Цифровой измеритель параметров Советский патент 1979 года по МПК G01R27/26 

(54) ЦИФГОВОЙ ИЗМЕтТЕЛЬ RLC ПАРАМЕТРОВ

... ::, ; ... .: I ;

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и найти применение при измерении RLC-параметров в широком частотном диапазоне.

Известно устройство для измерения RLOnaраметров, в котором измерения комплекшых составляющих ioKai основаны на интегрировании кривой тока в определенные интервалы времени и преобразовании полученного аиалогрврго сш-нала в число импульсов, пропорциональное измеряемой величине Ц.

Однако измерение синфазной и квадфатур ной составляющих тока возможно лйиь на фиксированных частотах, поскольку нет узлов, обеспечивающих независимость результата измерения от периода синусоидального кблебания. При этом дополнительные ограничения на измерения б диапазоне частот вызваны применением фазовращателя на 90°.

Известно устройство, содержащее управляе-мый синусоидального напряжения, подключенный к входу частотно-зависимой цеПи с образцовым и измеряемь1М элементами, преобразователь изменения параметров цепи в

напряжение, вход которого подключен к вь1ходу цепи, а его выход подключен к управляющему входу генератора, формирователь периода выходаого сигнала генератора. Цифровой измеритель периода и два коммутатора, причем выход источника напряжения постоянного тока пЬдключен к 1входу Измерительной цепи,

вход времяимпульсного преобразователя подключен к выходу измерительной цепи, входы Щ1ФРОВОГО измернггелй отношения временйь1Х интервалов подключены к выходам времяимпуиьсного преобразователя напряжения и формирователя выходного сигнала генератора через первый коммутатор, управляемый синхронно с вторым коммутатором, входы которого подключены к выходам генератора синусоидального натфяжеиия, а выходы фазовременного формирователя И формирователя периода умноженной частоты прдключеньГ к входам формирователя разностньгх временных интервалов, выход которого связан с входом интегратора, выход, которого соединен с перестраи;Ваемым гетеродином, входом формирователя

временного интервала, выходом ключа, входом активного сопротивления и сигнальным входом второго переключателя, выход к,оторого соединен с входом второго Ш1тегратора, который по выходу связан с входом управления источника опорного напряжения и пер- , вым входом второго устройства сравнения, другой вход которого связан с общей шиной, а Ьыход соединен с входом селектора, между ВЫХОДОМ которого и входом цифрового отсчетного устройства включено цифровое дели- ю тельное устройство, причем выход первого интегратора подключен к входу управления источика опорного напряжения и к входу управления, йыходы которого связаны с вхбдами управления ключа, образцового элемента, цифро- t5 вого делительного устройства и формирователя временного интервала, вьисод которого соединен с входом блока управления 2.

Недостатком известного устройства является:

а)ограниченность частотного диапазона, обус- ю ло.вленная использованием гетеродинов, смесителя и фильтра нижних частот;

б)сложность реализации умножителя частоты исследуемого сигнала на восемь в широком частотном диапазоне;25

в)ограниченность точности измерения, обусловленная влиянием на результат измерения коэффициента передачи йремяимпульсного преобразователя, а также формирователя разностных временных интервалов и значения напряжения зо источника опорного напряжения;

г)возникновение погрешности измерения импеданса емкостного и 1шдуктивного характера при фазовых сдвигах между током и напряжением больше чел . 35

д)отсутствие адаптации к роду измеряемого параметра.

Целью изобретения является повышение точности измерения в широком частотном диапазоне.40

Длй зтого в, цифровой измеритель RLC-параметров, содержащий генератор синусоидального напряжения, последовательно соединенные переключатель, интегратор, блок сравнения, селектор, цифровой делитель и цифровое отсчет- 45 вое устройство, а также генератор импульсов, подключенный к второму входу селектора, второй переключатель, блок образцовых злеменов, блок управления и источник опорного напряжения, выход которого подключен к вто- 50 рым входам обоих переключателей, причем одии из полюсов генерагора синусоидального напряжения соединен с одним из входных .зажимов устройства, один выход блока образцовых элементов соединен с вторым входным 55 зажимом устройства, второй вход блока срдвн ния подключен к общей шине, а выходы блока управления связань с входами управления .

