Цифровой измеритель добротности Советский патент 1991 года по МПК G01R27/26 

Фиг

г-р

ступает на вход ключа 6 и ключа блока управления. В режиме измерения переключатель 17 подключает к входу ключа 16 напряжение с выхода источника 15 напряжения. Контроллер 8, коммутируя ключ 6 и запуская аналогоцифровой преобразователь 7, производит вычисление добротности и емкости исследуемого варикапа 26, значения которых выводит на цифровые индикаторы 10 и 11 блока 9 индикации, 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электронно- измерительной технике в частности предназначено для измерения добротности и емкости варикапов Цель изобретения - по вышение точности - дости ается путем введения аналого-цифрового преобразователя 7, контроллера 8 переключателя 17 и сумматора 14, позволяющих устранить погрешность от кусочно-линейной аппроксимации При отсутствии на измерительных зажимах исследуемого варикапа 26 производится ка либровка цифрового измерителя добротно сти На вход сумматора 14 через ключ 16 поступает нулевой потенциал (переключатель 17 в положении калибровка ) Подает ся сигнал сброса устанавливающий блок 27 управления и реверсивный счетчик 12 в исходное состояние По сигналу пуска в единичное состояние устанавливается триггер блока управления а его тактовый генератор начинает формировать импульсы напряжения Реверсивный счетчик 12 управляет цифроаналоговым преобразователем 13 напряжение с его выхода через сумматор 14 и элемент 23 разводки поступает на варикап 18 настройки измерительного контура 3 в резонанс на частоте высокочастотного генератора 2 Импульс выхода детектора 5 по

Изобретение относится к электронно- измерительной технике и предназначено для измерения добротности и емкости варикапов.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг.1 приведена блок-схема цифрового измерителя добротности; на фиг.2 - блок-схема блока управления.

Цифровой измеритель добротности содержит источник 1 напряжения смещения, высокочастотный генератор 2, измерительный контур 3, высокочастотный усилитель 4, детектор 5, ключ 6, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, контроллер 8, блок 9 индикации, содержащий цифровой индикатор 10 добротности и цифровой индикатор 11 емкости, реверсивный счетчик 12, циф- роаналоговыи преобразователь (ЦАП) 13, аналоговый сумматор 14, источник 15 напряжения, ключ 16, переключатель 17. Измерительный контур 3 содержит варикап 18 настройки контура в резонанс, конденсатор 19, элемент 20 связи, конденсатор 21, катушку 22 индуктивности, элементы 23 и 24 развязки, конденсатор 25 (элемент связи). К четвертому и пятому входам измерительного контура 3 подключен исследуемый варикап 26

Измеритель имеет блок 27 управления, содержащий ключ 28, пиковый детектор 29, аналоговый инвертор 30, суммирующий усилитель 31, компаратор 32, элемент ИЛИ 33, триггер 34, элемент И 35, зпемент ИЛИ 36, тактовый генератор 37, элемент И 38, счетчик 39 импульсов, ЦАП 40, инвертор 41, триггер 42, элемент И 43, счетчик 44 импульсов, триггер 45.

Высокочастотный усилитель 4, детектор 5, ключ б, АЦП 7, контроллер 8 и блок 9 индикации соединены последовательно. Второй выход АЦП 7 (выход Конец преобразования) соединен с вторым входом контроллера 8, третий (управляющий) выход которого соединен с вторым входом (входом пуска) АЦП 7. Второй вход ключа 6 соединен с первым (управляющим) входом измерительного контура 3. второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами высокочастотного генератора 2 и источника 1 напряжения смещения. Второй вход ключа 6 соединен также с выходом сумматора 14, первый вход которого подключен к выходу ЦАП 13, а второй вход - к

выходу ключа 16. Третий (управляющий) вход ключа 6 подключен к второму выходу контроллера 8. Первый вход ключа 6 соединен также с первым входом блока 27 управления, второй вход которого соединен с

вторым выходом (выходом переноса) реверсивного счетчика 12. Первый (суммирующий) вход счетчика 12 соединен с вторым выходом блока 27 управления, а второй (вычитающий) вход - с третьим выходом блока

