Компенсационное устройство дляизМЕРЕНия пАРАМЕТРОВ элЕМЕНТОВ СлОж-НыХ элЕКТРичЕСКиХ цЕпЕй Советский патент 1981 года по МПК G01R17/02 

(54) КОМПЕНСАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТЮВ ЭЛЕМЕНТОВ СЛОЖНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ Изобретение относился к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в автоматизированных измерительных системах (АИС), при измерениях параметров резисторов и конденсаторов, образующих сложные электрические цепи. Известно устройство преобразования комплек сных сопротивлений в напряжение, содержащее два последовательно включенных операционных усилителя (ОУ), два фазочувствительных детектора, два интегратора, два модулятора, суммирующий усилитель и резистор обратной связи t Недостатком его является то, что при измерении комплексных сопротивлений устройство обладает ограничеш ым быстродействием и точностью измерения малых эначетт колвшексных сопротивлений, обусловленными необходимостью использования только контактных ключей для подключения объекта контроля к устройству (при работе в составе АИС), обладающих достаточ но больпшм временем дребезга контактов и непостоянством сопротивления замкнутого ключа. Необходимость применения контактны} слючей вызвана тем, что, как известно, входное сощюЦЕПЕЙтивление ОУ охваченного отрицательной обратной связью, стремится к нулю. Известно также устройство для измерения параметров элементов сложных электричес цепей, содержащее источник калиброванного напряжения, (итерационные усилители с калибровочными резисторами в цепях обратной связи, измеряемую сложную электрическую цепь и устройство обработки информации 2. Это устройство позволяет одновременно контролировать несколько элементов сложной электрической цепи, но вместе с тем подключение контролируемых элементов к схеме возможно только с помо110 ю контактных ключей, оп а}шчаватиж быстродействие. Кроме того, результаты измерения существенно зависят от ° стабильности амплитуды и частоты источника калиброванного напряжения. Наиболее близким по технической сущности является Статический прео азователь составляницих комплексного сопротивления, которь1Й содержит усилитель сравнения напряжёния, два фазочувствительных элемента (ФЧЗ), два модулятсфа,. суммирующий усилитель, два ртсчетных устройства, фазовращатель, образцевое и комплексное измеряемое сопротивление 3. Однако известное устройство позволяет исключить влияние колебаний амплитуды опорного напряжения на точность измерения, но необходимость подключения образцового и измеряемого сопротивлений в точку виртуального нуля усилителя сравнения напряжения требует применения контактных ключей в ком мутаторе (при использовании преобразователя в составе АИС), что значительно ограничивает быстродействие измерений и снижает надежностъ всей АИС в целом. Цель изобретения - повышение быстродействия измерений параметров злементов сложных электрических цепей и надежности устройства. Поставленная цель достигается тем, что ком пенсационное устройство для измерения параме ров злементов сложных электрических цепей, содержащее усилитель сравнения напряжения, вь1Ход которого соединен с двумя фазочувствительными элементами, выходы которых соединены с блоками отсчетных устройств и через модртяторы подключены ко входам суммирую щего усилителя, выход которого через первый образцовый рс-зистор присоединен к первому входу усилителя сравнения напряжения, снабжено генератором прямоугольных импульсов, делителем частоты, двумя счетными триггера ми, источником постоянного напряжения, модулятором, интегрируюцдш усилителем, усилителем напряжения с двумя бесконтактными ключами в цепи отрицательной обратной связ блоками уравновешивания по числу одновременно измеряемых параметров с усилителем напряжения на входе, с двумя ключами и вторым образцовым резистором в цепи отриц тельной обратной связи, и с интегратором, общий вывод для подключения элементов ко тролируемой схемы соединен с двумя первым бесконтактными ключами, второй вывод одного из них подключен к инвертирующему входу первого усилителя напряжения, выход которого соединен со вторым вьтодом второго ключа, а неинвертирующий вход подклю чен к выходу первого интегрирующего усили теля, вход которого через третий модулятор соединен с источником постоянного напряжения, а выход генератора прямоугольных импульсов через делитель частоты подключен ко входам двух счетных триггеров, причем выхо одного из них соединен со входом третьего модулятора и вторыми входами блоков урав новешивания, выход второго триггера подклю чен к третьим входам блоков уравновешиван первые входы которых соединены со вторым 24 входами элементов .