Устройство для измерения емкости антенны Советский патент 1989 года по МПК G01R27/26 

я з

00

ел ел

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследованиях верхней атмосферы методом импедансного зонда. Целью изобретения является повышение точности измерений, а также упрощение настройки устройства, которая достигается с помощью управляемого частотного дискриминатора. Устройство для измерения емкости антенны содержит антенну 1, блок эталонных конденсаторов (БЭК) 2, два идентичных измерительных канала 3, 4, программатор 5, блок синхронизации 6, блок формирования стробирующих импульсов 7. Каждый измерительный канал содержит измерительный генератор 8, цифровой частотный дискриминатор 9, масштабный усилитель 10. Подключая антенну 1 с помощью БЭК поочередно к каждому измерительному каналу, измеряют емкость антенны С_А путем преобразования величины С_А на входе каждого измерительного канала в величину напряжения на его выходе, используя которое при последующей обработке можно определить величину электронной концентрации ионосферной плазмы. Применение двух измерительных каналов обеспечивает широкий динамически диапазон измеряемой концентрации. Вторые выходы цифровых частотных дискриминаторов, являющиеся выходами устройства, необходимы для однозначной интерпритации результатов измерения С_А в случаях, когда при больших значениях электронной концентрации измеряемая частота переходит на смежный участок передаточной характеристики частотного дискриминатора. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Фиг.1

14

ну напряжения на его выходе, используя которое при последующей обработке можно определить величину электронной концентрации ионосферной ппазмы. Применение двух измерительных каналов обеспечивает широкий динамический диапазон измеряемой концентрации. Вторые выходы цифровых частотных дискриминаторов, являющиеся

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения электронной концентрации как в спокойной, так и возмущенной ионосфере.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства (строчными латинскими буквами обозначены сигналы, временные диаграммы которых приведены на фиг. 7); на фиг. 2 - принципиальная схема блока эталонных конденсаторов; на фиг. 3 - функциональная схема частотного дискриминатора; на фиг. 4 - функциональная схема блока формирования стробирующих импульсов; на фиг. 5 - функциональная схема блока синхронизации; на фиг.6 - передаточная характеристика частотного дискриминатора; на фиг. 7 - временные диаграммы работы предлагаемого устройства.

Устройство для измерения емкости антенны (фиг. 1) содержит антенну 1, блок 2 эталонных конденсаторов, два идентичных измерительных канала 3 и 4, программатор 5, блок 6 синхронизации, блок 7 формирования стробирующих импульсов, причем антенна 1 подключена к первому информационному входу блока 2 эталонных конденсаторов, второй и третий управляющий входы которого соединены с первым и вторым выходами программатора 5 соответственно, первый и второй выходы блока 2 эталонных конденсаторов соединены с первыми информационными входами измерительных каналов 3 и 4 соответственно, первые выходы измерительных каналов 3 и 4 соединены с первыми и вторым выходами устройства соответственно, каждый измерительный канал 3 и 4 содержит измерительный генератор 8, частотный дискриминатор 9 и масштабный

55

выходами устройства, необходимы для однозначном интерпретации результатов измерения Oft в случаях, когда при больших значениях электронной концентрации измеряемая частота переходит на смежный участок передаточной

характеристики частотного дискриминатора. 3 з.п. Л-лы, 7 ил.

усилитель 10, причем вход измерительного генератора 8 является информационным входом измерительного канала, выход измерительного генератора через частотный дискриминатор 9 соединен с входом масштабного усилителя 10, выход которого является первым выходом измерительного канала, первый выход блока 6 синхронизации соединен

О с первым входом блока 7 формирования стробирующих импульсов, первый выход которого соединен с вторыми управляющими входами каждого измерительного канала, второй выход блока 6 синхро5 низации соединен с вторым входом блока 7 формирования стробирующих импуль- сов и с четвертыми управляющими входами измерительных каналов 3 и 4, третий выход блока синхронизации

0

6 соединен с третьими управляющими

входами измерительных каналов 3 и 4, второй выход блока 7 формирования стробирующих импульсов соединен с входом программатора 5, вторые выходы измерительных каналов 3 и 4 соединены с третьим и четвертым выходами устройства соответственно, программатор 5 содержит триггер 11, прямой и инверсный выходы которого являются первым и вторым выходами программатора 5 соответственно, счетный вход триггера 11 является входом программатора 5.

