Корреляционный измеритель фазовой постоянной цепи Советский патент 1991 года по МПК G01R25/00 

(Л

С

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения фазовой постоянной и коэффициента передачи электрических цепей в цифровой форме при наличии нелинейных искажений и шумов в исследуемом объекте Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей Это достигается тем, что в измеритель, содержащий высокочастотный генератор 1 квадратурных напряжений входную 2 и выходную 5 клеммы исследуемого объекта 3, аналоговый муль

о го

Јь СО

р

00

типлексор 4, фильтр 9 нижних частот и цифровое отсчетное устройство 23, введены сумматор 6, избирательный усилитель 7, умножитель 8, однополосные фазокомпенси- рованные модуляторы 10 и 11, генератор 12 низкочастотный, АЦП 13, интерфейс свода

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения фазовой постоянной и коэффициента передачи электрических цепей, например фазовых датчиков, в цифровой форме при наличии нелинейных искажений и шумов в исследуемом обьекте.

Цель изобретения - повышение точности измерения фазовой постоянной и коэффициента передачи цепей при большом уровне шумов и помех.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 и 3 - блок- схема алгоритма работы.

Устройство содержит высокочастотный енератор 1 квадратурных напряжений, синфазный выход которого соединен с входной клеммой 2 исследуемого объекта 3 и первым входом диалогового мультиплек сора 4, а с квадратурным выходом генерато- ра 1 соединен второй вход мультиплексора 4. Выходная клемма 5 обьекта 3 соединена с первым входом сумматора 6, выход которого через избирательный усилитель / соединен с одним входом умножителя 8, второй вход которого соединен с выходом мультиплексора л, а к выходу умножителя подключен фильтр 9 нижних частот. Третий и четвертый входы мультиплексора 4 соединены с выходами однополосных фазоком- пенсированных модуляторов 10, 11 и соответственно с третьим и вторым входами сумматора 6. Входы модуляторов 10 и 11 по несущей частоте соединены перекрестно с квадратурными выходами генератора 1, а по модулирующей частоте - параллельно с квадратурными выходами низкочастотного генератора 12. Выход фильтра 9 соединен с аналоговым входом АЦП-13, кодовые выходы которого через интерфейс 14 ввода соединены с системной шиной 15 микропроцессора 16. К шине 15 подключены ОЗУ 17, ПЗУ 18 и клавиатура 19 с интерфейсом сопряжения. Через интерфейс 20 вывода подключены кодовые входы ЦАП 21, знало- говый выход которого соединен с управляющим входом блока 22 перестройки частоты усилителя 7. Управляющие входы мультиплексора 4 и цифрового индикатора 23 соединены с системной шиной 15 через

14, системные шины 15, микропроцессор 16 ОЗУ 17, ПЗУ 18, клавиатура с интерфейсом 19, интерфейсы вывода 20, ЦАП 21, блок 22 перестройки частот, и интерфейсы выводя 24 и 25. Блоки 14-20. 24, 25 конструктивно обьединены в микроЭВМ. 3 ил.

интерфейсы 24 и 25 вывода. Блоки 14-20 и 24, 25 конструктивно объединены в микро- ЭВМ.

Устройство работает следующим образом.

Высокочастотное синфгзное напряжение генератора 1 1Н Umi sin o черет клемму 2 поступает на вход обьекта 3, например фчЗОВПГО Д1ТЧИКЛ, С ЗЗОВОЙ ПОСТОЯННОЙ /} и за уханием а . Одновременно синфазноеlh и квадратурное Umicoswit напряжения поступают на первый и второй входы мультиплексора 1 и на сходы модуляторов 10 и 11, Входы модулятора 10 по не- сущрй частоте соединены с квадратурными выходами генератора 1 непосредственно, а одноименные входы модулятора Т1 - перекрестно Is модулирующие входы модуляторов 10 и 11 поступают параллельно низкочастотные квадратурные напряжение генератора 1 Uj - Urv2 sin Qt, IM - Um2Cor,L2t. 8 результате однополоснои мо- дулчциь высокочастотное н;;прпхение на выходе модулятора 10 будет уменьшено по частоте на частоту модулирующе о напряжения Us - Um3Sln ( ш - Q )t, а на выходе модулятора 11 при противофазных напряжениях несущей частоты он увеличено по частоте Ue Umacos ( 0)i + S2)t

Смещенные по частоте напряжения Us и UG поступают на третий и четвертый входы мультиплексоре 4.