переключателей, селектора, цифрового делителя и цифрового отсчетного устройства, введены второй интегратор, второй блок сравнения, ключ и формирователь временного интервала, первый вход которого соединен с вторым выходом блока образцовых элементов, сигнальным входом второго переключателя и выходом ключа, вход которого подключен к первому выходу блока образцовых элементов и к общей шине, второй вход формирователя временного интервала соединен с вторым полюсом генератора синусоидального напряжения, а выход - с входом блока управления, причем к выходу второго переключателя подключен второй интегратор, выход которого связан с входом второго блока сравнения и входом управления источника опорного напряжения, выход первого интегратора связан с вторым входом управления источника опорного напряжения, и входом блока управления, второй вход второго блока сравнения подключен к общей шине, а выход - к третьему входу селектора, сигнальный вход первого переключателя соединен с первым входным зажимом устройства, а выходы блока управления связаны с управляющими входами ключа, формирователя временного интервала и блока образцовых элементов.

На фиг. 1 изображена структурная электрическая схема цифрового измерителя RLC-napaметров.

Измеритель содержит переключатель 1, интегратор 2, блок сравнения 3, генератор синусоидального напряжения 4, измеряемый элемент 5, источник опорного напряжения 6, генератор импульсов 7, селектор 8, Цифровой делитель 9, цифровое отсчетное устройство 10, ключ И, блок образцовых элементов 12, блок управления 13, переключатель 14, интегратор 15 блок сравнения 16, формирователь временного интервала 17, состоящий из резистора 18 и собственно формирователя 19.

Измеритель работает следующим образом.

В исходном Состоянии интеграторы 2 и 15 разряжены, ключ 11 сигналом с блока управления 13 замкнут, счетчики цифрового делителя 9 сброщены, а переключатели 1 и 14 находятся в нейтральном положении.