27 управления, первый выход которого соединен с третьим входом контроллера 8, четвертый вход которого соединен с вторым зходом ключа 16 и выходом переключателя 17. Третий вход блока 27 управления подключей к шине запуска, четвертый вход - к шине сброса и к третьему входу реверсивного счетчика 12, первый выход которого соединен с входом ЦАП 13. Первый выход источника 15 напряжения подключен к первому входу ключа 16, третий вход которого соединен с общей шиной Второй выход источника 15 напряжения соединен с первым входом переключателя 17, второй вход которого подключен к общей шине Ьыходизмерительного контура 3 соединен с входом высокочастотного усилителя 4. Первый вывод конденсатора 25 является вторым входом измерительного контура 3, второй вывод соединен с первым выводом резистора 24, с первым выводом катушки 22 индуктивности и первым выводом конденсатора 21, второй вывод которого соединен с анодом варикапа 18 настройки измерительного контура 3 в резонанс и с общей шиной и

является пятым входом измерительного контура 3. Катод ваоикапа 18 через конденсатор 19 соединен с вторым выводом катушки 22 индуктивности, который является четвертым входом измерительного контура

3 Катод варикапа 18 через резистор 23 соединен также с первым входом измерительного контура 3. Второй вывод резистора 24 является третьим входом измерительного контура 3, выход которого через элемент 20

связи соединен с общей шиной.

Первый вход суммирующего усилителя 31 соединен с первым входом блока 27 управления, второй вход усилителя 31 соединен с выходом аналогового инвертора 30, выход усилителя 31 соединен с первым входом компаратора 32, второй вход которого соединен с выходом ЦАП 40. Выход компаратора 32 соединен с первым входом элемента ИЛИ 33, второй вход которого соединен с шиной сброса и является четвертым входом блока 27 управления. Выход элемента ИЛИ 33 соединен с R-входом триггера 34, S-вход которого соединен с шиной запуска и является третьим входом блока 27 управления. Выход триггера 34 соединен с первым входом элемента И 35, второй вход которого соединен с выходом тактового генератора 37. Выход элемента И 35 соединен с первым входом элемента ИЛИ 36, второй вход которого соединен с выходом элемента И 43. Выход элемента ИЛИ 36 является вторым выходом блока 27 управления. Первый вход элемента И 43 соединен с выходом инвертора 41, второй вход - с выходом триггера 42, R-вход которого соединен с шиной сброса, а S-вход - с выходом компаратора 32, первым входом элемента И 38 и входом инвертора 41. Второй вход элемента И 38 соединен с выходом тактового генератора 37. Выход элемента И 38 соединен со счетным входом счетчика 39, В-вх од которого соединен с шиной сброса. Выход счетчика 39 соединен с входом ЦАП 40. Первый вход тактового генератора 37 соединен с шиной запуска, второй вход - с первым выходом блока 27 управления и первым выходом счетчика 44, второй выход которого соединен с третьим выходом блока управления. Счетный вход счетчика 44 соединен с выходом тактового генератора 37. Вход аналогового инвертора 30 соединен с первым (информационным) выходом ключа 28, первый (управляющий) вход которого соединен с выходом триггера 45, второй (информационный) вход - с клеммой опорного сигнала, третий (информационный) вход - с первым входом блока 27 управления. S-вход триггера 45 соединен с вторым входом блока управления, R-вход - с шиной сброса. Выход пикового детектора 29 соединен с четвертым входом ключа 28, второй выход которого соединен с входом пикового детектора.

Цифровой измеритель добротности работает следующим образом.

При отсутствии на измерительных зажимах испытуемого варикапа 26 производится калибровка измерителя добротности. При этом на вход сумматора 14 через ключ 16 поступает нулевой потенциал (переключатель 17 в положении калибровка). Подается сигнал Сброс, который устанавливает блок 27 управления и реверсивный счетчик 12 в исходное состояние. По сигналу Пуск, поступающему на вход блока управления,

5 устанавливается в единичное состояние триггер 34. а тактовый генератор 37 начинает формировать импульсы напряжения. Эти импульсы через элементы И 35 и ИЛИ 36 поступают на суммирующий вход (+) ревер0 сивного счетчика 12 (фиг.1). Счетчик 12 управляет ЦАП 13, и напряжение с его выхода через сумматор 14 и элемент 23 развязки поступает на варикап 18 настройки контура 3 в резонанс. Этот варикап является и ка5 либровочным. В режиме калибровки напряжение смещения, поступающее на варикап 18, изменяется (увеличивается) с нуля. Варикап 18 настройки выбирается таким, чтобы при малом напряжении смещения (примерно