Блок 2 эталонных конденсаторов

(фиг.„ 2) содержит два эталонных конденсатора 12 и 13, подстроечный конденсатор 14, два реле 15 и 16 и два транзисторных ключа 17 и 18, причем первый вывод нормально замкнутого

контакта первого реле 15 соединен с первым выводом нормально замкнутого контакта второго реле 16 и через подстроечный конденсатор 14 - с общей точкой устройства,.второй вывод нормально разомкнутого контакта первого

реле 15 через первый эталонный конденсатор 12 соединен с общей точкой устройства, выходы первого и второго транзисторных ключей 17 и 18 соеди- йены с обмотками первого и второго реле 15 и 16 соответственно, точка соединения первых выводов нормально замкнутых контактов первого и второго реле 15 и 16 является первым ин- формационным входом блока 2 эталонных конденсаторов, второй и третий управляющие входы которого соединены с входами первого и второго транзисторных ключей 17 и 18 соответственно третьи выводы подвижных контактов первого и второго реле 15 и 16 являются первым и вторым выходами блока 2 эталонных конденсаторов соответственно, второй вывод нормально разомк нутого контакта второго реле 16 через эталонный конденсатор 13 соединен с общей точкой устройства.

Частотный дискриминатор 9 (фиг. 3 содержит формирователь 19.сигнала, элемент И 20, (р+п+1)-разрядный счетчик 21, регистр 22, цифроанало- говый преобразователь 23, причем информационным входом частотного дискриминатора 9 является вход формиров теля 19 сигнала, выход которого соединен с первым входом элемента И 20, второй вход которого является вторым управляющим входом частотного дискриминатора 9 и измерительного кана- ла в целом, выход элемента И 20 соединен со счетным входом счетчика 21, выходы (п+1)-го старших разрядов которого соединены с информационными входами регистра 22, выход старшего значащего разряда которого является вторым информационным выходом частотного дискриминатора 9 и измерительного канала в целом, выходы оставшихся разрядов регистра 22 соединены с вхо- дами цифроаналоговЕгго преобразователя 23, выход которого является первым информационным выходом частотного дискриминатора 9, вход обнуления счетчика 21 является третьим управля- ющим входом частотного дискриминатора 9 и измерительного канала в целом, вход синхронизации регистра 22 является четвертым управляющим входом частотного дискриминатора 9 и измери- тельного канала в целом.

Блок 7 формирования стробирующих импульсов (фиг. 4) содержит счетчик 24, триггер 25, элемент И 26 и элемент НЕ 27, причем первый вход блока 7 формирования стробирующих импульсо соединен с первым входом элемента И 26 и входом синхронизации триггера 25, инверсный выход которого соединен с вторым входом элемента И 26, выход которого является первым выходом блока 7 формирования стробирующих импульсов,второй вход которого соединен со Счетным входом счетчика 24, выход переноса которого через элемент НЕ 27 соединен с входом установки триггера 25, входом синхронизации счетчика 24 и вторым выходом блока 7 формирования стробирующих импульсов, информационный вход триггера 25 соединен с общей точкой устройства.

