Цифровой измеритель -параметров Советский патент 1980 года по МПК G01R27/02 G01R27/26 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может найти применение при измерении RLC-параметров в иироком частотном диапазоне. j

Известен циуровой измеритель сопротивления, емкости, индуктивности, содержащий управляемый генератор синусоидального напряжения на основе перестраиваемого гетеродина, |0 смесителя и фильтра нижних частот, подключенный ко входу частотоэависимои цепи с образцовым и измеряемым элементами, преобразователь изменения параметров цепи в напряжение, вход j которого подключен к выходу цепи, а его выход подключен к управляющему входу генератора, формирователь периода выходного сигнала генератора, цифровой измеритель периода, два комму- 20 татора, источник напряжения постоянного тока, времяимпульсный преобразователь, цифровой измеритель отношения временных интервалов 1,

Недостатком устройства является 25 .то, что оно обеспечивает измерения только на фиксированных частотги: со сравнительно низкой гочностью, так как построение ыирокодиапазонных смесителя, гетеродина и фильтра Q

связано с значительныьш тейническими трудностями, а результат зависит от значения напряжения источника постоянного тока, коэффициента пропорциональности преобразователя временного интервала и чувствительности формирователя разностных временных интервалов, что значительно ухудшает точность измерения в широком частотном диапазоне.

Наиболее близким техническим решением к предла1Гаемому является цифровой измеритель RLC-параметров, содержаний генератор синусоидального сигнала, последовательно соединенные первый переключатель, первый интегратор, блок сравнения, селектор, цифровой делительный бЛок, цифровой отсчетный блок, причем второй вход блока сравнения соединен с общей шиной, ко второму входу селектора подк.гаочены последовательно соединенные второй перек.лючатель, второй интегратор и второй блок сравнения, а третий вход селектора соединен с выходом генератора импульсов, блок управления, источник опорного напряжения, управляюций вход которого соединен с вы- ходами первого и второго интеграторов, а выход - с сигнальными входами первого и второго переключателей, а также блок образцовых элементов, второй выход которого соединен с сигнальным входом ключа, об1дей шиной и первым входным зажимом устройства, второй входной зажим которого соединен с полюсом генератора синусоидального напряжения, второй полюс которого подключен к второму выход резистора и второму входу формирователя временного интервала, выход которого соединен с входом блока управления, другой вход которого соединен с выходом первого интегратора, а соответствующие выходы блока управления соединены с управляющими входами ключа, блока образцовых элементов, двух переключателей, селектора, цифрового делительного блока, цифрового отсчетного блока и формирователя временного интервала 2.

Недостатком известного технического решения является ограниченность точности измерения, обусловленная зависимостью уровня выходного напряжения и,интегратора от периода Т исследуемых колебаний. При измерения на высоких частотах, вследствие уменьшения Т уменьшается уровень напряжения на выходе интегратора,что приводит к снижению разрешающей способности преобразования напряжения во временные интервалы и числовые эквиваленты, а значит и к повышению погрешности измерений на высоких частотах.

Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение частотного диапазона.

П9ставленная цель достигается тем, что в цифровом измерителе RUCпарамет-ров, содержащем генератор синусоидального напряжения, последовательно соединенные первый переключатель и первый интегратор, а также блок сравнения, селектор, цифровой делительный блок и цифровой отсчетны блок, причем второй вход блока сравнения соединен с общей шиной, второй вход селектора соединен с выходом генератора импульсов, последовательно соединенные второй переключатель и второй интегратор, источник опорного напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом второго интегратора, блок управления, блок образцовых элементов, клйч, резистор формирователь временного интервала, первый вход которого соединен со вторым выходом блока образцовых элементов , первым выводом резистора и выходом ключа, сигнальный вход которого подключен к первому выходу блока образцовых элементов, к,общей шине и к первому входному зажиму устройства, второй входной зажим которого соединен с первым сигнальным входом первого переключателя и одним из полюсов генератора синусоидального напряжения, второй полюс которого подключен ко второму выводу резистора и второму входу формирователя временного интервала, выход которого соединен с первым входом блока управления, соответствущие вьаходы которого соединены с управляющими входами ключа, блока образцовых элементов, двух переключателей, селектора, цифрового делительного блока, цифрового отсчетного блока и формирователя временного интервала, первьлй сигнальный вход второго переключателя соединен с выходом первого интегратора, а второй его сигнальный вход - с выходом источника опорного напряжения, выход второго интегратора соединен с перBUM входом блока сравнения и со вторым входом блока управления, а второй сигнальный вход первого переключателя подключен к первому входу формирователя временного интервала.

На чертеже изображена.блок-схема цифрового измерителя RLC-параметров,

Цифровой измеритель содержит переключатель 1, интегратор 2, переключатель 3, интегратор 4, блок сравнения 5, генератор импульсов 6, измеряемый элемент 7, генератор О синусоидального напряжения, источник 9 опорного напряжения, селектор 10, цифровой делительный блок 11, цифровой отсчетны блок 12, ключ 13, блок 14 образцовых элементов, резистор 15 формирователь 16 временного интервала, блок 17 управления.

