Цифровой измеритель RLC-параметров Советский патент 1987 года по МПК G01R27/26 

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для построения цифровых измерителей RLC-параметров,

Целью изобретения является повышение точности измерений RLC-параметров в широком частотном диапазон

На фиг.1 показана блок-схема цифрового измерителя RLC-параметров; н фиг.2 - блок-схема формирователя временных интервалов.

Цифровой измеритель RLC-параметров (фиг.1) содержит клеммы 1 для подключения исследуемого двухполюс

ника, образцовый двухполюсник 2, резистор 3, формирователь 4 временных интервалов, умножитель 5, синтезато 6 частот, первый переключатель 7,источник 8 напряжения смещения, источник 9 опорного напряжения, второй переключатель 10, интегратор 11, нуль-орган 12, регистр 13, набор фазовращателей 14, третий переключатель 15, аналоговый коммутатор 16, фазо инвертор 17, четвертый переключатель 18, отсчетный 19 и вычисли- I

тельный 20 блоки, селектор 21 и генератор 22 импульсов.

Формирователь 4 временных интервалов (фиго 2) содержит дифференциалный усилитель 23, нуль-орган 24, элемент 2И 25, триггер 26, реверсивный счетчик 27, регистр 28, триггер 29, блок 30 сброса и элемент 2 ИЛИ 3

Клеммы 1 для подключения исследуемого двухполюсника последовательно соединены с образцовым двухполюсником 2, регистром 3 и синтезатором 6

частот, причем одна из клемм 1 и од из выводов образцового двухполюсника 2 соединены с общей шиной измерителя, а параллельно резистору 3 включен первый вход умножителя 5, первый и второй входы умножителя 5 также соединены соответственно с певым и вторым входами формирователя временных интервалов, а к точке сое динения исследуемого двухполюсника и синтезатора 6 подключен первый вход переключателя 7, второй вход кторого соединен с точкой соединения образцового двухполюсника 2 и резис тора 3. Третий вход умножителя 5 содинен с общей шиной измерителя, четвертый вход - с выходом переключателя 18, выход умножителя 5 через источник 8 напряжения смещения соедин с вторым входом переключателя 10.

0

5

0

5

5

Q циальный усилитель

5

5

Первый вход последнего соединен с источником 9 опорного напряжения, а выход через интегратор 11 - с первым входом нуль-органа 12, второй вход которого соединен с общей шиной измерителя, а выход - с третьим входом формирователя 4, первым входом селектора 21 и входом управления вычислительного блока 20.

Выход переключателя 7 соединен с входами набора фазовращателей 14 и первым входом переключателя 15, к второму входу которого подключен выход аналогового ко1-1мутатора 16, с входами которого соединены выходы набора фазовращателей 14, ас выходом переключателя 15 соединены вход фазоинвертора 17 и первый вход переключателя 18, с вторым входом которого соединен иьгход фазоинвертора 17. Выходная шина селектора 21 и первый выход формирователя 4 временных интервалов подключены к входной шине вычислительного блока 20, который выходной шиной соединен с отсчетным блоком 19 и регистром 13, выходная шина кото)ого соединена с управляющими входами синтезатора 6, переключателей 7, 15 и 18, коммутатора 16 и четвертым входом формирователя 4, первый и второй выходы которого соединены с входами управления переключателя 10, причем первый выход формирователя 4 соединен также с вторым входом селектора 21, с третьим входом кторого соединен выход генератора 22 импульсов.

Формирователь 4 содержит дифферен23, два входа которого являются первым и вторым входами формирователя 4, а выход через нуль-орган 24 соединен с первым входом элемента 2И 25, вторым входом подключенного к инверсному выходу триггера 29, S-входом соединенного с выходом перехода через О реверсивного счетчика 27 и входом управления параллельной установкой этого счетчика. Параллельный вход счетчика 27 подключен к выходу регистра 28, вход которого является четвертым входом формирователя 4, а счетный вход счетчика 27 подключен к выходу элемента 2И 25 и Sвходу триггера 26, R-вход которого соединен с R-входом триггера 29 и выходом элемента 2ИЛИ 31, второй вход которого подключен к выходу схемы 30 сброса, а первый

313578744

вход является третьим входом форми- - то же, но при рователя 4. Прямые выходы триггеровподключении на29 и 26 являются соответственно пер-пряжения на Z-o;

вым и вторым выходами формирователя )2,c/ ( )- квадратичные 4. Второй вход нуль-органа 24 соеди- погрешности пенен с общей шиной.ремножителя

Входная и выходная шины вычисли-при различных

тельного блока 20 соединены с под-входных сигнасистемой ввода-вывода, а управляющийлах.

