Измеритель добротности и с-параметров Советский патент 1980 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к области радиоизмерительной техники. Устройство может быть использовано для из мерения таких параметров радиоэлементов и колебательных контуров, как добротность, индуктивность,емкость. Известен измеритель параметров радиоэлементов, в котором имеетсяконденсатор переменной емкости, снабженный механической шкалой для отсчета емкости 1. В этом устройстве определение емкости и индуктив ности производится с использованием показаний шкалы конденсатора.Известному устройству присущи сл дующие недостатки: косвенный характер измерения емкости и индуктивности; погрешность в измерении емкости и индуктивности, обусловленна сшибкой передачи угла поворота подв ной части конденсатора на шкалу для отсчета емкости, проявляющаяся, несмотря на применение сложных высоко точных передач; погрешность при измерении емкости и индуктивности кол бательных контуров, вызванная тем, что указанные параметры измеряются частоте, отличной от резонансной частоты контура. Изменение резонанс ной частоты контура обусловлено подключением к нему для проведения измерений отградуированного конденсатора. Наиболее близким по технической сущйости и достигаемому эффекту к изобретению является измеритель добротности, содержащий генератор, подключенный к входу контура, образованного катушкой индуктивности и конденсатором переменной емкости с механической шкалой для отсчета емкости, блок отношения,входы которого связаны с колебательным контуром,и индикатор реэонацса, подключённый параллельно колебательндму контуру 2. Такое-устройство не обеспечивает прямого отсчета и обладает невысокой точностью. Целью изобретения является обеспечение возможности прямого отсчета и.повышение точности измерения. Цель достигается тем, что в измеритель добротности и LC-параметров, содержащий источник сигнала, подключенный к входу колебательного контура, к выходу которого подключены вход усилителя, один из входов блока отнонения, другой вход которого связан с входом колебательного

контура и выходом усилителя, и вход блока поддержания амплитуды,выходом подключенного к источнику сигнала, блок автоматической регулировки усиления, подключенный входом к входу ксхлебательного контура, а выходом к управлякхцему амплитудой входу усилителя, введен блок автоматической регулировки фазы, вход которого подключен к входу и выходу колебательного контура через индикатор резонанса,а выходом - к управляющему фазой входу усилителя, при этом усилитель охвачен цепью обратной связи через постоянную реактивность известной величины, а выход усилителя и вход колебательного контура связаны с вторым входом блока отношения через коммутатор.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого измерителя добротности и LC-параметров, один из возможных, вариантов.

Измеритель содержит последовательно соединенные источник 1 сигнала, образованный катушкой 2 индуктивност и конденсатором 3 колебательный контур 4, усилитель 5, охваченный цепью обратной связи через последовательно соединенные реактивный элемент 6 и ключ 7. Параллельно контуру 4 подключен индикатор 8 резонанса, выход которого через блок 9 автоматической регулировки фазы связан с управляющи фазой входом усилителя 5. К выходу контура 4 подсоединены блок 10 поддержания амплитуды, связанный с входом источника 1, и первый вход блока 11 отношения. Второй вход блока отношения через коммутатор 12 связан с входом контура 4 и выходом усилителя 5. Вход контура через блок 13 автоматической регулировки усиления подключен к управляющему усилением вхору усилителя 5.

Устройство работает следующим образом.

При измерении добротности катушек индуктивности ключ 7 разомкнут, а коммутатор 12 находится в положении А. С выхода источника 1 на вход колебательного контура 4, образованного исследуемой катушкой 2 индуктивности и вспомогательным конденсатором 3 переменной емкости, поступает синусоидальное напряжение с частотой, на которой необходимо провести измерения. По индикатору 8 резонанса колебательный контур настраивается на частоту входного сигнала путем плавного изменения емкости конденсатора 3.

Блок 10 поддержания амплитуды, воздействуя на источник 1, поддерживает постоянный уровень напряжения на выходе контура 4. Это зачастую необход:а1мо при измерении параметров катушек/ зависящих от величины приложенного напряжения.

Как известно, при резонансе напряжение, поступакяцее на вход контура 4 от источника 1 (Ue,x ) г и напряжение , снимаемое с выхода контура (Цьых )t связаны соотношением

(1)

ЬХ где Ч - добротность контура.

Исходя из этого соотношения, в блоке 11 отношения измеряется добротность контура 4. С тем,чтобы величина измеренной добротности в точности соответствовала искомой величине добротности катушек, усилитель 5 должен иметь входное ак тивное сопротивление по величине много большее, чем выходное резонансное сопротивление контура 4.

При измерении индуктивности катушки 2 коммутатор 12 находится в положении В, а ключ 7 в исходном состоянии разомкнут.

Как видно из выражения (1), величина входного напряжения, настроенного в резонанс контура, при поддержании блоком 10 амплитуды постоянного уровня его выходного напряжения несет информацию о добротност контура. Это напряжение поступает на вход блока 13 автоматической регулировки усиления.

По истечении времени, необходимого на осуществление описанных выше операций в блоке автоматической регулировки усиления, ключ 7 замыкается и в цепь обратной связи усилитля 5 включается реактивный элемент Одновременно начинает увеличиваться коэффициент усиления усилителя 5.

Входное сопротивление усилителя охваченного цепью обратной связи, не является чисто активным. Оно определяется фазовым сдвигом в усилителе 5 и его коэффициентом усиления. Под воздействием реактивной составляющей входного сопротивления контур 4 расстраивается ина выходе индикатора 8 резонанса появляется сигнал расстройки, под воздействием которого блок 9 устанавливает, а затем начинает поддерживать такую фазу усилителя 5, при которой его входное сопротивление чисто активно а контур 4 настроен в резонанс.