Устройство работает следующим образом,

В исходном состоянии интеграторы 2 и 4 разряжены, ключ 13 сигналом с блока 17 управления разомкнут, переключатели 1. и 3 находятся в нейтральном положении, счетчики цифрового делительного блока 11 сброшен в состояние нуля.

Измерение синфазной и квадратурной составляющих исследуемого сопротивления основано на двойном интегрировании напряжения на измеряемом элементе 7 и блоке 14 образцовых элементов в течение времени, определяемого формирователем 16 временного интервала, который формирует время измерения из длительности периода напряжения на резисторе 15, равное или кратное периоду исследуемого сигнала и совпадающее по фазе с током в исследуемой цепи.

При синусоидальной форме кривой напряжения генератора 8 U(t) U sinie t напряжение на измеряемом сопротив лении 2 равно

Z,. sin (a)t+f) (сЫЪ

и,

+)Ч а напряжение на образцовом сопротивлении LQ Zg Sin (lot } («Jt ) Zo , где U, 1 - амплитудные значения напряжения и тока в исследуемой цепи соответственно: Z 2,+ ZQ+ R + - общее сопро тивление в цепи генератора 8, где R - активное сопротивление резистора 15; Ви внутреннее сопротивление генератора 8; Vf, if фазовые сдвиги между током, протекающим через сопротивление Z, и напряжением U., , а также током, протекающим через Z , и напряжением и ,соответств но, обусловленные комплексным характером Z и Z. При интегрировании напряжения на измеряемом сопротивлении Z выходное напряжение интегратора 4 определяется выражением / kfl а ,in(UUt-v)- 7. Cltd. инт.х г Г-iZ ()со5(оца,)iTTC C- - -sm5r(to-oi)(tto)-, где Г и С - постоянные времени интегрирования первого и второго интеграторов соответственно; аТ, -вТ - моменты, определяющие начал и конец времени интегрирования. В случае, когда (в-а)Т пТ, где , 2, 3... ,то есть время дли тельности первого такта интегрирования кратное периоду колебаний иссле дуемого сигнала, выражение (1) прим вид. и .(-b-0)COS(2ffq -4) инт.х аЯ-г -с, Исходя из выражения (2), для выд ления синфазной составляющей исслед мого сигнала достаточно обеспечить условие а -i К, при К О, 1, 2 ...( Так, при , 1 выражение (2) запишетс.я в виде - ИНТ.ХХ 2JrC tПри измерении квадратурной соста ляющей необходимо выполнить условие а l-j: + } , при ,1,2... (5 Например, при , а уи п в - а 1 выражение (2) преобразу ся следующим образом: / II - n.ZjL. C4ih - (6 инт.х.м-21гг г, . Интегрирование напряжения и пр исходит аналогично в следующем -Ракт преобразования. При этом, выходное напряжение интегратора 4 определяется выражением i инт.о- .co.UJTa.f) (7) При определении синфазной составлякядей напряжения на измеряемом элементе 7 формирователь 16 временного интервала формирует из опорного напряжения U sinuut-R/Z на резисторе 15 временной интервал длительностью пТ при соблюдении условия (3). Выходной сигнал формирователя 16 поступает на вход блока 17 управления, который переводит на время длительности первого такта интегрирования переключатели 1 и 3 в положение 1 I., I I Во втором такте интегрирования блок 17 управления переводит переключатель 1 в нейтральное положение, а переключатель 3 - в положение в и открывает селектор 10. Напряжение UQ от источника опорного напряжения, полярность которого противоположна полярности выходного напряжения интегратора 4Jпоступает на вход интегратора. В момент окончания второго такта интегрирования, когда выходное напряжение интегратора 4 равно нулю, имеем: (J - -i- f 0 , u..,,-r -- t J о а с учетом (4) ffv TSS инт.хх За время длительности Т на ОД первого счетчика цифрового делительного блока 11 поступитчисло импульсов . .. ,3, В следукщем такте преобразования при интегрировании напряжения на образцовом элементе блока 14 блок 17 управления переводит переключатель 1 в положение в, переключатель 3 в положение а, размыкает ключ 13 и включает в элемент блока 14 активное сопротивление R. Поскольку при измерении синфазной составляющей сопротивления Z элемент блока 14 берется чисто активным, то в нем отсутствует фазовый сдвиг -Р , Однако в качестве Z можно использовать и комплексное сопротивление, но при известном постоянном значении составляющей R, в процессе первого такта интегрирования напряжение на выходе интегратора 4 с учетом (7) равно ajrrT, а к концу второго такта интегрирован длительностью Т вьшолняется соотношениеЖ-.О JmRgTигт г. При этом на вход второго счетчика цифрового делительного блока 11 поступит число импульсов N -Р Т - ofgT (10) ax-to4- гзг-с, гЛ в цифровом делительном блоке 11 выполняется операция деления N /N вследствие чего, на основании (8) и (10) , получаем код числа 4lS. . J, fJn RofolB ° 7- гГ1г-/ , который поступает на вход цифрового отсчетного блока 12. Таким образом, значение синфазно составляющей R сопротивления Zy R R, N /N,3, (11) пропорционально кодовсэму значению при Rjj кратном 10 и не за висит от частоты исследуемых колебаний напряжения U sinyot генератор 8, его амплитудного значения U, ча тоты f генератора 6 импульсов, по стоянных времени iJ и u,j интегратор 2 и 4, стабильность которых требует обеспечить лишь на время измерения. При измерении квадратурной соста ляюи.