Устройство для измерения добротности колебательных контуров Советский патент 1981 года по МПК G01R27/26 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДОБРОТНОСТИ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ

Изобретение относится к области .радиоизмерительной техники и может быть использовано для измерения добротности, тангенса угла потерь, активного сопротивления, емкости и индуктивности радиоэлементов колебатель ных контуров. Известно устройство для измерения добротности, индуктивности и емкости в цифровом виде, содержащее источник сигнала, колебательный контур, блок отношения напряжений, блок поддержания амплитуды, широкополосный усилитель, охваченный обратной связью чере образцовый реактивный элемент, и блоки автоматической-регулировки усиления и фазы 1. . Недостатком известного устройства является ограниченный диапазон частот измерения индуктивности и емкости в цифровом виде, а измерение напряжений , пропорциональных добротности колебательного контура, производится с относительно большими погрешностям Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство для измерения добротности колебательных контуров, содержащее перестраиваемый генератор высокой частоты, частотный модулятор, колебательный контур, амплитудный детектор, блок поиска резонансной Частоты, включающий блок выделения первой производной по частоте, и нульорган, блок выделения второй производной по частоте,дополнительный нульорган, два запоминающих блока, перестраиваемый генератор низкой частоты, ключ, блок отношения частот и блок управления 2. . Известное устройство не обеспечивает отсчета емкости колебательного контура в цифровом виде и не позволяет оценивать величину емкости на частоте измерения. Целью изобретения является расши- . рение функциональных возможностей устройства. Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения добротности колебательных контуров, содержащее перестраиваемый генератор высокой частоты, один выход которого соединен с первым входом частотного моду лятора, второй вход которого соединен с выходом ключа, а выход частотного модулятора через колебательный контур соединен со входом амплитудного детек тора, выход которого соединен со входом блока поиска резонансной частоты, один выход последнего соединен со входом блока выделения второй производной по частоте, а другой выход .соединен со входом первого запоминаючцего блока, выход которого соединен со входом перестраиваемого генератора высокой частоты, вход ключа соединен с одним из входов блока отношения частот и с выходом перестраиваемого генератора низкой частоты,вход которого соединен с выходом второго запоминающего блока, вход последнего соединен с выходом нуль-органа,управляющие входы ключа, первого и второго запоминающего блоков, частотного моду лятора, блока поиска резонансной частоты и блока выделения второй производной по частоте соответственно соединены с выходами блока управления, введены три дополнительных ключа и цепь из двух последовательно соединенных конденсаторов и делитель частоты, причем выход перестраиваемого генератора высокой частоты соединен через последовательно соединенные первый дополнительный ключ, другой вход которого соединен со входом частотного модулятора и делитель частоты со входом блока отношения частот, а первый вывод второго дополнительного ключа соединен со входом нуль-органа, второй и третий выводы соответственно соединены со входом и выходом блока выделения второй производной по частоте, а цепь из двух последовательно соединенных конденсаторов включена между входом амплитудного детектора и общей шиной, а общий вывод цепи из двух последовательно соединенных конденсаторов через третий дополнительный ключ соединен с общей шиной, упраа1яющий вход которого соответственно соединен с выходом блока управления . На фиг. 1 приведена функциональна электрическая схема устройства; на 51 . 4 фиг, 2 - диаграммы, поясняющие работу устройства. Устройство содержит частотный модулятор 1, к одному входу которого подключен выход перестраиваемого генератора 2 высокой частоты, а ко второму входу через ключ 3 выход перестраиваемого генератора низкой частоты, колебательный контур 5,входом подключенный к выходу частотного модулятора 1 и выходом - ко входу амплитудного детектора 6, выход которого подключен ко входу блока 7 поиска резонансной частоты, содержащего последовательно включенные блок 8 выделения первой производной по частоте и нуль-орган 9 запоминающий блок 10, входом подключенный к выходу блока 7 поиска резонансной частоты и выходом к управляющему входу перестраиваемого генератора 2 высокой частоты; блок 11 выделения второй производной по частоте, входом подключенный к выходу блока 8 выделения первой производной по частоте, ключ 12, одним входом подключенный к выходу блока 11 выделения второй производной по частоте и вторым входом - к выходу блока 8 выделения первой производной по частоте, нуль-орган 13, входом подключенный к выходу ключа 12, второй запоминающий блок 14, входом подключенный к выходу нуль-органа 13 и выходом к Перестраиваемому генератору k низкой частоты; два последовавательно соединенных конденсатора 15 и 16, включенные между выходом ко1ебательного контура 5 и общей шиной, дополнительный ключ 17, включенный между точкой соединения конденсаторов 15 и 16 и общей шиной, блок 18 отношения частот, первым входом подключенный к выходу перестраиваемого генератора Ц низкой частоты, делитель 4actoTbr 