Устройство для определения параметров трехэлементных двухполюсных цепей Советский патент 1992 года по МПК G01R27/02 G01R27/26 

VI

ел

00

ел со

VI

Использование: в контрольно-измерительной технике и для измерения параметров трехэлементных двухполюсных цепей. Сущность: устройство содержит формирователь 1 опорного напряжения, опорный конденсатор 2, операционный усилитель 3, клеммы 4 для подключения исследуемой двухполюсной цепи, ключ 5, блок 6 управления, блоки 7,10, 11.12 выборки и хранения, блоки 8,15 вычитания напряжений, интегратор 9, масштабирующие преобразователи 13, 14, усилитель 16. Особенностью изобретения является замена непосредственного измерения напряжения на выходе операционного усилителя в первый момент времени (to), пропорционального значению одного из параметров цепи, на экстраполяцию этого значения напряжения после измерения значений напряжения на выходе операционного усилителя в другие моменты времени (ti, 2ti), что позволяет повысить точность измерения. 7 ил. Ј

Фиг. /

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, в частности к изме- рению параметров трехэлементных двухполюсных RC или RL-цепей,

Задача определения параметров таких цепей встречается в случае преобразования параметров полупроводниковых и металл- диэлектрик-полупроводник-структур, в случае исследования характеристик неоднородных объектов с распределенными параметрами, в случае контроля параметров слоистых сред при помощи параметрических датчиков и т.п.

Известен преобразователь параметров трехэлементного двухполюсника. Преобразователь позволяет определить параметры этих всех элементов трехэлементной цепи.

Однако известный преобразователь характеризуется недостаточной точностью определения параметров трехэлементного двухполюсника вследствие невозможности непосредственного измерения напряжения пропорционального параметрам трехэлементного двухполюсника в начальный момент времени.

Целью изобретения является повышение точности преобразователя параметров трехэлементного двухполюсника.

На фиг. 1 приведена схема устройства для определения параметров трехэлементных двухполюсных цепей; на фиг. 2 - временные диаграммы изменения выходных напряжений формирователя 1 опорного напряжения, операционного усилителя 3, выхода 5 блока 6 управления; на фиг. 3 - схема блока управления; иа фиг. 4-схема включения микросхем К155АГ1 для формирования коротких импульсов длительностью Т2 R2C2 с задержкой RiCi (например, при Ri 10 кОм; ,1 мкФ; At при Ra 1 кОм, С2 ЮООпФ: та с); на фиг, 5 - схема масштабирующих преобразователей; на фиг. 6 - схема инвертирующего усилителя; на фиг. 7 - первый-четпертый блоки выборки и хранения.

Устройство для определения параметров трехэлементных двухполюсных цепей содержит формирователь 1 опорного напряжения, опорный конденсатор 2, операционный усилитель 3, клеммы 4 для подключения исследуемой двухполюсной цепи, ключ 5, блок выправления, первый, второй, третий и четвертый блоки 10, 7, 12, 11 выборки и хранения, первый и второй блоки 15, 8 вычитания напряжений, интегратор 9, первый и второй масштабирующие преобразователи 13. 14,усилитель 16.

Выход формирователя 1 опорного напряжения через опорный конденсатор 2

подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 3, в цепи отрицательной обратной связи которого включены клеммы 4. При этом его неинвертирующий

вход соединен с общей точкой схемы. Выход операционного усилителя 3 соединен с первым входом второго блока 8 вычитания напряжений и с входом второго блока 7 выборки и хранения, выход последнего соединен с вторым входом второго блока 8 вычитания напряжений.

Выход второго блока 8 вычитания напряжений соединен через интегратор 9 с входом третьего блока 12 выборки и хранения и со входами первого и четвертого блоков 10, 11 выборки и хранения. Выход первого блока 10 выборки и хранения соединен с входом первого масштабирующего преобразователя 13 и первым входом первого блока 15 вычитания напряжений. Выход четвертого блока 11 выборки и хранения через второй масштабирующий преобразователь 14 соединен с вторым входом первого блока 15 вычитания напряжений, выход

которого соединен с входом усилителя 16. Выход усилителя 16 соединен с управляющими входами первого и второго масштабирующих преобразователей 13, 14. Вход и выход ключа 5 соединен с клеммами 4 для

подключения исследуемой двухполюсной цепи.

Управляющие входы формирователя 1 опорного напряжений и ключа 5 соответственно соединены с выходами 1, 5 блока 6

управления. Выход 2 блока 6 управления соединен с управляющими входами второго и третьего блоков 7,12 выборки и хранения, а выходы 3 и 4 блока 6 управления соответственно соединены с управляющими входами первого и четвертого блоков 10, 11 выборки и хранения.

Устройство работает следующим образом.

Устройство работает в циклическом режиме, Работой устройства управляет блок 6 управления, который вырабатывает импульсные последовательности, поступающие на управляющие входы формирователя 1 опорного напряжения блоков, 10,11, выборки и хранения, ключа 5.

По команде блоха 6 управления формирователь 1 опорного напряжения в момент времени to подает на вход измерительной

схемы скачок постоянного напряжения амплитудой Uo, действующий в течение промежутка времени t0-t2.

