Квазиуравновешенный мост для раздельного измерения одного из параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников Советский патент 1982 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерению -параметров пассивных комг плексных величин, и может быть использовано для контроля и измерения параметров объектов, например в электрохимии и биологии для изучения природы электрохимических и биологических систем, в микроэлектрснной электро- и радио-, нефтяной и химической промышленностях для конт«. роля различных технологических процессов.

Известен четырехплечий уравновешенный мост переменного тока, который состоит из четырехплечего моста, содержащего измеряемый объект, плечо сравнения, составленное из магазинов сопротивлений и магазина ем,костей, и вспомогательные плечи, генератора качающейся частоты и осциллографа U1.

Недостатком моста является сложность и значительная продолжительность процесса приведения измеритель,ного моста к состоянию равновесия из-за наличия трех взаимосвязанных регулировок. Кроме того, в измерительной практике часто возникает за. дача измерения только одного инфрр- :

мативного параметра объекта (двухполюсника) , в то время как два других параметра являются неинформативными и усложняют процесс измерения. в этом случае вьидеуказанный мост необходимо уравновешивать и по неинформативным араметрам и тем самым затрачивать на измерение дополнительное время.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является измеритель частотных характеристик сложных двухполюсников, позволяющий измерять один параметр трехэлементного двухполюсника независимо от двух других. Измеритель состоит из двух генераторов синусоидальных колебаний, одного коммутатора и трех ключей, трех индуктивных делителей напряжений, двух усилителей, сумматора, фазочувствительного детектора и блока сравнения С21.