Блок 6 синхронизации (фиг. 5) содержит генератор 28 эталонной частоты, два счетчика 29 и 30, триггер 31, два элемента И 32 и 33, элемент НЕ 34, причем выход генератора 28 эталонной частоты соединен со счетным входом первого счетчика 29, первый выход которого соединен с первым входом первого элемента И 32, второй йход которого соединен с выходом второго счетчика 30, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента И 33, первый вход которого соединен с вторым выходом первого счетчика 29, выход второго счетчика 30 через элемент НЕ 34 соединен с вторым входом второго элемента И 33 и с первым выходом блока 6 синхронизации, второй выход которого соединен с выходом первого элемента И 32 и со счетным входом триггера 31, выход которого соединен с входами обнуления первого счетчика 29, второго счетчика 30 и триггера 31, а также с третьим выходом блока 6 синхронизации.

Принцип действия устройства заключается в следующем.

Измерительные каналы 3 и 4 (фиг.1) идентичны в схематическом и функциональном отношениях, поэтому подробно рассматривается измерительный канал 3. Измерительный генератор 8 формирует на своем выходе гармоническое колебание, частота которого определяется емкостью антенны 1, которая является частью контурной емкости измерительного генератора (антенна 1 с помощью блока эталонных конденсаторов 2 поочередно подключается к входам измерительных каналов 3 и 4). Частотный дискриминатор 9 совместно

с масштабным усилителем 10 преобразует частоту выходного сигнала измерительного генератора 8 в напряжение. Таким образом, напряжение на первом выходе устройства несет информацию о емкости антенны Cq,

Частотный дискриминатор 9 (фиг.З) представляет собой цифровой частотомер, на второй,управляющий вход которого подаются стробирующие импульсы (СТБ), определяющие время счета импульсов (формирующихся на выходе формирователя 19 сигнала), частота следования которых измеряется. На четвертый управляющий вход подаются импульсы перезаписи (ПЕР) информации из счетчика 21 .в регистр 22 для временного хранения результата преобразования частоты выходного сигнала измерительного генератора 8 в двоичный код. На третий управляющий вход подаются импульсы сброса (СВР) счетчика 21 для его подготовки к новому измерению. Временные диаграммы сигналов СТБ, ПЕР и СБР приведены на фиг. 7д, 7в и 7с соответственно. Младшие р разряды счетчика 21 не связаны с информационными входами регистра 22, что дает возможность, усреднять результат преобразования частоты в код по 2 измерениям. Это способствует повышению достоверности производимых измерений емкости антенны 1„ Содержимое последующих (п+1 разрядов счетчика 21 запоминается в регистре 22, из них младшие п разряды связаны с первым выходом частотного дискриминатора 9 через цифро- аналоговый преобразователь 23 (используется аналоговая телеметрическая система), а старший значащий разряд регистра 22 связан с вторым выходом частотного дискриминатора 9 (и третьим выходом устройства) напрямую. Особенностью используемого частотного дискриминатора 9 является ограниченная разрядная сетка счетчика 21 (при этом коэффициент преобразования имеет достаточно высокое значение), что позволяет однозначно измерять частоту в узком диапазоне частот (иг- ПеРеДа- точная характеристика частотного

дискриминатора 9 приведена на фиг. 6 (необходимо отметить ее линейность в диапазоне частот Гд,И1|. .. fMaKC), рабочи диапазон на ней обозначен точками А, В. Причем, точке А соответствует

максимальная емкость антенны 1. Точке В соответствует минимальная емкость антенны 1. Второй измерительный

канал 4 (используется для расширения динамического диапазона измеряемой электронной концентрации ионосферной плазмы) отличается более высоким значением рабочих частот измерительного генератора.