Выходное напряжение объекта 3 представляет собой смесь испытательного гармонического напряжения частоты ш , ослабленного обьектом - датчиком ормо- нических помех в виде гармоник, кратных частоте uJi , от нелинейности амплитудной характеристики исследуемого обьекта и шумов, изм мчющихся по случайному закону, т.е.

U vJmlSln { СУ1 t -ft ) -I V(t) -I W(t),

где К I коэффициент передали;

v(t) - напряжение высших гармоник;

w(t) - напряжение шумов.

Напряжение U снимаемое с клеммы 5, через сумм-этир 6 воздействует на вход уси- ли.еля 7, настроенного на частоту ал генератора 1 Полоса пропускания усилителя 7

Л to выбирается минимально возможной, т.е. с максимально достижимой добротностью резонансной цепи усилителя на частоте . Чем меньше полоса пропускания усилителя 7, тем более эффективно подавление помех и шумов. Но при этом сильно возрастают амплитудные и фазовые искажения в усиливаемом сигнале из-за неизбежной расстройки усилителя 7 относительно частоты испытательного напряжения.

Для исключения влияния расстройки усилителя 7 на точность измерения а через второй и третий входы сумматора 6 на его вход поступают смещенные по частоте напряжения Us и Ue. Значение низкой частоты Q выбирается примерно равным половине полосы пропускания усилителя 7 ( )/2 ).Благодаря такому выбору колебания всех трех частот: о) аъ аи - Q и усиливаются избирательным усилителем 7 в пределах его полосы пропускания с соответствующими коэффициентами усиления.

Выходное напряжение усилителя 7 представляет собой сумму только трех гармонических напряжений, усиленных с разными коэффициентами усиления, которые зависят от расстройки усилителя 7 относительно центральной частоты

U8 KKi Umi sin(wit ) + + К K2 Um3 sin (ал -Q)t + p + + К «3 Um3 COS ( Ш; + Q) t - .

Ki

VI + Q7 7

,K2

Kc

--- коэффициенты усиления

Vi +о2;ЈГг

расстроенного усилителя 7 относительно частот ш , аь и шз ;

Ко -коэффициент усиления усилителя 7 на резонансной частоте

. Шо«Q -- - эквивалентная добротность

Дш усилителя 7;

Шо

Шо

. Д2 «U

wi Шо

Шо

ад

;-, -ад -

Шо

-- - относительные расстройки усилителя 7;

(р arctg QAi ; (pz arctg Q Я2, рз arctg Q Аз - фазовые сдвиги , вносимые расстроенным усилителем 7 соответственно на частотах ол , ая и шз .

Усиленное напряжение Ua поступает на один вход умножителя 8, на второй вход которого поочередно поступают выходные

напряжения мультиплексора 4, который управляется командами микропроцессора Тб. Программа работы, записанная в ПЗУ 18, предусматривает вначале поочередную

подачу только смещенных по частоте напряжений Us и Ue, поданных к третьему и четвертому входам мультиплексора 4, на умножитель 8 и последующее сравнение кодов перемноженных напряжений. Дальней0 шая работа мультиплексора 4 определяется результатом сравнения кодов.

Вначале на второй вход умножителя 8 поступает выходное напряжение Ue модулятора 11 частоты од йл + Q которое пе5 ремножается с выходным напряжение усилителя 7 усредняется фильтром 9 нижних частот. В результате перемножения од- ночастотных составляющих напряжений и усреднения спектра произведения образу0 ется постоянная составляющая:

(t)LJb(t)dt о

1 т 7 / UB (t) Un3 cos (on + Q) tdt

о

К Кз «4 Um1 Um3 COS p3 .

