Способ измерения импеданса двухполюсника и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01R17/10 

начала отсчета фазы то из ее значений, при котором измеренная амплитуда оказалась больше, а в случае равенства амплитуд - исходное значение, величину амплитуды напряжения на нулевом входе моста, соответствующую началу отсчета фазы, принимают за начальное значение амплитуды и3н, затем последовательно создают приращения фазы отношения ЭДС источников на 90 и 180°, измеряя амплитуду напряжения на нулевом входе моста (Ugo и Ово) после каждого из них, по таблице выбора знаков выбирают знак первого приращения фазы , имеющего модуль 90°, затем последовательно создают ряд приращений фазы с модулем, равным половине предыдущего модуля, начиная отсчет со второго, измеряя амплитуду напряжения на нулевом входе моста после каждого приращения фазы и выбирая знак приращения по таблице выбора знаков, до тех пор, пока очередное измеренное значение амплитуды не станет равным начальному, после чс х создают последнее приращение фазы, равное половине алгебраической суммы всех приращений фазы, начиная с первого, плюс 180°, после этого измеряют амплитуду напряжения на нулевом входе моста, последовательно создают приращения модуля отношения ЭДС источников, возбуждающих мост, по величине равные удвоенному минимально возможному, а по направлению уменьшающие этот модуль, и измеряют амплитуду напряжения на нулевом входе,моста после каждого приращения до тех пор, пока после очередного приращения отношения ЭДС знака изменения напряжения на нулевом входе моста не сменится на противоположный, после чего создают последнее приращение модуля отношения ЭДС, равное по величине минимально возможному, а по направлению,- противоположное предыдущему,и на этом заканчивают уравновешивание.

Устройство для реализации способа измерения импеданса двухполюсника содержит двухполюсник 1,кольцевой мост 2 без потерь с четвертьволновыми плечами, в одном из которых создан дополнительный сдвиг фаз 180°. развязывающую нагрузку 3, первый и второй генераторы 4 и 5 переменного тока, согласующие нагрузки-делители 6 и 7, ключи 8 и 9 с дешифратором 10. коммутатор 11, блок 12 обратного преобразования частоты, датчик 13 разности фаз, анализатор 14 экстремума, модулятор 15, регистр 16 фазы импеданса, вычислитель 17, регистр 18 модуля импеданса, синхронизатор 19 и генератор 20 опорной частоты.

При этом исследуемый двухполюсник 1 подключен к одному из развязанных входов моста 2, к соседнему входу которого подключена развязывающая нагрузка 3 с

сопротивлением, равным половине волнового сопротивления плеч моста, генераторы 4 и 5 своими первыми выходами подключены через нагрузки-делители б и 7 и ключи 8 и 9 к соседним входам моста 2, вторые вхо0 ды ключей объединены и подключены к выходу дешифратора 10, вторые выходы нагрузок-делителей 6 и 7 и развязывающая нагрузка 3 подключены к первому, второму и третьему входам коммутатора 11, выход

5 которого соединен с ВЧ-входом блока 12 обратного преобразования частоты, другие входы которого соединены с вторым и третьим вспомогательными выходами второго генератора 5, а выход подключен к входу

0 датчика 13 разности фаз, первый вход которого связан с четвертым выходом генератора 5,и к входу анализатора 14 экстремума, выход датчика 13 разности фаз подключен к магистрали управления фазой, соединяю5 щей первый выход модулятора 15 с входом управления фазой генератора 5 и входом- выходом вычислителя 17, первый выход анализатора 14 подключен к второму входу вычислителя 17, а второй и третий выходы

0 анализатора 14 подключены к первому и второму входам модулятора 15 и к первому и второму входам синхронизатора 19 соответственно, второй вход модулятора 15 через магистраль управления амплитудой

5 подключен к входу управления амплитудой генератора 5, второй и третий выходы вычислителя 17 подключены к информационным входам регистра 16 фазы импеданса и регистра 18 модуля импеданса, генератор 20

0 опорной частоты своим выходом подключен к первым входам генераторов 4 и 5 и синхронизатора 19, который связан магистралью син- хрокоманд с входами синхронизации генератора 5, дешифратора 10, коммутатора

5 11. анализатора экстремума 14, модулятора 15, вычислителя 17 и регистров 16 и 18.

