Цифровой стробоскопический импедансметр Советский патент 1980 года по МПК G01R27/02 

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при определении составляющих комплексного сопротивления исследуемых двух и четырехполюсников. 5

Известен измеритель комплексных сопротивлений, в котором напряжение с высокочастотного генератора подается через первичную обмотку измерительного трансформатора- на измеряемый О импеданс. Затем напряжения, снимае1лые с первичной и вторичной обмоток измерительного трансформатора преобразуются стробоскопическим преобразователем на промежуточную часто- 15 ту и дальнейшее измерение импеданса производится на фиксированной низкой частоте 1 .

При этом на результат измерения неизвестного импеданса влияет часто- 20 та генератора и индуктивность измерительного трансформатора.. Причем выполнить to6e измерительные обмотки трансформатора идентичными по электрическим параметрам в широком частотном 25 диапазоне затруднительно. Суммарная приведенная ко всей шкале погрешность этого измерителя для случая, если f 100 МГц и Z 100 кОм, составляет величину j 11,7 %. 30

Известен измеритель активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления, содержаний опорный , генератор, включенный последовательно с эталонным резистором и внешними зажимами, дифференциальный усилитель, выходной сигнал которого пропорционален току, проходящему через эталонное сопротивление,усилители-ограничители, фазочувствительные, стробированные усилители и индикаторы активной и реактивной составляющих импеданса 2 .

Существенным его недостатком является большая погрешность измерения в широком частотном диапазоне из-за шунтирования измеряемого импеданса собственным сопротивлением входных блоков, а также возникновение частотных погрешностей отдельных блоков. Отсутствует, возможность автоматического выбора пределов измерения импеданса.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для измерения импеданса, содержащее задающий высокочастотный генератор, подключенный через эталонный первый резистор к внешним зажимам, к которым подк.гаочается измеряемый

.импеданс, стробоскопический преобразователь, состоящий из опорного канала с системой фазовой автоподстройки частоты и сигнального канала, причем вход первого смесителя опорного канала подключен к эталонному первому резистору, а выход соединен последовательно с фазовым детектором, усилителем постоянного тока, перестраиваемым генератором и со своим вторым входом, опорный генератор подключен ко входу фазового детектора, индикатор подключен к нуль-органу, первый вход которого соединен с выходом смесителя, .а второй с управляющим сопротивлением и через второй зталонный резистор с выходом смесителя. В основе работы этого устройства лежит метод стробоскопического преобразования амплитудно-фазовых соотношений высокочастотного напряжения опорного генератора и напряжения, выделенного на измеряемом импедансе на промежуточную, фиксированную низкую частоту опорного генератора (например 12,5 кГц), с последующим измерением модуля и аргумента с помощью дополнительной цепочки, состоящей из эталонного резистора и сопротивления уравновеширания 3.

Недостатками этого измерителя являются отсутствие возможности автоматического выбора пределов измерения импеданса при работе устройства в составе информацио.нноизмерительных систем, что обуславливается трудностями переключения пределов ( эталонных резисторов) на высокой частоте 1-100 МГц в выносном пробнике, большая погрешность измерения, достигающая 10%, существенной долей которой являются погрешность коэффициента передачи сигнальнго канала стробоскопического преобразователя при изменении измеряемого сопротивления в широком динамическом диапазоне (погрешность обуславливается тем, что при изменении измеряемого сопротивления в широком диапазоне изменяется постоянная цепи заряда конденсатора стробоскопического преобразователя, например при изменении в диапазоне 100 Ом10 кОм погрешность достигает 5%) мультипликативная погрешность стробоскопического Преобразователя входит в результат измерения и может достигать 2-3,

Цель изобретения - автоматизация переключения пределов и повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель импеданса, содержащий задающий генератор, двухкйнальный стробоскопический преобра.эователь и внешние клеммы, введены два управляемых резистора, цифровой омметр, управляемый источник опорного постоянного напряжения, резистивный делитель, два видеоусилителя, два детектора, два фильтра низших частот, два вычитающих блока, дифференциальный усилитель, два усилителя постоянного тока, цифровой низкочастотный фазометр, вычислителный блок, цифровой отсчетный блок, шесть конденсаторов и четыре индуктивности, причем выход задающего генератора подключен последовательн через первый управляемый резистор, первый конденсатор, второй управляемый резистор, второй конденсатор к внешней клемме, выход источника опорного постоянного напряжения подключен через первую индуктивность ко входу опорного канала стробоскопического преобразователя и через третий конденсатор к выходу первого управляемого резистора, а через резистивный делитель и вторую индуктивность ко входу сигнального канала стробоскопического преобразователя, соединенного через четвертый конденсатор с внешней клеммой, вьход опорного канала через первый .видеоусилитель соединен с одним из входов первого вычитающего блока через пятый конденсатор и первый детектор, а с другим - через первый фильтр нижних частот, выход первого вычитающего блока через первый усилитель постоянного тока подключен к управляющему входу первого управляемого резистора выход сигнального канала через второ видеоусилитель соединен с одним из входов второго вычитающего блока через шестой конденсатор и второй детектор, а с другим - через второй фильтр нижних частот, выход второго вычитающего блока подключен через . второй усилитель-постоянного тока к управляющему входу второго управляемого резистора, два входа цифрового омметра через третью и четвертый индуктивности подключены к второму управляемому резистору, первый из входов цифрового низкочастотного фазометра через дифференциальный усилитель подключен к выходу опорного канала стробоскопического преобразователя, а его второй вход, который соединен с другим входом дифференциального усилителя, подключен к выходу сигнального канала стробоскопического преобразователя, входы вычислительного блока подключены к выходам цифровых омметра и низкочастотного фазометра, а выходы соединены с цифровым отсчетным блоком.