0 0,8-1,5 В) его емкость позволяла настроить контур 3 в резонанс на частоте высокочастотного генератора 2. С поступлением напряжения смещения на варикап 18 контур 3 начинает настраиваться в резонанс. На вы5 ходе детектора 5, вход которого соединен с выходом высокочастотного усилителя 4, появляется колоколообразиый импульс напряжения U д. Этот импульс поступает нз вход

ключа 6 и ключа 28 (фиг.2). Так как триггер 0 45 блока 27 управления находится в нулевом состоянии, то U а через ключа 28 поступает на вход пикового детектора 29. На аналоговый инвертор 30 поступает напряжение +Uoi. Пиковый детектор 5 выделяет и запоминает амплитудное значение напряжения Uд. Точность выделения амплитудного значенияи а зависит от крутизны нарастания изменяющегося напряжения 0 смещения на варикапе 18, наклона вольт- фарадной характеристики варикапа 18, постоянной времени детектора 5 и несколько отличается от истинного значения (как показали практические испытания, оно на 2-5% 5 меньше U). Значение Uoi выбирается из условия Uoi U«, при этом компаратор 32

(фиг.2) не срабатывает.

По окончании первого цикла счета счетчик 12 (фиг.1) формирует сигнал переноса,

0 который поступает в блок 27 управления. После этого начинается второй цикл счета, при этом напряжение смещения из ЦАП 13 через сумматор 14 начинает подаваться на варикап 18 с нуля. Сигнал переноса устанаа5 ливает триггер 45 (фиг.2) в единичное состояние. При этом ключ 28 отключает U# от

входа пикового детектора 29 и подключает выход пикового детектора через инвертор 30 к входу суммирующего усилителя 31. При

Ua U/fUrp - граничное значение Уд,

Urp -i 0.98U а и выставляется инвертором 30) нэ выходе суммирующего усилителя 31 появляется сигнал, равный 10, (U a Urp). Коэффициент 10 - коэффициент усиления усилителя 31, который берется примерно равным 10 для увеличения чувствительности системы при настройке контура в резонанс. Сигнал с выхода усилителя 31 поступает на один из входов компаратора 32, и он устанавливается в единичное состояние. Сигнал с выхода компаратора через элемент ИЛИ 33 поступает на R-вход триггера 34, устанавливая его в нулевое состояние. Триггео 34 своим выходным сигналом, который поступает на один чз входов элемента И 35, запрещает прохождение импульса с выхода тактового генератора 37 на о УХОД элемента ИЛИ 36. Кроме того, выходной сигнал компаратора 32 устанавливает в единичное состояние триггер 42, который разрешает прохождение сигналов с выхода компаратора 32 (здесь имеются в виду сигналы (ререпады) на выходе компаратора 32 при его последующих срабатываниях) через инвертор 41, элемент И 43 и элемонт ИЛИ 36 на вход счетчикэ 12 (фиг.1). Однос..именно сигнал с выхода компаратора 32 разрешает прохождение импульсов с ТЛКГОЕЮГО генерз.ора 3 через элемент Ч 38 на вход счетчика 39. Выходной код счетчика 39 преобразуется в диалоговый сигнал с помощью ЦАП 40. Этот сигнал поступает на второй вход компаратора 32. При превышении выходным напряжением ЦАП 40 напряжения, поступающего с выхода суммирующего усилителя 31, компаратор 32 устанавливается в нулевое состояние. При этом импульсы с выхода тактового генератора 37 не поступают на вход счетчика 39, так как на вход элемента И 38 не подается запрещающий сигнал с выхода компаратора 32. Также перепад напряжения с выхода компаратора 32 через инвертор 41, элемент И 43 и элемент ИЛИ 36 поступает на суммирующий выход {+) блока 27 управления и далее на суммирующий вход (+) счетчика 12, добавляя в счетчике единицу (один импульс). При этом напряжение смещения, поступающее с выхода ЦАП 13 через сумматор 14 на варикап 18 (фиг.1), увеличивается на один квант, также возрастет U # на выходе детектора 5 и на

выходе суммирующего усилителя 31 (фиг.2). Так как выход усилителя 31 соединен с входом компаратора 32, то напряжение на этом входе превышает напряжение, поступающее на другой вход компаратора 32 с выхода ЦАП 40, и компаратор 32 устанавливается в единичное состояние.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Далее процесс настройки повторяется и продолжается до тех пор, пока после очередного возрастания на один квант напряжения смещения Нем напряжение на выходе детектора 5 U «(фиг. 1) не уменьшится. Процесс настройки в резонанс заканчивается.