вход соединен с входом прерывания, to Напряжение смещения перемножителя

Если к, последовательному соеди-имеет различные значения, поскольку

нению исследуемого двухполюсникапри изменении сопротивления источниZ образцового двухполюсника 2 входных сигналов изменяются оби резистора 3 R(, приложить синусо-ратные входные токи, идальное напряжение U(t)U sinwt, ff Повернув фазу в (3) на 90° с пото в цепи протекает ток i(t) мощью квадратурного фазовращателя 14

sin (t ), а напряжение коэффициентом передачи К и повтоZрив операции умножения, получают на 7., Zp, RQ соответственно равно

.20 ) кД1- , Itsinl,U(t) -- sin (w t + Ц + Ц,}-, (1)

- sin (2u)t +1/+(/,) +c/n()2 +

Uo(t) Z,- sin (u;t +c/ + (J; (2)+ U „ к||- К„. Z, sini,25 (6)

TIП2

U (t) R, - sin (u)t +(f}, (3)- Кф 2f2- RO-ZX sin(2ajt +v + ;,) +

где Z - модуль комплексного сопро- h v u, см.п.х

тивления цепи;зд,,2

If - разность фаз напряжения и ) sin i/,тока.„2

Умножая формулу (1) на формулу- (j-Z sin(2 ш t +{f + if ) + (3) и (2) на (3), получают

„2 135 1 UoURJ + и,,„.,,„ . (7)

„,(t) ,Z, cos(2u;t Ч-С/+С/,) ,(U,. и, ) +, У °P J «

n X KO180 С помощью фазоинвертора 17, ко+ и 2 Ro xcosi,- f- RcZ,.,. .-эффициент передачи которого равен 1,

. (4)40что просто реализуется, и повторив

xcos(26jt +q +i;,)J + rf,, ()2 +операции умножения, получают -и,,.п.. J ,,-b

и„(0 .cosi/,- 45+ 11 RO-ZX- OS (2u,.t+Lf + Q ,) d-.x

xRoZoCos(2w t + ) ()2 +UCM. n.;

.(и„-и„)2 + и,,.,., ,Г U2,

где амплитудное 50 -о - 2Z О О-СОБ +

значение нап- /„ x /„ч

ряжения; 2Z R,(2. t ,) + (9)

UCM, n.v - напряжение сме- , . + и

щения перемно- n o c«.n.o

жителя при под-j

ключении к его Повернув фазу в формуле (3) на

второму входу270° с помощью фазоинвертора 17 и

напряжения наквадратурного фазовращателя 14 и повZ ;торив те же операции, получают

5 13578746

П ft- ) -к R .7 .Ч1Т11 и „-ПТ -4- и + пТ + (19)

и п-х vt 272 о х хСМ. П.о ем. П

tT2 + Uc ПТ,

- -«-Ч + (f) + (10)

5где Uj „ - напряжение смещения ин+ (/(и -UR ) + UcM.n.x ;тегратора;

.и с - напряжение дополнительи „.„(О -K.fj- RO-ZO-sint/ +ного смещения, вводимое

для смещения интегрируемых

11210

+ liii. R -2 . sin(2 ш t + Lf+1/) +напряжении в положительную

2Z (11)область для простоты про4. JI лтт . п i 2 4- TIцесса двухтактного интегт от v,u )( . см.п.о

рирования.

Квадратичные погрешности перемно- втором такте формулы (12-(19)

жителя неизменны в уравнениях (4),преобразуются в числа импульсов

(6), (8) и(10) и равны ri n(Ux URjSа f

а также в уравнениях (5), (7), (9) « + -- а . Z. cosg.; И (11) и равны i (и,,-и р) , что

объясняется неизменностью амплитуды -,„ы f -. + й. я .7 .,-пчг

и о ° и 1 о ,

входных сигналов в пределах каждой о и о из групп управлений. Обозначим для, а f простоты п(и,-икр2 / и с/„(ио-и„; NX +,5- .ф , Ч/ . Проинтегрируем напряжения в формулах (4)-(10) в пределах от О 25N f --- + -- а Z . sinu до пТ о о и Uo f

112., ,. аоу fo г,

Un, пТ |5- R,.Z,. cos с/,+ и,„.,.,. f, - - -, 005(1

(12)00

.пТ + и,,.„+ .пТ.+ и,.пТ; 30N.. f, - °- а, - Z,-cos

U,,, пТ ||- К„ Z, cosc, и,„.„ .N - f 2я1 .. li , . z sino .