На чертеже представлена блок-схема цифрового стробоскопического импедансметра,

Цифровой стробоскопический импендансметр содержит задающий генератор 1, подключенный последовательно через первый управляемый резистор 2, первый конденсатор 3, второй упрляемьв резистор 4, второй конденсатор 5 к внешней клемме для подключения неизвестного импеданса 6, источник опорного постоянного напряжения 7, подключенный через первую индуктивность 8 ко входу опорного канала стробоскопического преобразователя 9 и через третий конденсатор 10 к выходу первого управляемого резистора 2, а через делитель, состоящий из высокочастотных резисторо 11, 12, и вторую индуктивность 13 ко входу сигнального канала стробоскопического преобразователя 9, соединенного через четвертый конденсато 14 с внешней клеммой, первый 15 и второй 16 видеоусилители, входы которых подключены соответственно к выходам опорного и сигнального каналов стробоскопического преобразователя 9, а выходы также соответственно соединены с одним из входов первого 17 и второго 18 вычитающего блока через пятый 19 и шестой 20 конденсаторы и первый 21 и второй 22 детекторы, а с другим - через первый 23- и второй 24 фильтры нижних частот, выход первого 17 и второго 18 вычитающих блоков подключены че-. рез первый 25 и второй 26 усилители постоянного тока соответственно к управляющим входам первого 2 и второго 4 управляемых резисторов, цифровой омметр 27, два входа которого через индуктивности 28, 29 подключены ко второму управляемому резистору 4, цифровой низкочастотный фазометр 30, первый из входов которого через дифференциальный усилительный усилитель 31 подключен к выходу опорного канала преобразователя 9, а его второй вход, соединенный с другим входом дифференциального усилителя 31, подключен к выходу сигнального канала преобразователя 9, вычислительный блок 32, подключенный к выходам цифрового омметра 27, цифрового низкочастотного фазометра 30 и ко входу цифрового отсчетного блока 33,

Цифровой стробоскопический импедансметр работает следующим образомВысокочастотное напряжение,-снимаемое с задающего генератора 1, поступает на первый управляемый резистор 2, С выхода управляемого резистора 2 высокочастотное напряжение и поступает через конденсатор 10 на вход опорного канала стр обоскопического преобразователя 9 и одновременно смешивается с постоянным напряжением U(,, снимаемым с управляемого источника опорного напряжения 7. Конденсатор 10 и индуктивност 8 предназначены для того, чтобы напряжение постоянного тока не пропустить в высокочастотную цепь, а напряжение переменного тока и не пропустить к делителю, состоящему

из резисторов 11 и 12. в опорном канале стробоскопического преобразо вателя 9 происходит преобразование высокочастотного напряжения й в низкочастотное фиксированной частоты, одновременно преобразуется постоянное напряжение. Таким образом, на выходе опорного канала стробоскопического преобразователя снимается напряжение, содержацее постоянную составляющую, пропорциональную U,и

o переменную составляющую, пропорциональную и, и видеоусилителем 15 усиливаются. Постоянная составляющая проходит без потерь через фильтр нижних частот 23 на вычитающий блок 17..

5 Переменная составляющая преобразуется в детекторе 21 с закрытым входом а постоянное напряжение (преобразователь амплитудных, средних или эффективных значений) и на вычитающем блоке 17 сравнивается с постоянным на0пряжением, снимаемым с выхода фильтра 23. Разностное напряжение усиливается усилителем постоянного тока 25 и воздействует на управляющий элемент первого управляемого резистора

5 2 (оптрон, диод-фотосопротивление, лампочка-фотосопротивление). Величина управляемого резистора 2 изменяется до тех пор, пока напряжение по среднему, .действующему или амплитудному

0 значению не будет равно постоянному напряжению - заданного источника опорного постоянного напряжения 7. Гаким образом, происходит стабилизация высокочастотного напряжения.