Измерение синфазной и квадратурной составляющих исследуемого импеданса основано на интегрировании напряжения на измеряемом сопротивлении в течение времени, определяемого формирователем временного интервала 17, который формирует время измерения из длительности периода напряжения на резисторе 18, моменты перехода через нуль которого совпадают с моментами перехода через нуль кривой тока в цепи генератора 4 синусоидального напряжения. При синусоидальной форме кривой напряженияU/i:) (uui + 4) для измерения синфазной составляющей напряжения Ui (t) необходимо его интегрировать в течение полупернода опорного напряжения. Тогд получим инт.х ПФ При измерении квадратурной составляющей напряжения Ui (t) должно выполняться условие что моменты времени ti а«Т и tj в-Т начала и конца интегрирования должны быть сим метричны относительно момента ts перехода через нуль опорного напряжения Umi sin cut (фиг. 2 а). При соблюдении условия а + в 1 получим ЙПЧ.МП П -0|У (2 при измерении RLC-параметров генератор 4 синусоидального напряжения Ui (t)Umisin cot измеряемый элемент (сопротивление Zx 5), образцовый элемент (сопротивление ZQ 12) и резистор 18 образуют делитель напряжения : Ui(t). Сойротивление Zx 5 и ZQ 12 являютсй комплексными. При измерении емкости Zx и ZQ содержат емкостные составляющие сопротивления и активные сопротивления утечки. Пр измерении индуктивности в Zx и ZQ входят индуктивные сопротивления и активные сопротивления катушек. При измерении активного сопротивления RX в комплексном сопротивлении Zx 5 блок управления размыкает ключ 11 и включает в элемент 12 активное сопротивление RQ. Поскольку сопротивление Zx 5 комгйексное то между током, протекающим через него, и напряжением на нем имеется фазовый сдвиг 1/) х- Формирователь временного интервала 19 .U -jeiHUUt нз опорного напряжения-; Tl-на резисторе 18 (фиг. 2 а)формирует временной интервал (фиг. 2 б) длительностью, равной полупериоду опорного напряжения. Сигнал с выхода формирователя 19 поступает на вход блока 13 управления. На время его длительности переключатели 1 и 14 устанавливаются в полоsin(.(ji). жение а. Напряжение UgCt) на сопротивлении Zx 5 и напряжение ,siMi«,t на элементе 12 тегрируются соответственно в интеграторах 2 и. 15. Поскольку при измерении активного сопротивления RX элемент 12 берется чисто активным, то в нем отсутствует сдвиг фаз f Q. Однако в качестве ZQ можно в этом случае применять и комплексное сопротивление, но при известном значении активной составляющей RQВ процессе интегрирования напряжение на выходе интегратора 2 равно .ХлСОЗМ ИНТ.2). а напряжение на выходе интеграт-ора 15 MHT.iSX где TI и Tj - постоянные времени интеграторов 2 и 15 соответственно. Во втором такте преобразования €лок 13 управления переводит переключатели 1, 14 в положение б и открывает селектор 8. Напряжение DO с выхода источника опорного напряжения 6 поступает через переключатели 1 и 14 на входы интеграторов 2 и 15, вследствие чего начинается интегрирование UQ до моментов t4, ts равенства нулю напряжений и на выходе интеграторов 2 и 15 (фиг. 2 в, г). За время ts-ts на вход первого счетчика цифрового делительного устройства 9 с выхода генератора 7 импульсов через селектор 8 поступит число импульсов (фиг. 2 в). |.tco,4. . (5) (s-vа в течение времени t4-ts в другом счетчике цифрового делительного устройства 9 зафиксируется код числа (фиг. 2 г) м .. ау. п.и--г оМоменты ts и t4 равенства нулю выходных напряжений интеграторов 2 и 15 фиксируются блоками сравнения 3 и 16, которые являются нульторганами. В цифровом делителе 9 выполняется операция отнощення NIX/NJX, вследствие чего на основании 5 и 6 получаем код числа (. ах V пропорциональный значению синфазной составляющей Zx cos V X в комплексном сопротивлении Zx, так как где RX - синфазная составляющая комплексно го сопротивления ZxКодовое значение Nix/Njx с выхода цифро вого делителя 9 пбступает на вход цифрового отсчетного устройства 10 и при RQ кратном пропорционально синфазной RX составляющей импеданса Zx и не зависит от периода Т колебаний напряжения Upp sin wt источника 4 его амплитудного значения Um. частоты fo генератора импульсов 7, постоянных времени TI и Т2 интеграторов 2 и 15. Их стабильность требуется обеспечить лищь на время измерения Измерение квадратурных составляющих импеданса (емкости шш индуктивности) производится в два такта. Первый такт используется для определения характера комплексного сопротивления (емкостного или индзтктивного), то есть осуществляется адаптация к роду изме ряемого параметра. Для этого блок 13 управления закрывает ключ М, а формирователь 17 временного интервала формирует временной интервал ti-ts, который симметричен относительно точки ts перехода через нуль опорного напряжения Umi-sin cot (фиг. 2 а и 2 д), то есть выполняются условия а + в 1 и ti+te Т, В зависимости от емкостного или индуктивного характера измеряемого импеданса Zx 5 напряжение на выходе интегратора 2 в момент tfi будет положительным или отрицательным соответственно. Поэтому при положительном напряжении на выходе интегратора 2 блок 13 управления по управляющему сигналу с выхода интегратора 2 выбирает в блоке 12 образцовзто емкость Сд, а при отрицательном напряжении - образцовую индуктивность LQ. При этом GO или LO не обязательно должны. быть высокодобротными, требуется лищь точно знать значения их реактивных (квадратурных) Cq HLo составляющих. Во втором такте производится измерение квадратурной составляющей импеданса, для чего блок 13 управления размыкает ключ 11 и подает сигнал управления на формирователь 17 временного интервала, который в произволь ный момент ti из опорного напряжения Umr sin cjt, снимаемого с резистора 18, фор. мйрует передний фронт импульса (фиг. 2 д), который посредством блока 13 зттравЛения переводит переключатели 1 и 14 в положение а Одноврёменно начинается интегрирование напря

жёний, снимаемь1х с элементов 5 и 12, в интеграторах 2 и 15 до момента te при соблюдении условия ti + tg # Т.

