сигнала, так что на его выходе имеет место постоянное напряжение, равнЬе

Ufl-A( б1 ( &qi (о) + - cos (ц) д + ucf {((

Так как каналы, содержащие усилитель 25, .смеситель 30, усилитель 34 и усилитель 24, смеситель 29, усилитель 33, выполнены идентичными, учитывая выполнение условий (5) и (7) при 55 изменении частоты переменного тест- сигнала, 1-1меем на выходе синхронного детектора 36 согласно (11) сигнал.

пропорциональный Q, /Q , а на выходе синхронного детектора 39 согласно (10) - сигнал, пропорциональный С,, .

С первого выхода в лходного усили- теля 17 сигнал поступает на зход преобразователя 13 частота-напряжение, где происходит логарифмическое преобразование частоты со,, - и,,, в напряжение, которое далее может подаваться на один из входов двухкоор- динатного самописца для записи зави

симостей G / СО

а

или Cv |й

С выхода блока 1 управления на вход перестраиваемого высокочастот- ного генератора 2 поступает постояв- нре или пилообразное напряжение для электронной перестройки частоты генератора. В первом случае снимаются

Q / со от О

и

от и зависи

мости при выбранной фиксированной

частоте в пределах (О , - со , во втором случае - G /Со от (J и С от СО зависимости при фиксированном поляризующем напряжении.

С выхода источника 26 смещения на измеряемый двухполюсник поступает постоянное поляризующее напряжение, которое также может изменяться пилообразно для записи соответствующих зависимостей Q / W от и Cj( от О .Одновременно к выходу I) может подключаться внешний цифровой вольтметр для точного измерения напряжения .

40

45

50

55

Формула изобретен и. я

Устройство для измерения комплексной проводимости, содержащее первый кварцевый генератор, блок управления, выход которого соединен с входом пе- рестраиваемого высокочастотного генератора, выход первого балансного смесителя через первый фильтр низких частот соединен с входом выходного усилителя, первьй выход которого подключен к внешнему регистратору частоты и соединен с входом преобразователя частота-напряжение, второй выход выходного усилителя соединен через измерительный конденсатор с входом второго широкополосного усилителя и первым выводом эталонного конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, выход второго 1дирокополосного усилителя через последовательно соединенные третий балансный смеситель, первый селективный усилитель соединен с первьми

входами первого и второго синхронных детекторов, выход второго синхронного детектора соединен с первым входом первого усилителя постоянного тока, второй вход которого подключен к выходу первого источника опорного напряжения, вход первого RC-фильтра соединен с выходом первого усилителя постоянного тока, выход первого синхронного детектора соединен с первым входом второго усилителя постоянного тока, второй вход которого подключен к второму источнику опорного напряжения, выход второго усилителя постоянного тока через второй RC-фильтр соединен с входом управляемого фазовращателя, вход первого широкополосного усилителя соединен с вторым выводом для подключения измеряемого двухполюсника и первым выводом нагрузочного конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, выход первого широкополосного усилителя через первый вход второго балансного смесите- 25 цевого генератора, первьш выход делили соединен с входом второго селек- теля частоты соединен с вторым входом пятого синхронного детектора и входами D первого и второго D-триг35

тивного усилителя, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого синхронных детекторов, выходы которых подключены к внешним, зо третьего D-триггера, третий выход - регистраторам, второй вход первого с вторым входом управляемого фазо- синхронного детектора соединен с входом третьего синхронного детектора, второй вход второго синхронного детектора соединен с вторым входом четвертого синхронного детектора, первый выход источника смещения соединен с первым выводом для подключения измеряемого двухполюсника и выходом выходного усилителя, второй выход Q источника смещения подключен к внешнему регистратору, отличающ е- е с я тем, что, с пелью расширения частотного диапазона и повьпяения

.точности измерений,в него дополнитеЛь- вторым входом четвертого балансного но введены первый, второй и третий смесителя, выход первого RC-фильтра D-триггеры, делитель частоты. Пятый соединен с в.торым входом регулир егеров, второй выход - с входом D

вращателя, инвертированньш выход третьего D-триггера соединен с входом С первого D-триггера, а инвертированный выход третьего D-триггера - с входом С второго D-триггера, вькод первого D-триггера соединен с вторыми входами второго и четвертого синхронных детекторов, а вь/ход второго D-триггера- с вторыми входами первого итретьего синхронных детекторов, выход перестраиваемого высокочастотного генератора соединен с первым входом первого балансного смесителя

мого усилителя, выхо фазовращателя соедин

синхронный детектор, нуль-орган, третий ЯС-фильтр, четвертый балансный смеситель, второй фильтр низких третьего D-триггера.

Составитель В.Стукан Редактор М.Келемеш Техред Л.Олейник Корректор Е.Рошко

Заказ 4914/44 Тираж 728Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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

частот, пятый смеситель, третий селективный усилитель, регулируемьй усилитель, второй кварцевьпт автопод- с раиваемьп генератор, выход которо- го соединен с первыми входами пятого смесителя и четвертого балансного смесителя,выход которого через второй фильтр низких частот соединен с вторыми входами второго и третьего

балансных смесителей, выход пятого смесителя через третий селективный уси-питель соединен с первым входом пятого синхронного детектора, выход которого через нуль-орган и третий

RC-фильтр соединен с входом второго кварцевого автоподстраиваемого генератора, третий выход первого кварцевого генератора соединен с вторым входом пятого смесителя, первый выход - с входом регулируемого усилителя, первьп выход которого соединен с вторым входом первого балансного смесите1 я, вход делителя частоты соединен с вторьпч выходом первого квартретьего D-триггера, третий выхо с вторым входом управляемого фазо

геров, второй выход - с входом D

5

зо третьего D-триггера, третий выход - с вторым входом управляемого фазо- Q

вращателя, инвертированньш выход третьего D-триггера соединен с входом С первого D-триггера, а инвертированный выход третьего D-триггера - с входом С второго D-триггера, вькод первого D-триггера соединен с вторыми входами второго и четвертого синхронных детекторов, а вь/ход второго D-триггера- с вторыми входами первого итретьего синхронных детекторов, выход перестраиваемого высокочастотного генератора соединен с первым входом первого балансного смесителя

мого усилителя, выход упраньтяемого фазовращателя соединен с входом С

третьего D-триггера.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для автоматического измерения и контроля параметров двухполюсников. Целью изобретения является расширение частотного диапазона измерений. В устройство, содержащее блок 1 управления, .перестраиваемый генератор 2, кварцевый генератор 11, фильтр 12 низких частот (ФНЧ), преобразователь частота-напряжение 13, выходной усилитель 17, выводы 18, конденсаторы, измерительный 19, нагрузочный 20, эталонный 21, RC-фильтры 35, 22, управляемый фазовращатель 23, широкополосные 24, 25 усилители, источник с S