5

Высокочастотное напряжение й поступает через конденсатор 3 на вход второго управляемого резистора 4. С выхода этого резистора 4 напряжение поступает через конденсатор 5 на клемму пробника для подключения изме0ряемого Zjj импеданса 6, а через конденсатор 14 на вход сигнального канала стробоскопического преобразователя 9. На входе сигнального канала преобразования 9 высокочастотное

5 напряжение й смешивается с постоянным напряжением U , снимаемым с делителя, состоящего из резисторов 11 и 12, поступающим на вход через индуктивность 13. Конденсаторы 3, 5,

0 14 и индуктивность 13 необходимы для разделения цепей по постоянному и переменному току.

На выходе сигнального канала преобразователя 9 снимается напряже5ние, содержащее постоянную составляющую, пропорциональную UQ , и переменную составляющую, пропорциональную Uj , которые в видеоусилителе 16 усиливаются. Постоянная составляющая

проходит без потерь через фильтр

60 нижних частот 24 на вход вычитающего блока 18. Переменная составляющая преобразуется в детекторе 22 с закрытым входом (преобразователь амплитуд 5 ных средних или эффективных значений) и на вычитаюцем блоке 18 сравнивает ся с постоянным напряжением, снимае мым с выхода фильтра 24. Разностное напряжение усиливается усилителем постоянного тока 26 и воздействует на управляющий элемент второго управ ляемого резистора 4. Величина управ ляемого резистора 4 изменяется до тех пор, пока напряжение по среднему действующему или -амплитудному значе нии не будет равно постоянному напряжению. Если управляемый резистор считать безреактивным, то измерив цифровым омметром 27 резистор, нетрудно определить модуль неизвестного импеданса Зная коэффициент деления делител и аргумент, нетрудно в вычислительном блоке 32 определить модуль, а также и составляющие неизвестного импеданса. Индуктивности 28, 29 необходимы для разделения цепей по переменному току „ Цифровой низкочастотный фазометр измеряет фазовый сдвиг между напряжениями промежуточной частоты. в дифференциальном усилителе 31 формируется напряжение, равное по модулю -И совпадающее по фазе с напряжением, приложенным к управляюще резистору 4. Фазовый сдвиг между этим напряжением и напряжением, сни маемым с сигнального канала стробоскопического преобразователя, равен аргументу импеданса. (1 ормула изобретения Цифровой стробоскопический импедансметр, содержащий задающий генератор, внешние клеммы, двухканальный стробоскопический преобразователь, отличающийся тем, что, с целью автоматизации переключения пределов и повышения точности измерения, в него введены два управляемых резистора, цифровой омметр, управляемый источник опорного постоянного напряжения, резистивный делитель, два видеоусилителя двадетектора, два фильтра низких частот, два вычитающих блока, два усилителя постоянного тока, дифференциальный усилитель, цифровой низ кочастотный фазометр, вычислительны блок, цифровой отсчетный блок, шест конденсаторов и четыре индуктивност причем выход задающего генератора подключен последовательно через первый управляемый резистор, первый конденсатор, второй управляемый резистор, второй конденсатор к внешней клемг.е, выход источника опорного постоянного напряжения подключен через первую индуктивность ко входу опорного канала стробоскопического преобразователя и через третий конденсатор к выходу первого управляемого резистора, а через резистивный делитель и вторую индуктивность ко входу сигнального канала стробоскопического преобразователя, соединенного через четвертый конденсатор с внешней клеммой,, выход опорного канала через первый видеоусилитель .соединен с одним из входов первого вычитающего блока через пятый конденсатор и первый детектор, а с другим - через первый фильтр нижних частот, выход первого вычитаюш.его блока через первый усилитель постоянного тока подключен к управляющему входу первого управляемого резистора, выход сигнального канала через второй видеоусилитель соединен -с одним из входрв второго вычитающего блока через шестой конденсатор и второй детектор, а с другим - через второй фильтр нижних частот, выход второго вычитающего блока подключен через второй усилитель постоянного тока к управляющему входу второго управляемого резистора, два входа цифрового омметра подключены через третью и четвертую индуктивности к второму управляемому резистору, первый из входов цифрового низкочастотного фазометра через дифференциальный усилитель подключен к выходу опорного канала стробоскопического преобразователя, а его второй вход, который соединен с другим входом дифуеренциального усилителя, подключен к выходу сигнального канала стробоскопического преобразователя, входы вычислительного блока подключены к выходам цифрчвых омметра и низкочастотного фазометра, а выходы соединены с цифровым отсчётным блоком. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Векторный импедансметр. Модель 4815. Каталог. 1975, с. 427. 2.Измеритель активной и реактивной составляющих сопротивление. Патент США 3284705, кл. 324-57. 3.Устройство для измерения импеданса. Патент США 3260936, кл. 324-57.

7J

/4