Цифровой измеритель RLc-параметров Советский патент 1981 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относнтся к электроизмерительной технике и может найти при менение при измерении RLC-параметров в широком частотным диапазоне. Известен цифровой измеритель сопро тивления, емкости и индуктивности, содержащий управляемый генератор сину соидального напряжения, подключенный ко входу частотозависимой цепи с образцовь1м и измеряемым элементами, и преобразователь изменения параметров в напряжение, вход которого подключен к выходу цепи, а его выход-подключен к управляющему входу генератора, формирователь периода выходного сигнала генератора, цифровой измеритель периода, два коммутатора, источник напряжения постоянного тока, время-импульсный преобразователь и цифровой измеритель отношения временных интервалов, причем выход -источника напряжения постоянного тока подключен ко входу измерительной цепи,вход .время-импульсного преобразоватеЛЯ подключен к выходу измерительной цепи, входы цифрового измерителя отношения временных интервалов подключены к выходам время-импульсного преобразователя напряжения и формирова- . теля периода выходного сигнала генератора через первый коммутатор, управляемый синхронно со вторым коммутатором, входы которого подключены к выходам генератора синусо1 дального напряжения и источника напряжения постоянного тока СО Недостатком известного измерителя является то, что он обеспечивает измерения только на фиксированных частотах со сравнительно низкой точностью, так как построение широкодиапазонных смесителя, гетеродина и фильтра связано с значительными техническими трудностями, а результс-т зависит от значения напряжения иточника постоянного тока, коэффициента пропорциональности преобразователя временного. интервала и чувствительности формирователя разностных временных интервалов, что значительно ухудшает точ- ность измерения в пгироком частотном диапазоне. Наиболее близким к предлагаемому является цифровой измеритель RLC-na раметров, содержащий генератор синусоидального напряжения, последователь но соединенные переключатель, интегра , тор, блок сравнения, селектор, цифровой делитель и цифровое отсчетное устройство, а также генератор импульсов, подключенный к второму входу селектора, второй переключатель, блок образцовых элементов, блок управления и источник опорного напряжения, выход которого подключен к вторы входам обоих переключателей, причем один из полюсов генератора синусоидального напряжения соединен с одним из входных зажимов устройства, один выход блока образцовых элементов соединен с вторым входным зажимом устройства, второй вход блока сравнения подключен к общей шине, а выходы блока управления связаны с входами управления переключателей, селектора, цифрового делителя и цифрового отсчетного устройства, второй интегратор, второй блок сравнения, ключ и формирователь временного интервала, первый вход которого соединен с вторым выходом блока образцовых элементов, сигнальным входом втор.рго пере вход коключателя и выходом ключа, выходу бл торого подключен к первому ка образцовых элементов и к общей ши не, второй вход формирователя вре-. менного интервала соединен с вторым полюсом генератора синусоидального напряжения, а выход - с входом блока управления, причем к выходу второго переключателя подключен второй интегратор, выход которого связан с вхо дом второго блока сравнения и входом управления источника опорного напряжения, выход первого интегратора свя зан с вторым входом управления источника опорного напряжения и входом блока управления, второй вход второго блока сравнения подключен к общей тине, а выход - к третьему входу селектора, сигнальный вход первого переключателя соединен с первым входным зажимом устройства, а выходы бло ка управления связаны с управляющими входами ключа, формирователя временных интервалов и блока образцовых элементов 123. 8 4 Недостатком данного измерителя вляется отсутствие возможности измеения полного сопротивления с высоой точностью на переменном токе. Цель изобретения - повьшение точости измерения полного сопротивлеия. Поставленная цель достигается тем, то В цифровой измеритель RLC-napaетров, содержащий генератор синусодального сигнала, первый выход которого соединен с первым входным зажиом измерителя для подключения изеряемого сопротивления, второй выход - с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с первым входом ключа и с первым зажимом первого блока образцовых элементов, второй зажим которого соединен со вторым входом, ключа и с общей шиной, переключатель первый подвижный контакт которого соединен с первым входом первого интегратора, селектор, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход - с последовательно соединенными цифровым вычислительным блоком и цифровым отсчетным блоком, блок управления, первый выход которого соединен с управляюп ими входами ключа и переключателя, второй выход - с управляющим входом первого блока образцовых элементов, третий выход - с управляющими входами селектора, цифрового вычислительного блока и цифрового отсчетного блока, введен второй блок образцовых элементов, первый зажим которого соединен с первым входным зажимом измерителя и с первым входом блока управления, второй и третий входы которого включены параллельно выводам резистора, первый выход соединен с управляющим входом генератора синусоидального сигнала, четвертый выход соединен со вторыми входами интеграторов, а пятый - с уп-, равляющим входом второго блока образцовых элементов, второй зажим которого подключен к вторым неподвижным контактам переключателя, первые неподвижные контакты которого подключены к второму входному зажиму измерителя, а второй подвижный контакт соединен с вторым зажимом первого блока образцовых элементов, второй зажим которого соединен с первым входом второго интегратора, выход которого соединен с третьим входом селектора, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора. 5 На чертеже представлена блок-схе цифрового измерителя RLC-impaMeTpoB Цифровой измеритель RLC-параметров содержит генератор 1 синусоидал ного сигнала, измеряемое сопро ивление 2, второй блок 3 образцовых элементов, переключатель 4, первый тегратор 5, селектор 6, вычислитель ный блок 7, цифровой отсчетный блок 8, резистор 9, ключ 10, первый блок 11образцовых элементов, генератор 12импульсов, блок 13 управления, второй интегратор 14, Измеритель работает следующим об разом. Измерение синфазной и квадратурной составляющих импеданса основано на интегрировании напряжения на измеряемом Zy 2 и образцовом ZQ 11 импедансах в течение времени, определяемого блоком 13 управления. При синусоидальном напряжении на сопротивлениях 2 и П U(t) (a)t + Ч) в процессе их интегрирования в аТ до t ЬТ течение времени от t получим T-Oni ((Ъ-о(). (1) ntr где Uf - амплитудное значение напря жения , Т - постоянная времени интегри рования ; Т - период исследуемых колебаний. В выражении {1) составляющая sinfn (a-vb)-v 3 пропорциональна при a + b при а + b 1 Вторая составляющая sinn(a - b) не зависит от сдвига фаз Ч между током и напряжением и определяется лишь моментами t, а- Т и t/i Ь-Т. „1 i При интегрировании за время, равное полупериоду T: , cj b Т iиз (l) получим синфазную составляющую сигна-ла Для получения .