Выходное напряжение операционного усилителя 3:

+

UoCc C2

i

;R,C

Второй блок 7 выборки и хранения измеряет и запоминает значение выходного напряжения операционного усилителя 3 в установившемся режиме (); что соответствует практическому установлению напряжения U(t), т.е. ty (5-6) г, где г RC2), т.е. после практического завершения переходного процесса в измерительной схеме

(ty)

UCc Ci

I I III Uo Со , Uo Со

U8 u3-u7-сТ + сГ

однозначно определяемое параметром Ci.

При повторной подаче скачка напряжения на вход операционного усилителя 3 выходное напряжение второго блока 8 вычитания напряжений

i

щ

е -

UoCo

CiС2

Интегратор 9 интегрирует это напряжение с постоянной интегрирования ги

Ug U°C°R (1 е-7ГеГ

HI

Третий блок 12 выборки и хранения измеряет и запоминает значение выходного напряжения интегратора 9 в установившемся режиме

(ty)

UoCoR

однозначно определяемое параметром R.

Выходное напряжение второго блока 8

,, U0 Со U8 -er-x

вычитания напряжении

tх е К-Ъ, полученное при повторной подаче скачка напряжений на вход операционного усилителя 3, также поступает на входы первого и четвертого блоков 10, 11 выборки и хранения, которые измеряют и запоминают значения этого напряжения по команде с блока 6 управления (выходы 3 и 4) в моменты времени, равные и соответственно.

Моменты времени ti и 2ti соответствуют наиболее характерному этапу протека0

5

0

5

0

5

0

5

0

ния переходного процесса в измерительной схеме с постоянной времени r(r RC2), когда значение г может быть определено с малой погрешностью, т.е.

ti 0,5 г. 2ti 5 г.

Алгоритм определения значения

Ue(to) U(ti)-K (где

к U(tQ U (2 ti )

необходимого для получения Un Us{to)

UoCo

, однозначно определяемого параметром С2. реализован в аналоговой форме путем масштабирования аналоговых сигналов масштабирующим преобразователем 13 с коэффициентом передачи, пропорциональным значению К . А 1 -ч . При эгом

требуемое значение коэффициента передачи масштабирующего преобразователя устанавливается по критерию равенства напряжений U(ti) и U(2ti) К,

Действительно, U(2ti) К U(n) при К

Ufti

|) /Vt Данная операция осуществляется первым блоком 15 вычитания напряжений, один вход которого подключен к выходу первого блока 10 выборки и хранения, а второй вход через второй масштабирующий преобразователь 14 - к выходу четвертого блока 11 выборки и хранения, и усилителем 16, вход которого соединен с выходом первого блока 15 вычитания напряжений, а выход-с управляющими входами первого и второго масштабирующих преоб0 разователей 13, 14.

Поскольку устройство работает в циклическом режиме с многократным повторением процесса измерения, за несколько тактов измерения достигается точное равенство напряжений U(ti) и U(2ti) К на входах блока 15 вычитания напряжений, а следовательно, на выходе масштабирующего преобразователя 13 получаем точное значение

Uia-UeOo T

U(ti)-K

- -т UoCcС2

Л р Значение U8(t0) Qg°

TT72li °пРеДеляется экстраполяцией

функции Us(t) на момент времени t0, следующим образом:

-JL Ua(t) A-e

где A U8(to), r RC2.

Для момента времени ti и 2ti выраже- ние UsCt) можно представить в следующем виде- iiUe(ti)-A-e .(1)

Ue(2ti)-A-e .(2)

Выражения (1) и (2) можно переписать следующим образом

(3) (4)

Логарифмируя правые и левые части уравнений (3) и (4), получим -b-t

In

U(tQ А

. U(2ti) In -чд ; .

(5) (6)

Преобразуя выражения (5) и (6), можно записать

,n ufti) ... ti

In Ат

(7)

In

U(2ti) 2ti

(8)

На основе выражений (7) и (8) можно составить следующее равенство

,n U(ti) 1 , U(2tQ ln A2 1П А

которое можно переписать в следующем виде

U2(ti) U(2tQ. А2А

Проводя дальнейшие преобразования, -получим

0

4-- A--$&H С помощью ключа 5, вход и выход которого соединены с клеммами 4 для подключения исследуемой двухполюсной цепи, при его замыкании осуществляется задание начальных условий на емкости, входящей в состав исследуемой двухполюсной цепи, включаемой в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 3.

0

Действительно, при включении в цепь отрицательной обратной связи операци- ° онного усилителя 3 двухполюсника емкостного характера (с последовательно включенной емкостью) необходимо в каждом цикле преобразования осуществлять задание начального (обычно нулевого) напряжения на емкости.

