Способ определения мнимой составляющей комплексного коэффициента передачи четырехполюсника Советский патент 1989 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано для измерения мнимой составляющей комплексного коэффициента передачи, коэффициента передачи по напряжению и фазового сдвига усилителей, делителей напряжения и фильтров.

Целью изобретения является сокращение времени определения мнимой составляющей комплексного коэффициента передачи исследуемого четьфехполюсни- ка.

Для достижения поставленной цели LC-цепь обратной связи, охватывающей исследуемый четьфехполюсник, возбуждают на частоте ее последовательного резонанса внешним возбуждающим сигналом переменной частоты, синфазным входному сигналу исследуемого четьфех- полюсника, и регистрируют ее резонан- ,сную частоту, а мнимую составляющую

комплексного коэффициента передачи определяют по математическому выражению.

На фиг. 1 представлена эквивалентная схема последовательного колебательного LC-контура, включенного в цепь обратной связи последовательно

соединенных исследуемого четырехполюсника с комплексном коэффициентом передачи К К, « фазовращателя

на --2 ГД К и Kj - вещественная и мнимая составляющие коэффициента передачи К; Ь„, С, г - индуктивность, емкость и активное сопротивление LC- цепи, Е - источник внешнего возбуждающего гармонического сигнала, п 1,3,5 ...; на фиг. 2 - структурная схема измерителя вещественной и мни- мой составляющих комплексного коэффициента передачи четьфехполюсника.

Измеритель (фиг.2) содержит: суммирующий блок 1, последовательный колебательный контур 2, образованный последовательнвэм смещением катушки 3 индуктивности и конденсатора 4, согласующий блок 5, фазосдвигающий блок 6, усилитель-ограничитель 7, частотомер 8, исследуемый четырехполюсник 9, переключатель 10, ключ 11 и вычис- лительный блок 12,

Сущность способа заключается в следующем (фиг.1).

Комплексное напряжение U,снимаемое с конденсатора колебательного конту- ра с емкостью С, через фазосдвигающий блок с комплексным коэффициентом передачи -(1) (соответствует фазовому сдвигу п -где ,3,5„..)

25

и через исследуемый четырехполюсник с комплексным коэффициентом передачи К Kj -1- jK подается на вход ЬС-ко лебательного контура, где суммируется с комплексным напряжением Е гармонического сигнала от внешнего источника.

Напряжение на выходе настроенного в резонанс колебательного контура и сдвинуто по фазе относительно то- ка в контуре I на четверть периода, а фазы напряжения Е и тока I при этом совпадают.

В случае если соответсвие фазы напряжения Е и тока I в контуре уста- навливается изменением частоты сигна.

ла Е, а индуктивность L, емкость CQ и активное сопротивление г контура не изменяются при изменении часто40ТЫ, то математическое выражение для

определения мнимой составляющей- К коэффициента передачи может быть получено следующим образом.

Согласно законам Киргофа, уравнение, описывающее процессы, протекающие в колебательном контуре (фиг.1), имеет ВИД

45

й„ + Е iz; (1)

и

и iz, (2)

где .,+r+ fTTr импенданс ко1 UJ V л ,

лебательного контура;

1

- импеданс: конденсатора;

jWCo - циклическая частота;

f - текущая частота; j - мнимая единица; Ug -(-1) 2 JKU - напряжение вводимое в колебательн ый; LC-контур через фазосдвигающий блок и исследуемый четырехполюсник.

Решая уравнения (1) и (2), получаем

.n+JL

-f- z+(-1) jKz r+jcOLo + J-jui

1 (--1) J

МсГс; --1т сГ .). (3)

При совпадении фаз тока I и напряжения источника сигнала Е комплексное

Е

сопротивление -т- имеет только активную составляющую, а его реактивная составляющая равна нулю, т.е. выполняется равенство

() .

Учитывая, что со ---- , СО

Ьд о

2 u f2, выражение для К принимает вид

п+(

-ii

К, (-1) (,) (-1) -р-.