Недостатком измерителя является сложность и продолжительность процесса измерения одного из трех параметров контролируемого двухполюсника, поскольку для измерения одного параметра необходимо приводить измеритель к двум состояниям, т.е. дважды добиваться равенства модулей сигналов. Кроме того, измеритель имеет низкую точность, поскольку измеряемый параметр определяется через коэффициенты передачи двух де лителей напряжения и двух усилителе Цель изобретения - ускорение и упрощение процесса уравновешивания. Поставленная цель достигается тем, что в квазиуравновешенный мост для раздельного измерения одного из параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников, содержащий два генератора синусоидальных колеОаний, два ключа, переключатель и блок сравнения, генераторы синусоидальных колебаний соединены с коммутатором, введены четырехплечая цепь, состоящая из трех однотипных элементов, один из которых является регулируемым, и исследуемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника, блок вычитания, преобразователь переменного сигнала в постоянный, интегратор, фазовращатель, формирователь прямоугольных импульсов, первый и второй блоки управления, генератор опорных импульсов, реверсивный счетчик и блок уравнове , шивания, причем измерительная диаго наль четырехплечей мостовой цепи подключена к первому и второму входам блока вычитания, одна из вершин измерительной диагонали четырехплечей цепи соединена с первым входом первого ключа, а выход . блока вычи тания соединен, через преобразовател переменного сигнала в постоянный с вторым входом первого ключа, выход последнего через интегратор и блок сравнения соединен.с одним из входов первого блока управления, при этом рторой вход блока управле ния соединен через формирователь п моугольных импульсов и фазовращател с выходом блока вычитания, выходы первого блока управления соединены соответственно с первым и вторым кл чами, причем генератор опорных импульсов через ключ и переключатель подключен к реверсивному счетчику, выход которого соединен с блоком уравновешивания, а выходы второго блока управления соединены с управ ляющими входами коммутатора, переключателя и реверсивного счетчика, при этом одна из вершин диагонали 1итания четырехплечей цепи соедине «с .коммутатором, а другая - с общей шиной. Вся совокупность вышеуказанных признаков позволяет получить прост и быстрый процесс уравновешивания мостовой измерительной цепи. Уравновешивание происходит при помощи одного контура уравновешивания и р дельно, независимо от двух других, в данном случае неинформативных, параметров контролируемого трехэлементного двухполюсника. Измерение одного из параметров контролируемого двухполюсника происходит с высокой точностью, поскольку 6 основу положен мостовой метод измерения. На фиг. 1. дана функциональная электрическая схема квазиуравновешенного моста; на фиг. 2-4 - примеры построения четырехплечих мостовых цепей при измерении параметров исследуемых двухполюсников с различными схемами замещения. Квазиуравновешенный мост содержит (фиг. 1) четырехплечую мостовую цепь, соединенную с генераторами 1 и 2 синусоидальных колебаний посредством коммутатора 3, в четырехплечую цепь входят образцовые резисторы 4 и 5, регулируемый образцовый резистор б и исследуемый двухполюсник 7, состоящий из резисторов 8 и 9 и конденсатора 10. Кроме того, квазиуравновешенный мост содержит блок 11 вычитания, преобразователь 12 переменного -Сигнала в постоянный, ина-егратор 13, блок 14 сравнения, ключ 15, фазовращатель 16, формирователь 17 прямоугольных импульсов, первый блок 18 управления, генератор 19 опорных импульсов, ключ 20, переключатель 21, реверсивный счетчик 22, второй блок 23 управления и блок 24 уравновешивания. Все узлы квазиуравновешенного моста выполняются на серийных элеглентах аналоговой и цифровой техники. Устройство работает следующим образом. По команде с второго блока 23 управления при помощи коммутатора 3 к четырехплечей цепи подключается генератор 1 синусоидальных колебаний и отключается генератор 2. После установления колебаний, в четырехплечей цепи по команде с первого блока 18 управления открывается ключ 15 и переменное напряжение непосред ственно через этот ключ начинает поступать на интегратор 13, который интегрирует поступающее на него переменное напряжение. По прошествии времени, заданного половиной периода колебаний, поступающих с формирователя 17, блок 18 управления выдает команду ключу 15 на прекращение подачи переменного напряжения на интегратор 13 и подключает к интегратору 13 через ключ 15 постоянное напряжение, снимаемое с выхода преобразователя 12k Это постоянное напряжение интегрируется, в результате чего происходит разряд интегратора, и в Момент, когда напряжение на выходе интегратора 13 достигнет нулевого значения, срабатывает блок 14 сравнения, по-его команде при помощи блока 18 и ключа 15 постоявное напряжение отклоняется от входа интегратора 13. Время разряда интегратора nocTOHHHiiiM напряжением фиксируется блоком 18 в виде длителности прямоугольного импульса, поступающего с блока 18 на ключ 20, Ключ 20 открывается на время длителности этого прямоугольного импульса и импульсы с генератора 19 через ключ 20 и переключатель 21 поступают на прямой вход реверсивного счетчика 22. Далее второй блок 23 управления при помощи коммутатора 3 подключает к четырехплечей цепи генератор 2 синусоидальных колебаний и отключает генератор 1.

В дальнейшем, после установления переходного процесса в четырехплечей цепи весь процесс повторяется снова с той лишь разницей, что блок 23 переводит, переклю.атель 21 в другое положение, и импульсы.с опорного генератора 19 поступают не на прямой, а на реверсивный вход счетчика 22. В результате двух этих тактов на счетчике 22 остается записанным какое-то число, причем счетчик 22 выполняется с индикацией знака этого числа. Далее по команде блока 23 управления полученное на счетчике 22 число с учетом знака считывается и поступает на блок 24 уравновешивания, который может быть выполнен или в виде шагового двигателя, или в виде цифрового суммирующего блока. Блок 24 уравновешивания регулирует сопротивление образцового резистора 6 до достижения состояния квазиравновесия, при котором после каждых двух тактов подключения генераторов 1 и 2 к четырехплечей цепи на реверсивном счетчике 22 фиксируется число, равное нулю. В этом случае один из измеряемых параметров, в данном примере сопротивление резистора 8, трехэлементного двухполюсника 7 раз цельно отсчитываются по образцовому резистору 6. При этом состояние квазиравновесия моста не зависит от двух других, в данном случае неинформативных параметров резистора 9 и конденсатора 10, входящих в контролируемый трехэлементный двухполюсник 7. Поскольку интегрирование перменного напряжения происходит за время, равное половине периода синусоидального напряжения, то каждале два такта, после которых вырабатывается регулирующее воздействие, осществляются за время, чуть большее наибольшего периода сигнгшов генераторов 1 и 2. Все это позволяет су-щественно ускорить процесс уравновешивания мостовой измерительной

цепи.