В момент t6 блок управления 13 переводит переключатели | и 14 в положение б, вследствие чего выходное напряжение Ug источника 1)Шрндг6 нагфяжё ия 6, полярность которого противоположна полярности напряжений на высоидального напряжения, его амплитудного Um значения, сопротивления Z преобразовательной цепи, постоян1П)1Х времени TI и Г2 интеграторов 2 и 15, частоты foгенератора 7 импульсов, и что особенно важно, от. значений моментов начала ti и конца t интегрирования в первом такте при измерении квадратурных составляющих импедансд. ходе интеграторов, поступает на вход нитеграторов 2 и 15 и интегрируется до моментов t7 и ts равенства нулю аыхрдш {х напряжений интеграторов 2 и 15 (фиг. 2 е и 2 ж), которые фиксируются устройстаами сравнения 3 к 16. За время t7-tg с выхода генератора 7 импульсов через селектор 8 на вход первого счетчика цифрового делителя 9 поступит число импульсов (фиг. 2 е) .N f TU siiih(iB-a) Чп .T sinvp, . а во втором счетчике цифрового делителя 9 зафиксируется код числа (фиг. 2 д) .(tg.. );,(-a-) X.siHT Разделив (8) на (9), ползшим 2j,siHVf5N перация деления Niy/Njy выполняется в цифровом делителе 9, и при Zgsin , кратном lO результат отношения Niy/Njy с выхода цифрового делителя 9 вьвдаётся на цифровое Отсчетное устройство 10. При измерении индуктивности Zxsin CO-LX, а Zosin (fo CJ-LQ. Подставив зти значения в (10), получим При емкостном характере комплексного сопротивления Zx sin ( X ijJcKa Zosin о д откуда, с учетом (1оЯ имеем ,Таким образом, по сравнению с известными измерителями RLC-параметров в предложенном устройстве обеспечена возможность измерения с высокой точностью RLC-параметров комплексиых сопротивлений в щироком частотном диапазоне, так как результаты измерения не зависят от частоть колебаний генератора 4 сннуЭто дало возможность отойти от необходимости применения фазосдвигающих цепей на 90, построение которых со стабильным значением 90 фазового сдвига для широкого диапазона частот представляет значителъш 1е технические трудности. Формула изобретения Цифровой измеритель RLC параметров, содер жащий генератор синусоидального напряжения, последовательно соединенные переключатель, . интегратор, блок сравнения, селектор, цифровой делитель и цифровое отсчетное устройство, а также генератор импульсов, подключенный к второму входу селектора, второй переключатель, блок образцовых элементов, блок управления, и источник опорного напряжения, выход которого подключен к вторым входам обоих переключателей, причем один из полюсов генератора синусоидального напряжения соединен с одним из входных зажимов устройства, один выход блока образцовых элементов соединен с вторым входном зажимом устройства, второ вход блока сравнения подключен к общей шине, а выходы блока управления связаны с вхо дами управления переключателей, селектора циф рового делителя, и цифрового отсчетного устройства, р т л и.ч а ю щ и и с я тем, что, г. с целью повышения точности измерения в широком частотном диапазоне, в него введены второй интегратор, второй блок сравнения, ключ и формирователь временного интервала, первый вход которого соединен с вторым выходом блока образцовых элементов, сигнальным входом второго переключателя и выходом ключа, вход которого подключен к первому выходу блока образцовых элементов и к общей шине, второй вход формирователя временного интервала соединен с вторым полюсом генератора синусоидального напряжения, а выход - с входом блока управления, причем к выходу второго переключателя подключен второй интегратор, выход которого связан с входом второго блока сравнения и входом управления источника опорного напряжения, выход первого интегратора связан с вторым входом управления источника опорного напряжения и входом блока управления, второй вход второго блока сравнения подключен, к. общей шине, а выходк третьему входу селектора, сигнальный вход первого переключателя соединен с первым входным зажимом устройства, а выходы блока управления связаны с управляющими входами ключа, формирователя временных интервалов и блока образцовых элементов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент ПНР № 76778, кп. G 01 R 19/06. 2.Авторское свидетельство СССР № 467302, кл. G 01 R 2.7/26.