Цифровой измеритель параметров комплексного сопротивления Советский патент 1988 года по МПК G01R27/02 

4ib О9 Ч

Ф

счетный блок 22, ннтегрируюш ш ана- лого-временной преобразователь 14, генератор 11 образцовой частоты, квадратичный преобразователь 7, фа- зоинвертор 8, перемножитель 10, переключатель 9, источник 12 напряжения смещения, и нфроанапоговый преобразователь 13, элементы И 15, 18, 24; 30, триггеры 16, 17, 23, счетчики

19, 31, реверсивньй счетчик 21,блок 20 перезаписи, формироиателн 25, 26 импульсов, усилители 27, 28, фаэо- расщепляющий блок 29. Цифровой измеритель параметров обеспечивает вы- сокута точность измерений в широком диапазоне частот за счет устранения влияния на результат измере1Н1я аддитивной составляющей погрешности. 2 ш

Изобретение относится к области цифровой электроизмерительной техники. Цифровой измеритель параметров комплексного сопротивления содержит генератор 1 синусоидального напряжения, усилитель 2 мощности, образ- цовьй резистор 3, измеряемое комплексное сопротивление 4, переключатели 6.1 - 6.4 рода работ, опера- ционньй усилитель 5, цифровой от

1

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано при построении измерителей R-, L- и С параметров,

Цель изобретения - повышенрге точ- ности измерения в диапазоне частот.

. На фиг.1 приведена блок-схема цифрового измерителя, параметров комплексного сопротивленияj на фиг,2 - временные диаграммы, поясняющие его ра- боту.

Цифровой измеритель содержит генератор 1 синусоидального напряжения, усилитель 2 мощности, образцовьш резистор -3, измеряемое комплексное со- противление 4, операционньй усилитель 5, переключатели 6„1-6.4 рода работы, квадратичньй преобразователь 7,, фа. зоинвертор 8, переключатель 9, перемножитель 10, генератор 11 образцо- вой частоты, источник 12 напряжения смещения, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13, интегрирую111 1й анало- го-временной преобразователь 14, пер- вьй элемент И 15 первый 16 и второй 17 триггеры, второй элемент И 18,пер- вьй счетчик 19 блок 20 перезаписи, реверсивный счетчик 21; цифровой от™ счетньй блок 22, третий триггер 23 третий элемент И 245 первый 25 и вто- рой 26 формирователи импульсов, уси- пители 27 и 28, фазорасщепляюпщй блок 29, четвертый элемент И 30 и BTopofj счетчик 31.

Выход генератора 1 синусоидально- го напряжения через усилитель 2 мощности соединен с первым входом ин тегрирукщего аналого-временного преобразователя 14, первым контактом переключателя 6.3, первым контактом переключателя 6,2, первым К( :тактом

переключателя 9, входом квадратичного преобразователя 7 и входом фазо- инвертора 8, вькод которого соеди-чен с вторым контактом переключателя 9, выход которого соединен с первым входом фазорасщепляющего блоха 29 и входом усилителя 28, выход которого соа;динен с третьрш входом переключателя 6,1. Вьгход операгдионного усилителя 5 подключен к второму входу переключателя 6.3j второму входу переключателя 6v2, входу усилителя 27 и второму входу фазорасщепляющего блока 29, второй выход которого соединен с вторым входом переключателя 6.1, а пер- вьй - с четвертым входом переключателя 6.1, первьй вход перек:вочателя 6.1 соединен с выходом усилителя 27. Два выхода переключателя подклло- чены соответственно к двум входам

