Измеритель активной и реактивной составляющих полного сопротивления Советский патент 1977 года по МПК G01R27/02 

рез- последовательно соединеннь(е второй усилитель - ограничитель и второй стробиро ванный усилитель к индикатору активной составляющей, а также усилитель - фазокивертор, подсоединенный к обоим стро бированным ycипитeля f, введены стробоскопичес ий преобразователь, второй дифференциальный усилитель, эегулируемый фазовраШатель, индикатор равенства фаз, операционный усилитель, источник опорного напряжения с двумя переменными резисторами и нуль-орган,, причем опорныйгенератор через стробйскопический преобразователь второй дифференциальный усилитель, первый диффиренциапьный усилитель и операционный усилитель подсоединен одновременно к первому и второму переменным резистора и через ключ - к земле и источнику опорного напряжения, последний из которых соединен через второй и третий ключи соответственно с упомянутыми первым и вторым переменными резисторами, -подвижные конта ты которых через четвертый и пятый ключиподсоединены к последовательно соединенным шестому ключу, нуль - органу, седьмому ключу, а внешний зажим через сгробоско пический преобразователь подключен ко второму дифференциальному усилителю, седь мому ключу, усилителю - фазоинвертору; .и через последовательно соединенные регу гируемый фазовращатель и индикатор равен с гва фаз - к обоим дифференциальным усилителям;, пятый ключ соединен с регулируегулым фазовращателем и индикатором равенст ва фаз. На фиг. 1 приведена функциональная электрическая схема предлш аемого устройства; на фИГ. 2 - векторная диаграмма токов и напряжений в измерительной цепи. На фиг. 3 представлен один из вариантов устройства. Опорный генератор 1 последовательно соединен с эталонным сопротивлением (R } 2 и с внешними зажимами 3 и 4 для подключения иссл руемого комплексного сопротивления ( 2. ) 5 причем зажим 4 соединен с точкой земли. Вход опорного канала стробоскопического преобразователя 6 подключен к генератору 1 и шунтирует его своим входным сопротивлением 7. Вход сигнального канала преобразователя 6 соединен с внешним зажимом 3, параллельно которому включено его собственное входное 2 сопротивление 8. Выход опорного канала подключен к одному из сходов дифференцчаль.ного усилителя 9, а выход сигнального канала - к другому его входу, а также ко входам регулируемого фазовращателя 10, усипктепя - фазоннвертора 11 и ключа 12, имеющего контакты 12 н 12 , - к контакту 122 . Выход усилителя 9 подключен ко входам индикатора 13 равенства фаз дифференциального усилителя 13 и к контакту 12, ключа 12. Выход источника опорного напряжения 14 подсоединен к ключу 15 через контак 15 к ключу 16 через контакт 16у , Общая точка активных переменных моделирующих резисторов 17 и 18 соединена со входом операционного усилителя 19 и с ключом 20 (контакты 20., 20 через под-, вижный контакт 20 ,. а контакт 20 соединен с источником опорного напряжения 14 и землей. Второй вывод моделирующего резистора 17 подключен к среднему под- вижному .контакту ключа 15, у которого контакт 15 не задействован. Средний вывод резистора 17 подключен к среднему подвижному контакту ключа 21 (контакты 21, , Slg ), У которого контакт 21 соединен через контакт 22 с ключом 22 и контакт 21 с выходо усилителя 19, подключенного к другому входу усилителя 13;, . Второй вывод моделирующего резистора 18 подключен к среднему подвижному контакту ключа 16, у которого контакт 16 не задействован. Средний вывод резистора 18 подключен к среднему подвижному контакту ключа 23, у которого контакт 23 соединен с контактом 22 , ключа 22, а контакт 232 подключен квыходу фазоврашателя 10, соединенного со вторым входом индикатора равенства фаз. Один вход нульоргана 24 подключен к средне iy подвижному контакту ключа 22, другой - к среднему подвижному контакту