-) °Uи sin 4,

.cnT + и-,„ n +p.nT + U. nT; (13)°

..- птЦ, K,R,Z,ein,,. - - ЧТ - 5 .+ .U,,,, -nT + и,;„+о(-пТ + U,. a, U, .

, Ui „ . .aoo UcM.n,o-nT+U,,,+U,.

Un. 22rK«-Ro-Z,.sinc/ +,nT..

(15)a, 222 + Uc.n.o nT + Uc. + fi.nT + U. nT;

и

yj.a,p K. a,;

n-x 2Z Ro Zjj-cos (.-b U(.j,.i(U(j - напряжение разряда;

|1A)jr

(1) 4g f - частота заполнения, X пТ + Uj. +в(-пТ + U;.. пТ;Выполнив вычислительные операции,

и

...z -COS.. °- - п-о о

- - I,м м

и, „,..пТ -ь и,„,„ -.-пТ + (17) ocosc;.

50, ,

и.пТ;N x - N

2,sinv oSini

IU m Kit)..0-0.

Un. -tiT 272 o x откуда видно, что результаты измерений не зависят от величин а, f, + Uc.n.-nT + и,„ , + С/-ПТ + (18) gg а, а,, a, , и„. При проведении измерений квадратурных составляющих

Z singly в широком частотном диапа..( „ 0.7. sin 7+ зоне к значительным погрешностям 2Z 00 может привести фазовая погрешность

квадратурных фазовращателей, которая искажает соотношения (6), (7), (10) и (11). Поэтому для измерений в пределах каждого поддиапазона по частоте должен использоваться отдельный фазовращатель, обеспечивающий в нем стабильность своих фазовых характеристик. Фазоинвертор, который, обычно, не содержит реактивных элементов, заметных фазовых искажений не вносит.

Измеритель работает следующим образом.

В процессе начальных установок в синтезатор 6 вводится код частоты, коммутатором 16 выбирается необходимый фазовращатель 14, а в регистр 28 записывается число п тактов накопления. Накопление обеспечивает необходимую чувствительность на высоких частотах, поскольку время t интегрирования невелико, а выходное

в начале второго такта второго

напряжение интегратора пропорционально t. Режим .измерения синфазных ли- 25 переключатель 7 переводится в бо квадратурных составляющих зада- ется уста11овкой переключателя 15. Рассмотрим режим измерения индуктивности L последовательной RL-схемы замещения. В качестве Z.2

нижнее положение, поэтому в третьем цикле интегрируется напряжение (10) где Zo-sin Чд wL,., а в память бло

30

ка 20 заносится число

f

N а Nи а„.

- (f JUn)a

включается образцовая индуктивность L

После сброса блоком 30 триггеры 26 и 29 установлены в нулевое положение. При этом переключатель 10 переводится в нейтральное положение. В момент времени t срабатывает нуль орган 24, устанавливается триггер 26 в единичное положение, и к входу интегратора 11 подключается напряжение (переключатель 7- верхнем положении переключатель 18 в верхнем положении (6), где Z,-sin (0;. При этом из счетчика 27 вычитается единица..Допустим, вначале в счетчик 27 записано число п 3. Интегрирование напря жения (6) продолжается до момента t , когда из счетчика 27 вычитается последний (третий) импульс). При этом в него вновь записывается число 3 из регистра 28, а триггер 29 устанавливается в единичное положение. Это приводит к тому, что элемент 2И 25 закрывается, к интегратору 11 подключается напряжение разряда U,, а .вычислительный блок 20 переводит переключатель 18 в среднее положение. При этом открывается селектор 21 и на его внутренний счетчик поступают импульсы кода

:, .- (fo/Uo)a,,

jf

который формируется в момент t сра- батывания нуль-органа 12. Срабатывание нуль-органа приводит к прерыванию программы блока 20 и вводу кода N в память блока 20, а также к приведению формирователя 4 в исходное сос- тояние.

Поскольку переключатель 18 находится в среднем положении, на второй вход перемножителя 5 поступает напряжение, поверну тое относительно (3) на 270°. Поэтому на вход интегратора поступает напряжение (10) и в процессе двухтактного интегрирования, аналогичном описанному, в память вычислительного блока вводится число импульсов

ы °

N-x, и; а,,

в начале второго такта второго

- („/и„)а,ф.ыЬ,.

переключатель 7 переводится

переключатель 7 переводится в

нижнее положение, поэтому в третьем цикле интегрируется напряжение (10), где Zo-sin Чд wL,., а в память бло переключатель 7 переводитс

ка 20 заносится число

f

N а Nи а„.