перемножителя 10,. выхо,г; которого сое- ди;.ен с вторым входом иптегрируклцего аналого-временыого преобразоиателя 14 через источ 1ик 12 ия ря;гсения смещения. Выход квадратичного ripeo6pa- зоватепя 7 подкл очеп к первому входу пере1спючателя 6.4 и входу .ПАП 13 выхоц, которого соединен с вторь.о.. .вкг-г- дом переключателя 6,4, выход пере- 1шючателя 6,4 соединен с Т1:.етьим входом интегрирующего аналого-пременнс- го преобразователя 14« Вько/т пера;1лю- чателя 6,2 соединен с первым заж1;мом образцового резистора З второй за- йшм которого соед1 не11 с 1шз- ертмру7о- щпм входом опера1ЩО} ного усилителя 5 и с первым зажимом измеряемого комплексного сопротивления 4, второй зажим которого соединен с РЗЬГХОДОМ переключателя 6,3„ Первьгл преоб-- разователя 14 подключен к входу ус

тановки второго триггера 17 и входам сброса счетчика н 31 и цифрового от счетного блока 22. Второй выход преобразователя 14 подключен к второму входу третьего элемента Н 24 и первму входу четвертого элемента И 30, второй вход которого соединен с выходом генератора 11 образцовой частоты и вторым входом первого элемен та И 15, первый вход которого подклчен к третьему выходу преобразователя 14, входу записи ЦАП 13 и входу первого триггера 16, выход которого соединен с управляющим входом переключателя 9. Выход четвертого элемента И 30 соединен с входом счетчика 31, информационньй выход которого подключен к информационному входу ЦАП 13. Выход второго триггера 17 соединен с вторым входом второго элемента И 18 и первым входом третьего элемента И 24, выход которого через лервьй формирователь 25 импульсов подключен к входу блока 20 перезаписи и входу второго формирователя 26 импульсов, выход которого соединен с входами сброса счетчика 19 и третьего триггера 23, выход которого подключен к входу управления реверсивного счетчика 21, информационный выход счетчика 21 соединен с информационным входом цифрового от- счетного блока 22. Выход элемента И 15 подключен к счетному входу счетчика 19 и первому входу элементам 18 выход которого соединен со счетным входом реверсивного счетчика 21. Информационные выходы счетчика 19 подключены к информационным входам блока перезаписи 20, выходы которого связаны с входами записи реверсивного счетчика 21, выход счетчика 21 подключен к входу установки триггера 23. Неинвертируюший вход операционного усилителя 5 подключен к общей шине. Входы управления переключателей 6.1, 6.2, 6.3 и 6.4 рода работы соединены между собой. Информационный выход счетчика 19 соединен с информационным выходом блока 20 перезаписи, информационньй выход которого соединен с информационным входом реверсивного счетчика 21.

Цифровой измеритель paGoTaef еледующим образом.

При измерении синфазной составляющей сопротивления последовательной RjijLjj-cxeMb перёключатеш рода

работы находятся в следующем положении: 6.2 - в нижнем , 6.1 - D верхнем; 6.3 - в BepxHehf, 6.4 - в нижнем. Счетчики 19, 21 и 31 и триггеры 16, 17 и 23 установлены в нулевое состояние. Переключатель 9 находится в верхнем положении. Элементы И 24 и 30 закрыты сигналом с третьего и второго выходов преобразователя 14, элемент И 18 закрыт сигналом,с выхода триггера 17.

Напряжение на выходе усштителя 2 мощности

U(t) U sinut, (.1)

где и - амплитудаi

о) - круговая частота; t - время.

Из этого напряжения, которое поступает на первьй вход преобразователя 14, формируется временной интервал (см. фиг.2д), кратный периоду Т напряжения U(t) , т.е. -t, п-Т (п 1, 2, 3,...).

Через переключатель 9 и усилитель 28 с коэффициентом усиления К и фазовым сдвигом if на второй вход перемноителя 10 поступает напряжение

U,,(t) К и )t+if). (2)

На выходе операционного усилителя имеется напряжение

U(t) U(t) .|

f и sin(wt+t/).

Ко

(3)

где ( - сдвиг фаз между напряжением и() и UjCt), вызванный реактивностью Z.