ключа 12. Выход дифференциального усилителя 13„ подключен непосредственно и через фазовращатель 25 последовательно к усилителямограничителям 26 и 27, стробированным усилителям 28 и 29 и индикаторам актив-, ной 30 и реактивной 31 составляющих сопротивления. К другим входам усилителей 28 и 29 подключен выход усилителя - фазошгвертора 11. Активная и реактивная составляющие полного сопротивления измеряются в два такта. В первом такте измерения - такте ка- либровки - измеряется и запоминается входное сопротивление сигнального канала стробоскопического преобразователя 6. При этом ключи 15 и 16, 20, 21 и 23 находятся в положении еди}1ица. Амплитудно - фазовые соотношения высокочастотных напряжений порядка I 100 МГц опорного генератора ( UQ ) 1 я напряжения U,- , выделяемого на входном сопротивлении ( Z,.... ) 8 сигнапьКОГО канала преобразователя 6, переносятся на промежуточную фиксированную частот опорного сигнала, например 10 КГц. С выхода опорного канала снимается напряже с выхода сигнального каналрпричемнапряжение w , Т-и: UOT, UO - i Источник опорного постоянного напряжения (Е) 14 нагружен на параллельно соединенные активные переменные моде- , пирующие резисторы 17 и 18, причем .Напряже}ше U , снимаемое со средней точки резистора ( Т1 ). 17, равно ..1 , а напряжение Up- , снимаемое со средней точки резистора ( 2. равно - , где г - сопротивление ме ду точкой земли и средней точкой переменного резистора 17, зависящее от положения среднего вывода, а Tj,. f-опротив пение резистора 18, также зависящее от положения его среднего вывода. Сначала ключи 22 и 12 находятся в положении 2, Изменяя сопротивление резистора 18, добиваются равенства постоян ного напряжения .Uf.,- и напряжения (Jj по модулю по показанию нуль - органа 24 т. е. Uf, I с изменяя сопротивление f резистора 17,добиваются .равенств напряжения U fi и напряжения UT,, по мо дулю по показанию .нуль - органа, т, е. Up /иЯл ( , где RSI напряжение, формируемое на выходе усилител я 9, причем Шэ -1Т - и ntr-Rgr - падение напряжения, выделенное на / -к эталонном сопротивлении ( к 2 2, Через входное сопротивление Z сигнального канала- протекает ток . Z-bXC 1R. вхсэ Модуль сопротивления -. , . . / вхс Если при этом R R , то / вхс -i Регулируемым фазовращателем 10 с коэффициентом передачи к 1 изменяют фазу напряжед 1Я ( до тех пор, пока напряжения -с., совпадут по фазе. Тем самым на фазовращателе запоми ,, U нается фазовое соотношение zaxc между напряжением на сопротивлении ( 2..) 8 и током,протекающим через него ,т.е.,если угол между напряжением на сопротивлении 2. 8 и протекающим через .него равен zexc то фау, запомненный фазовраиштелем 10, равен Этот угол и является аргументом комплексного сопротивления 8. Таким образом, в такте калибровка запоминаются модуль и фаза комплексного сопротивления. Во втором такте измеряются активная и реактивная составляющие измеряемого полного сопротивления, и к внещнии зажн мам 3 и 4 подключается измеряемое сопротивление 5. Ток, протекающий через неизвестное комплексное сопротивление ( 2 v ) , где 21 бктор суммарного тока, протекающего через эталонное сопротивление (D.g(,-вектор тока,.протекающего через сопротивление (z.,) 8, не равный вектору тока JZ. протекающего по тому же сопротивлению в такте, калибровка , гвхс1 zbxc Суммарный TOK.J., , протекающий через эталонноесопротивление ( Rg ) 2, равен вектор напряжения, выделенного на эталонном сопротивлении ( Т5 g ) 2, не равный вектору напряжеимя, выделенного на том же допротивлении в такте калибровки. Ток 2:эхс протекающий через входное сопротивление ( . Ъп.с ) Э сигнального канала ст эобоск пическо) преобразователя 6,. равен J J;/ZJ,гдe U. вектор .