Способ определения параметров электрических многополюсников Советский патент 1992 года по МПК G01R31/28 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для контроля и диагностирования электронных объектов.

Известны способы определения параметров электрических многополюсников и четырехполюсников, в которых одноименные зажимы образцового и измеряемого многополюсников включают в смежные плечи измерительных мостов и производят их уравновешивание. Различие этих и других способов заключается лишь в системе подключения мостов, их питания (переменным или постоянным током) подключении корректирующих усилителей

Недостатки известных способов определения параметров многополюсников заключаются в малом быстродействии, низкой достоверности и ограниченной области применения,

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является с.юсоб измерения параметров электричес 01 о четырехполюсника, в котором каждую пару одноименных зажимов исследуемого и образцового четырехполюсников включают в смежные плечи двух мостов и регулируют параметры образцового четырехполюсника до уравновешивания мостов, отличающийся тем, что уравновешивание по элементам первого столбца матрицы производят при закороченных плечах второго моста, а уравновешивание по элементам второго столбца матрицы производят при сопротивлениях плеч второго моста равных сопротивлению нагрузки контроли 1

Јь

руемого четырехполюсника, и при питании первого моста.

Недостатками прототипа являются малое быстродействие, низкая достоверность и ограниченная область применения.

Для достоверного определения параметров элементов контролируемого объекта в прототипе необходимо определенное совпадение структур объекта контроля и моде- ли, В противном случае возникает неоднозначное решение задачи определения параметров объекта контроля. Например, при структурах определение параметров четырехполюсников возможно, но при появлении в объекте контроля несанкционированной связи между точками 1 и 3 задача неразрешима. Малое быстродействие прототипа связано с наличием этапа уравновешивания мостов. Количество циклов уравновешивания неодинаково для различных объектов контроля и многомерных измерительных устройств и определяется понятием сходимости. Многомерные измерительные цепи сравнения в общем случае описываются нелинейным векторным уравнением баланса вида.

f(k) U,(1)

где f(k) некоторая вектор-функция вектора уравновешивающих величин к;

U - вектора сигналов небаланса.

Сходимость итерационного процесса уравновешивания определяется свойствами матрицы-якобиана системы уравнений (D

S

d U dk

(2)

Для осуществления быстрой сходимости необходимо, чтобы недиагональные элементы матрицы чувствительности S были достаточно малыми по модулю, по сравнению с диагональными, т.е. должна быть сведена к минимуму взаимосвязь контуров уравновешивания. При чисто диагональной матрице S процесс уравновешивания сходится один цикл, состоящий из п операций (для прототипа п 2). Однако, как правило, матрица S не является чисто диагональной вследствие наличия взаимосвязей контуров уравновешивания. При этом процесс уравновешивания состоит из нескольких циклов т, а количество операций прототипа равно mn. Область применения способа ограничена для сложных многосвязных объектов и для объектов, не допускающих короткое замыкание на выходных зажимах. Если контролируемый объект представляет собой сложную многосвязную систему с большими величинами коэффициентов взаимного влияния контуров уравновешивания, то матрица чувствительности S имеет недиаго

нальные элементы, сравнимые по величине с диагональными элементами и вследствие плохой сходимости процесс уравновешивания затруднен и применение прототипа в

5 данном случае нецелесообразно. Существует ряд объектов, недопускающих применение традиционных методов контроля, в том числе короткое замыкание на выходе. Применение прототипа для данных объектов ог10 раничено.

Цель изобретения - увеличение быстродействия, достоверности и расширения области применения способа.

Данная цель реализуется способом оп15 ределения параметров электрических многополюсников, заключающимся в том, что формируют из каждой пары одноименных зажимов объекта контроля и его .модели смежные плечи N-1 измерительных мостов,

20 в измерительных диагоналях которых контролируют величину токоз между общими зажимами объекта контроля и модели с общей точкой, питания первого моста от генератора тока измеряют токи разбаланса, пред25 ставляющих собой разность токов, протекающих по смежным плечам измерительных мостов. Предлагаемый способ отличается тем, что поочередно и дискретно изменяют на заданную величину величин

30 сопротивления, включенные между одноименными зажимами объекта контроля и модели, измеряют токи разбаланса всех мостов, определяя элементы вектора разбалансов ЕМ-Г , дискретно изменяют

35 величины сопротивлений, включенных между (1+1)-ми зажимами объекта контроля и модели, измеряют токи разбалансов, опре- деляя элементы вектора Ем-1 и так далее (1 1 ... N-1), Y - параметры объекта контроля