Управляющие сигналы для частотного дискриминатора 9 формируются блоком 6 синхронизации и блоком 7 формирования стробирутощих импульсов. Причем

5 сигналы ПЕР и СБР, которые формируются на втором и третьем выходах блока 6 синхронизации соответственно (диаграммы фиг. 7в и 7с соответственно), непосредственно подаются в ча0 стотный дискриминатор 9, а синхропо- следовательность,формируемая на первом выходе блока 6 синхронизации,передается в частотный дискриминатор 9 через блок 7 формирования стробирующих

5 импульсов . Эта синхропоследователь- ность используется для получения сигналов СТБ, формирование которых происходит следующим образом. На счетный вход счетчика 24 (фиг. 4) подается

0 синхропоследовательность ПЕР, на выходе переноса этого счетчика формируются узкие нулевые импуль сы, а на выходе элемента НЕ 27 - узкие единичные импульсы, совпадающие с фронтом каж5 дого k-ro синхроимпульса серии ПЕР, где k - модуль пересчета (моменты времени tg и t на диаграммах b и d фиг. 7).Это объясняется тем, что изменения состояния счетчика 24 (рабо0 тающего на вычитание) происходит по фронту счетного импульса (импульса серии ПЕР), а при достижении нулевого содержимого счетчика 24 на его выходе переноса формируется нулевой

5 сигнал. Единичный сигнал на выходе элемента НЕ 27 при этом переводит счетчик 24 в режим приема кода с информационных входов (на фиг. 4 условно не показаны, на этих входах пере0 мычками устанавливается код модуля пересчета k), поэтому единичный сигнал на выходе элемента НЕ 27 существует достаточно короткое время, соответствующее времени переходных про5 цессов в счетчике 24. Каждый импульс, формируемый на выходе элемента НЕ 2-7, подается на счетный вход триггера 11 (фиг. 1) через второй выход блока 7 формирования стробирующих импульсов,

что вызывает переход триггера 11 в противоположное состояние (моменты времени t0, t на диаграммах h и 1 фиг. 7) и переключение первого и второго реле 15 и 16. Каждым из этих импульсов, устанавливается также триггер 25 и сигнал на его инверсном выходе переходит в нулевое состояние, которое длится до среза следующего импульса синхропоследовательности, формируемой на первом выходе блока 6 Синхронизации (промежутки времени t0 ... t,, и t5. ...t0 на диаграммах а, 1 фиг. 7), Это позволяет исключить из синхропоследовательности, формируемой на первом выходе блока 6 синхронизации, каждый k-й стробирующий импульс (с помощью элемента И 26), синхронизированный с моментом переклю чения реле 15 и 16 (промежутки времени t0...t1 и t5....t6 на диаграммах d, g, n, 1 фиг. 7). При этом первое после переключения реле 15 или 16 измерение частоты не производится (оно искажено дребезгом контактов реле 15,16), а нулевое содержимое предварительно обнуленного сигналом СВР первого счетчика 21 записывается в регистр 22 и значение нулевого уро ня Uft масштабного усилителя 10 передается в телеметрическую систему, что позволяет контролировать дрейф нуля масштабного усилителя 10 (промежутки времени t0...t1 и t5...t6 на диаграммах U, 1, X, Z фиг. 7),следующие четыре измерения (на диаграммах фиг. 7 принято ) производятся и предаются в телеметрическую систему (промежутки времени tz...t6 на диа- граммах h, 1, X, Z фиг. 7).

Блок эталонных конденсаторов функционирует в двух режимах: при и (промежуток времени t0...ts. на диаграммах h и 1 фиг, 7) первое реле 15 включено, а второе реле 16 выключено, при этом через выводы первого реле 15 к входу первого измерительного канала 3 подключен первый эталонный конденсатор 12 и в этом канале реализуется режим эталонирования (в телеметрическую систему передается эталонный уровень U Tсоответствующий емкости первого эталонного конденсатора 12 (промежуток времени t...tg на диаграмме X фиг. 7), а через выводы второго реле 16 антенна 1 подключена к входу второго измерительного канала 4 и в этом канале реализуется режим измерения (промежуток времени tЈ...te на диаграмме фиг, 7, измеряемый параметр показан линейно возрастающим). При и в первом измерительном канале 3 реализуется режим измерения, а во втором измерительном канале 4 - режим эталонирования (промежутки времени t t0 и на диаграммах X, Z фиг. 7).