Квазиуравновешенный Ыост позволя

ет производить раздельное измерение

разных параметров трехэлементных двухполюсников с различными схемами замещения.

На фиг. 2 показаны примеры разхтичных трехэлементных двухполюсников

с различными схемами замещения. В три других плеча четырехплечей мостовой цепи включены однотипные элементы. В принципе, любой из этих образцовых элементов 4,5 и 6, выполненных в виде либо резисторов, либо конденсаторов, либо катушек индуктивностей - регулируемый. В состоянии .квазиравновесия могут быть раз-, дельно измерены сопротивление резистора 25 (фиг. 2), емкость конденсатора 26 (фиг. 3), индуктивность kaтушки индуктивности 27 (фиг. 4).

Предлагаемое устройство практичеки опробовано. Определялись райлич20

ные параметры трехэлементных двухполюсников с различными схемами замщения. Мост питался от двух генераторов с частотами 1 кГц.и 7 кГц. В качестве регулируемого элемента

25 использовалось цифроуправляемое сопротивление. Время первоначального приведения моста к состоянию квазиравновесия в автоматическом режиме не превышало 4.2 Тс. Изменение в шир30 ких пределах двух других паразитных параметров контролируемого двухполюсника практически не влияло на состояние квазиравновесия.

Предлагаемый уравновешенный мост

35 может использоваться для измерения пapa aeтpoв полупроводниковых структур при изготовлении больших интегральных схем. Измерения позволяют корректировать и управлять технологическим процессом и тем самым влиять на процелт выхода годных микросхем.

Формула изобретения

45

Квазиуравновешенный мост для раздельного измерения одного из параметров нерезонансных трехэлементных

двухполюсников, содержащий два генератора синусоидальных колебаний, два ключа, переключатель и блок сравнения, генераторы синусоидальных колебаний соединены с коммутатором, отличающийся тем, что, с целью ускорения и упрощения процедса уравновешивания, в него введены четырехплечая цепь, состоящая из трех однотипных элементов, один из которых является регулируемым,

и исследуемого нерезонансного трехэлементного двухполюсника, блок вычитания, преобразователь переменного сигнала в постоянный, интегратор, фазовращатель, формирователь

прямоугольных импульсов, первый и

второй блоки управления, генератор опорных импульсов, реверсивный счетчик и блок уравновешивания, причем измерительная диагональ четырехплечей цепи подключена к первому и второму входам блока вычитания, одна из вершин измерительной диагонали четырехплечей цепи соединена с первым входом первого ключа, а выход блока вычитания соединен чере преобразователь переменного сигнала в постоянный с вторым входом первого ключа, выход последнего через интегратор и блок сравнения соединен с одним из входов; первого блока управления, при этом второй вход блока управления соединен через формирователь прямоугольных импульсов и фазовращатель с выходом блока вычитания, выходы первого

блока управления соединены соответственно с первым и вторым ключами, причем генератор опорных импульсов через ключ и переключатель подключен к реверсивному счетчику, выход которого соединен с блоком уравновешивания, а выходы второго блока управления соединены с управляющими входа1ии коммутатора, переключателя и реверсивного счетчика, при этом одна из вершин диагонали питания соединена с коммутатором, а другая с общей шиной.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 158627, кл. Q 01 R 17/10, 1962.

2. Авторское свидетельство СССР № 530273, кл, G 01 R 27/28, 1975 (прототип).

I

х

(риг.2