40 - матрицу YX - определяют решением системы матричных уравнений вида: Diag AlN-1,N-l(EN-1(1)Е|М-1(Ж)),... Ам-1.1М-1.М-1(Ем1J J EN-jO X(N-i)2 (Yx) B(N-1)2 (EN1 , ..., CN-1 j,

параметры модели выбирают одного порядка с ожидаемыми параметрами объекта контроля, величины проводимостей плеч измерительных мостов и сопротивлений, включенных между объектом контроля и мо5® дели, выбирают одного порядка с собственными проводимостями модели в узлах к которым подключаются данные сопротивления. Возможен аналогичный способ, отли- чающийся от предложенного тем, что

55 поочередно и дискретно изменяют на заданную величину величины сопротивлений, включенных в измерительные диагонали, последовательно с измерителя. ТОКОЕ, величины данных сопротивлений выбирают

одного порядка с сопротивлениями плеч измерительных мостов. Существенными отличиями предлагаемого способа являются поочередное и дискретное изменение на заданную величину величин сопротивлений, включенных между одноименными зажимами объекта контроля и модели (сопротивлений, включенных в измерительные диагонали, последовательно с измерителями токов) и определение Y-параметров объекта контроля решением системы матричных уравнений вида

Diag AlN-1,N-l(EN-1 Ч,... AN-1N-1.N-1

(Ем-1(1), ... fN-f-1))xX(N-1)2(Yx) B(N-1)2(EN- 1(1), ... EN-1()) Свойства, приобретаемые в результате введения существенных отличий, приводят к увеличению достоверности, быстродействия и расширения области применения способа. Способ позволяет с высокой достоверностью определять параметры элементов контролируемого объекта при условии, что rangYx rangYk. Способ обеспечивает высокое быстродействие из-за отсутствия этапа уравновешивания. Число операций способа п меньше числа операций прототипа тп, где т 1 (для большинства объектов контроля). Область применения способа расширяется, во-первых, для объектов, у которых невозможен режим короткого замыкания, во-вторых, для объектов, представляющих собой сложную многосвязную систему с большими величинами, коэффициентов взаимного влияния контуров уравновешивания.

Зажимы ai, ,.,, ап объекта контроля Xi и CiСп модели К2 включены в плечи измерительных мостов, образованных проводимостями gi, да дп 7 и входными

параметрами объекта 1 и модели 2 в точках aian, CiСп. В измерительные диагонали этих мостов последовательно с измерителями токов Ui, U2, .... Un, регистрирующих токи разбалансов EI, Ј2,

..., En, включены проводимости gui, gua

gun 8, шунтированные проводимостями дш , ..., gun 9, соединенными последовательно с ключами Ри, ..., Pun 11. Между одноименными зажимами объекта 1 и модели 2 включены проводимости д02 доп 5,

шунтированные проводимостями , ..., доп 6, соединенными последовательно с ключами РО& ..., Роп 10. В питающую диагональ первого из мостов включен источник тока 3, имеющий выходную проводимость ди 4. В исходном состоянии после подключения объекта контроля Xi все ключи Р0,-

РОП Ю (Риг Pun 11) размыкаются. От

источника тока 3 подается внешнее воздей0

5

0

5

0

5

0

ствие амплитудой ji. После измерения токов

разбалансов Ег1 , Еп замыкают

ключ PO.J. 10 (Ри 11) и опять измеряют токи разбалансов Ei(2), E2(2), ..., Еп . Затем замыкают ключ Рог 10 (Риг 11) и так далее. Процедура повторяется до п-ro ключа. После замыкания ключа Р0п 10 (Руп 11) и измерения токов разбалансов Ег , Ег п

Err производится обработка полученной информации по алгоритму, вытекающему из следующих уравнений. В литературе известно обобщенное матричное уравнение состояния многомерного электроизмерительного устройства сравнения, заданного в системе независимых узловых потенциалов

JMB

JXA

JKC Для

UB UA Uc

(1)

i YHB YBA YBC YAB YXA YAC YCB YCA YKC

рассматриваемого многомерного устройства сравнения матрицы уравнения (1) имеют вид

JHB - -Jn - JB 0;

JXA -Jx - JA -JA -jai, -ja2-jan T

-Л. 0Of;

JKC L-JK - JC -JC -JC1. -JC2,

Di.o... Of;

YyiB YK - YBB;