контролируемой схемы, ;кроме того, первый вход первого блока уравновешивания соединен с общими выводами двух вторых ключей, второй вывод одного ключа подключен к инвертирующему входу второго усилителя напряжения, а второй вывод второго ключа соединен с выводами двух образцовых резисторов и первым входом усилителя фавнення напряжения, второй вход которого соединен с выходолг второго усилителя напряжения и вторым выводом второго образцового ключа, интегрирующий усилитель включен между одним из входов суммирующего усилителя и выходом первого модулятора, причем управляющие входы модуляторов и второго фазочувствительного элемента подключены ко второму входу блока уравновещивания, а управляющий вход первого фазочувствительного элемента соединен с третьим входом этого блока. Введение последовательно включенных генератора прямоугольных импульсов, делителя частоты и двух счетных триггеров, срабатывающих от разных фронтов импульса, позволяет сравнительно просто реализовать два управляющих напряжения, сдвинутых на 90 друг относительно друга, причем величина этого сдвига не зависит от частоты (ГПИ) в широком диапазоне. Включение последовательно соединенных источника постоянного напряжения, модулятора, интегрирующего усилителя и усилителя напряжения с двумя бесконтактными ключами в цепи (ООС), позволяет сравнительно просто получить опорное переменное напряжение треугольной формы, амплитуда которого не зависит от колебаний сопротивлений контактных ключей, подключающих это напряжение в заданную точку измеряемой электрической цепи. Применение на входе каждого блока уравновешивания устройства усилителя напряжения с последовательно включенными двумя бесконтактными ключами и образцовым резистором в цепи (ООС) дает возможность обеспечивать в точках подключений к измерительной электрической цепи нулевой потенциал, что позволяет искусственно разорвать измеряемую электрическую цепь (т.е. исключить влияние шунтирующих элементов, не участвующих в измерениях), а также сделать величину тока, протекающего через измеряемый элемент, независимой от сопротивления бесконтактных ключей. Дополнительно в каждый блок уравновешивания входят усилители сравнения напряжения. Входы каждого усилителя сравнения напряжения подключены к образцовому резистору, выход - к последовательно соединенным ФЧЭ, модулятору и интегратору, а также к щ)угому ФЭЧ и модулятору. Выходы рштегратора и модулятора соединены с суммирующим усилителем, который через резистор обратной связи подключен к усилителю шгфяжения. Число блоков уравновешивания определяется количеством контролируемых двухполюсников. На чертеже приведена блок-схема предлага мого устройства. Устройство содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, который подключен через делитель 2 частоты, управляемый от ПУ, к счетным триггерам 3 и 4, выход триггера 3 соединен с управляющим входом модулятора 5 и входами 6, 7 и 8 блоков 9, 10 и 11 уравновешивания соответственно, а также выход триггера 4 подключен ко входам 12, 13 и 14 одинаковых блоков 9, 10 и 11 ура новешивания соответственно. Источник 15 по стоянного напряжения через модулятор 5 сое динен со входом интегрирующего усилителя 16, выход которого подключен к неинвертирующему входу усилителя 17 напряжения, инвертирующий вход которого соеданен с бе контактным ключом 18, который присоединен к бесконтактному ключу 19 и выводам; эле ментов 20-24 контролируемой схемы 25, при чем второй вывод элементов 23 и 24 подклю чен к входу 26 блока 9, второй вывод -элементов 21 22 подключен ко входу 27 бло ка 10, а второй вывод элемента 20 подключен ко входу 28 блока 11. Вход 26 блока 9 соединен с бесконтактными ключами 29 и 30, причем второй вывод ключа 29 присоединен к инвертирующему входу усилителя 31 напряжения, а второй вывод ключа 30 под ключен к образцовым резисторам 32 и 33 и первому входу усилителя 34 сравнения напряжения, второй вход которого подключен к выходу усилителя 31 напряжения и резистору 32, а выход; соединен с первыми входами фазочувствительных элементов 35 и 