где К4 - масштабный коэффициент умножителя 8 с учетом времени усреднения т, определяемого полосой пропускания фильтра 9.

Частота среза фильтра 9 выбирается меньше низкой частоты Q , что обеспечивает подавление низкочастотных составляющих в спектре произведения напряжений, которые образуются при перемножении напряжений с близкими частотами ( wi + Q и ал т.п.).

Постоянная составляющая напряжения Ug поступает на АЦП 13, где преобразуется в цифровой код, который по команде микропроцессора 16 запоминается в ОЗУ 17. Далее на второй вход умножителя 8 поступает выходное напряжение Us модулятора 10 частоты ад - Q . которое также перемножается с выходным напряжением усилителя 7. В результате перемножения и усреднения образуется постоянная

составляющая напряжения

(t)U(t)dt

о

1 г

/U8(t)U,3Sin(wi -EDtdt

К Кг «4 Um1 Um3 COS (pi .

Напряжение Uio также кодируется в АЦП 13 и запоминается в ОЗУ 17.

При расстройке контура относительно частоты генератора 1 ( йл оь) коэффициенты усиления избирательного усилителя 7 и вносимые им фазовые сдвиги по абсолютной величине не равны (Кг Кз и cos (pi cos рз). В микропроцессоре 16 сравниваются коды напряжений Ug и Uio и формируется код разностного напряжения, который с помощью ЦАП 21 преобразуется в управляющий сигнал, воздействующий на управляющий вход блока 22 усилителя 7. В результате частотной подстройки усилителя 7 частоты Ш л Ыо сближаются. Повторные циклы сравнения напряжений Ug и Uio, организуемые по программе, записанной в блоке ПЗУ 18, и соответствующие управляющие воздействия на частоту настройки избирательного усилителя уравнивают сравниваемые напряжения. При равенстве этих напряжений (Ug U ю) коэффициенты усиления и косинусы вносимых фазовых сдвигов становятся равными («2 Кз; cos (p2 cos pz). что означает совпадение частоты настройки усилителя 7 ah с частотой генератора 1 ом («Лз wi).

Настройка усилителя 7 на частоту испытательного напряжения генератора 1 фиксируется по достижению равенства кодов сравниваемых напряжений Ug и Uio. При наличии равенства кодов мультиплексор 4 микропроцессором 16 переводится в режим поочередной подачи квадратурных напряжений Ui и U2 основной частоты , поданных на его первый и второй входы.

Вначале на второй вход умножителя 8 поступает квадратурное напряжение Ua генератора 1, перемножаемое с выходным напряжением Ue усилителя 7, При перемножении и усреднении этих напряжений образуется постоянное напряжение

Ui,4;u8(t)U(t)dt

о

1 г - / Ue (t) Uni cos ftJi tdt

о KKiK4Umi2sln(/3±pi).

В результате настройки усилителя 7 на частоту генератора 1 ( Шо -о) коэффициент усиления избирательного усилителя становится равным номинальному (Ki К0), а фазовый сдвиг от расстройки исключается ((р - 0). Поэтому постоянное напряжение становится пропорциональным квадратурной составляющей выходного напряжения цепи исследуемого объекта Ui2 KK0K4Umi2sin/3 .

Напряжение Ui2 кодируется в АЦП 13 и запоминается в ОЗУ 17.

При последующей команде на второй вход умножителя 8 поступает синфазное на- пряжение Ui генератора 1, которое перемножается с выходным напряжением Ue усилителя 7. На выходе фильтра 9 образуется напряжение, пропорциональное синфазной составляющей выходного напряжения цепи исследуемого объекта

Ul3 KK0K4Um12COS/3.

Напряжение Ui3 также кодируется с помощью АЦП 13 и запоминается в ОЗУ 17. Поочередное измерение и кодирование

напряжений Ug, Uio, Ui2 и Ui3 осуществляется с помощью мультиплексора 4, управляющий вход которого соединен с шиной 15 микропроцессора 16 и АЦП 13. Управление настройкой усилителя 7 осуществляется с

помощью ЦАТ 21 микропроцессором 16 через шину 15.