Работа устройства для реализации способа измерения импеданса двухполюсника (все действия устройства выполняются по

0 кодированным командам из синхронизатора 19) осуществляется следующим образом. Сначала выравниваются фазы и амплитуды генераторов 4 и 5. Для этого размыкаются ключи 8 и 9. Коммутатор 11 по

5 соответствующим командам из синхронизатора 19 поочередно подключает выходы нагрузок-делителей 6 и 7 к входу блока 12 обратного преобразования частоты. В блоке 12 входной ВЧ-сигнал преобразуется в сигнал промежуточной ПЧ-частоты, на который

линейно переносятся фаза и амплитуда исходного сигнала. Сигнал ПЧ поступает на входдатчика разности фаз 13 и анализатора экстремума 14. В датчике разности фаз фаза подаваемого на вход сигнала сравнивается с фазой опорного сигнала, поступающего из генератора 5, и смещение относительно него по фазе запоминается. Таким образом, оказываются зафиксированными сдвиги по фазе сигналов от генераторов 4 и 5 относительно опорного сигнала. По записанным данным вычисляется разность фаз колебаний генераторов 4 и 5. Эта разность с обратным знаком поступает в кодовой форме через магистраль управления фазой на вход генератора 5 и записывается в его регистре. По записанной информации генератор 5 изменяет фазу своих ВЧ-колебаний до их совмещений с фазой колебаний генератора 4. Регистр управления фазой в генераторе 5 обнуляется, и на этом выравнивание фаз заканчивается. При выравнивании амплитуд измеряется и преобразуется в цифровую форму амплитуда каждого сигнала от генераторов 4 и 5. Это происходит в анализаторе экстремума 14. Оба значения запоминаются, сравниваются, и результат сравнения (больше, меньше, равно) поступает в модулятор 15 и в синхронизатор 19. Если результат сравнения равно, выравнивание амплитуд закончено, и синхронизатор 19 начинает выдавать команды для осуществления процедуры уравновешивания моста. В остальных случаях результат сравнения запоминается в модуляторе 15. Далее модулятор 15 устанавливает в магистрали управления амплитудой код приращения амплитуды, по модулю равный удвоенному минимальному кванту управления амплитудой генератора (2 AUmin) со зна- ком; противоположным результату сравнения. Этот код записывается в регистр управления амплитудой генератора 5. По записанной информации генератор 5 изменяет амплитуду своих колебаний, после чего регистр управления амплитудой обнуляется. Новая амплитуда вновь измеряется, записывается, сравнивается и т.д. до тех пор, пока после очередного приращения амплитуды результат сравнения не изменится на противоположный. Этот признак фиксируется в синхронизаторе 19, после чего по его команде модулятор 15 записывает новый результат сравнения и устанавливает в магистрали управления амплитудой код приращения амплитуды,по модулю равного минимальному кванту управления амплитудой Ј0 знаком,противоположным предыдущему. Генератор 5. как и прежде, отрабатывает это приращение, его регистр

обнуляется, и выравнивание амплитуд заканчивается. Погрешность выравнивания по такому алгоритму не превышает разрешающей способности управления амплиту- 5 дои.

После выравнивания параметров колебаний генераторов 4 и 5 производится уравновешивание моста 2 по фазе. Для этого замыкаются ключи 8 и 9. Коммутатор 11 со10 единяет нулевой вход моста с входом блока 12, и аналогично предыдущему преобразованный сигнал с его выхода поступает на вход анализатора 14 экстремума. Здесь амплитуда входного сигнала измеряется, пре5 образуется в цифровую форму и ее значение запоминается. Далее модулятор 15 устанавливает в магистрали управления фазой код приращений фазы на 180°. Это значение, как и ранее, записывается в регистр управ0 ления фазой генератора 5, отрабатывается генератором 5, и сигнал со смещенной на 180° фазой снова поступает на вход анализатора 14 эстремума Здесь амплитуда снова измеряется, ее значение запоминается и

5 сравнивается с первым. Результат сравнения поступает в модулятор 15 и запоминается. Одновременно в анализаторе 14 экстремума дополнительно запоминается то из значений амплитуды, которое больше.