19, входом соединенный через дополнительный ключ 20 с выходом перестраиваемо го генератора 2 высокой частоты и с выходом частотного модулятора 1, блок 21 управления, подключенный к управляющим входам блока 7 поиска резонансной частоты, блока 11 выделения второй производной по частоте, частотного модулятора 1, запоминающих блоков 10 и Н и ключей 3 и 17. Измерение добротности осуществляется следующим образом. Делитель частоты 19 переводят в режим деления на 2 и его вход через дополнительный ключ 20 подключают к выходу генератора 2 высокой частоты, вход нуль-органа 13 через ключ 12 под ключают к выходу блока 11 выделения второй производной по частоте, дополнительный ключ 17 размыкают. В режиме поиска резонансной частоты блок 21 управления на заданное время открывает запоминающий блок 10, закрывает второй запоминающий блок 14 и ключ 3 и переводит частотный модулятор 1 в. режим выделения несущей высокой частоты. За это время блок 7 поиска резо-i нансной частоты вырабатывает линейноизменяющееся во времени напряжение Uc (фиг. 2с). Этим напряжением изменяется частота выходного напряжения перестраиваемого генератора высокой частоты 2, которое через частотный модулятор 1 поступает на вход колебательного контура 5. После прохождения через колебатель ный KOHTvp 5 и амплитудный детектор 6 высокочастотное напряжение с изменяющейся частотой преобразуется в напря жение Uq,изменяющееся во времени (фиг. 2а) и соответствующее амплитудно-частотной характеристике исследуемого колебательного контура 5. Это изменяющееся во времени напряжение блок 8 выделения первой производной по частоте, управляемый блоком 21 управления, дифференцирует, в результате чего на его выходе выделяет ся напряжение Ug (фиг. 26), пропорциональное первой производной по часtoTe от амплитудно-частотной характеристики колебательного контура 5,т.е. ни « jrгде а - постоянный коэффициент про порциональности. Этим напряжением управляется нульорган 9. в котором при прохождении напряжения U через нуль, устанавливается выходное. напряжение и,(фиг.2с) а следовательно, устанавливается частота выходного напряжения перестраиваемого генератора 2 высокой частоты, равная собственной резонансной частоте колебательного контура 5. В режиме выделения полосы пропуска ния блок 21 управления на заданное время закрывает запоминающий блок 10 открывает второй запоминающий блок 14 и ключ 3 и переводит частотный модулятор 1 в режим выделения боковой частоты. На это время в запоминающем блоке 10 запоминается напряжение Уло /Yv 1ФИГ. 2с), а следовательно, и частота выходного напряжения дерестраийаемого генератора 2 высокой частоты, равная собственной резонансной 4астоте колебательного контура 5. За это же время нуль-орган 13 вырабатывает линейно-изменяющееся во времени напряжение ие(фиг. 2е).3тим напряжением изменяется частота выходного напряжения перестраиваемого генератора 4 низкой частоты, которое через ключ 3 поступает на второй вход частотного модулятора 1. В результате воздействия на частотный модулятор 1 двух напряжений с частотами f и F, на выходе его получают напряжение с частотой fo f ±Р. где fg- частота перестраиваемого генератора 2 высокой частоты; F - частота перестраиваемого генератора 4 низкой частоты. После прохождения этого напряжения через колебательный контур 5, амплитудный детектор 6 и блок 8 выделения первой производной по частоте, высокочастотное напряжение с изменяющейся частотой f преобразуется в напряжение . 26} f изменяющееся во времени и соответствующее первой производной ПО мастоте амплитудно-частотной характеристики колебательного контура 5. Это напряжение блок 11 выделения второй производной по часЛ тоте от амплитудно-частотной характеристики колебательного контура 5, управляемый блоком управления 21, дифференцирует, в результате на его выходе выделяется напряжение U (фиг. 2д)Jпропорциональное второй производной по частоте амплитудно-частотной характеристики колебательного контура 5, т.е. .. , Ли ЗТг где Ь - постоянный коэффициент пропорциональности. Этим напряжением управляется дополнительный нуль-орган 13, в котором при прохождении напряжения Uj через нуль устанавливается выходное напряжение ие,/фиг. 2е)и фиксируется во втором запоминающем блоке Н, а следовательно, фиксируется частота выходного напряжения перестраив-аемого генератора низкой частоты, равная половине полосы пропускания колебательного контура 5 между точками перегиба его амплитудно-частотной хара теристики. Переход из режима поиска резонансной частоты в режим выделения полосы пропускания производится автоматически блоком 21 управления через заданные интервалы времени.При этом добротность определяется по форму.че fо ., т „-, fo Q 0,707 и непосредственно измеряется блоком 18 отношения, частот, которым также Измеряется заданная рабочая частота, на которой производится измерение добротности. Измерение емкости измерительного контура 5 на резонансной частоте осуществляется следующим образом. Делитель частоты 19 переводят в режим деления на и его вход через дополнительный ключ 20 подключают к выходу частотного модулятора 1,вход нуль-органа 13 через дополнительный ключ 12 подключают к выходу блока 8 выделения первой производной по частоте, дополнительный ключ 17 переводят в управляемый режим. Блок 21 управления на заданное время открывает запоминающий блок 10 .