напряжения на внешних зажимах 3 и 4, Комплексное сопротивление где гвхс аргумент комплексного солротивпения , , равнщй углу сдвига фав между напряжением током; ZBXCI Следоват гпьно, эI в числителе второго лагаемрго выражения ( ) произведение U(.. можно представить:как повор от на угол вектора U равного и.. - -f щ JCS.-UCE-C причем вектор напряжения и.. совпадает, по фазе с вектором тока текаюшего по сопротивлению равного по модулю ( , (U Выше приведенные выкладки пояняются век торной диаграммой на фиг. 2. Для определения вектора тока J , протекающего через неизвестное сопротивпеяие ( Z к ) i кпючи 15, 16, 20, 21, 23 переводятся в положение 2. Как в такте калибровка амплитудно-фазовые соотношения высокочастотных напряжений Ugn опорного генератора U и ТГ на входных зажимах 3 и 4 переносятся на пр межуточную фиксированную частоту опорного генератора, С выхода опорного канала преобразователя 6 снимается напряжение UOT как и в такте калибровка, а с выхода сигнального канап , , причем и .На выходе усипителя 9 формируется напряже l f ..,11 НЭП, са . причем и, фазовращатель 10 подается напряжение .U.., , снимаемое с сигнального канала преобразоват еря. а,с.вы хода его снимав тон напряжение Up-jrUcj; Е совпадающее по фаа.е с током, протекающим по входному сопротивлению ( , ) 8 сиг нального канала преобразователя 6. В такте измерения сопротивление р подключено в цепь обратной сбязи усилителя 19, а сопротивление Р . - в его прямую цепь, и к ней подключается выход фазовращателя 10, поэтому на выходе операционного усилителя 19 формируется напряжение . вых.о.у. . „ в калибровка модуль сопротивления ( 2. р ) 8 опредепипся как/7ц / (г / Г )Я g . Подставив значение / zg / в выражение ( -Х- ), получим « е z-Bx с На усилителя 13 подаются напряжение BbixiJy- усилителя 19 и напряжение , с дифференциального усил 9, а с выхода его снимается напряже е ВЫК.А , Отсюда видно, что напряжение 3v. с усилителя 132 пропорционально току протекающему по неизвестному полному co ротивлению ( Z ) 5. Вектор тока 3. и напряжение и приложенное к неизгэс ному сопротивлению, отражают качественную и количественную стороны измеряемого комппексного сqnooTявления (.Zj Полученное напряженно l Bbix-A у. пропорциональное вектору тока з,, поступает на усилитель - ограничитель 26 и через фазовращатель 25 - на усилитель - ограничитель 27, Прямоугольные импульсы сформированные в усилителях - ограничителях типа Меандр, сдвинутые на 9О , стробируют сигнал снимаемый с усилителя - фазоинв ертора , в стробированном усилителе 28 активной составляющей и стробированном усилителе 29 реактивной составляющей. Напряжения, пропорциональные сос гавляющим комплексного сопротивления ( 2. ) 5, поступает на измеритель активной 30 и реактивной 31 составляющих неизвестного комплексного сопротивления. Как следует из приведенного описания, измеритель позволяет определить активные и реактивные йоставляющие неизвестных комплексных сопротивлений. Благодаря вклю-г чению в схему стробоскопического преобразователя, дифференциального усилителя, регулируемого фазовращателя, индикатора равенства фаз,oneрационного усилителя, источника опорного напряжения с двумя активными .сопротивлениями и нуль-органа динамический диапазон измерения активной и реактивной составляющих полного сопротивления расщиряются в 5 - 10 раз, в частотном диапазоне МГц без потерь в точности за счет исключения погрешности от шунтирования измеряемого комплексного сопротивления входным сопротивлением сигнального канала стробоскопического преобразователя Один из вариантов устройства представлен на фиг, 3. . Опорный генератор 1 последовательно соединен с эталонным сопротивлением 2 и внещними зажимами 3 и 4 для подключения исследуемого комплексного сопротивления 5, Выход опорного генератора 1 подключен к опорному каналу стробоскопического преобразователя 6, а вход сигнального канала-к зажиму 3, Выход опорного канала стробоскопического преобразователя 6 подключен ко входу дифференциального усилителя 