0 Оно принимается в качестве начального (USM). Если результат сравнения равно, в качестве начального принимается первое. Далее выбирается первое приращение фазы , Для этого модулятор 15 устанавли5 вает в магистрали управления фазой код

приращения фазы Лу + 90° , который аналогично предыдущему шагу записывается в регистр управления фазой генератора 5. Генератор 5 изменяет фазу ВЧ-колебаний О на 90°. 8 анализаторе экстремума новое значение амплитуды запоминается, регистр генератора обнуляется. Модулятор устанавливает в магистрали управления фазой

5 код приращения фазы Лу 180° , по которому, как и ранее, генератор 5 вновь изменяет фазу своих ВЧ-колебаний на 180° В анализаторе экстремума 14 амплитуда напряжения с нулевого входа моста снова изQ меряется, запоминается, сравнивается с предыдущей и передается в модулятор 15 и синхронизатор 19. Если результат сравнения меньше, повторяется процедура изменения фазы на 180°. Если результат

е сравнения больше или равно, измеренная амплитуда сравнивается с начальным значением Озн и результат так же как и результат предыдущего сравнения записывается в модуляторе 15, а в магистрали управления фазой устанавливается код первого приращения фазы с модулем 90 и знаком в соответствии с таблицей выбора знака, после чего значение первого приращения записывается в вычислитель Далее модулятор поочередно формирует коды приращения фазы , начиная с I 2 такие, что модуль 7J-I Луэ( i - 1 ) I .генератор 5 их принимает, соответственно меняет фазу ВЧ-колебаний. вычислитель 17 принимает и суммирует эти коды, а в анализаторе 14 экстремума после каждого приращения измеряется амплитуда напряжения на нулевом входе моста, сравнивается с начальным значением (Jan. При этом знак каждого следующего приращения определяется в соответствии с таблицей выбора знака. Процедура продолжается до получения результата сравнения равно или исчерпания заложенного в устройство количества шагов (N). После этого вычислитель 17 устанавливает в магистрали управления фазой код приращения фазы Ада . равный полусумме накопленных приращений с обратным знаком плюс 180°

1 ( о ( 4

Л(/5| ) + 180° На этом

уравновешивание по фазе заканчивается.

Так как перед уравновешиванием моста по фазе амплитуды генераторов 4 и 5, а следовательно, и их ЭДС, выравнены и в процессе фазирования не меняются, для уравновешивания моста по амплитуде в анализаторе 14 экстремума измеряется и записывается значение амплитуды на нулевом входе моста, появившееся после окончания уравновешивания моста по фазе. Затем в модуляторе 15 последоватепьно формируется код отрицательного приращения амплитуды ЭДС генератора 5 на величину удвоенного минимального кванта приращения. Код устанавливается в магистрали управления амплитудой, принимается генератором 5, который соответственно уменьшает амплитуду своих колебаний как описывалось выше. Анализатор 14 экстремума измеряет амплитуду напряжения на нулевом входе моста, запоминает ее значение и сравнивает с значением,записанным в предыдущем цикле Резупьтат сравнения поступает в модулятор 15 и синхронизатор 19. Такие циклы повторяются до тех пор. пока резупьтэт сравнения не изменит знак на обратный (меньше1 н больше ). После этого модулятор 15 устанавливает код приращения амплитуды, по модулю равною ми нимальному кванту приращения а по знаку - противоположное предыдущему На этом

уравновешивание по амплитуде заканчивается

После полного уравновешивания моста по фазе и по амплитуде производится измерение параметров возбуждающих напряжений и вычисление по ним параметров измеряемого импеданса Для этого коммутатор 11 подает сигнал с нагрузки-делителя 6 на вход блока 12 и далее на входы датчика

0 13 разности фаз и анализатора 14 экстремума В датчике 13 разности фаз, как и выше, измеряется и записывается сдвиг фазы сигнала с нагрузки-делителя б относительно опорного. В анализаторе 14 экстремума из5 меряется амплитуда сигнала, преобразуется в цифровую форму, передается в вычислитель 17,где и записывается (амплитуда Ui). Затем коммутатор 11 подключает к входу блока 12 сигнал с нагрузки-делителя

0 7. Сигнал, как и ранее, поступает в датчик 13 и анализатор 14. В датчике 13 разности фаз измеряется его сдвиг фазы относительно опорного сигнала и формируется в цифровой форме и передается в вычислитель 17