закрывает второй запоминающий блок 1, ключи 3 и дополнительный ключ 17 и переводит частотный модулятор 1 в режим выделения несущей высокой частоты. За это время производится поиск частоты перестраиваемого генератора высокой частоты, соответствующей соб ственной резонансной частоте колебательного контура 5, как это описывалось в режиме поиска резонансной частоты. Через заданное время, достаточное для настройки перестраиваемого генератора 2 высокой частоты на собственную резонансную частоту колеба тельного контура 5 блок управления 21 на заданное время закрывает запоминающий блок 10, открывает второй запоминающий блок и ключ 3 и дополнительный ключ 17 и переводит час тотный модулятор 1 в режим выделени боковой частоты. На это время запоми нается частота fo выходного напряжения перестраиваемого генератора 2 высокой частоты, равная собственной 1 . 8 резонансной частоте колебательного контура 5. Открытый дополнительный ключ 17 закорачивает конденсатор 16, и следовательно, изменяет значения емкости и собственной резонансной частоты колебательного контура 5 соответственно на величины Дс и Af. В это время нуль-орган 13 под управлением блока 8 выделения первой производной по частоте начинает вырабатывать линейно-изменяющееся во времени напряжение. Этим напряжением изменяется частота выходного напряжения перестраиваемого генератора низкой частоты, которое через ключ 3 поступает на второй вход частотного модулятора 1. В результате на выходе частотного модулятора 1 получают напряжение с частотой f f о - F. При достижении частоты f значения, равного собственной резонансной частоте колебательного контура 5. частота F перестраиваемого генератора k низкой частоты фиксируется нуль-органом 13, как это описывалось в режиме поиска полосы пропускания . Измерение емкости колебательного контура 8 осуществляется при периодическом переключении устройства блоком 21 управления из режима поиска резонансной частоты в режим расстройки колебательного контура 5. При этом емкость колебательного контура 5 определяется формулой с „V V г-.ЛС, (1 ) 2f-FxF i где -F собственная резонансйая частота колебательного контура 5 в Fit при изменении значения его емкости на величину д с; F uf значение величины расстройки собственной резонансной частоты колебательного контура 8 в Fq . при изменении значения его емкости на величину д с. Если выбрать значения емкостей конденсаторов 15 и 1б небольшими, при которых выполняется условие 0,05, емкость измерительного контура, с погрешностью не превышающей 1,25%, можно определять выражением с 4и при дс 0,5 пФ (в случае, если знамения емкостей конденсаторов 15 и 1б выбрать равными 1 пФ) с (3) При этомпогрешность измерения значения емкости колебательного контура 5 за счет нестабильности д с определяется выражением :(ЛС(}- где ffuc - нестабильность с (конденсаторов 15 и 16). Отсчет емкости колебательного кон тура 5 на резонансной частоте, в соо ветствии с выражением (3), непосредственно производится блоком 18 отношения частот. Предлагаемое устройство для измер ния добротности колебательных контуров 5, по сравнению с известным, поз воляет с относительно высокой точностью производить измерение емкости колебательных контуров 5 в цифровом виде в широком диапазоне частот, пра тически до 300 МГц. Формула изобретения Устройство для измерения добротности колебательных контуров, содержащее перестраиваемый генератор высо кой частоты, один выход которого сое динен с первым входом частотного модулятора, второй вход которого соеди нен с выходом ключа, а выход частотного модулятора через колебательный контур соединен со входом амплитудного детектора, выход которого соеди нен со входом блока поиска резонансной частоты, один выход последнего соединен со входом блока вьщеления второй производной по частоте, а другой выход соединен со входом первого запоминающего блока, выход кото рого соединен со входом перестраива1емого генератора высокой частоты,вход ключа соединен с одним из входов блока отнаиения частот и с выходом перестраиваемого генератора низкой частоты, вход которого соединен с выходом второго запоминающего блока, вход последнего соединен с выходом нульоргана, управляющие входы ключа, пер- вого и второго запоминающих блоков, частотного модулятора, блока поиска резонансной частоты и блока выделения второй производной по частоте соответственно соединены с выходами блока управления, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, в него введены три дополнительных ключа и цепь из двух последовательно соединенных конденсаторов и делитель частоты, причем выход перестраиваемого генератора высокой частоты соединен через последовательно соединенные первый дополнительный ключ, другой . вход которого соединен со входом частотного модулятора и делитель частоты со входом блока отношения частот, а первый вывод второго дополнительного ключа соединен со входом нуль-органа, второй и третий выводы соответственно соединены со входом и выходом блока выделения второй производной по частоте, а цепь из двух последовательно соединенных конденсаторов включена между входом амплитудного детектора и общей шиной, а общий вывод цепи из двух последовательно соединенных конденсаторов через третий дополнительный ключ соединен с общей шиной, управляющий вход которого соответственно соединен с выходом блока управления. Источники информации. принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2567339/18-21, кл. G 01 R 27/26, 09.01.78. 2.Авторское свидетельство СССР позаявке № 2 408263/18-21, кл. G 01 R 27/26, 01.10.76.

a

U6

S

iM

tn

Ш}

Фиг. г