квадратурной состав ляющей условие а + b 1 выполняется при обеспечении симметрии моментов ЬТ относительно пере аТ и t хода через нуль опорного напряжения. . sinn(b-a) 9 При измерении синфазной составляющей сопротивления первый подвижный контакт переключателя 4 находится.в положении II, а второй подвижный контакт - в положении I. Поэтому через сопротивление обра:зцового элемента 3 ток не проходит. Ключ 10 разомкнут. Напряжения на сопротивлениях 2д2 и ZQ I равны ua(t), II ri- UtTtsin(uJt4tfo) , Щ t I jto, где сдвиги фаз между током и напряжением на сопротивлениях и ZoH ; Z Zx+Zo+Rg+Rgll; где Rgll - внутреннее сопротивление генератора 1; Rrt- сопротивление резистора 9. Напряжения (4) и-(5) за время Т/2 нтегрируются интеграторами 5 и I4 двухтактным преобразованием перевоятся в числовые эквиваленты № 1 и 2, с учетом (2), (4), и (5) имеем i г (UJ4:4l) -, f 1 (ь) .-nCu.i./o), г- . , tn J При квантовании интервалов получаемРазделив (8) и (9), определяем значение синфазной составляющей импедансаR Zxcos4x RO . (10) Операция деления N1/N2 вьтолняется вычислительным блоком 7. Измерение квадратурной составляющей импеданса пронзводится в два такта. Первый такт используется для определения характера комплексного сопротивления. Ключ 10 закорачивается и блок 13 управления формирует временной интервал, симметричный относительно перехода через нуль опорного напряжения. В зависимости от емкостного или индуктивного характера измеряемого импеданса напряжение на выходе интегратора будет соответственно положительным или отрицательным. При положительном напряжет НИИ блок 13 управления выбирает в боке 11 образцовую емкость Со, а при отрицательном - индуктивность L Q. При измерении квадратурной составляющей импеданса Z х ключ 10 размыкается и блок 13 управления на время ( Ъ- Т - а т), симметричноеотносительно перехода через нуль опорного напряжения, разрешает интегрирование напряжений (4) и (5) интегратор ми 5 и 14, где двухтактным интегрир ванием напряжение преобразуется в числовые эквиваленты N« и N., а именно N -loiJ m-sinn(b-a) zsin4,( (1 S n-ZUft i-sin XjU ZUo fOT-L)tr,5inn(b-a)- Z зтЧо Разделив (11) на (12), получаем синфазную составляющую импеданса Z)(sin4x Z(5sin% При измерении индуктивности . Zy sin4x atLx; Zosin o ujLo, поэтомух- o-St При емкостном характере импеданcaZx2Zxsin4, ; Z,sin% (1 отсюда Измерение низкоомных полных сопротивлений осуществляется следующим образом. Посредством блока 13 управления первый подвижный контакт переключателя 4 устанавливается в положение 11 а второй - в положение I. Сопротивление блока 3 устанавливается равным нулю. При этом ключ 10 разомкнут. Вследствие введения связи с первого входного измерителя на вход блока I3 управления становится возможным осуществлять формирование временного интервала из напряжения на сопротивлении , а наличие связи с первого .зажима блока 11 дает возможность формировать временной интервал из напряжения на сопротивлении . рлок 13 управления разрешает интегрирование напряжения (4) в блоке 5 на время Т/2, а в блоке 14 напряжение (5) также интегрируется в течение Т/2. Поскольку временные интервалы Т/2 фор98ируются из напряжений (4) к (5) соответственно, то в выражениях (4) и (З) Чх и Чо можно опустить. При интегрировании (4) и (5) и двухтактном преобразовании в числовые эквиваленты получаем .Г д.о . - -J2 Ч i o- oat-o При квантовании временных интервалов t и tj с частотой генератора 12 импульсов имеем «oiU SinUJt «n- oVТ/2fflO «(ffoV 2 ° Разделив (16) на (17), получаем Zx Zo. Когда в качестве Z g берется чисто активное сопротивление, имеется возможность измерения Zy в диапазоне частот R - O-Njтак как R изменяется с изменением частоты. Выражение (19) справедливо лишь для случая, когда входное сопротивление интеграторов 5.и 14 намного больше преобразуемых сопротивлений Z При измерении больших сопротивлений по сигналу блока 13 управления в качестве сопротивления блока 11.берут чисто активное сопротивление Rg, а второй блок 3 образцовых элементов имеет сопротивление Z (j. В первом такте измерения ключ 10 разомкнут, а подвижные контакты переключателя 4 ус-, тановлены соответственно в положение И и I. На сопротивлении 1I имеется напряжение (t)Ro, пропорциональное току генератора 1 синусоидального сигнала. Сопротивление Rg выбирается много меньшим входного сопротивлемия 7g интегратора К. li и граторе Ь интегрируется напряжен i()-T,.Zo.Ze. 3(t)Z,c- Zov Zx+ Zo Zfty Напряжение U, (t)Ro и нап жение (20) двухтактным интегриро нием в интеграторе 14 и 5 прео&р ются в числовые эквиваленты .ax- 2:o+Zftx)U(, foi )«oa I Во втором такте измерения бл управления переводит подвижные ты переключателя 4 в положения и II. При этом генератор 1 име ток 3(t). В интеграторе 5 инте руется напряжение и - :) (И Zo(Zy4Zft) Zftx 1 -- Zo Zx+Zft 3(t)Zo.Zex Напряжение U 3 (t)R(} и на жение (23) двухтактным интегрир нием в интеграторах 14 и 5 прео зуется во временные интервалы t при квантовании которых с часто имеем 5opW2o-2ex- (),(t)Roat Подставив J D(t)dt в выраже о. т/4 (21) из (22), а J 3 (t)dt в вы ние (24) из (25)° имеем U NpZx- Zftx , ()Ro hi Z BX b ()Ro Разделив N на Nj, получаем 2 Z 4 N,. N-i 1рн выборе Z о чисто активным, .е. Z о RO 7 . R NJJ-JA . Х- 0 N,. Nj которое не зависит от значения входного сопротивления Zg интегратора 5, что позволяет значительно повысить точность измерения больших значений полных сопротивлений в диапазоне частот. Это выражение можно упростить, если в двух тактах измерения путем изменения напряжения U(t) источника 1 поддерживается постоянным значение тока (t) J(t), когда выполняется равенство NI N4., вследствие чего выражение (26) принимает вид - N. Из (28) видно, что при ly(uuL, а Z(j uuL о можно измерить значения индуктивности в диапазоне частот I 1 I ifonV - -oiV 29) а при поддержании равенства J(t) J, (t) Lx L о N3 в случае измерения емкости 1 7 NI- N-, X 0 N N и при 3(t) D(t) имеем В выражениях (28), (30) и (31) результат измерения L и С не зависит от частоты (jU генератора синусоидального сигнала, постоянных времени t и tft интегрирования, частоты f(j генератора импульсов 12, значений сопротивлений R, Zj, Rg, что позволяет измерять полное сопротивление в диапазоне частот. формула изобретения Цифровой измеритель RLC-параметров, содержащий генератор синусоидального сигнала, первый выход которого соединен с первым входным зажимом измерителя для подключения измеряемого сопротивления, второй выход - с первым выводом резистора, второй вьшод которого соединен с первым входом клю ча и с первым зажимом первого блока образцовых элементов, второй зажим ..которого соединен со входом