36, выходы которых подключены к выходам 37 и 38 блока 9 и входам модулятогюв 39 и 40 соответственно, причем выход модулятора 39 через интегрирующий усилитель 4} подключен к одному входу суммирующего усилителя 42, а выход модулятора 40 подклю чен ко второму входу усилителя 42, выход которого соединен с одним из вьшодов резистора 33. Выходы 37 и 38 блока 9, выходь 43 и 44 блока 10 и выходы 45 и 46 блока 1 подключены к блоку 47 отсчетмых устройств. Устройство работает следующим образом. Источник 15 вырабатывает постоянное напряжение, которое с помощью модулятора 5 преобразуется в переменное напряжение прямоугольной формы, с частотой, равной полоВине частоты следования импульсов на вы26ходе делителя 2 частоты, причем скважносп импульсов напряжения на выходе модулятора 5 всегда будет равна двум за счет применения счетного триггера 3, управляющего модулятором 5, и не зависит от стабильности длительности импульсов генератора 1. Затем напряжение прямоугольной формы подается на вход интегрирующего усилителя 16, где преобразуется в переменное напряжение треугольной формы, которое подается на неинвер тирующий вход усилителя 17 напряжения, с включенными двумя бесконтактными ключами 18 и 19 в цепи (ООС), которые являются элементами коммутатора, осуществляющего подключение опорного переменного напряжения к общей точке элементов 20-24, контролируемой схемы 25. Учитывая свойство ОУ поддерживать на своих входах одинаковое напряжение с высокой точностью, а также. то, что входной ток современных ОУ составляет единицы наноампер, можно видеть, что напряжение в точке соединения открытых ключей будет с высокой точностью повторять напряжение на неинвертнрующем входа ОУ 17 Таким образом, на входы 26, 27 и 28 блоков уравновешивания будет подаваться переменный ток, которого равно пронзведенню величины переменного нащ.яжения с входа ОУ 17 на значение суммарной проводимости соответствующего элемента 20 или 21, 22 или 23, 24 контролируемой схемы 25. Так как усилитель 31 включен по схеме .усилителя тока, то падение напряжения на образцовом резисторе 32 прямопропорцнонально значению суммарной проводимости элементов 23 ч 24 и не зависит от значений сопротивлений открытых ключей 29 и 30. Учитьшая свойство , ОУ, рассмотренное выше, потенциал напряжения на входах 26 и 27 будет стремиться к- нулю, так как неинвертирующие входы усилителей заземлены, что позволяет электрически развязать измеряемые двухполюсники и тем самым исключить шунтирующее влияиие других элементов схемы 25. Падение напряжения на резисторе 32 будет 1фямопропорционально разности токов, протекающего через элементы 23 и 24 и компенсирующего тока, протекающего по резнстору 33. Это падение напряжения, будучи усиленным, с помощью усилителя 34 пода- ется на два канала демодуляции, причем ФЧЭ 35 выделяет синфазную составляющую напряжения, пропорщюнальную активной проводимости элемента 23, а ФЧЭ 36 - квадратурную оставляющую, пропорциональную емкостной рюводимости элемента 24. Выделенные потояш{ые напряжения- с выходов элементов 35 и 36. подаотся на модуляторы 39 и 40, 7 формируюише переменное напряжение прямоугольной формы, с фазовой совпадающей с напряжением на выходе модулятора 5, что достигается за счет подат на управляющие входы модуляторов 5, 39 и 40 прямоугольного напряжения с выхода счетного триггера 3. Обеспечение 90° сдвига фазы напряжения на выходе триггера 4 вЬшолняется за счет использования запускающего фронта импульса противоположной полярности чем для триггера З. Таким образом, на выходах триггеров 3 и 4 формируются два переменных напряжения импульсов со скважностью, равной 2 и сдвинутых на 90° друг относительно друга. Переменное напряжение с выхода модулятора 39 подается на интегрирующий усилитель 41, где формируется компенсирующее напряжение треугольной формы, где суммируется с прямоугольным напряжением со входа модулятора 40 с помощью усилителя 42, которое затем подается через образцовый резистор 33 в точку компенсащш. Таким образом, на выходах ФЗЧ 35 и 36 формируются постоянные напряжения, пропорциональные сопротивлению элемента 23 и емкости элемента 24, которые с выходов 37 и 38 соответственно поступают на блок 47 отсчетных устройств. Аналогичные элементы содержат блоки 10 и 11, где на выходах 43 и 44 формируются постоянные напряжения, пропорциональные резистивной проводимости элемента 