Цифровой автоматический экстремальныйМОСТ пЕРЕМЕННОгО TOKA Советский патент 1981 года по МПК G01R17/10 

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике, точнее к мостам переменного тока. Оно может быть использовано при построении быстродействующих и одновременно высокоточных приборов и систем, предназначенных для измерения параметров комплексных сопротивлений (проводимостей) мостовыми методами.

Широко известны автоматические экстремальные мосты переменного тока для измерения параметров комплексных сопротивлений (проводимостей) 1.

Эти приборы обладают высокой помехоустойчивостью и точностью измерения, возможностью развязки контуров уравновешивания и другими- достоинствами. Однако использование параметрической модуляции, а также избирательного усиления сигнала неравновесия мостовой измерительной схемы в этих мостах приводит к некоторому ограничению их быстродействия.

Из известных цифровых автоматических экстремальных мостов переменного тока наиболее близким по технической сущности к изобретению является мост, который содержит последовательно соединенные генератор гармонических колебаний, мостовую измерительную схему и детектор равновесия, состоящий из последовательно включенных избирательного усилителя и анализатора приращений амплитуды сигнала неравновесия, два идентичных канала уравновешивания, каждый из которых содержит реверсивный счетчик со счетным и управляющим входами, триггер реверса, модулятор и логический элемент И с двумя входами, причем первый вход логического элемента И соединен с выходом детектора равновесия, а выходы-со счетными входами реверсивного счетчика и триггера реверса, выходы реверсивного счетчика и модулятора подключены к мостовой измерительной схеме, управляющие входы реверсивного счетчика и модулятора соединены

с выходом триггера реверса; а также мультивибратор, выходы которого подключены ко вторым входам модулятора и логического элемента И обоих каналов. Кроме того, мост-прототип содержит ждущий мультивибратор, два сумматора и два дополнительных модулятора, причем в каждом канале выходы основного и дополнительного модуляторов через сумматор подключены к мостовой измерительной схеме, входы управления дополнительного модулятора подключены к соответствующему триггеру реверса и выходам основногоо и ждущего мультивибраторов, при этом выходы основного и входы ждущего мультивибратора

соединены между собой 2.

В мосте-прототипе выходной сигнал мостовой измерительной схемы модулируется по амплитуде, причем так, что в начале и в конце модуляционного воздействия амплитуда выходного сигнала значительно больше, нежели в середине его. Поступление такого сигнала на избирательный усилитель приводит к резкому повышению скорости нарастания выходного сигнала усилителя. Это позволяет осуществить сокращение длительности модуляционного воздействия и дальнейшее повышение быстродействия моста.

Вместе с тем, быстродействие прототипа ограничено недопустимо большой длительностью переходных процессов в избирательном усилителе, вызванных коммутацией уравновешивающего устройства в процессе дискретного уравновешивания мостовой измерительной схемы. Кроме того, как при модуляции уравновешиваемых параметров, так и при уравновешивании мостовой измерительной схемы из-за неидеальности ключевых элементов возникают короткие коммутационные помехи большой интенсивности.

Цель изобретения повышение быстродействия и надежности цифрового автоматического экстремального моста переменного тока за счет сокращения продолжительноети переходных процессов в избирательном усилителе, вызванных как модуляцией уравновешиваемых параметров, так и коммутационными помехами, возникающими в процессе уравновешивания моста.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой автоматический экстремальный мост тока, содержаший последовательно соединенные генератор гармонических колебаний, мостовую измерительную схему, детектор равновесия, состоящий из последовательно включенных избирательного усилителя и анализатора прирашений амплитуды сигнала неравновесия, два идентичных канала уравновешивания, каждый из которых содержит реверсивный счетчик со счетным и управляющим входами, модулятор с двумя управляющими входами, триггер реверса и логический элемент И с двумя выходами, первый вход которого соединен с выходом детектора равновесия, а выходы - со счетными входами реверсивного счетчика и триггера реверса, выходы реверсивного счетчика и модулятора подключены к мостовой измерительной схеме, управляющие входы реверсивного счетчика и модулятора соединены с выходом триггера реверса, а также ждущий мультивибратор и симметричный мультивибратор, выходы которого подключены ко вторым входам модулятора и логического элемента И обоих каналов, введены ключ, логический элемент ИЛИ и широкополосный усилитель, вход которого соединен со входом избирательного усилителя, а выход - через ключ соединен с выходом избирательного усилителя, входы логического элемента ИЛИ соединены с выходами реверсивных счетчиков и модуляторов обоих каналов, а выход логического элемента ИЛИ через ждущий мультивибратор подключен к управляющему входу ключа.

Выходы усилителей могут быть соединены вместо ключа также при помощи неуправляемого нелинейного элемента, вольтамперная характеристика которого обладает двусторонним ограничением по напряжению.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого цифрового автоматического экстремального моста переменного тока; на фиг. 2 и 3 - избирательный усилитель в мосте, варианты выполнения.