Модуль коэффициента передачи и тангенс фазового угла выходного напряжения цепи объекта 3 вычисляется в микропроцессоре 16 по его квадратурным составляющим:

30

и VUi22 +Ui32 „., , -а

U14 -- К Um1 Uml e ,

К.о М

tg/3U12

Ui3

Далее ь микропроцессоре 16 по про- 35 грамме, записанной в ПЗУ 18, вычисляется значение фазовой постоянной в радианах или градусах, а также коэффициент передачи в относительных единицах или затухание в Неп или дБ:

40аUia

/Si arctg --, рад, U13

а160 а

W+Ui32 OTH-eAt Um1К Ко Um1

а In

U mi KQ Кд VU122 +Ui32

Hen,

02 -20 Ig

UmlK0K4 VU122+U132

;ДБ.

Значения коэффициента усиления К0 настроенного усилителя 7, масштабного коэффициента KU умножителя 8 и амплитуда напряжения Umi генератора 1 вводятся в программу микропроцессора в виде констант Результаты вычислений выводятся на индикатор 23 За время индикации повторяется иикл проверки настройки усилителя 7 и вычисление новых значений фазовой постоянной и коэффициента передачи цепи объекта 3.

Технико-экономическая эффективность устройства определяется повышением достоверности и уменьшением времени контроля состава и свойств диэлектрических материалов, помещенных в емкостные датчики, по вариациям фазы (диэлектрической пооницаемости) и коэффициента передачи (диэлектрическим потерям) на различных частотах испытательного напряжения. С использованием интегральных умножителей типа 525 ПС 1 контроль комплексных параметров электрических цепей емкостных датчиков осуществим в диапазоне частот от 50 кГц до 10 МГц с погрешностью не более 0,05° по фазовой постоянной и 0,2% по коэффициенту передачи при соотношении сигнал/помеха более 0,5.

Формула изобретения

Корреляционный измеритель фазовой постоянной цепи, содержащий высокочастотный генератор квадратурных напряжений, входную и выходную клеммы для подключения исследуемого объекта, аналоговый мультиплексор, фильтр нижних частот, умножитель и блок управления, причем выходы высокочастотного генератора квадратурных напряжений подключены к первому и второму входам аналогового мультиплексора, первый вход которого соединен с входной клеммой, а выход подключен к входу умножителя, выход которого подключен 5 к входу фильтра нижних частот, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены сумматор, избирательный усилитель, два однополосных фазокомпечсирован0 ных модулятора, низкочастотный генератор квадратурных напряжений, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, блок перестройки частоты, причем выходы низкочастотного генера5 тора квадратурных напряжений соединены с первыми и вторыми входами однополосных фазокомпенсированных модуляторов, третьи и четвертые входы которых соединены друг с другом перекрестно и подключены к выхо0 дам высокочастотного генератора квадратурных напряжений, а выходы подключены к входам аналогового мультиплексора и сумматора, выход которого через избирательный усилитель подключен к второму входу

5 умножителя, выход фильтра нижних частот подсоединен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к информационному входу блока управления, первый управляющий выход которого под0 ключей через последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и блок перестройки частоты к управляющему входу из- бирательного усилителя, а второй управляющий выход - к управляющему вхо5 ду аналогового мультиплексора

НАЧЫю)

Ввод кодов Л/О,Л/4 и/VI соответствующих Кр.К и U™j

Г

Подключение четвертого входа мультиплексора 4 к его выходу

Запоминание кода Л/S напряжения Us

Подключение третьего входа |мультиплексора 4 к его выходу

Преобразование кода в управляющее напряжение

Изменение частоты настройки избирательного усилителя 7

Подключение второго входа мультиплексора 4 к его выходу

Запоминание кода /V 12 напряжения б//р

-/

чх

Фм.2

-эЈ

BamwMmt первого псом идо- тшитгоора 4 « го вовдг

J

чшпши виш N13 морож - юп ил

Ekociangt $%

A/W - tvf л/Г

r.rf.

, #,

ft Zf # 9K

/Втад рмудтио

аа.з