Напряжение Uj-(t) усиливается уси; лителем 27 с коэффициентом усиления К и фазовым сдвигом i/, как и у усилителя 28 вследствие идентичности их характеристик. Поэтому на первый вход перемножителя 10 поступает напряжение:

U,,(t)

Ч

Z sin(cJt+%+4). (4)

При перемножении U , (t) и U,(t) на выходе перемножителя 10 получается

и

АР

U,,(t) Uftp+K,U,, (t).U,(t) + Kp-K Ui-Zx (;cosvrcos 2(wt-nf,)+t/ ,

2R,

где RQ образцовое сопротивление н входе операционного усилителя j Цдр ,К дрейф нуля и коэффициент

передачи перемножителя 10. Напряжение U,,(t) (фиг.2а, время О - t.j , интегрируется в преобразователе 14 за время tft (фиг. 26, время tf-t). На время , открывается элемент И 30 и к моменту tj в счетчике 31 зафиксируется код числа

Nf c T f.-n-T.

(6)

/- с 1 3

В момент t i на третьем выходе преобразователя 14 формируется передний фронт импульса длительностью t t (фиг.2г), который в момент t-j пере- письшает число N в ЦАП 13, функция преобразования которого описывается выражением:

UBWIC - К цло и Bx Njo

(7)

и

бх

де Кцдп коэффициент передачи ЦАП, 25 N - код 4Hanaj поступающий

на шину управления, т.е. N х Ni; - напряжение, поступающее

на вход с выхода квад- 30 ратичного преобразователя 7 с функцией преобразования

и

бУ

выи л кп

Urn

где К| -.коэффициент передачи квадратичного преобразователя 7 .

В момент t напрялсение

бых -К ,,,

и

f. U

поступает с выхода переютгочателя 6.4 на третий вход преобразователя 14, что приводит к обратному интегрированию в преобразователе 14 до нулевого уровня определяемого порогом срабатьшания преобразователя 14 (моменты t j-tj j фиг,26) ,

В процессе двухтактного преобразования напряжения U,,(t) совместно с напряжением U д, источника 12 в преобразователе 14 во временной интер

K -Kn U m-Z.

2R,

costf-cos 2(wt+q)-i- .f dt

1 5 Г i К,,,„-К,,- f.n-T-dt и,.

1

(9)

На третьем выходе преобразовате- ля 14 получается временной интервал

... .. Uc-r-(UAp+UcM) Ti

L tj-tj -

К К2 Kn

.V f т

«П 2 - о 1

f -o-Kn n K gp-f 0

Z COS c/,

(10)

так как

-I

«

K Kn U Zx 2Rn

-C о s -e (u t + (f) + tf (

при

Ha время ., открывается элемент И 15 и на вход счетчика 19 поступает число импульсов

к -f Ct- f }- forUc-c-(U p+UcM)Ti iM -

и,лп

,-K,,14i f,-T,

K2. K

Э ц.лп кп

Z ,cosi.

(11)

В момент t J импульс с выхода преобразователя 14 (фиг„2в) опрокидывает триггер 17 в единичное состояние (фиг.2ж), которьй в дальнейшем остается в этом положении, и открывает по второму входу элемент И 18, Кроме того, единичный сигнал в момент t.-, с первого выхода преобразователя 14 сбрасывает в счетчик 31. В момент положительным фронтом импульса длительностью (tj-t,;) триггер 16 опрокидывается в единичное состояние и переводит переключатель 9 в нижнее положение. При этом сигнал с выхода фазоинвертора 8

Uj и sin(;ot-H80 )

поступает на иход усилителя 28 и с его выхода через переключатель 6.1 на второй вход перемнолглтеля

Uii(t)KU sin(LJt+ .(12)

Напряжения (11) к (12) перемнолса- joTCH в перемно;кителе 10, вследствие чего получается (фиг.2а, моменты t.

Ч

и

Un(t), U2, (t) J, (t) K,v K2- Ur Zx

AP

2R.

--cos L/ +

+ (cjt-i-Cf)-(-M,

(13)

В преобразователе 14 в процессе двухтактного преобразования U ni(t) +

+ и,

-с„ при tg-t4 t -t7 n

tq

.V

,+

VI-Z, 2R.