Предлагаемое устройство содержит генератор 1 гармонических колебаний, мостовую измерительную схему 2, детектор 3 равновесия, состоящий из последовательно включенных избирательного усилителя 4 и анализатора 5 приращений амплитуды сигнала неравновесия, два идентичных канала уравновешивания, каждый из которых содержит реверсивный счетчик 6 со счетным и управляющим входами, модулятор 7 с двумя управляющими входами, триггер 8 реверса и логический элемент 9 И с двумя выходами, причем первый вход логического элемента И соединен с выходом детектора 3 равновесия, а выходы - со счетными входами реверсивного счетного счетчика 6 и триггера 8 реверсаа, выходы реверсивного счетчика 6 и модулятора 7 подключены к мостовой измерительной схеме 2, управляющие входы реверсивного счетчика 6 и модулятора 7 соединены с выходом триггера 8 реверса, а также мультивибратор 10, выходы которого подключены ко вторым входам модулятора 7 и логического элемента 9 И обоих каналов, и ждущий мультивибратор 11.

Кроме того, предлагаемый мост содержит широконолосный усилитель 12 с низкоомным выходом, ключ 13 и логический элемент 14 ИЛИ, причем вход широкополосного усилителя 12 соединен со входом избирательного усилителя 4, а выход - через ключ 13 подключен к выходу избирательного усилителя 4, входы логического элемента 14 ИЛИ подключены к выходам реверсивных счетчиков 6 и модуляторов 7 обоих каналов, а выход логического элемента 14 ИЛИ через ждущий мультивибратор 11 подключен к управляющему входу ключа 13.

Избирательный усилитель 4 сигнала неравновесия (на фиг. 2 и, 3) в мосте-прототипе, как и в других известных мостах, состоит из широкополосного усилителя 15 и избирательной цепи, например CL-контура 16. При этом контур может быть параллельным (на фиг. 2) или последовательным

(фиг. 3). Для обеспечения необходимой избирательности усилитель должен обладать в первом случае высоким выходным сопротивлением, а ВО втором - низким. Независимо от вида конкретной реализации избирательного усилителя с увеличением его добротности сужается полоса пропускания, возрастает помехоустойчивость моста. Однако сужение полосы пропускания усилителя сопровождается ухудшением его динамических показателей.В частности, скачкообразные на входе избирательного усилителя приращения амплитуды сигнала неравновесия моста приводят к появлению невыходе усилителя продолжительных экспонеппиальных по форме переходных процессов. К аналогичному эффекту приводит и попадание в усилитель коротких, но мощных коммутационных помех.

В предлагаемом мосте упомянутые переходные процессы значительно сокращаются. Это происходит следующим образом.

Амплитуда сигнала неравновесия, поступающего на вход усилителя 4, изменяется при переключении либо реверсивных счетчиков 6, либо модуляторов 7 любого из каналов. Именно в эти моменты времени возникают и коммутационные помехи. Благодаря специальному подключению входов логического элемента 14 ИЛИ любые из упомянутых переключений в мостовой измерительной схеме приводят к срабатыванию ждущего мультивибратора И. При этом на время срабатывания ждущего мультивибратора замыкается ключ 13 (фиг. 2 и 3) и выход усилителя 15 щунтируется низким выходным сопротивлением щирокополоспого усилителя 12; это сопротивление равно нескольким омам. В исходном состоянии моста, при разомкнутом ключе 13, добротность усилителя 4 определяется эквивалентным сопротивлением потерь в контуре, равным единицам и даже десяткам килоОМ.

Таким образом, щунтирование высокоомного выхода избирательного усилителя 4 снижает добротность последнего, а следовательно, и продолжительность пеоеходных процессов в усилителе в тысячу и более раз.

Для того, чтобы после размыкания ключа 13 в колебательном контуре не возникал переходный процесс, необходимо соблюдение равенства коэффициентов усиления щирокополосного усилителя 12 и усилителя 4 на резонансной частоте. Продолжительность замыкания ключа 13 определяется длительностью астабильного состояния ждущего мультивибоатооа 11 и выбирается поимерно равной сокоащенной продолжительности переходных пооцессов в избирательном усилителе 4 либо длительности мощных коммутационных помех. После размыкания ключа 13 происходит восстановление высокого значения добротноети контура, необходимой для эффективного подавления случайных помех и щумов.

Сокращение переходных процессов в избирательном усилителе путем кратковременного щунтирования высокоомного выхода этого усилителя низким выходным сопротивлением щирокополосного усилителя может быть реализовано путем соединения выходов усилителей между собой также при помощи неуправляемого нелинейного элемента, вольтамперная характеристика которого обладает двусторонним ограничением по напряжению.

Такое выполнение устройства позволяет достигнуть поставленной цели следующим обоазом.