ей исследуемого сигнала блок 17 управления закрывает ключ 13 и под действием сигнала формирователя 16, который формирует временной интерва длительностью пТ с учетом условия (5), переводит переключатели 1 и 3 положение а. К концу первого такта интегрирования адаптация к роду измеряемого параметра (в зависимости от емкостного или индуктивного характера комплексного сопротивления напряжение на выходе интегратора 4 будет положительным или отрицательным соответственно). При положительном напряжении на выходе интегратора 4 блок 17 управЛенин включает в блоке 14 образцову емкость CQ, а при отрицательном напряжении - образцовую индуктивнос L, С и L не обязательно должны о о О, быть высокодобротными, требуется лишб точно знать значения их квадра турных составляющих CQ и f . По окончании первого такта интег рирования блок 17 управления открывает селектор 10 и переводит переключатель 1 в нейтральное положение, а переключатель 3 - в положени в, вследствие чего выходное нап ряжение генератора б интегрируется до момента равенства нулю выходного напряжения второго интегратора 4. когда согласно (б), .fVt.O За время длительности вход первого счетчика в цифровом делительном блоке 11 поступит число импульсов/V г T --H5I5 iAfQLl. SIH4 п2) 4 TO г - Процесс преобразования напряжения на образцовом элементе происходит аналогично преобразованию его при измерении синфазной составляющей. При этом, в течение второго такта интегрирования вторым счетчиком цифрового делительного блока 11 зафиксируется число импульсов N -f т- -inbafoJL-. чшч гл оггзтт.и ) 2Jrr,t/ После выполнения операции деления (12) и (13) в цифровом делительном блоке 11 получаем значение квадратурной составляющей Z sin4 ZgSinV -X -о /JJ.V . пропорциональное при 2д31пЧ р кратном 10 кодовому отношению , которое поступает в цифровой отсчетный блок 12. При измерении индуктивности Ч и ZgSin 4 и1;Ьи-тогда Ч-Ч- (14 Если характер измеряемого сопротивления емкостний, то l/cjWCg, а Z sin % 1/шСо и « (15) Таким образом, устройство позволяет измерять RLC-параметры в широком частотном диапазоне, поскольку результат измерения не зависит от частоты колебаний генератора 8 синусоидального напряжения, его амплитудного значения U сопротивления измерительной цепи, постоянных С ,Ц врёмени интеграторов 2 и 4, Формула изобретения Цифровой измеритель RLC-параметров, содержащий генератор синусоидального напряжения, последовательно соединенные первый переключатель и первый интегратор, а также блок сравнения, селектор, цифровой делитель ный блок и цифровой отсчетный блок, причем второй ,вход блока сравнения соединен с общей шиной, второй вход селектора соединен с выходом генер тора импульсов, последовательно соединенные второй переключатель и второй интегратор, источник опорного напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом второго интегратора, блок управления, блок образ- ( цовых элементов, ключ, резистор, формирователь временного интервала, первый вход которого соединен со вторым выходом блока образцовых элементов, первым выводом резистора и выходом ключа, сигнальный вход которого подключен -к первому выходу Олока образцовых элементов, к общей шине и к первому входному зажиму устройства, второй входной зажим ко-: торого соединен с первым сигнальным входом первого переключателя и одним из полюсов генератора синусоидального напряжения, второй полюс которого подключен ко второму выводу резистора и второму входу формирователя временного интервала, выход которого соединен с первым входом блока управления, соответствующие выходы которого соединены с управляющими входами ключа,блока образцовых элементов, двух переключателей, селектора, цифрового делительного блока, цифрового отсчетного блока и форми-

рователя временного интервала, о тличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения частотного диапазона, первый сигнальный вход второго переключателя соединен с выходом первого интегратора, а второй его сигнальный вход - с выходом источника опорного напряжения, выход второго интегратора соединен с первым входо блока сравнения и со вторым входом блока управления, а второй сигнальный вход первого переключателя подключен к первому входу формировател временного интервала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 467302, кл. G 01 R 27/26, 10.11.72.

2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2518035/18-21,

кл. G 01 R 27/26, 15.08.77 (прототип) .