YM d,, gui.,

YXA YX + YAA;

YKC VK + YCC;

YAB YBA YCB ...,

YAC VGA Yo , -go,,,

YBB YA Ycc -2v:

, Ub Ubnf;

UA Ua1, UaiUanfl

, UcuUcnf;

Т - знак транспортирования

Решая уравнение (1) методом Гауса (исключения), получаем для вектора напряжений разбалансов UB следующее соотношение UB tYnB/YBcYKC1YcB-(YBA-YBcYKc 1YcAXYxAJCnf

...,

YBC Y , -дг

,

v1

YACYKC YCA) (YAB - YAcYKc YCB) T-YBCYKC 5 1Jc - (YBA - YBcYKc 1YcAXYxA - YACYKC IYCA) 1(JA-YAcYKc 1Jc)3;(3)

Учитывая соотношения (2) после несложных преобразований получаем

У в - 2YM1, - YKC 1YYM 1 - (1 - 0 YKc 1YoXYXA-Y0YKc 1Yo) (1 -YoYKcVVn-1 -1

5

- (1- )(YXA - YoYKc Vo)1 (1 + Y0YKC 1M(4)

Введем понятие вектора токов разбалансов

E .(5)

Используя соотношения (2), (5), решаем уравнение (4) относительно матрицы

-1

.-ft

v1

YX(YK - 2YP - Y) 1. J - (YK - Yo - Y)(Y

-1

2Yn % + YYi/Г El Yo + Y + Y0(YK - Yo - Y)

-1

YoFK - 2Yo - Y) - (YK - Y - Yo) (Y 1 - )

Е + YYi/T1E - 1 - Yo(YK - Yo - + + Y0(YK - Yo - Y)(6)

Изменяя величины проводимостей g0j (guO n-1 раз получаем еще n-1 матричных уравнений вида (6), отличающихся от первого и между собой, величинами параметров Yo (Yn) и величинами разбалансов Е.

Решение полученной системы матричных уравнений получаем в виде

Diag{(YK - 2Y0 - Y)-1(J - (YjЈ - Y0 2YM 1)E + ),X2TXnT T Yo

+ Y + Yo(YK - Yp - Y)-1 - Yo X (YK - 2Y0 - Y) - (YK - Y - - )E + - 1 - Y0(YK - Yo - Y) + 1 + Y0(YK - Yo - Y), где Х,т - Xn, X,,

i 1 ... n,

n KFT.

Величины параметров элементов многомерного устройства сравнения (модели измерительных плеч и т.д.), а также величины, на которые изменяют проводимости g0i (gui), определяются исходя из следующих положений. Как указано выше, определение параметров электрического М-полюсника осуществляется путем решения системы (7), которую в общем виде можно представить как

Ах Ь.

Элементы матриц А и b содержат погрешности, полученные в результате конечной точности измерения токов невязки EI, Е2En.

Влияние погрешностей матриц А и b на определение матрицы х параметров многополюсника оценивается соотношением 7

cond A 1 где cond А II А II i I A II - евклидово число обусловленности матрицы А.

-SndAaAC A+db).

( II -lib

bll

dx

xll -llxll

llxll возмущения матриц A, b, x.

A, b, x - матрицы, элементы которых не содержат погрешностей:

A, b, x - реальные матрицы

II А II, II b II, II х II и т.д. - нормы матриц вида

II АИ тах 2 I a ,j I .

1 j n i 1

Для снижения ошибки б х необходимо уменьшать число обусловленности condA, не уменьшая при этом нормы II А II , II b II

Число обусловленности condA является функцией от всех параметров устройства

сравнения, в том числе от сопротивлений, включенных между одноименными зажимами объекта контроля и модели (последовательно в цепях измерителей тока), а также от величин, на которые изменяют в процессе работы данные сопротивления. Величины используемых проводимостей и величины изменения этих проводимостей в процессе работы выбираются из соображе0 ния минимально возможного значения обусловленности condA, минимального воздействия на режим работы контролируемого многополюсника, сохранения достаточно больших величин норм II А II , II b II . Как

5 показали проведенные исследования, наибольшая точность способа достигается при равенстве порядков: параметров модели и предлагаемых параметров объекта контроля; величин проводимостей плеч измери0 тельных мостов, сопротивлений, включенных между одноименными зажимами объекта контроля и модели, сопротивлений последовательно включенных в цепях измерителей токов и собственных проводи5 мостей модели в узлах к которым подключаются данные сопротивления. Кроме того, на точность способа влияет величина, на которую изменяют величины сопротивлений, включенных между одноименными зажима0 ми объекта контроля и модели (сопротивлений последовательно включенных в цепях измерителей токов). С ростом величины измерения, число обусловленности уменьшается по нелинейному закону. По мнению

5 авторов наиболее оптимальный диапазон изменения величин данных сопротивлений от -50% до -100% от исходной величины, величины.