При у в еличенни, коэ ффидие нт а усиления усилителя 5 входное активное сопротивление последнего уменьшается, что приводит к уменьшению добротности контура 4, а следовательно , к увеличению вводимого в контур напряжения. Когда величина напряжения на входе контура достигнет запомненной в блоке 13 величины., на выходе последнего появляется сигнал прекращающий дальнейшее увеличение коэффициента усиления усилителя 5.

Когда реактивным элементом 6 является катушка индуктивности с воль шой добротностью, индуктивность катушки 2 можно определить, исходя из выражения t. где LQ - индуктивность реактивного элемента б; do постоянная добротность, по величине меньшая нижнего предела измеряемых добротностейК - коэффициент усиления усилителя 5. Добротность 0.0 определяет добротность Qpei / до которой необходим шунтировать контур входным сопротив лением усилителя. При К 10 индуктивность катушки 2 определяется бло ком 11 отношения, исходя из выраженияL.-.i. QO При этом погрешность, вызванная упрощением выражения (2), не превыш ет 0,5%. Когда реактивным элементом б явл ется конденсатор, а , индуктив ность катушки 2 определяется блоком 11 отношения. При этом используется представленный в цифровом коде результат измерения блоком 11 отношения емкости конденсатора 3 переменной емкости, определяемой по формулеС . где CQ - емкость реактивного элемен При измерении емкости конденсаторов колебательный контур 4 образу ется испытываемым конденсатором 3 и вспомогательной катушкой 2 индуктивности. Он настраивается в резонанс путем изменения частоты источника 1 или величины индуктивности катушки 2. Процесс измерения емкост конденсатора 3 при этом аналогичен прочессу измерения индуктивности к тушки 2,, Для получения более простого вы ражения для отсчета емкости в каче стве реактивного элемента б в цепи .обратной связи усилителя 5 лучше использовать образцовый конденсато Исксадая величина емкости при этом определяется блоком 11 отнсянения, исходя из выражения (4). Процесс измерения добротности и 1С-парги«1етров колебательных конт ров аналогичен рассмотренным проце сам измерения добротности, емкости индуктивности радиоэлементов. В рассмотренном варианте шунтирование контура 4 производится до величины добротности ( г завися щей от исходной добротносгги Оцся контура. Можно шунтировать контур 4 независимо от исходной добротности до одной и той же постоянной добротности Пр. в этом случае емкость конденсатора 3 и индуктивность катушки 2 определяются блоком 11 отношения, исходя из формул ,.с Upei-U UPC UMCX где Uyc - выходное напряжение усилителя, . Upeb - входные напряжения блока 13. Для проведения измерений по формулам (5) и {6) необходимо первый вход блока 11 отношения подключить к входу контура 4, а второй вход связать через коммутирующее устройство, аналогичное коммутатору 12, с выходами усилителя 5 и контура 4. Использование такого усилителя позволит создать автоматизированный измеритель добротности, емкости, индуктивности. В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве отсчет емкости измеряемого конденсатора производится не по шкале переменного конденсатора, а блоком отношения. Это позволяет уменьшить количество механических узлов за счет исключения точных механических передач к шкале, получить прямой отсчет емкости в цифровом коде, что важно при использовании устройства в автоматических системах, повысить точность измерения указанного параметра. (Лиибка в измерении емкости конденсатора в предлагаемом устройстве мойсет быть вызвана неточностью измерения отношения напряжений блоком отношения и отличием используемой /прощенной формулы (3) от формулы ( 2 ). Величина погрешности, обусловленная первой причиной, сводится к погрешности, вносимой блоком отношения (цифровым вольтметром), которая может много меньше, чем погрешность, вызванная неточностью передачи угла поворота подвижной части конденсатора на шкалу и составляющая в прототипе ориентировочно 2%. Погрешность, обусловленная второй причиной, уменьшается с увеличением минимального коэффициента усиления усилителя 5. Так, при ммц составляющая общей погрешности равна 0,5%, а при К,у 15-0,23%. Эту погрешность можно вообще исключить, если применить автоматическую коррекцию результата

измерений, которая возможна при. применении микропроцессоров.

Формула изобретения

Измеритель добротности и метров, содержащий источник сигнала, подключенный к входу колебательного контура, к выходу которого подключены, вход усилителя, один из входов блока отнояения, другой вход которого связан с входом колебательного контура и выходом усилителя, и вход блока поддержания амплитуды, выход которого подключен к источнику сигнала, блок автоматической регулировки усиления, подключенный входом к входу колебательного контура, а выходом к управляющему a шлитyдoй входу усилителя,, отличающийс я тем, что, с целью обеспечения прямого отсчета и повышения точности измерения, в него введен блок автоматической регулировки фазы, вход которого подключен к -входу и выходу g колебательного контура через индикатор резонанса, а выход - к управляющему фазой входу усилителя, при этом усилитель охвачен цепью обратной связи через постоянную реактивQ ность, а выход усилителя и вход колебательного контура связаныс; вторым входом блока отношения через коммутатор.

Источники информации, 5 принятые во внимание при экспертизе

1.Заявка Англии № 1368980, кл. G 1 V, 1974.

2,Заявка Англии№ 1321573, клУ G 1 V, 1974.