Устройство для измерения резонансной частоты последовательного колебательного контура Советский патент 1993 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения резонансной частоты последовательного колебательного контура, пара- метров радиоэлементов.

Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства.

На фиг.1 представлена схема предла- гаемого устройства. На фиг.2 - частотная характеристика последовательного колебательного контура. На фиг.З - схема блока управления. На фиг.4 - схема преобразователя частота-код. На фиг.5а,б - схемы двух одинаковых преобразователей напряжение-код.

Устройство (фиг.1) содержит три источника 1,2 и 3 переменного напряжения, уп- равляемый ключ 4, последовательный колебательный контур 5, который состоит из катушки 6 индуктивности Lx, конденсатора 7 емкостью Сх, активное суммарное сопротивление 8 потерь катушки 6 индуктивности и конденсатора 7, эталонный резистор 9 - RH, преобразователь 10 частота-код, два преобразователя 11 и 12 „напряжение-код, блок 13 управления и вычислительный блок

При этом источники 1, 2 и 3 переменного напряжения попеременно через управляемый ключ 4 соединены одновременно с первыми входами преобразователя 10 частота-кода и первого преобразователя 11 на- пряжение-код и через последовательный колебательный контур 5 с первым входом второго преобразователя 12 напряжение- код, который через эталонный резистор 9 - RH соединен с общей шиной. Первый и второй выходы первого и второго преобразователей 11, 12 напряжение-код и преобразователя 10 частота-код соединены, соответственно, с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым входами вычис- лительного блока 14, выход которого соединен с входом блока 13 управления, первый, второй/третий и четвертый выходы которого соединены, соответственно, с управляющим входом управляемого ключа, вторыми входами первого и второго преобразователей 11, 12 и преобразователя 10 частота- код.

Устройство работает следующим обра- зом. По сигналу Пуск блока 13 управления управляемый ключ 4 подключает к последовательному колебательному контуру 5 источник 1 переменного напряжения с

частотой an. По первому сигналу блока 13 управления преобразователь 10 частота- код преобразует частоту т в код, а по второму сигналу - первый преобразователь 11 напряжение-код преобразует в код амплитуду напряжения Uoi на входе последовательного колебательного контура 5. значения которых последовательно заносятся в память вычислительного блока 14. а сигнал об окончании з.аписи поступает в блок 13 управления. С задержкой по времени по сравнению с сигналом блока 13 управления на первый преобразователь 11 напряжение-код для достижения установившегося режима в последовательном колебательном контуре 5, с блоки 13 управления подается сигнал на второй преобразователь 12 напряжение-код, который преобразует амплитуду напряжения Ui на выходе последовательного колебательного контура 5, значение которой заносится в память вычислительного блока 14. По окончании записи третьей величины Ui в память с вычислительного блока 14 поступает третий сигнал, от которого в блоке 13 управления вырабатывается сигнал, подключающий второй источник 2 переменного напряжения с частотой сигнала од к последовательному колебательному контуру 5. По аналогичной схеме последовательно во времени поступают сигналы с блока 13 управления на преобразователь 10 частота-код, преобразователи 11 и 12 напряжение-код, которые преобразуют частоту сигнала 0)2 амплитуды напряжений Uo2 и U2 на входе и выходе последовательного колебательного контура 5, значения которых заносятся в память вычислительного блока 14. По окончании записи третьей величины U2 в память вычислительного блока 14 с него поступает сигнал в блок 13 управления, от которого в блоке 13 управления вырабатывается сигнал подключающий через управляемый ключ 4 к последовательному колебательному контуру 5 третий источник 3 переменного напряжения с частотой сигнала гдз. По аналогичной схеме происходит преобразование в код частоты од, амплитуд напряжения DOS и 1)з на входе и выходе последователь-, ного колебательного контура 5 и занесение в память вычислительного блока 14, после чего вычисляются параметры индуктивности катушки LX, ёмкости Сх конденсатора, суммарного активного сопротивления Rx потерь катушки индуктивности и конденсатора, резонансная частота последовательного колебательного контура 5 и другие параметры.

