Цифровой мост для измерения емкости и тангенса угла потерь конденсаторов Советский патент 1978 года по МПК G01R17/10 

(54) ЦИФРОВОЙ МОСТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ПОТЕРЬ КОНДЕНСАТОРОВ

генератор переменного напряжения, включенный в диагональ питания мостовой измерительной схемы, нуль-орган, включенный на выходе мостовой измерительной схемы, пороговые схемы, блок управления и отсчетное устройство, снабжен двумя переключателями, тремя дифференцирующими каскадами, двумя ключевыми схемами, двумя формирователями стробимпульсов, формирователем опорного напряжения, двумя регистрами, причем один из переключателей включен между четырехполюсником и операционными усилителями мостовой измерительной схемы и входами нуль-органа, управляющий вход которого соединен с блоком управления, который соединен с регистрами, а выход соединен с входами пороговых схем, при этом один из входов первой пороговой схемы соединен с выходом нуль-органа через один дифференцирующий каскад, а другой вход этой же пороговой схемы соединен с выходом одного из операционных усилителей мостовой измерительной схемы и через другой дифференцнрующий каскад и один из формирователей строб-импульсов с вторым переключателем, другой вход второй пороговой схемы через формирователь опорного напряжения и третий дифференцирующий каскад подключен к генератору напряжения, выходы же обоих пороговых схем подключены через ключевые схемы к регистрам, выходы которых соединены с входами отсчетного устройства, причем управляющий вход одной из ключевых схем соединен с генератором напряжения через другой формирователь строб-импульсов и вторым переключателём, а управляющий вход другой пороговой схемы.- с этим же переключателем.

На фиг. I дана схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит измерительный мост I, генератор напряжения 2, измеряемое комплексное сопротивление 3 (Сх и tg6x), операционные усилители 4 и 5, охваченные глубокой .отрицательной обратной связью, выходное напряжение которых пропорционально соответственно току через измеряемое комплексное сопротивление и падению напряжения на нем; четырехполюсник 6 с регулируемым коэффициентом передачи, равным (1 ) для параллельной схемы замещения и (1-f ) для последовательной схемы замещения измеряемого конденсатора, где К - коэффициедт, регулируемый при уравновешиванни tg6; образцовые меры отработки емкостной составляющей комплексного сопротивления (КС) 7; дифференци рующий каскад 8, формирователь 9 опорного напряжения (ФОН) пороговых схем по емкости; дифференцирующий каскад 10; формирователи И, 12 строб-импульсов (ФСИ), формирующие короткие импульсы в момент равенства нулю амллитуды. синусоидального напряжения, подаваемого на вход ФСИ, переключатель i3, нуль-орган (И-О) 14, компаратор напряжения 15, усилитель 16 с 1искретно-регулируемым коэф(Ьициентом усиления; пороговые схемы 17 .18 (ПС) соответственно по tg6 и С; ключевую схему 19, дифференцирующий каскад 20, ключевую схему 21, декадные регистры 22, 23, соответственно по tgfi и С. Количество декад определяется количеством цифр в мантиссах отсчета по С и tg6, блок управления 24, синхронизирующий и управляющий работой устройства, цифровое отсчетное устройство 25.

Фиг. 2а поясняет работу предлагаемого устройства для. последовательной схемы замещения конденсатора, где

У - напряжение на выходе усилителя 4;

Oil - на выходе четырехполюсника 6 при регулировке по tg6;

Оз - на выходе усилителя 5 при регулировке по емкости;

AU|, AU2 - на входе компаратора 15 соответственно до регулировки весов по С и tgS и после пе1)вой регулировки;

do Oie г - на выходе дифференцирующего каскада 10;

лО(о Л0|е2 - на выходе дифференцирующего каскада 20;

02 на выходе формирователя 9;

0,е - проекция вектора напряжения разбаланса до начала уравновещивания на ось 0,-e;F;

{Jif- емкостная составляющая вектора напряжения разбаланса до начала уравновещивания;

- вектор емкостной составляющей напряжения на измеряемом конденсаторе, равный по величине единице опорного напряжения по емкости;

Олв, Оае - векторы зктивной составляющей напряжения разбаланса до начала уравновешивания для разных схем замещения конденсатора;

Ол«- - напряжение «Оае, сдвинутое на

угол |-.,

RojwCx

,и, -Оо

l-+-jt§Sx

напряжение на выходе усилителя 4.

На выходе четырехполюсника б напряжение -

) -0,i() (О

Из уравнения (1) видно, что при регулировке схемы по tgS путем изменения коэффициента К конец вектора О ц перемещается по прямой ов (см. фиг. 2,а).