-01

- (f JUn)a

г

U)L,

В начале второго такта третьего цикла переключатель 18 возвращается в верхнее положение, и в четвертом цикле интегрируется напряжение (7), а в память блока 20 записывается число

N:, а,,+ (fo/Uo)-, о

loL

о

После .этого повторяется первый, второй цикл и так далее циклы. При этом в памяти блока 20 формируется таблица, в которой на места кодов N JJ, NV-1, Nlo-1 , записываются коды , (, N.j,,j, NOJ и т.д. Как видно, после четвертого цикла в памяти постоянно находится набор из четырех кодов - результатов измерений. В вычислительном блоке 20 после четвертого цикла формируется результат

XI

т

ij /

N

- Nk

после пятого цикла

N vi - N-X.

Х2 0 М(

01

-N:O.

после шестого цикла

XI

ЬеNxa l N.x, -

после седьмого цикла

N Jf2 - N-X2

jft

N

01

-

после восьмого цикла . Nxj

ts

N;,

N:.

и

так далее.

Несмотря на наличие четырех принципиально необходимых циклов, результат измерений формируется после каждого цикла, начиная с четвертого, что способствует уменьшению динамической погрешности.

При изменении синфазных составляющих работа измерителя аналогична описанной, но переключатель 15 находится в нижнем положении.

Формула изобретения

Цифровой измеритель КЬС-парамет- ров, содержащий последовательно соединенные между собой и с общей шиной измерителя клеммы для подключения исследуемого двухполюсника и образцовый комплексный двухполюсник, при этом вторая клемма для подключения исследуемого двухполюсника соединена с первым входом первого переключателя, второй вход которого соединен с первым входом умножителя, вторым выводом образцового двухполюсника и первым входом формирователя временных интервалов, первый и второй выходы которого соединены с входами управления второго переключателя, первьй вход которого, соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход через интегратор соединен с первым входом нуль-органа, второй вход которого соединен с общей шиной измерителя, а выхоц соединен с первым входом селектора, вторым входом соединенного с первым выходом формирователя временных интервалов, а третьим входом - с выходом генератор

0

5

0

5

0

5

0

5

0

импульсов, а также содержащий отс- четный блок, третий переключатель и набор фазовращателей, причем выход первого переключателя соединен с входами всех фазовращателей и первым входом третьего переключателя, о т- ли чающийся тем, что, с целью повышения точности измерений RLC-параметров в широком частотном диапазоне, в него дополнительно введены синтезатор частот, аналоговый коммутатор, резистор, источник напряжения смещения, фазоинвертор, четвертый переключатель, регистр и вычислительный блок, причем первый выход синтезатора частот соединен с первым входом первого переключателя, а второй выход - с первым выводом резистора, вторыми входами умножителя и формирователя временных интервалов, второй вывод резистора соединен с первьм входом формирователя временных интервалов, выход умножителя через источник напряжения смещения соединен с вторым входом второго переключателя, при этом третий вход умножителя соединен с общей шиной измерителя, а его четвертый вход - с выходом четвертого переключателя, двумя входами соединенного соответственно с входом и выходом фазоинвер- тора, причем вход последнего соединен с выходом третьего переключателя, вторым входом соединенного с выходом аналогового коммутатора, входы которого соединены с соответствующими выходами набора фазовращателей, а входом управления соединен с выходной шиной регистра, соединенной с входами управления синтезатора частот, первого, третьего и четвертого переключателей и четвертым входом формирователя временных интервалов, с тре- входом которог о совдинвн выход нуль-органа, к входной шине вычислительного блока подключены выход селектора и первьм вь:гход формирователя временных интервалов, причем вход управления вычислительного блока соединен с выходом нуль-органа, а выходная шина соединена с входами регистра и отсчетного блока.

Редактор О.Головач

Составитель Н,Кринов Техред А.Кравчук

Заказ 5994/45Тираж 730Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

Производств енно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Корректор М.Максимишинец

Изобретение позволяет повысить точность измерений RLC-параметров в широком частотном диапазоне. Измеритель содержит образцовый двухполюсник 2, формирователь 4 временных ин- .тервалов, умножитель 5, переключатели 7, 10 и 15, источник 9 опорного напряжения, интегратор 11, нуль-орган 12, набор 14 фазовращателей, отсчет- ньй блок 19, селектор 21 и генератор 22 импульсов. В измеритель введены резистор 3, синтезатор 6 частот, источник 8 напряжения смещения, регистр 13, аналоговый коммутатор 16, фазоинвертор 17, переключатель 18 и вычислительный блок 20. В измерителе, несмотря на наличие четьфех принципиально необходимых циклов, результат измерений формируется после каждого цикла, начиная с четвертого, что способствует уменьшению динамической погрешности. 2 ил. (Л 00 СП СХ) N(