„- - -----

Nt.Cr

1 к(.1()

L4 J .if-i- }ttll I I kl (uV и,ГМиГ5 Г )

„ Uoi ,, Uo2 X Uo3 . где Ki K2 ---.. Кз - отноше- UiU2 Us

ния амплитуд напряжений на входе к выходу последовательного колебательного контура на трех частотах ом, и окз входных сигналов, соответственно.

Далее процесс измерения параметров последовательного колебательного контура 5 повторяется до осуществления в блоке 13 управления (фиг.З) Останов.

Блок 13 управления (фиг.З) содержит два ключа 15 и 16, троичный счетчик 17, триггер 18 и два элемента задержки 19 и 20. При этом вычислительный блок 14 через ключ 15 соединен с троичным счетчиком 1.7 и через триггер 18 соединение управляющим входом управляемого ключа 4. с первым входом преобразователя 10 частота-код, через элемент задержки 19 соединен с пер-- вым входом первого преобразователя 11 напряжение-код, а через элементы задержки 19 и 20 соединен с первым входом второго преобразователя 12 напряжение-код. При Пуске через ключ 16 на второй вход триггера 18 подается положительное напряжение от источника питания - постоянного напряжения. Выходной сигнал триггера 18 подключает через управляемый ключ 3 первый источник 1 переменного напряжения, первый вход преобразователя 10 частота- код, через элемент задержки 19 первый преобразователь 11 напряжение-код, а через два элемента задержки 19 и 20 второй преобразователь 12 напряжение-частота, После трех сигналов с вычислительного блока 14 о записи в память последовательно трех данных an, Uoi и Ui срабатывает троичный счетчик 17, а затем триггер 18, в результате чего подключается управляемым ключом 4 второй источник 2 переменного напряжения. После трех сигналов с вычислительного блока 14 о записи в память последовательно трех данных юг, Uo2 и U2 срабатывает троичный счетчик 17 и происходит аналогичным образом третий цикл записи данных %, Uos и Уз после чего в вычислительном блоке 14 определяются параметры последовательного колебательного контура и резонансная частота «. Процесс измерения может продолжаться до тех пор пока не будет разомкнут ключ 15 Останов. Результаты измерения могут быть получены в различном виде (печатном, на мониторе).

Преобразователь 10 частота-код (фиг.4) содержит формирователь 21 импульсов, две

схемы совпадения 22 и 23. счетчик 24 импульсов, кварцевый генератор 25 опорной частоты, делитель 26 частоты и схему 27 управления и может быть построен на стан- 5 дартных микросхемах. При этом сигнал с выхода управляемого ключа 4 поступает на формирователь 21 импульсов, а сигнал с второго выхода блока 13 управления поступает на вход начала преобразования схемы

0 27 управления, с выхода которой сигнал готовности данных поступает на шестой вход разрешения записи в память вычислительного блока 14. Разрядные выходы кода счетчика 24 импульсов соединены с пятым

5 входом данных вычислительного блока 14. В качестве схемы 27 управления может быть использован интервальный таймер (КР580ВИ53), который представляет собой программируемый таймер-счетчик, в ко0 тором имеется возможность схемотехни ческого управляемого строба (см.

Микропроцессоры. Под ред. Л.Н.Преснухина, Минск. Высшая школа, том 1, 1987, стр.

167).

5Преобразователи 11 и 12 напряжение- код (фиг,а,б) аналогичны и содержат амплитудные детекторы 28 и 30 и функционально законченные аналого-цифровые преобразователи 29 и 31 типа К1113ПВ1, в которых

0 имеются клеммы 10-разрядного цифрового выхода, готовности данных, а также питания и аналогового входа. При поступлении сигнала с блока 13 управления на АЦП 29 и 31 в течение 35 мксек осуществляется преоб5 разование сигнала в код и после передачи сигнала готовность на вход разрешения записи осуществляется запись разрядного кода в память вычислительного блока 14.

В качестве вычислительного блока 14

0 могут быть использованы стандартные микропроцессорные наборы, которые могут реализовать функции выполнения предлагаемого решения (см. Микропроцессоры. Под ред. Л.-Н.Преснухина, Минск. Вы5 сшая.школа, том 1 и 2, 1987).