5 разность фаз между сигналами с нагрузок- делителей 6 и 7. т е разность фаз между генераторами 4 и 5 В анализаторе, как и в предыдущем случае, измеряется, преобразуется и передается в вычислитель 17 вели0 чинаамплитудысигналас

нагрузки-делителя 7 (амплитуда U2) В вычислителе 17 обе величины записываются По принятым данным в вычислителе вычисляются модуль и фаза измерг мого импе5 данса. Далее вычисленные знз ения модуля и фазы импеданса поступают н jxoflbi регистров 16 и 18 и записыоаю)ся. Определение импеданса на этом заканчивается. Таким образом, данное техническое ре0 шение позволяет исключить из процесса измерений коммутируемые образцовые меры составляющих импеданса или образцовые элементы плеч моста и за счет этого повысить при прочих равных условиях мощность.

5 поступающую в исследуемый двухпо ник в момент измерения импеданса

Формула изобретения

1 Способ измерения импеданса двух0 полюсника. заключающийся в том. что уравновешивают четырехплечий кольцевой мост переменного тока без потерь, возбуждают могт переменным через один из входов и регулируют распределение токов и

0 напряжений в плечах моста по минимуму напряжения на входе, прошвопопожном возбуждаемому (нулевому), отличающийся тем, что, с цеш.ю повышения точности изме рения, дополнительно возбуждают могт по переменным током когерентном с

первым током возбуждения развязанной пары входов, уравновешивают мост раздельно по фазе и амплитуде пробными приращениями фазы и амплитуды отношения ЭДС источников, возбуждающих мост, из меряя напряжения на нулевом входе моста после каждого пробного приращения измеряют фазы и амплитуды напряжений на ооз- буждаемых входах уравновешенного моста и вычисляют значения модуля и фазы импе- данса измеряемого двухполюсника как модуль и фазу выражения

2а 12 (U2/U1 )

1 -a12(U2/Ul }{(Ъ22/ЪГ2) + (%22/а12

где Da - напряжение ня возбуждаемом развязанном входе моста,

Ui - напряжение на соседнем даемом входе моста,

aik, bik - элементы матриц передачи четырехполюсников, образующих плечи моста

а, а

п

а ,2 а 22

;

ь

ь„ ь

12

12

2 Устройство для измерения импеданса двухполюсника, содержащее мост из отрезков четырехволновых линий или электриче- ски эквивалентных им элементов без потерь, причем первая пара входов моста развязана и к одному из них (измеритетьно му) подключен измеряемый двухполюсник, а к соседнему входу (нулевому) -разрязнва ющая нагрузка, две согласующие narpv3,i- делители, первый генератор переменного тока, генератор опорной частоты, анализа тор экстремума и модулятор отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены второй генератор переменного тока, блок обратного преобразования частоты, два ключа с дешифратором, коммутатор, датчик разности фаз, вычислитель, первый и второй регист-

5 10

15

0

5

0 5 0 5

ры и синхронизатор, причем вн -а1 первгт генератора переменного тока мои icpnwo согласующую нагрузку-делитегь и IK р-ши ключ соединен с первым входом мопа пор выи выход второго генератора переменного тока через вторую согласующ ю делитель и второй ключ соединен г вторым входом моста второй и третий вьиод РТО рого генератора переменного тока соедине ны с первым и вторым входами блока обратного преобразования частоты четвер тый выход - с первым входом датчика ряз ности фаз выход генератора опооных частот соединен с входом первого генепато ра переменного тока с первыми входами второго генератора переменного ка и сип хронизатора вход управления ф-зчоч с первым выходом модулятора, вход /лравле ния амплитудой - с вторым выходом моду л я т о р а первым выходом входом вычипителя и вькодом датчика разности фаз вторые выходы первой и второй согла- сующи нагрузок-депителей соединены соответственно с первым и вторым входами коммутатора, третий вход которого соединен с входом развязывающей нагрузки, а его выход соединен с трет( им входом блока обратного прр брязовэы ч частоты выход которого соединен со ПТР;Ч м вчолом ка разнести и J/MMH idiooi экс тремума первые .зы од котО( 1Го о динен со вторым nxcgo1 L b; пк /мге.тч - нюрой и третий выхоль. , r ютврт тпенно с вторым и третьим видами с м (л низэтора и первым л в ьп. плодами модулятора выход син ронч -1-эт tr-i ч. pt o магистрять синхрокоманд СРГДИНРН с влодами синхро- команд второго генррчтора переменного тока анализатора ччстремума вычислителя модулятора, коммутатора дешифратора выходом соединенного с входами угтравле ния ключами первого и второго регистров вторые входы которых соединены соответственно с выходами вычислителя, а выходы являются выходами устройства