.J- о

(5)

В случае, если требуемое соотношение фаз между током I и напряжением Е устанавливается изменением емкости контура, а резонансная частота контура после ввода напряжения Ug совпадает с собственной резонансной частотой, формула (5) принимает вид

(6)

г

К (-1) ( - -р- ) С,-С,

(-1) ( р; )« -0

где Ср - емкость конденсатора, настроенного в резонанс на частоте fj колебательного контура при отсутствии в колебательном контуре напряжения

U5;

г515

емкость конденсатора на час

тоте резонанса f колеба- . тельного контура при наличии на входе колебательного контура напряжения U.

Для возбуждения LC-цепи может быть использован не только гармонический сигнал, но и любой периодический сигнал, содержащий наряду с основной гармоникой и высшие гармонические составляющие, например сигнал прямоугольной формы или имеющий форм ограниченной с двух сторон синусоиды

Благодаря высоким фильтрующим свойствам LC-цепи высшие гармонические составляющие практически отсутствуют на выходе LC-цепи. Токи, создаваемые ими в LC-цепи, много меньше тока, создаваемого основной гармоникой, и поэтому при рассмотрении процессов в LC-цепи ими можно также пренебречь (т.е. при возбуждении LC-цепи несинусоидальным напряжением от внешнего источника в выражении (1) напряжение Е можно выбрать равным амплитуде основной гармоники внешнего сигнала).

Таким образом, операции настройки на резонанс через изменение частоты сигнала и через изменение емкости контура эквивалентны.

Измеритель (фиг.2) работает следущим образом.

При разомкнутом положении ключа 1 и при выполнений условия баланса амплитуд и фаз происходит самовозбуждение на собственной резонансной частоте последовательного колебательного контура замкнутой цепи, содержащей LC-контур 2, согласующий блок 5, фазосдвигающий блок 6, усилитель-ограничитель 7 и суммирующий блок 1.

Вьшолнение условия баланса фаз для самовозбуждения на резонансной частоте контура 2 обеспечивается фаз сдвигающим блоком 6 с единичным коэффициентом усиления, фазовыД сдвиг которого установлен равным . При

J.

2

суммарном фазовом сдвиге согласующего блока 5, усилителя-о-граничителя. 7 и суммирующего блока 1, равном О или кратном 2 ir, самовозбуждение про- ,изойдет на частоте, при которой фад; зовый сдвиг в контуре 2 равен - j

что соответствует частоте LC-конту- ра 2.

0

5

5

0

5

0

5

0

5

Выполнение условия ба.чанса амплитуд обеспечивается выбором необходимого коэффициента усиления усилителя- ограничителя 7, исходя из условия п 1 , где п, - суммарный коэффициент передачи по напряжению основной гармоники согласующего блока 5, фозосдвигающего блока 6, усилителя- ограничителя 7 и суммирующего блока 1; п,2. коэффициент передачи по напряжению LC-контура 2.

По мере нарастания амплитуды авто-. колебания усилитель-ограничитель 7, вступает в режим ограничения и его коэффициент усиления уменьшается.

Уменьшение коэффициента усиления усилителя-ограничителя 7 происходит до тех пор, пока в схеме не наступит режим установившихся автоколебаний, при котором выполняется условие п, П2 1 .

Применение режима ограничения в усилителе-ограничителе 7 (т.е. режима, при котором усилитель - ограничитель 7 имеет нелинейную характеристику) позволяет получить устойчивость автоколебаний по амплитуде в широкой полосе частот и при большом изменении добротности LC-контура 2.

Частотомером 8 изменяется собственная резонансная частота fo контура 1, а вычислительный блок 12 запоминает ее. После этого при нахождении переключателя 10 в положении АВ, ключ 11 замыкается. Под воздействием этого частота возбуждения изменяется и становится равной f. После прекращения переходных процессов частота f изменяется частотомером 8, а вы- 12

ее

f

о и блочислительный блок 12 запоминает По результатам измерения частот fg. по формуле (5) вычислительным ком 12 рассчитывается значение величины К.