Через время Т, заданное таймером (счетчик 44 на фиг.2), на вычитающий вход реверсивного счетчика 12 (фиг.1) с выхода таймера 44 (-) поступает перепад напряжения, и напряжение смещения DCM уменьшается на один квант, а напряжение DC возрастает до максимального и будет близким к амплитудному напряжению резонанса в контуре 3. При правильном выборе значения кванта напряжения смещения погрешность настройки контура в резонанс не превышает 0,1%.

Время Т задается завздомо большим, максимального времени настройки контура в резонанс. Использование плавающего значения Urp, а не фиксированного позволяет значительно повысить быстродействие настройки в пезонанс. так кзк точная настройка в резонанс (после срабатывания компаратора 32 на фиг.2) в данном случае занимает примерно одинаковое время для всех лначенч Л аплитуды U u. U а зависит от

доброгмссги испытуемого варикапа 26 и имеет значение - 4-10 В. Фиксированное значение Urp необходимо было бы задавать равным 4 В, и настройка контура в резонанс для U tt 1Q В занимала бы длительное время.

Таймер 44 после срабатывания выключает тактовый генератор 37 и выдает сигнал Конец настройки, который поступает на контроллер 8 (фиг.1). С приходом сигнала Конец настройки контроллер выдает сигнал на ключ 6, который подключает напряжение U a K входу АЦП 7. Затем контроллер запускает АЦП 7. По сигналу АЦП Конец преобразования, который поступает на вход контроллера 8, последний считывает значение U а и запоминает его в ОЗУ. Значение U Q: в дальнейшем используется при вычислении добротности для компенсации температурных дрейфов измерительного тракта. Калибровка измерителя добротности производится перед началом работы на измерителе и по мере необходимости, при длительной работе измерителя, периодически через 3-4 ч.

В режиме измерения переключатель 17 подключает к входу ключа 16 напряжение Ко с выхода источника 15 напряжения. Значение Uo выбирается несколько большим напряжения смещения, при котором наступает резонанс в измерительном контуре 3 при отсутствии на измерительных зажимах испытуемого варикапа 26. Сигнал U0 через переключатель 17 поступает также на вход контроллера 8. При поступлении испытуе- мого варикапа 26 на измерительные зажимы происходит настройка контура 3 в резонанс аналогично описанному выше.

По окончании настройки контура 3 в резонанс из блока 27 управления поступает сигнал Конец настройки на контроллер 8. Контроллер, коммутируя ключ 6 и запуская АЦП 7, считывает последовательно значение U « и напряжение смещения 1)См на варикапе 18 настройки и запоминает их в ОЗУ.

После этого контроллер 8 производит вычисление добротности QB и емкости Св исследуемого варикапа 26. Добротность испытуемого варикапа определяется по формуле

QK

0)

где Qa добротность измерительного кон

тура 3 с испытуемым варикапом;

QK - добротность измерительного контура 3 без испытуемого варикапа;

Ск - емкость измерительного контура 3, соответствующая резонансу в контуре.

Емкость испытуемого варикапа С6 однозначно определяется емкостью варикапа 18 настройки Снастр в момент резонанса в контуре:

Св -Ск Снастр.

Ск находят экспериментально, а емкость Снастр однозначно связана с напряжением смещения UCM на варикапе 18, т.е. CHacrp f(UcM). Эта зависимость определяется экспериментально и записывается в ПЗУ контроллера 8 с высокой точностью. Таким образом, емкость испытуемого варикапа 26 в процессе измерения определяется контроллером по формуле

С8 Ск - f(UCM).

Добротность измерительного контура 3 CU без испытуемого варикапа 26 определяется добротностью катушки 22 индуктивности QL и добротностью варикапа 18 настройки Онастр. При фиксированной (стабильной) амплитуде высокочастотного генератора 2 добротность измерительного контура 3 прямо пропорциональна напряжению на нем:

Qa KUa: . где К - коэффициент пропорциональности.

Тогда выражение (1) можно переписать

о - Ug - и - к с

|ик

UK - U (ILK

Для вычисления QB необходимо знать

I/

значения и UK. Эти параметры измери- t-к

тельного контура 3 определяются экспериментально с помощью трех мер добротности следующим образом.