Амплитуда источника тока ji 3 подбира0 ется в соответствии с ограничениями на амплитуду внешнего воздействия приведенными в паспорте на изделие (объект контроля). В качестве модели объекта контроля может использоваться электриче5 ский многополюсник как с параметрами разными ожидаемым параметрам объекта контроля, так и иметь отличные параметры. Построение модели объекта контроля возможно как из пассивных, так и из активных

0 элементов Модель может как соответствовать проверяемому объекту, так и быть полностью отличной от объекта контроля. Например, пусть объект контроля представляет собой усилитель на одном транзисторе.

5 Матрица проводимостей объекта контроля имеет вид

где у ц, у21, у 12, У22 - параметры транзистора, причем параметр yi2 не учтен из-за малости его величины. В качестве модели можно выбрать аналогичный усилитель с параметрами равными предполагаемым параметрам объекта контроля.

YK

усилитель с параметрами отличными от предполагаемых параметров объекта контроля.

YK

пассивный четырехполюсник

YK

Возможно также применение других моделей с матрицей проводимостей, имеющей гапдУк 3.

Использование предлагаемого способа определения электрических параметров электрических многополюсников обеспечивает следующие преимущества:

1.Уменьшает время измерения Y-napa- ме тров.

2.Расширяет область применения известных способов для сложных многосвязных объектов, критичных к режиму короткого замыкания на выходе.

3.Позволяет определить Y-параметры при несовпадении структур объекта контро- ля и модели.

Формула изобретения 1. Способ определения параметров электрических многополюсников, заключающийся в том, что формируют из каждой пары одноименных зажимов объекта контроля и его модели смежные плечи N-1 изме

рительных мостов, в измерительных диагоналях которых контролируют величину токов между общими зажимами объекта контроля и модели с общей точкой питания

первого моста от генератора тока, измеряют токи разбаланса, представляющих собой разность токов, протекающих по смежным плечам измерительных мостов, отличающийся тем, что, с целью увеличения

быстродействия, повышения достоверности и расширения области применения способа поочередно и дискретно изменяют на заданную величину величины сопротивлений, включенные между одноименными зажимами объекта контроля и модели, измеряют токи разбаланса всех мостов, определяя элементы вектора разбаланса Ем-1 , дискретно изменяют величину сопротивления, включенного между (+1)-ми

зажимами объекта контроля и модели, измеряют токи разбалансов, определяя элементы вектора разбалансов EN-V и так далее (i 1... N-1).Y-параметры объекта контроля (матрицу Yx) определяют решением системы матричных уравнений вида

Diag AiN-i.N-i(EN-/1) EN-1())Ам1N-1.N-1(EN-1(1) EN-1()X(N-1)2(YX) BlN1)W1)EN-1(N-1)),

параметры модели выбирают одного порядка с ожидаемыми параметрами объекта контроля, величины проводимостей плеч измерительных мостов и сопротивлений, включенных между объектами контроля и

модели, выбирают одного порядка с собственными проводимостями модели в узлах, к которым подключаются данные сопротивления.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что поочередно и дискретно изменяют на заданную величину величины сопротивлений, включенных в измерительные диагонали, последовательно с измерителями токов, величины данных сопротивлений выбирают одного порядка с сопротивлениями плеч эмеритальных мостов.

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и может быть использовано для контроля и диагностирования электронных объектов. Способ определения параметров электрических многополюсников, состоящий из включения каждой пары одноименных зажимов объекта контроля и его модели в смежные плечи измерительных мостов, питании только первого моста, измерения токов разбалансов измерителями токов, включенных в измерительные диагонали мостов Новым в способе «вляются операции изменения величин сопротивлений между одноименными зажимами объекта контроля и его модели, сопротивлений, последовательной включенных в цепи измерителя тока, а также решение системы матричных уравнений. сл с

Редактор Т.Шагова

Составитель С.Тоскин Техред М.Моргентал

Заказ 2283

Тираж

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР , Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

1

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Корректор Л.Бескид

Подписное