При наличии на конденсаторе 4 шкалы по емкости определение искомой величины разом

К, проводится следующим обВ разомкнутом положении ключа 11 определяется собственная резонансная емкость С LC-цепи, а также измеряется частотомером 8 собственная резонансная частота LC-цепи При замкнутом ключе 11, после перевода переключателя 10 в положение АВ, изменяется резонансная частота LC-цепи. Изменяя емкость конденсатора 4, частоту возбуждения LC-цепи устанавливафор

ют равной f, после чего обсчитывают значение емкости С конденсатора . По результатам изменения емкостей Си и Сг.. по математическому выражению с (6) определяют значение мнимой,составляющей K,j комплексного коэффициента передачи.

При установке переключателя 10 в положение АБ устройство измеряет не- ю щественную составляющую К, комплексного коэффициента передачи известным способом.,

В измерителе (фиг,2) фазовращатель 6 имеет сдвиг фазы на Т/2 (). В общем случае, фазовращатель 6 измерителя -должен быть выполнен с фазовым сдвигом n i|-/2. В измерителе (фиг.2) источником внешнего возбуждающего сигнала для LC-цепи 2 является само- возбуждающийся усилитель 7. Однако возбуждение LC-контура 2 возможно и от сигнала внешнего генератора. При этом операции способа и расчетные атематические выражения для опредеения К 4 и К не изменяются.

Таким образом, для определения мнимой составляющей К комплексного коэффициента передачи по предлагаемо-ЗО где f му способу требуется только определение частоты f или соответствующей ей емкости С, что позволяет по сравению с известным способом сократить время определения мнимой состав- ,г яющей комплексного коэффициента ередачи исследуемого четырехполюс- 4

20

25

Сп ляюще редач на во зи, о полюс ного сигна рации ты и мой с фицие щий ния б цепь часто са вн перем му сиг ника, ние ее ляют м ного к матиче

Kg

ика в 4 раза.

rSZJfC Kf jK,

525620

фор

8

с ю

ь

20

25

мула изобретения Способ определения мнимой составляющей комплексного коэффициента передачи четырехполюсника, основанный на возбуждении LC-цепи обратной связи, охватывающей исследуемый четырехполюсник, на частоте ее последовательного резонанса внешним возбуждающим сигналом переменной частоты, регистрации значения ее резонансной частоты и математическом определении мнимой составляющей комплексного коэффициента передачи, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия определения, LC- цепь обратной связи возбуждает на частоте ее последовательного резонанса внешним возбуждающим сигналом переменной частоты, синфазным входному сигналу исследуемого четырехполюсника, после чего регистрируют, значение ее резонансной частоты и определяют мнимую составляющую К комплексного коэффициента передачи по математическому выражению

л о

ЗО где f ,г

Kg

, -(-1) Т

..

и собственная резонансная частота LC-цепи и ее резонансная частота в сос таве исследуемого четырехполюсника, включенного последовательно с фазовращателем с квадратурным фазовым сдвигом соответственно.

Изобретение может быть использовано для измерения мнимой составляющей комплексного коэффициета передачи, коэффициента передачи по напряжению и фазового сдвига усилителей, делителей напряжения и фильтров. Способ реализован в устройстве. Цель - сокращение времени определения мнимой составляющей комплексного коэффициента передачи последующего четырехполюсника (ИЧП). Для этого LC - цепь обратной связи, охватывающую ИЧП, возбуждают на частоте ее последовательного резонанса внешним возбуждающим сигналом переменной частоты, квадратурным выходному сигналу ИЧП, и регистрируют ее резонансную частоту, а мнимую составляющую комплексного коэффициента передачи определяют по математическому выражению, приведенному в описании. 2 ил.

Ц) .

о

inj

г

elk

Со