-cosef+

osl2(wt+(fj,) + tie

1 (I112

-- К f - т t- - n

f j -6 -I Jc .

I j..

t g

С учетом того, что

(u)t+q )

получаем

4

(U4p+U см) Т,

цлп и.п 2

Ui,

f . Т

оi 1

К.Кп

о I, An кп -е

Zx COSLf.

(14)

В момент t срабатывает первый формирователь 25, который на время 1 выдает импульс на блок 20 перезаписи, переписьшая код числа N из счетчика 19 в реверсивньш счетчик 21. В момент t срабатьшает формирователь 26, которьй в течение времени (tg-t-,) вьщает импульс и сбрасывает в нуль счетчик 19 и триггер 23. В момент tg импульс с первого выхода преобразователя 14 записьша- ет код числа N, счетчика 31 в ЦАП 13.

За время t с выхода элемента И 15 на вход счетчика 19 и через э;;емент И 18 на вычитающий вход счетчика 21 поступает число импульсов

-tq)f,

(идр+Усм)Т,

К

НЛП

к f Т КП Т -о - ч

Кр-К

,Лn I

Z. COS (f.

(15)

В момент в счетчике 21 получисла

2Кп К

-

к

ШАп ко о

Z cos ip

R

X

(16)

где R. /- значение сопротивления в последовательной схеме . Из выражения (16) видно, что результат измерения не зависит от значения Uc,, , , и, п. Т, fc

элементов цепи аналого-гщфрового преобразования. Их стабильность требуется обеспечить на время измерения, что технически легко осуществимо. К моменту t д в счетчике 21 зафиксируется код числа, определяемьм выражением (16), который при 2К,гК2

fo

Ю (где , },2,3,...)

пропорциопален значению сопротивления R. В счетчике 19 запоминается код числа N . Результат N -N ,2 ьН водится В цифровом отсчетном бло

ке 22.

Для уменьшения динамической по- грешности вследствие разновременного преобразования в третьем цикле получается код числа N fJ. К моменту его поступления в реверсивном счетчике 21 из счетчика 19 переписан код числа N , ; N,j . Поэтому с приходом числа N, импульсов в N,j счетчик 21 переходит в нулевое состояние, опроки-, дывает триггер 23 в единичное состояние, что приводит к переводу реверсивного счетчика 21 в режим суммирования. Последующие

N,i-Nn

К г,-К

Кцп ЦЛП- RO

R

импульсы зафиксируются в счетчике 21.. Аналогично происходит в последующих циклах, т.е. в каждом цикле

преобразования в г51фровом отсчетном блоке 22 вьщается результат измерения.

При измерении реактивной составляющей сопротивления последовательной RyLj,-uenn переключатели рода

работы находятся в следующем положении: 6.2 - в нижнем,- 6.1 - в 1шжнем 6.3 - в верхнем} 6.4 - в верхнем. Счетчики 19, 21, 31, триггеры 16,

17, 23 сброшены в состояние нуля. Переключатель 9 находится в верхнем положении. Элементы И 24 и 30 закрыты сигналом с третьего выхода преобразователя 14, элемент И 18 закрыт

сигналом с выхода триггера 17, Напряжение, описанное формулой (l), с выхода усилителя 2 мощности через переключатель 9 поступает на первый вход фазорасщепляющего блока 29, на

второй вход которого поступает напряжение, описанное формулой (3), с выхода операционного усилителя 5. На выходе фазорасщепляющего блока 29 получаем два напряжения:

К U.sinCwt-i-tf);

If TI 7„

(17)

O sin(oot+V P+90 ),

R.

сдвинутые no фазе на угол (90 i-tf) , В зависимости от частоты ы вносятся оди аковые фазовые сдвиги (f и осуществляется одинаковое усиление сиг- налой и, (t) и U,j(t) с коэффициентом усиления К. Усиление необходимо осуществлять с целью согласования напряжения на входе ггеремножнтеля и сигналами исследуемого объекта.