Напряжение на выходе усилителя 5 0, -Ooj.wRjC,fl)

Из уравиения (2) видно, что конец вектора Оз также перемещается по прямой ОК при балансировке схемы по емкости. Таким образом, вектор, напряжения разбаланса на входе компаратора 15 при регулировке и С одним концом перемещается по прямой ав, другим- по прямой ОК. Вследствие этого, проекция вектора напряжения разбаланса ЛО| или AOj на прямую ае, отнесенная к опорному напряжению Uee, однозначно определяет величину разбаланса измерительного моста по tg6, а проекция .вектора напряжения разбаланса на прямую OK, отнесенная к проекции вектора опорного напряжения Оа на ту же прямую, однозначно определяет величину разбаланса моста по емкости. Для параллельной схемы замещения (см. фиг. 2,6), когда переключатели находятся в противоположном состоянии, напряжение равноО, -poRojwCx(l jtg6x)- (3) Uu ,C,(l-jwK) (4) Как видно из уравнений (3) и (4), один конец вектора напряжения разбаланса неподвижен (точка а), а другой перемещается при регулировке схемы по tg6 по прямой, параллельной Аи при регулировке по емкости - по прямой, параллельной ОК. Вследствие этого, проекция векторр напряжения разбаланса на прямую, параллельную АВ, и отнесенная к опорному напряжению й однозначно определяет величину tg6, а проекция того же вектора на прямую, параллельную ОК, отнесенная к вектору опорного напряжения Ua, однозначно определяет величину емкости. Оценка величины емкости для последовательной схемы замещения конденсатора f-Pмирователем 12. При Сю О на выходе ФСИ 12 появляется строб-импульс, открывающий ключевую схему 21 по емкости. Оценка величины tg6 производится в момент времени, формируемый формирователем строб-импульсов 11. При DO О на выходе формирователя строб-импульсов 11 появляется строб-импульс, открывающий ключевую схему 19 по tg6 {и ключевую схему 2 по емкости при иараллельс ной схеме замещения). Процесс уравиовеЩивания по емкости сводится к измерению величины вектора О ( относительно величины вектора 0«о, т. е. к операции деления напряжения, пропорциональногй току через емкость (0|), На величину падения напряжения на емкостной составляющей (Йс), и подключении соответствующих весов по емкости. Процесс урЁвновешиваяия по tg6 -свб дится к оценке вектора Cte относительно Uj, либо вектора Оа.е относительно Uee, т. е. . г| tg6 - , и подключении соответствующих весов по tgfi. Указанные операции деления для получения каждой цифрь мантиссы по С и tgd производятся с помощью ПС. В момент времени, когда Ою 0, вектор опорного напряжения tJ оказывается равным lOalcosfi lOlOol cos6 lOOoj. В этот же момент на сигнальный вход пороговой схемы 18 поступает напряжение Д0|. Полученное нока зание пороговой схемы при коэффициенте уси леиия Н-О, равном I, определяет цифровое значение емкости в первом разряде и запоминается в 1-ой декаде регистра 23 по ёмкости. В момент времени, когда DO О, иапряжёние О оказывается равным по велнчине |Йвв} а на сигнальном входе ПС по tgft 17 мапряжс ние равноlOaeI, где напряжение Оаеесть повернутое на 90° напряжение Оае: Таким о6разол;, пороговая схема 17 покажет отношение двух напряжений jOoef/fOae;, т. е. при единичном коэффициенте усиления Н-О получается отсчет первой цифры по tg6. Результат сравнения запоминается в 1-ой декаде регистра 22. После получения результата сравнения по С и tg6 блок управления выдает команду на одновременное подключение соответствующих весов в первом разряде по С и tg6, а также увеличивает коэффициент усиления Н- О в 10 раз. При этом начинается следующий такт, в конце которого по величине сигнала разбаланса производится оценка-2-ой цифры по С и tg6. Пусть, например, после 1-гр такта на вход И-О поступает напряжение А02,. котор,ое является разностью двух напряжений Ом и Us. Составляющая вектора ДОг, равная о,соответствует остаточной емкостной составляющей. Она определяется путем сравнения усиленного в, 10 раз сигнала AUj с вектором Сг в момент и 10, 0. В результате сравнения определяется 2-я цифра по емкости. Составляющая рп вектора Д02 характеризует-жсб. в«и,„„у-ГГб JcSлеиный в 10 раз отрезок рп (на выходе ключевой схемы 19 сдвинутый на 90°) сравнивается при помощи пороговой схемы снова с напряжением Сое (в момент Оо 0) и в долях Uoe пороговой схемы определяют 2-ую цифру ло tg6 и т. д. Возможные при коммутации с помощью пороговой схемы ощибки подключения весов по С и tg6 исключаются известными для прямого уравновешивания способами. Процесс измерения С и tgfi при параллельной схеме замещения отличается от последовательиой тем, что определение цифр по емкости и tg6 происходит в один и тот же момент времени, когда Оо О. В этот момент времени пороговая схема по емкости определя11 , ет величину отнощения -, а пороговая схема по tg6-, где Уг lOOoe-J. При использовании предлагаемого моста для измерения емкости, возможно использова ние прямого метода уравновещивания и одновременной коммутации весов по С и tgfi для двух схем замещения конденсатора, что обеспечивает высокое быстродействие устройства. Формула изобретения Цифровой мост для измерения емкости и тангенса угла потерь конденсаторов, содержащий мостовую измерительную схему, генератор переменного напряжения, включенный в диагональ питания мостовой измерительной схемы, нуль-орган, включенный на выходе мостовой измерительной схемы пороговые схемы, блок управления и отсчетное устройство, отличающийся тем, что, с целью повышеннр быстродействия как для параллельной, так и для после