7, другой вход которого соединен со входами квадратичных детекторов суммы 8 и 9, а также со входами - квадратичных детекторов разности 1О и 11 и подключен К;выходу сигнального канала. Выход дифференциального усилителя 7 подключен ко входам квадратичного детек- тора 12, фазоинвертора 13 и ко BTOpONfy входу квадратичного детектора суммы 9. Выход фазонивертора 13 подключен ко BToposfy входу квадратичного детектора разности 11, а также ко входу фазовращателя 14 выход которого соединен со входами второго фазоинвертора 15 и квадрати ного детектора разности 10. Выход фазоин вертора 15 подключен ко входу квадратичного детектора суммы 8. Выходы квадрагичных детекторов разности 10 и суммы 8 соединены соответственно со входами блока выделения реактивной составляющей напряжения 16, а выходы квадратичных детекторов суммы 9 и разности 11 подключены ко входам блока выделения активной составляющей напряжения 17, Выход квадратичного детектора 12 подключен к первым входам формирователей 18 и 19 напряжения, пропорционального . реактивной и активной составляющим полно го сопротивления, их другие входы подключены соответственно к выходам, блоков 16 и 17 выделения реактивной и активной составляющих напряжений , а выходы подключены к индикаторам. 20 и 21 реактивной и активной составляющих полного сопротивления. Измеритепь составляющих полного сопротивления работает следующим образом. При подключении к внещним зажимам измеряемого комплекс 1юго сопротивления 2 вектор напряжения U , выделяемый ка мо дуле неизвестного сопротивления, отстает от вектора напряжения UQ-, опорного гене ратора или опережает его в зависимости от характера вносимого сопротивления. Ам питудно - фазовые спгггнршения высокочастотных напряжений U и U переносятс стробоскопическим преобразоватепем на промежуточную фиксированную частоту опо ного сигнала, например 12,5 КГц. С выхо да сигнального канала снимается преобразова:шое напряжени§ U , а с выхода опорного канала - U , причем ° , и, и, Вычитая на дифференциальном усилителе .опорного напряже.ния напряжение 11-, - г(jf. снимаемое 5 сигнального каналау о лучим напряжение U приложенное к эталонному сопротивле.нию, т. е. / /КДля выделения активной составляющей измеряемого сопротивления 2 у вход фазоинвертора 13 поступает напряжение UR .На выходе фазоинвертора формируется напряжение UQ , равное по модулю UR, , но сдвинутое относительно его на 180 , которое и поступает па один из входов -вадратичного детектора разности двух сигналов 11, на .другз вход которого поступает напряжение UQ .На выходе детектора 11 формируется постоянное ряжение Е. , пропорцкОнапьное квадрату суммы с 1гнапов .jjj. и UQ , сдвинутых на угол i . Это напряжение поступает на один из входов выделения активной составляющей напряжения 17 на, неизвестном сопротивлении, на другой вход которого, поступает напряжение E;j с первого квадратичного детектора суммы 9, пропорциональное квадрату суммы сигналов , и и На выходе блока выделения активной составляющей 17 фор шруется постоянное напряжение Ё пр6порциональное разности нап , ряжений Еу. Напряжение Ёjjiocrynaer на один из входов формирователя напряжв-i ния, пропорционального активной составляющей импеданса 19, на другой вход которого поступает постоянное напряжение с квадратичного детектора 12, пропорционального квадрату напряжения .и . . На индикатор активной составляющей 21 поступает напряжение Е -пропорциональное активной .составляющей измеряемого сопротивления. Для выделения реактивной и составляющих измеряемого сопротивления, а также для случая, если его активное сопротивление отрицательно, напряженке UQ , снимаемое с выхода фазоинвер ора .13, пос.гупает на фазовращатель 14. На выходе фвзовраща теля формир тся напряжек1:е U, jgaeisoe по модулю lUolMiU- ljlTl-dr l , но.. сдвинутое .