Берут три меры добротности с параметрами QM1. Ом2, ОмИ И , СмЗ И

поочередно подключают к измерительным зажимам вместо испытуемого варикапа 26. На выходе детектора 5 измеряют три значения напряжения U«M1, U «м2 и U ам3 Используя значения приведенных напряжений и известные параметры мер добротности, определяют параметры измерительного контура 3

Найденные параметры измерительного контура

V - ( ГнастР Ск

где Гнастр - сопротивление потерь варикапа 18 настройки;

(а - круговая частота, записываются в ПЗУ контроллера 8.

Контроллер производит вычисление

UK

1

W+УСнастр2

Снятие трех значений Нам и U «мЗ производится за короткий промежуток времени. Это необходимо для того, чтобы за время эксперимента не изменились параметры измерительного тракта измес рителя (высокочастотного генератора 2, измерительного контура 3, усилителя 4, элементов 20 и 25 связи). В этот промежуток времени производится калибровка измерителя (как описано выше), снимается с выхоQ да детектора 5 значение U OKO и заносится в

ПЗУ контроллера 8. Контроллер производит вычисление добротности испытуемого варикапа с коррекцией результата. Коррекция необходима для устранения погрешности 5 определения добротности, вызванной временной и температурной нестабильностью измерительного тракта.

Вычисление добротности с учетом коррекции производится по формуле

UGU

7ко

fi

U «к

UK -- U

и

Як о

Ск

УкСк,

а

U «к

где U (2к значение напряжения на выходе детектора 5, попученное при калибровке из- мермгеля.

Значения добротности и емкости испытуемого варикапа контроллер выводит на цифровые индикаторы 10 и 11 блока 9 индикации,

8 цифровом измерителе добротности отсутствуют погрешности ог кусочно-линейной аппроксимации и динамические по- греынсст/. к ичислительного устройства. E bixD.j.Hoe . : злряжение детектора 5 не зави- ct/n ел 1ф1 ;аизьы вольт-фарадной характери- c,7v км еари;;упа 18 настройки, что повышает точность измерения добротности.

Формула изобретения

аналогового сумматора, второй вход кош- рого соединен с выходом первого ключа, третий вход которого соединен с общей шиной, второй выход источника напряжения

соединен с первым входом переключателя, второй вход которого соединен с общей шиной, выход переключателя соединен с вторым входом первого ключа, третий вход блока управления соединен с шиной запу0 ска, четвертый вход блока управления соединен с шиной сброса и третьим входом реверсивного счетчика, второй и третий входы измерительного контура соединены соответственно с выходами высокочастотного

5 генератора и источника напряжения смещения, выход измерительного контура подключен к входу высокочастотного усилителя; четвертый и пятый входы измерительного контура представляют собой первую и вто0 рую клеммы для подключения исследуемого варикапа.

0 усилителя соединен с первым входом блока управления, второй вход - с выходом аналогового инвертора, а выход - с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом цифроаналогового пре5 образователя, выход компаратора соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с шиной сброса, выход элемента ИЛИ соединен с R-входом первого триггера, 3,-вход которого

0 соединен с шиной запуска, выход первого триггера соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом тактового генератора, выход первого элемента И соединен с первым

5 входом второго элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, выход второго элемента ИЛИ является вторым выходом блока управления, первый вход второго элемента И сое0 динен с выходом инвертора, второй вход элемента И соединен с выходом второго триггера, R-вход которого соединен с шиной сброса, а S-вход - с выходом компаратора, первым входом третьего элемента И и БХО5 дом инвертора, второй вход третьего элемента И соединен с выходом тактового генератора, выход третьего элемента И соединен со счетным входом первого счетчикэ, R-вход которого соединен с шиной сброса, а выход - с входом цифроаналогового преобразователя, первый вход тактового генератора соединен с шиной запуска, второй вход - с первым выходом блока управления и первым выходом второго счетчика, второй выход которого соединен с третьим выходом блока управления, а счетный вход - с выходом тактового генератора, вход аналогового инвертора соединен с первым выходом ключа, первый вход которого соединен

перенос

сброс

с выходом третьего триггера, второй вход - с клеммой опорного сигнала, а третий вход - с первым входом блока управления, S-вход третьего триггера соединен с вторым входом блока управления, а R-вход - с шиной сброса, выход пикового детектора соединен с четвертым входом ключа,второй выход которого соединен с входом пикового детектора.

Фаг. 2