21 и емкостой проводимости элемента 22, а на выходе 45 формируется постоянное ншфяжение, пропорциональное проводимости элемента 20. В общем случае число блоков уравновещивавия может быть равно суммарному числу измеряемых одно или двухэлементных двухполюсников, имеющих общую точку для подачи тестирующего напря жения, что позволяет уменьщить среднее время измерения одного двухполюсника в N-pas, где N - равно числу блоков уравновешивания. При этом обеше швается развязка измеряемых проводимостей (за счет исключения взаимного влияния блоков уравяовецшва ния и щуятирующего действия других элементов в схеме 25), что достигается обеспечеяием нулевото потенциала на всех .входах блоков уравновешивания. Использование бесконтактных ключей, обеспечиваняцих лодключевие измерительного устройства, к кютролируемой схеме 25, позволяет не только повы сил &1С1родействие устройства измерений, но и надежность АИС в цепом, за счет искл чения из системы механических ключей комм птора. Прямейшие в качестве тест1фующего переменного напряжения треугольной формы, |получаемого из прямоугольного, позволяет сравнительно просто реализовать высокоточ иые элементы модуляторов, которые могут быть выполнены по схеме двухполупериодных фазочувствительных детекторов а также обеспечить частотно-независимый фазовый сдвиг напряжений, управляющих работой ФЧЭ и модуляторов. Фор м у ла изобретения Компенсационное устройство для измерения параметров элементов сложньк электрических цепей, содержащее усилитель сравнения напряжения, выход которого соединен с двумя фазочувствнтельными элементами, выходы которых соединены с блоками отсчетных устройств и через модуляторы подключены ко входам суммирующего усилителя, выход которого через первый образцовый резистор присоединен к первому входу усилителя сравнения напряжения, отличающееся тем, что, с целью повыщения быстродействия измерений параметров элементов сложных электрических цепей и надежности устройства, оно снабжено генератором прямоугольных импульсов, делителем частоты, двумя счетными триггерами, источником постоянного напряжения,. модулятором, интегрирующим усилителем, усилителем напряжения с двумя бесконтактными ключами в цепи отрицательной обратной связи, блоками уравновешивания по числу одноврем шо измеряемых параметров с усилителем напряжения на входе, с двумя ключами и вторым образцовым резистором в цепи отрицательной обратной связи, и с интегратором, общий вывод для подключення злементов кон1ролируемой схемы соединен с двумя первыми бесконтшстными ключами, второй вывод одного из них подключен к инвертирующему входу первого усилителя напряжения, выход которого соединен со вторым выводом второго ключа, а неинвертирующий вход к выходу первого шстегрирующего усилителя, вход которого третий модулятор соед1шен с источником постоянного напряжения, л выход гшератора прямоугольных импу;асов через делитель частоты подключш ко входам двух счетных трштеров, причем выход одаого из них соединен со входом третьего кюдулят фа и вторы в1 входами блоке уравновешивания, выход второго триггера подключен к третьим входам блоков уравнсшешивания, первые входы которых соединшы со вторыми входами элементов контролщ уемой схемы, кроме того, первый вход первого блока уравновешивание соединен с обищми выводами двух вторых ключей, вто,рой вывод одного ключа подключен к инвертирующему входу второго усилителя напряжения, а второй вывод второго ключа соединен с выводами двух образцовых резисторов и первым входом усилителя сравнения напряжения, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя напряжения и вторым выводом второго образцового ; ключа, интегрирующий усилитель включен между одним из входов суммирующего усилителя и выходом первого модулятора, причем управляющие входы модуляторов и второго фазочувствительного элемента подключены ко второму входу блока уравновешивания, а управляющий вход первого фазочувствительного

элемента соединен с третьим входом этого блока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Гав1ришок М. А.и др. Электронные измерители С, L, R. Львов, Вшца школа, 1978, с. 59.

2.Авторское свидетельство СССР N 490361, кл. G 01 R 27/02, 1978.

3.Алиев Т. М. в др. Авгокомпшсационны: измерите П«ые устройства переменного тока. М., Энертня, 1977, с. 302. (прототип).

.т14«„ 1 ЕЕ Щ

1I

I IЛЛI

.a-1

47

fl I

Ilflf6

T