Напряжения U ,,(t) и U(t) пере- множаются в перемножителе 10, вследствие чего на его выходе получается напряжение

UnH(.P

.b|iJli.Z,rsin,- (ut + (f)+9(f + ,

которое суммируется с напряжением

и

с

источника 12 напряжения смеще-

ния и в дальнейшем, как при преобразовании Uni(t:)+Uc/HB вьфажении (9) при измерении синфазной составляющей

1 Си ч-П + тК -Ц т ,

Т 1 iu p- M+-2R;- «

((o)tH-t/|,)+90°+g jjdt + 13

+ 7 K. Uc(18)

преобразуется в число импульсов

f,

f, (tj - t)

CUci:-(UAp+UcM)Tj

Кцп- (Ui,/2) f о Кп к -Т 1

KKO 0

Z sint/,

(19)

так как Ч

Y (-1)cosf2(iot+tf,)+90°+ t О

r1

при -t - - 11 п -Т.

Этот процесс отличается лишь тем,, что в -качестве разрядного напряжения используется выходное напряжение Квадратичного преобразователя 7, которое через переключатель 6,4 поступает на третий вход преобразователя 14.

С момента t/j переключатель 9 находится в нижнем положении, на вход фазорасщепляющего блока 29 поступа17)

,

В - а1437799 О

ет напряжение, определяемое выражением (12) и (t), сдвинутое по фазе на 180 по отношению к напряжению по выражению (1). При этом на выход фазорасщепляющего блока 29 имеются два напряжения:

i и; ,(t) К.и„ sin(u),

10 Uj(t) sin(u),+(f+270°),

сдвинутые по фазе на угол 270 + t-f.

На выходе перемножителя 10 появляется напряжение

П С г 1-11 + 2 ll i5 i JL у

UfTjO Ivty-Urtp +otp-

„л о y -sinif-cos 2(wt+ (|)+270 + (f, (20)

20 которое суммируется с U(-, и двухтактным преобразованием аналогт чно выражению (18) преобразуется i- число импульсов

N« fo(t

10 - , f о К п К кп

поскольку

U

ч foruj r)-( +UCM)T,J

)

Z S in о-,

(21)

(-1)cosi2(wt i/J+270 +Q dt О

Ч при .

В счетчике 21 фиксируется разность чисел

i,-N, К,- К. Г, К R-0

Z sin с, (22)

так как

40

211

-- L,,, Т, п Т,

то выражение (22) упрощается

N1,-N,

2fo Кп-К2. п -Т

. Кр-Г. п-Т,

KKH-RC

KUH-RO

Т -(23)

и не зависит от значения параметров

50 с 9 Ар см цепи аналого 1ДИФРОВОГО преобразования. Их стабильность требуется обеспечить лишь на время измерения. Независимость результата измерения (23) от частоты и a fflлитyды колебаний напрж ;е ия U(t) и 1 sinuj t позволяет осуществлять высокоточные измерения L t в диапазоне частот., В выражении (23) козффи- Ф1ент

55

4fo-Kn-K п1Г K,,;R,

10,

где , 1,2,3,... .

При измерении параметров параллельной R Cj-цепи осуществляются следующие измерения. В схеме должно осуществляться измерение синфазной составляющей проводимоеTI-:.

При измерении синфазной составляющей проводимости переключатели рода работы находятся в следующем положении: 6,2 - в верхнему 6.1 - в верхнемJ 6.3 - в нижнем 6.А - в нижнем.

При измерении емкости параллельной ,(-цепи переключатели рода работы находятся в следующем положении: 6,2 - в верхнем , 6.1 - в нижнем, 6.3 - в нижнем; 6.4 - в верхнем

Предлагаемьй измеритель RLC-na- раметров обеспечивает высокую точность измерений в широком диапазоне частот за счет устранения влияния на резул-ьтат измерения аддитивной составляющей погрешности.