Принцип действия блока синхронизации заключается в следующем, В исходном состоянии первый счетчик 29, второй счетчик 30 и триггер 31 обнулены, при этом на выходе элемента НЕ 34 формируется действующее (единичное) значение сигнала СТБ (подаваемого на первый выход блока 6 синхронизации) ,который открывает второй элемент И 33, разрешая работу второго счетчика 30, Генератор 28 эталонной частоты заполняет первый счетчик 29 и второй счетчик 30, Когда на выходе второго счетчика 30 появляется сигнал логической единицы, сигнал СТБ принимает действующее значение и закрывает второй элемент И 33, позволяя первому элементу И 32 сформировать на своем выходе сигнал ПЕР, который подается на второй выход блока 6 синхронизации. По окончании сигнала ПЕР (по срезу этого сигнала) триггер 31 устанавливается, формируя на своем прямом выходе действующее единичное значение сигнала СВР (подаваемого на третий выход блока синхронизации) , который обнуляет первый счетчик 29, второй счетчик 30, триггер 31, начиная новый цикл формирования синхросигналов СТБ, ПЕР, СВР.

Формула изобретения

1, Устройство для измерения емкости антенны, содержащее блок эталонных конденсаторов, два идентичных измерительных канала и программатор, причем клемма для подключения исследуемого объекта подключена к первому информационному входу блока эталонных конденсаторов, второй и третий управляющие входы которого соединены с первым и вторым выходами программатора соответственно, первый и второй выходы блока эталонных конденсаторов соединены с первыми информационными входами измерительных каналов соответственно, первые выходы измерительных каналов соединены с первым и вто914

рым выходами устройства соответственно, каждый измерительный канал содержит измерительный генератор, частотный дискриминатор и масштабный усили- тель, причем вход измерительного генератора является информационным входом измерительного канала, выход измерительного генератора через частотный дискриминатор соединен с входом мае- штабного усилителя, выход которого является первым выходом измерительного канала, отличающее- с я тем, что, с целью повышения точности измерений и упрощения на- стройки устройства, в устройство введены блок синхронизации и блок формирования стробирующих импульсов, а каждый измерительный .канал имеет первый информационный и второй, тре- тий и четвертый управляющие входы и вторые выходы, причем первый выход блока синхронизации соединен с первым входом блока формирования стробирующих импульсов, первый выход ко- торого соединен с вторыми управляющими входами каждого измерительного канала, второй выход блока синхронизации соединен с вторым входом блока формирования стробирующих импуль- сов и четвертыми управляющими входами измерительных каналов, третий выход блока синхронизации соединен с третьими управляющими входами измерительных каналов, второй выход бло- ка формирования стробирующих импульсов соединен с входом программатора, вторые выходы измерительных каналов соединены с третьим и четвертым выходами устройства соответственно.

10

дом частотного дискриминатора и измерительного канала в целом, выходы оставшихся разрядов регистра соединены с входами цифроа-налогового преобразователя, выход которого является первым информационным выходом частотного дискриминатора, вход обнуления счетчика является третьим управляющим входом частотного дискриминатора и измерительного канала в целом, вход синхронизации регистра является четвертым управляющим входом частотного дискриминатора и измерительного канала в целом, программатор содержит триггер, прямой и инверсный выходы которого являются первым и вторым выходами программатора соответственно, счетный вход триггера является входом программатора.

с обмотками первого и второго реле соответственно, точка соединения выводов нормально замкнутых контактов первого и второго реле является первым информационным входом блока эталонных конденсаторов, второй и третий управляющие входы которого соединены с входами первого и второго транзисторных ключей соответственно, выводы подвижных контактов первого и второго реле являются первыми и вторыми выходами блока эталонных конденсаторов соответственно.

/ 3

Фиг.З

- - /

ф№4