Управление ключом 5 осуществляется по команде с выхода 5 блока б управления, причем для установления начальных условий ключ открывается на интервал времени Дх ta-ts (см. фиг. 2), необходимый длл разряда емкостей исследуемой двухполюсной цепи (см. фиг. 1), где i ty момент времени, определяющий спад постоянного напряжения, подаваемого на вход операционного усилителя 3 с формирователя 1 опорного напряжения. Момент времени t3 to, где to - момент времени, соответствующий подаче следующего скачка постоянного напряжения Uo на вход операционного усилителя

5

0

5

5

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет с высокой точностью определить параметры всех элементов трехэлементного двухполюсника. Тем самым поставленная цель - повышение точности преобразователя параметров трехэлементного двухполюсника - достигается.

Предлагаемое устройство может быть сравнительно легко реализовано с использованием элементной базы, выпускаемой в настоящее время отечественной промышленностью.

Так, управляющий работой всего уст- ройства блок 6 управления может быть реализован по схеме (фиг. 3), содержащей генератор импульсов G с частотой следования, равной необходимой частоте следования импульсов опорного напряжения (Т ty), одновибраторы S, формирующие короткие импульсы, управляющие работой блоков 7, 10, 11, 12 выборки и хранения, а также импульсы, управляющие работой ключа 5, и элементы задержки, обеспечивающие срабатывание одновибрэторов в моменты времени

tl, 2t1,ty, t2.

Генератор импульсов G может быть реализован по любой из многочисленных схем, опубликованных в технической литературе, например, на микросхемах серии 155. Одновибраторы и элементы задержки также могут быть реализованы множеством способов, например, на микросхемах К155АГ1.

Формирователь 1 опорного напряжения может быть реализован, например по известным схемам.

В качестве операционного усилителя 3 может быть использован любой высококачественный интегральный операционный уси- литель, например, отечественная микросхема К544УД2А.

В качестве масштабирующих преобразователей 13 и 14 может быть использована схема (фиг. 5), содержащая инвертирующий усилитель А1 на микросхеме К544УД2А с оптроном АОР104Б во входной цепи и формирователь управляющего оптроном сигнала на микросхеме А2.

В качестве усилителя 16 может быть использована схема инвертирующего усилителя (фиг. 6), содержащая интегральный операционный усилитель А1, например, отечественная микросхема К553УД2А.

Усилитель 16 выполняет роль сглаживающего усилителя, необходимого для придания астатизма цепи автоматического регулирования коэффициента передачи масштабирующих преобразователей 13,14.

Интегратор 9, первый и второй блоки 15, 8 вычитания напряжений могут быть выполнены по типовым схемам.

Первый, второй, третий и четвертый блоки 10,7,12,11 выборки и хранения могут быть построены по схеме, приведенной на фиг. 7. Схема содержит ключ (транзистор КП304А), запоминающий конденсатор емкостью 1000 пФ, повторитель с большим вход- ным сопротивлением (микросхема К544УД2А) и формирователь управляющего ключом сигнала на транзисторах КТ315Б.

В качестве ключа 5 может быть использован любой высококачественный ключ с малым остаточным сопротивлением, например, полевой транзистор КП304А.

Указанные примеры реализации блоков предлагаемого устройства не являются единственно возможными.

Формула изобретения Устройство для определения параметров трехэлементных двухполюсных цепей, содержащее формирователь опорного напряжения, опорный конденсатор, операционный усилитель с клеммами для

подключения исследуемой двухполюсной цепи в цепь отрицательной обратной связи, первый, второй и третий блоки выборки и хранения, первый и второй блоки вычитания напряжений, интегратор, причем выход

формирователя опорного напряжения соединен через опорный конденсатор с иивер тирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий оход которого соединен с общей шиной, а выход которого

соединен с первым входом второго блоке вычитания напряжений и с входом второго блока выборки и хранения, выход которого соединен с вторым входом второго блока вычитания напряжений, выход которого соединен через интегратор с входом третьего блока выборки и хранения, выход первого блока выборки и хранения соединен с первым входом первого блока вычитания напряжений, отличающееся тем, что. с

целью повышения точности, в устройство введены первый и второй масштабирующие преобразователи, четвертый блок выборки и хранения, усилитель, блока управления и ключ, причем вход первого масштабирующего преобразователя соединен с выходом первого блока выборки и хранения, вход четвертого блока выборки и хранения соединен с выходом второго блока вычитания напряжений, а его выход соединен с входом

второго масштабирующего преобразователя, выход которого соединен с вторым входом первого блока вычитания напряжений, выход которого соединен с входом усилителя, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго масштабирующих преобразователей, вход и выход ключа соединены с клеммами для подключения исследуемой двухполюсной цепи, с первого по пятый выходы блока управления соединены с управляющим входами соответственно формирователя опорного напряжения, второго и третьего. первого и четвертого блоков выборки и хранения и ключа.

и

ФОЦ

е

at

i

Фиг.2.

,-t.

ЯпсЬ

(jjinvmfi Ш9) yflpdufi

3SI +

3S1inlngo

9oxi4 g

goxq

4U9f}

1И051

A8S89II

К544УШ

Фиг.7

Конгл

Цепь

ЬхоЗ

ЬыхоЭ

Обилии

ЈЬ

+ 15В

Уп5 обАвни8 (От О А. Б , unBQtAftiuf