11

ключа и с общей шиной, переключатель, первый подвижный контакт которого соединен с первым входом первого интегратора, селектор, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход- с последовательно соединенными цифровым вычислительным блоком и цифровым отсчетным блоком, блок управления, первый выход которо, го соединен с управляющими входаМи ключа и переключателя, второй выход с управляющим входом первого блока образцовйх элементов,, третий выход с управляющими входами селектора, цифрового вычислительного блока и цифрового отсчетного блока, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, введен второй блок образцовых элементов, первый зажим которого соединен с первьм входным зажимом измерителя и с первым .входом блока управления, вторрй и третий входы которого включены параллельно выводам резистора, первый выход соединен с управляющим входом

868629

12

генератора синусоидального сигнала, четвертый выход соединен со вторыми; входами интеграторов, а пятый - с управляющим входом второго блока образцовых элементов, второй зажим которого подключен к вторым неподвижным контактам переключателя, первые неподвижные контакты которого подключены к второму входному зажиму измерителя, а второй, подвижный контакт соединен с вторым зажимом первого блка образцовых элементов, второй зажи которого соединен с первым входом второго интегратора, выход которого соединен с третьим входом селектора, второй вход которого соединен с выходом первого интегратора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 467302, кл. G 01 R 27/26, 1972.

2 Авторское свидетельство СССР 702317, кл. G 01 R 27/26, 1977 (прототип).