Таблица выбора знаков

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в специализированных измерительных приборах и в составе контрольной аппаратуры генераторов переменного тока Цель изобретения - повышение точности измерения при больших уровнях мощности поступающей в измеряемый двухполюсник за счет исключения подбора и коммутации прецизионных мер - достигается тем, что четырех- плечий кольцевой мост переменного тока с развязанной парой входов к одному из коИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точных автоматизированных измерений в специализированных измерительных приборах Цель изобретения - повышение точности измерения при большой мощности, поступающей в исследуемый двухполюсник, за счет исключения подбора и коммутации прецизионных мер На фиг.1 дана структурная схема устройства для реализации способа измерения торых подключают исследуемый двухполюсник дополнительно возбуждают переменным током по второму развязанному входу уравновешивание моста осуществляют пробными калиброванными приращениями фазы и амплитуды ЭДС возбуждающих источников переменного тока с контролем баланса моста по амплитуде напряжения на свободном выходе моста а параметры импеданса исследуемого двухполюсника (модуль и фазу) вычисляют по амплитуде и фазе отношения напряжении на возбужденных входах уравновешенного моста по формуле. Устройство для реатизации способа содержит четырехплечий мост 1 из отрезков четвертьволновых линий, исследуемый двухполюсник, развязывающую нагрузку 3. нагрузки-делители 6 7 ключи 8 9 генераторы 4 5. дешифратор 10, коммутатор 11, блок обратного преобразования частоты 12, датчик 13 разности фаз, анализатор 14 экстремума, модулятор 15, регистр 16 фазы импеданса вычислитель 17 синхронизатор 19 и генератор 20 опорной частоты 2с п ф-лы 3 ил 1 табл. импеданса двухполюсника, на фиг 2 - алгоритм уравновешивания моста по фазе на фиг 3 -алгоритм уравновешивания моста по амплитуде Уравновешивание моста осуществляют путем создания пробных раздельных приращений фазы и амплитуды отношения ЭДС источников переменного тока, при которых измеряют амплитуду на нулевом входе моста, создают приращение фазы отношения ЭДС на 180°, снова измеряют амплитуду на нулевом входе моста и выбирают в качестве (Л С о 00 о о .ю

фиг 1

а.I.Измерить и записать амплитуду напряжения на нулевом выходе моста

а.2.Изменить фазу отношения ЭДС источников на I800C

а.3.Изменить и записать амплит -ряжения на нулевом входе моста -.(

нет

а.5.Изменить фазу отношения ЭДС источников на 900

а.б.Измерить и записать амплитуду напряжения на нулевом входе моста .

а.7.Изменить фазу отношения ЭДС источников на 1800

а.8.Измерить и записать амплитуду напряжения ма нулевом входе моста

а.10.Установить i 2

а.II.Изменить фазу отношения ЭДС источников на

I

а.12.Измерить и записать амплитуду напряжения на нулевом входе моста

нет

а.14.Перейти к ( +1)-му пробному приращению, (установить + i.)

а.15.Присвоить знак ( +1) му приращению (по таблице выбора знака)

а.16. Вычислить конечное приращение фазы

а.17.Изменить фазу отношения ЭДС источников на

уравновешивание по фазе окончено

Таблица выбора знака

знак

приращ.

знак i -го приращения

Ьт/изо UJ(Ј-,).UM и3

меньше I

больше I (равно)

б.З. Создать приращение модуля отношения ЭДС на величину 6.4. Измерить,записать и сравнить с предыдущей амплитуду напряжения на нулевом входе моста

, . . | .- I. J. ,

амплитуда оста- лась больше предыдущей

б.10.Создать приращение модуля отноше ния ЭДС на величину в сторону противоположную шагу 6.5

да