Комплексное напряжение в измерительной цепи (фиг.1) последовательного колебательного контура 5 с нагрузочным сопротивлением 9 - RH.

50

5

Uo USbix + (Rx+j«Lx Нн

1 V

(1)

Проходное комплексное сопротивление

)

(RH. + Rx)+j(WLx--- с- ивых( -х

(2)

Модули комплексного напряжения есть наблюдаемые амплитуды напряжений, соответственно. Тогда квадрат модуля (2)

к2нн2 - (R« Rx)2 + (о) Ц - -)2 О)

О) LX .

где К - отношение амплитуды наивых

пряжения на входе цепи Uo к амплитуде напряжения на выходе цепи Увых. Преобразуем (3)

К2 RH2 (Рн + Rx)2 - +

W

+

При измерениях на трех частотах (t)i, и О)з входных сигналов получим систему из трех уравнений с тремя неизвестными LX, CxMRx.

«,

I г (() | RM . ..„„. . . « . - - К,

В результате математической обработки наблюдаемых частот входных сигналов и амплитуд напряжений определяются значения LX и Сх раздельно от сопротивления

10 потерь RX, а затем и значения резонансной частоты последовательного колебательного контура, позволяет расширить функциональные возможности измерительных устройств подобного типа, упрощается

15 настройка таких устройств.

В последовательном колебательном контуре резонансные частоты, соответствующие максимуму резонансного пика напряжения на конденсаторе и на катушке

20 индуктивности, не равны собственной частоте колебательного контура о) (фиг.2).

Wx VO XCWXL % ,

(Ю)

Использование: в измерительной технике. Выходы трех источников (1, 2, 3) переменного напряжения соединены соответственно с первым, вторым и третьим входными контактами управляемого ключа 4, переключающийся вывод которого подключен к первому входу первого преобразователя .11 напряжение-код, первый выход которого соединен с первым входом вычислительного блока 14, второй выход первого преобразователя 11 напряжение-код соединен с вторым входом, вычислительного блока 14, средняя точка между переключающимся выводомэуправляемрго ключа 4 и первым входом первого преобразователя 11 напряжение-код через последовательный колебательный контур 5 подключена к первому входу второго преобразователя 12 напряжение-код, первый выход которого подключен к третьему входу вычислительного блока 14, второй выход второго преобразователя 12 напряжение-код соединен с четвертым входом вычислительного блока 14, к переключающемуся выводу управляемого ключа 4 подключен и первый вход преобразователя 10 частота-код, первый выход которого соединен с пятым входом вычислительного блока 14, второй выход преобразователя 10 частота-код соединен с шестым входом вычислительного блока 14, выход которого соединен с блоком 13 управления, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с управляющим входом управляемого ключа 4, вторым входом первого преобразователя 11. напряжение-код, вторым входом второго преобразователя 12 напряжение-код и вторым входом преобразователя 10 частота-код, средняя точка между последовательным колебательным контуром 5 и первым входом второго преобразователя 12 напряжение-код через эталонный резистор 9 соединена с общей шиной.|5 ил. , 00 О 00 СО Ч)

К/ IV (Ян + ВхГ - 2-рЧ +

VX

+ e US+--Ц-- oAcl

K22RH2 (RH -Rx)2-2-J - +

--Х

ос

+ йи +--гЦ- .

Кз2 I(RH Rx)2 - 1 +

-t-ftj§Lx+-T1-- , «J§ Сх

. Uoi ,/ Uo2 „ Uoa где Ki , К2 -щ-. Кз -щ- - отношения амплитуд напряжений на трех частотах , W2, входных сигналов, соответственно.