Форму л а изобретения

Цифровой измеритель параметров комплексного сопротивления, содер- жащий генератор синусоидального напряжения, усилитель мощности, образцовый резистор, измеряемое комплексное сопротивление, переключатель рода работы, операционньш усилитель, цифровой отсчетньш блок, интегрирую- ..;ий аналого-временной преобразователь, генератор образцовой частоты, в котором выход генератора синусоидального напряжения соединен с входом усилителя мощности, выход которого соединен с неподвижными контактами переключателя рода работы третьего и второго направлений5 БЬКОД пе- реклшчателя рода работы третьего направления соединен с первым.зажимом измеряемого комплексного сопротивления, второй зажим которого подключен к инвертирующеьгу входу операц 1онно- го усилителя и первому зажиму образцового резистора, второй зажим которого соединен с выходом переключателя рода работы второго направления, неинвертирукядий вход операиио1пюго усилителя подключен к общей шине,

SL выход соединен с вторыми входами перею.яочателя рода работы третьего

и второго направлешш, отличаю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения в диапазоне частот, в него дополнительно введены квадратичный преобразователь, фазо- инвертор, перемножитель, переключатель, источник напряжения смещения, цифро-аналоговый преобразователь, четьфе элемента И, три триггера, два счетчика, реверсивньй счетчик, блок перезаписи, два формирователя импульсов, два усилителя и фазорасщепляю- пщй блок, выход усилителя мощности

соединен с первьм входом интегрирующего преобразователя напряжения во временной интервал, первым входом переключателя, входом квадратичного преобразователя и входом фазоинвертора, выход которого соединен с вторым входом переключателя, управлянхций вход которого соединен с выходом первого триггера, выход переключателя соединен с входом второго ус шителя

и первым входом фазорасщепляющего

блока, второй вход которого соединен

с выходом операционного усилителя и

входом первого усилителя, выход первого ус1шителя соединен с первым вхо дом переключателя рода работы первого направления, второй вход которого соединен с вторым выходом фазорас- щепляющей цепи, третий вход - с вых о- дом второго усилителя, четвертый первым выходом фазорасщепляющей цепи, а два выхода переключателя рода : работы первого направления соединены с двумя входами перемножителя, вькод которого соединен с первым выводом

источнгжа напряжения, смещения, второй вывод источника напр.Еокения смещения соединен с вторьм входом интегрирующего аналого-временного преобразова- теля, третий вход которого соединен

с выходом переключателя рода работы четвертого направления, первый вход переключателя, рода работы четвертого направления соединен с выходом квад- ратичного преобразователя и входом

цифроаналогового преобразователя, а второй вход - с выходом цифроаналогового преобразователя, информационный вход которого соединен с информационным выходом второго счетчика,

а вход управления записью числа соединен со счетным входом первого триггера, первым входом первого элемента И, и третьим выходом интегри- рующего аналого-временного преобразователя, второй выход которого соединен со вторым входом третьего элемента И и первым входом четвертого элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора образцовой частоты н вторым входом первого элемента И, а выход - со счетным входом второго счетчика, вход сброса которого соединен с входом управления цифрового отсчетного устройства, первым выходом интегр 1ующего аналого-вре- менного преобразователя и входом второго триггера, выход второго триггера соединен с вторым входом второго элемента И и первым входом третьего элемента И, вьпсод которого соеди- нен с входом первого формирователя, выход первого формирователя соединен с входом управления схемы перезаписи и входом второго формирователя, выход

а

АДДЛ

которого соединен с входами сброса первого счетчика и третьего триггера вход установки третьего триггера соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход - с входом управления режимом работь реверсив 5ого счетчика, информационный выход которого соединен с входом цифрового отсчетного . блока, счетный вход соединен с выходом второго элемента И, информационный вход записи числа соединен с информационным выходом блока перезаписи, информационньге 1зходы которого ггодклгочены к информационным выходам первого счетчика, счетный вход первого счетчика соединен с nepBbLM входом второго элемента И и вьссодом первого элемента И, а входы управления переключателя рода работы всех рех направлений соединень; мелуду собой.

fuirui