При отсутствии коммутационных, случайных помех и щумов напояжения на выходах усилителей равны. Следовательно, нелинейный элемент, включенный между выходами усилителей, закрыт, т. е. его сопротивление велико. Поэтому добротность и щумоподавляющие качества избирательного усилителя 4 высоки. При наличии случайных помех и щумов, если их уровень на выходе щирокополосного усилителя 12 не превьтщает напряжения открывания нелинейного элемента, сохраняется аналогичное положение.

Эти помехи эффективно подавляются избирательным усилителем 4, чем обеспечивается заданная помехоустойчивость моста. Если же ам-плитуда выходного сигнала мостовой измерительной схемы претерпевает модуляционное приращение, либо если этот сигнал содеожит мощные коммутационные помехи, то напряжение на выходе щирокополосного усилителя 12 существенно поевыщает напряжение на выходе инерционного избирательного лсилителя 4. При этом открывается нелинейный элемент, т. е. выходы уси.пите.тей оказываются замкнутыми чепез малое сопротивление открытого нелинейного элемента. Этим обеспечивается резкое снижение добротности избирательного усилителя 4 и сокращение переходных процессов в этом усилителе. По окончании переходных процессов напряжения на выходах усилителей сравниваются, нелинейный элемент закрывается. После этого в избирате.дьном лси.дителе осуществляется подавление с.дучайных помех и щумов аналогично тому, как это происходит в мосте-ппототипе.

Отметим, что выполнение избирательного усилителя в виде птиппкополосного усилителя нягруженногона CL-KOHTVP (Лиг. 2 W Я), является одной из возможных CTPVKтуп ятого узля мостя и выбрано для упрошения описания сущности изобретения. В лейстпительности избирательный усилитель 4 может быть многокаскадным т выполненным в виде последовяте.дьного соединения ряда УЗЛОВ, кая-сдый из КОТОРЫХ содержит щирокополосный усилятель 15 и

колебательный контур 16. Однако и в таком усилителе возможно использование предлагаемого технического решения. Для сокращения переходных процессов в подобном многокаскадном усилителе необходиМО широкополосный усилитель 12 также выполнить многокаскадным, причем так, чтобы коэффициенты усиления соответствующих каскадов широкополосного и избирательного усилителей на резонансной частоте были равны между собой. Выходы соответствующих каскадов обоих усилителей необходимо соединить при помощи ключей или неуправляемых нелинейных элементов.

В избирательном усилителе моста-прототипа продолжительность переходных процессов, вызванных мощными коммутационными помехами, может составлять десятки периодов напряжения питания мостовой измерительной схемы. Если длительность такта автоматического уравновешивания моста меньше времени затухания этих переходных процессов, то последние могут вызвать сбои в работе моста. В предлагаемом устройстве продолжительность указанных переходных процессов составляет доли периода рабочей частоты. Благодаря этому оказывается возможным сократить продолжительность такта уравновешивания в 10 и более раз. Тем не менее, продолжителькость переходных процессов значительно меньше длительности такта уравновешивания, который может быть менее периода рабочей частоты. Поэтому сбои в системе автоматического уравновешивания предлагаемого моста, вызванные переходными процессами, исключаются, что обеспечивает повышение быстродействия и надежности моста переменного тока.

Формулаизобретения

Цифровой автоматический экстремальней мост переменного тока, содержащий

последовательно соединенные генератор гармонических колебаний, мостовую измерительную схему, детектор равновесия, состоящий из последовательно включенных избирательного усилителя и анализатора приращений амплитуды сигнала неравновесия, два идентичных канала уравновешивания, каждый из которых содержит реверсивный счетчик со счетным и управляюц1им входами, модулятор с двумя управляющими входами, триггер реверса и логический элемент И с двумя выходами, первый вход которого соединен с выходом детектора равновесия, а выходы - со счетными входами реверсивного счетчика и триггера реверса, выходы реверсивного счетчика и модулятора подключены к мостовой измерительной схеме, управляющие входы реверсивного счетчика и модулятора соединены с выходом триггера реверса, а также ждущий мультивибратор и симметричный мультивибратор, выходы которого подключены ко вторым входам модулятора и логического блока И обоих каналов, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и надежности, он снабжен ключом, логическим элементом ИЛИ и широкополосным усилителем, вход которого соединен со входом избирательного усилителя, а выход - через ключ соединен с выходом избирательного усилителя, входы логического элемента ИЛИ соединены с выходами реверсивных счетчиков и модуляторов обоих каналов, а выход логического элемента ИЛИ через ждущий мультивибратор подключен к управляющему входу ключа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Грипевич Ф. Б. Автоматические мосты переменного тока. Новосибирск, РИО СО АН СССР, 1964, с. 142

2.Авторское свидетельство СССР № 618689, кл. ООН 17/10,1976 (прототип.