Решение (5)

(M -uiH( tai-«Jl(«J-« KMfs-« ,)

u.CJtWjR,

I (Ml-u Hcoi-uV) «kKtJl-Mtj-KlluV I+K jfwJ-Gi;)

w ..)- icl(taVM;if(6 t:u;M

Л7с, V,tM M Л/ i , t/« «

I 1иГ о .Г U «li t5T «11

25

30

)

еахн35

40

и резонансные частоты, соответствующие пику напряжений на конденсаторе и на катушке индуктивности, соответственно,

В предлагаемом устройстве резонансная частота, соответствующая пику напряжения на конденсаторе, определяется согласно (8) на частотах wi, wz, ОД входных сигналов (см. фиг.2), а резонансная частота «XL- соответствующая пику напряжения на катушке индуктивности, определяется согласно (8) на частотах ом, ой, ftte входных сигналов (см. фиг.2). Соответственно, резонансная частота колебательной системы определяется согласно (10).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определить резонансные частоты ft xcKMxL соответствующих пику напряжений на конденсаторе и катушки ин- 45 дуктивности и собственную частоту ojx.

Кроме того, из полученных данных (6), (7), (8) и (9) по соответствующим алгоритмам определяются:

V LX

- волновое сопротивлениер

ОХ

-добротность последовательного колебательного контура Q

Их

- степень успокоения /5 1/2Q:

- частота свободных затухающих колебаний (псв V - р

Таким образом, только предлагаемым устройством можно измерить значение собственной резонансной частоты

Wx без предварительного определения добротности Q или степени успокоения/ последовательного колебательного контура.

Выбор соотношения между частотами м, ад, шз (ом, аь. (&) входных сигналов определяется из минимальной динамической погрешности Д f). возникающей при изменении индуктивности LX последовательного колебательного контура по линейному закону в процессе трехтактовых измерений при постоянных других параметров.

Lx(t)Lxo + Lx (t) -t.

При времени тактовых измерений At на фиксированных частотах ш , 0% , сиз, индуктивность будет изменяться: в первом такте - на Д L, во втором - на 2 Д L и в третьем - наЗДЬ.

Сумма динамических, погрешностей тактовых измерений может быть равна нулю при положительном значении Д Увых в одном каком-либо такте измерения и отрицательных значениях в двух других тактовых измерениях и наоборот.

Из подстановки тактовых значений Lx(t) в (5) решении системы уравнении и преобразовании для минимального значения динамической погрешности Добыло получено соотношение(11)

2г

а% а%

+ ,

которое выполняется при соотношении частот 0)1 : он-: шз -: 1, что не имеет смысла. Поэтому выбираются соотношения частот близкими к единице из условия простоты вычислительных операций шг . сиз 3:4:5, при которых динамическая погрешность Д д будет мала в достаточной степени. Формула изобретения Устройство для измерения резонансной частоты последовательного колебательного контура, содержащее два источника переменного напряжения, два преобразователя

U

напряжение-код, упраипяемый ключ, эта лонный резистор, один вывод которого сое динен с общей шиной, блок управления и вычислительный блок, выходы первого и

5 второго источников переменного напряжения соединены соответственно с первым и вторым входными контактами управляемого ключа, переключающийся вывод которого подключен к первому входу первого преоб10 раэователя напряжение-код, первый выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, второй выход первого

преобразователя напряжение-код соединен с Јторым входом вычислительного бло15 ка, первый выход второго преобразователя напряжение-код подключен к третьему входу вычислительного блока, второй выход второго преобразователя напряжение-код соединен с четвертым входом вычислитель20 ного блока, выход которого соединен с входом блока управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющим входом управляемого ключа, вторым входом первого

25 преобразователя напряжение-код и вторым входом второго преобразователя напряжение-код, от-личающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены преобразова30 тел.ь частота-код и третий источник переменного напряжения, выход которого соединен.с третьим входным контактом управляемого ключа, переключающийся вывод которого подключен к первому входу

35 преобразователя частота-код, к второму входу преобразователя частота-код подключен четвертый выход блокауправления, первый выход преобразователя частота-код соединен с пятым входом вычислительного

40 блока, второй выход преобразователя частота-код соединен с шестым входом вычислительного блока, переключающийся вывод . управляемого ключа через последовательный колебательный контур соединен с пер45 вым входом второго преобразователя напряжение-код и с вторыми выводами эталонного резистора.

(а3 ах b)XL a;, 6J5 6J6

Фиг.1

ь)

L

J