Измеритель комплексной проводимости поляризованных объектов Советский патент 1987 года по МПК G01R27/26 

1П

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения комплексных сопротивлений, в частности при изучении свойств полупроводниковых структур, электрохимических и биологических объектов.

Целью изобретения является расширение диапазона поляризующих напряжений и повышение точности измерения за счет компенсации постоянной составляющей выходного напряжения преобразователя.

На фиг.1 показана структурная схема измерителя комплексной проводимости поляризованных объектов, которая содержит генератор 1 синусоидального напряжения, фазовращатель 2, переключатель 3, сумматор 4, источник 5 напряжения поляризации, амплитудный детектор 6, основной операционный усилитель 7, клеммы для подключения измеряемого объекта 8, образцовьш ре- .зистор 9 (RQ), дополнительный операционный усилитель 10, четыре резистора 11-14, первый 15 (с,) и второй 16 (02) конденсаторы, фазочувствительный детектор 17, формирователь 18 опорной частоты, аналого-цифровой преобразователь 19 (АЦП).

Выход генератора 1 соединен с нормально разомкнутым контактом, а через фазовращатель 2 подключен к нормально замкнутому контакту переключателя 3,, общий контакт которого соединен с входом амплитудного детектора 6 и с первым входом сумматора 4, второй вход которого соединен с выходом источника 5, а выход - с информационным входом детектора 17, выходы детекторов 6 и 17 подключены к опорному и информационному входам АЦП 19, выход которого через формирователь 18 соединен с управляющим входом детектора и входом генератора 1.

Измеритель работает следующим образом.

Генератор 1 преобразует напряжение формирователя 18 в синхронный сит-нал амплитудой I и частотой io 2i f, .

На первый вход сумматора 4 подается тестовое напряжение Е либо с выхода генератора 1 (Lmsina t) при измерении актшзной составляющей, либо с выхода фазовращателя 2 (1т si.n(i.t + + 7//2) 1т cos и-1 при измерении реактивной сосч аиляюшсГ: измеряемого объекта. Ко BTop(j -iy входу сумматора 4

93

приложено напряжение поляризации К источника 5 поляризующего напряжения. Таким образом, измеряемый объект, подключенный к клеммам 8. находится

ПОД воздействием суммарного напряжения Е + Е,

Фазочувствительным детектором 17 осуществляется выделение синфазной

или квадратурной составляющих выходного напряжения основного операционного усилителя 7, несущих информацию об измеряемом параметре. Использование аналого-цифрового преобразователя

19 двухтактного интегрирования позволяет получать результат, не зависящий от нестабильности амплитуды 1, и частоты иЗ тестового напряжения, поскольку на его опорный вход подается напряжение с выхода амплитудного детектора 6, пропорциональное 1, частота тестового сигнала ц; синхронизована частотой генератора аналого-ци|)рового преобразователя.

Использование компенсации в предложенном устройстве позволяет предот - вратить насьпцение основного операционного усилителя 7 и поддерживать уровень постоян:ной составляющей информационного сигнала на выходе преобразователя 7 близким к нулю.

Выходное напряжение U. основного операционного усилителя 7 с учетом включения компенсации равно:

Ux -(G. Jb- C,)R,E - 1 и,

G x + iu;Cx

. + Ro 1 Г, ,RI1

RK (И- (1 + juJC,R,)Rj X RoE, (1)

где G j i-i Су - соответственно проводимость и емкость измеряемого объекта (Y.), подключенного к клеммам 8; U - частота тестового сиг

н ал а;

R

сопротивление образцо

вого резистора 9 RI - сопротивление четвертого резистора 11;

R, R , R - сопротивления резисторов 12, 13 и 14 соответственно i С, С, - емкость конденсаторов

15 и 16 соответственноi

г - l t l V L (1 .VK J

- напряжение 1- - n

(1 + iuiC.R,) V

I- -пеисации на выходе дополнительног о операционного усилителя 10. Уровень постоянной составляюп ей и выходного напряжения основного операционного усилителя 7 от воздействия напряжения поляризации Е (ы 0) согласно выражению (1) равен

„ ,G,R ,

- rrSoTii;

k

Если обеспечить о ( п) 1 и

к К считать, что , то U „ Е,.

Например, при значениях R 100 кОм, R 10 кОм, К, 1,0 МОм, R, 10 кОм и напряжении поляризации Е 100,В величина U составляет всего 100 мВ.

Дополнительная погрешность измерения предлагаемого устройства при напряжении поляризации Е, 100 В согласно (2) составляет

- 0,1%. (3)

Идеальная передаточная функция преобразователя 7 имеет вид

W(w) -(G + jaJC)R. (4) Погрешность преобразования сУ вызванную компенсацией, рассчитывают из сопоставления выражений (1) и (4):

,, Rof, ,

RkL (1 + ju)(1R,)Rj(1+ jt CjR Формула изобретения

Измеритель комплексной проводимости поляризованных объектов, содержащий генератор синусоидального напряжения, фазовращатель, переключатель, операционный усилитель, амплитудный и фазочувствительный детекторы, формирователь опорной частоты и аналого- цифровой преобразователь, клеммы для подключения исследуемого объекта.

Л . ПЧпричем BHxoi i г снератора подключен к нормально разомкнутому контакту, а через фазовращатель - к нормально замкнутому контакту переключателя, общий контакт которого соединен с входом амплитудного детектора, инвертирующий вход операционного усилителя соединен с клеммой для подклю1Q чения измеряемого объекта и образцового резистора, неинвертирующий вход - с общей шиной, а выход - с вторым выводом образцового резистора и информационным входом фазочувствитель15 ного детектора, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя опорной частоты и с входом генератора, выходы фазочувствительного и амплитудного детекторов подключены

20 соответственно к информационному и опорному входам аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом формирователя .опорной частоты, отличающийся

25 тем, что, с целью расширения диапазона поляризующих напряжений, он со- держит источник напряжения поляризации, сумматор, дополнительный операционный усилитель, четыре резистора

30 и два конденсатора, причем первый вход сумматора соединен с общий контактом переключателя, второй вход - с источником напряжения поляризации, а выход - с второй клеммой для подключения измеряемого объекта, инвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, а также первого конденсатора,

40 неинвертирующий вход- с первыми выводами третьего резистора и второго конденсатора, а выход - с вторыми выводами первого и четвертого рези.сто- ров, а также первого конденсатора,

g второй вывод третьего резистора соединен с выходом основного операционного усилителя, второй вывод четвертого резистора соединен с инверпфую- щим входом основного операционного

gQ усилителя, вторые выводы второго резистора и второго конденсатора соединены с общей шиной.

Изобретение может быть использовано для измерения комплексных сопротивлений, в частности при изучении свойств полупроводниковых структур электрохимических и биологических объектов. Измеритель комплексной проводимости поляризованных объектов содержит генератор 1 синусоидального напряжения, фазовращатель 2, переключатель 3, сумматор 4, источник 5 напряжения поляризации, амплитудный детектор 6, операционные усилители 7, 10, клеммы для подключения измеряемого объекта 8, образцовый резистор 9, резисторы 11-14, конденсаторы 15, 16, фазочувствительный детектор 17, фор- миров атгль 18 опорной частоты и аналого-цифровой преобразователь 19. Изобретение расширяет диапазоны поляризующих напряжений и повышает точ- ность измерения. 1 ил. (Л ее 4;а СЛ 00 (Г