на 90 относительно (j , псюгупающее на квадратичный детектор разности двух сигнапов 10, на другой вход которого поступает напряжение U, . На выходе детектора 10 формируется постоянное напряжение Е. , пропорциональное квадрату суммы сигналов U, и (J, которое поступает на вход блока 1аыделения реактивной составляющей напряжения 16 на кзвестном импендансе, на другой-вход которого поступает напряжения Е о квадратичного де- текгора суммы 8, пропорциональное квадрагде (if нашту суммы сигнапов U и U, ряжение, снимаемое с выхода фазоинвертора -- -г. f 15, равное по модулю .напряжению , а также iTTj ГС 1 U I I, но сдвинутое относительно U на 180°, На выходе блока выделения pei.xтивнoй составляющей 16 формируется постоянное напряжение Eg пропорциональное разности напряжений Ь и Е,. Зто напряжение поступает на вход формирователя напряжения, пропорционального реактивной составляющей импеданса 18, на другой вход которого поступает постоянное напряжение Е с кеадратичиого детектора 12. На индикато реактивной составляющей2О поступает напр жение Е , пропорциональное; реактивной составляющей измеряемого сопротивления. Введение в известное устройство для намерения полного сопротивления стробоскопического преобразоватепя с опорным и сигнальным каналами расширяет частотный диапазон измерителя, наличие диференииапьного усипитепя дает возможность измерять неизвестное сопротивление, имеющее заземленную общую точку с опорным генр ратором, а введение второго ф оинвертр«ра и квадратичного детектора разности nps вопяет измерять реактив1огю соетавЯЯйщутЬ при отрицательной активной coctaBI ЯющeЙ полного сопротивпен ш. Формула изобрете н и я Измеритель активной и реактивной составляющих полного сопротивления, содержащий опорный генератор, включенный посЦ ледовательЬо с эталонным сопротивлением и внешними зажимами, первый дифферент хшальный усилитель,, фазовращатель, подключенный одновременно через последовательно соединенные первый усипкт пь-«ог раничитель и первый стробированный усилитель к индикатору реактивной ссставдяю шей, а через последовательно соединенные втсфойуснлительу-ограничитель и второй стробированный усилит1ель - к индикатс зу активной составляющей, а также усипитёпбфазоинвертор, подсоединенный к обоим стробированным уоилитеиям О т л я ч а ющ и и с я тем, что, с целью расщнрення динамического диапазона измерения активной и реактивной составляющих полного сопротивления в широком, частотном диапазоне без снижения точности измерения, в него введены стробоскопический преобразователь, второй дифференциальный уси-. литель регулируемый фазовращатель, индикатор равенства фаз, операционный усилитель, источник опорного напряжения с двумя переменными резисторами и нуль-орган, причем опорный .- генератор через стробоскопический преобразователь, второй дифференциальный усилитель, первый дифференциальный усилитвль,в операционный усилитель подсоеднН(эн одновременно к первому и второму переменным резисторам и i через первый ключ к земле и источнику опорного напряжения, последний из которых соединен через второй ; и третий ключи соответственно с упомянуть мй первым и BTopbiM переменными резне торами, подвижные ты которых через четвертый и пятый ключи подсоединены к последовательно соединенным щестому ключу, нуль-органу, седьмому ключу и второму дифферен Циальному усилителю, а внещний зажим через стробоскопический преобразователь подключен ковторому дифференциальному усилителю, седьмому ключу, усилителю-фазОинвертооу и через последовательно сое- диненные регулируемый фазовращатель н индикатор равенства ф.аз - к обоим дифференциальным усилителям, при этом пятый ключ соединен с регулируемым фозоврашатепем и индикатЬром равенства фаз. Источники инф(Ч)мации, принятые во внимание при экспертизе : 1. Патент США Nb 3284705, кя. 324-.57, 08.11.66,

30

31

и.

Cf .- f(9f

ЗгАге

и,,

иг.г

Г

иг.З