CZ2021146A3 - Zapojení s proudovými zrcadly, způsob měření impedance a způsob převodu proudu na napětí v tomto zapojení - Google Patents

Abstract

Zapojení je využitelné pro měření impedancí a také k převodu proudu na napětí. Princip zapojení je založen na zrcadlení napájecího proudu napěťového zesilovače (3) proudovými zrcadly (1) a (2) takovým způsobem, aby odpovídal proudu výstupu (3.4) napěťového zesilovače (3), ke kterému je zapojen měřený obvod (MO). Zrcadlený proud je převeden na napětí na napěťové výstupní svorce (7) pro měření proudu pomocí odporového bočníku (R1). Pro měření impedancí a proudu ve vynálezu není zapotřebí odporového bočníku, který by byl zapojen v sérii s měřeným obvodem (MO) a zpětné vazby, tímto jsou odstraněny nedostatky způsobené bočníkem a zpětnou vazbou. Měřicí zařízení takto nepodléhá problémům s úbytkem napětí na odporovém bočníku a problémům s kompenzací zpětné vazby, která jinak snižuje šířku pásma a je závislá na připojené impedanci. Zapojení může být využito jako elektronika pro kapacitní a induktivní senzory (S1,S2), impedanční analyzátory a jako náhrada za transimpedanční zesilovač.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká měření impedancí a měření proudu bez použití bočníku a zpětné vazby.

Dosavadní stav techniky

Pro měření impedance se používají následující metody:

• Vysokofrekvenční Ohmová metoda, která je popsána, např. v referencích [1, strana 26] [2, strana 25, 38], které jsou blíže specifikovány níže Princip měření spočívá ve změření napětí na měřené impedanci a změřením proudu tekoucím impedancí pomocí změření napětí na odporovém bočníku. Z poměrů obou změřených fázorů je vypočítána komplexní impedance. Měřená impedance je zpravidla buzena harmonickým signálem přes oddělovací transformátor. S využitím bočníku jsou spojeny problémy s úbytkem napětí na bočníku a přepínáním rozsahů bočníku. Metoda je omezena také velikostí odporu bočníku a jeho parazitní indukčností a kapacitou.

• Metoda měření pomocí automaticky vyvažovaného můstku s transimpedančním zesilovačem, která je popsána, např. v referencích [1, strana 25] nebo [2, strana 32], Princip měření spočívá ve změření napětí na měřené impedanci a změření proudu tekoucí impedancí pomocí transimpedančního zesilovače. Z poměrů obou změřených fázorů je vypočítána komplexní impedance. Jelikož tato metoda obsahuje zpětnou vazbu, čelí problémům stabilitou a kompenzací zpětné vazby a s nízkou šířkou pásma, která je omezena frekvenčně kompenzovaným transimpedančním zesilovačem se zpětnou vazbou.

• Metoda měření pomocí automaticky vyvažovaného můstku, která je popsána, např. v referenci

[2, strana 32, 28], Měřená impedance je zapojena do můstku, který je buzen dvěma nastavitelnými zdroji vysokofrekvenčního signálu. Změnami amplitud a fáze budicích zdrojů je nastaveno nulové napětí ve středu měřicího můstku. Rychlost měření je omezena nastavováním nuly automaticky vyvažovaného můstku.

• Metoda měření impedancí pomocí vektorového analyzátoru, která je popsána, např. v referenci [2, strana 38], Měřená impedance je zapojena ke z kalibrovanému vektorovému analyzátoru (anglická zkratka VNA), jsou změřeny S parametiy. Z S parametrů je vypočítána měřená impedance. Ve VNA jsou přítomny směrové odbočnice a 50 ohm vedení, které velmi limituje dynamický rozsah. Metoda nefunguje při velmi nízkých kmitočtech a při stejnosměrném napětí. Je nutná kalibrace směrových odbočnic.

Pro převod proudu na napětí se používá • Trans impedanční zesilovač, který je popsán, např. v referenci [3], která je blíže specifikována níže.

Operační zesilovač (OZ) je zapojen s rezistorem v záporné zpětné vazbě. Po přivedení měřeného proudu na invertuj ící vstup OZ, zpětná vazba automaticky nastaví výstupní napětí OZ tak, aby tekl přesně stejný proud, jako je měřený proud rezistorem ve zpětné vazbě. Z výstupního napětí na rezistoru je vypočítán měřený proud ohmovým zákonem. Zapojení trans impedančního zesilovače vykazuje problémy spojené se zpětnou vazbou, jmenovitě:

-1CZ 2021 - 146 A3

S kompenzací zpětné vazby

S kompenzací zpětné vazby, kterou ovlivňuje připojený měřený obvod, který má komplexní složku impedance (induktivní nebo kapacitní nebo oboje)

S omezenou šířkou pásma, kterou způsobuje zpětná vazba a její kompenzace, a se závislostí na připojené impedanci

Reference:

[1] Challenges and solutions for Impedance measurements https://www.keysight.com/upload/cmc_upload/All/ChallengesandsolutionsforImpedance.pdf

[2] Impedance Measurement Handbook https://www.keysight.com/zz/en/assets/7018-06840/application-notes/5950-

3OOO.pdf?success=true

[3] Transimpedance amplifier https://en.wikipedia.org/wiki/Transimpedance_amplifier

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zapojení s proudovými zrcadly, způsob měření impedance a způsob převodu proudu na napětí v tomto zapojení dle předkládaného vynálezu.

Zapojení s proudovými zrcadly pro měření impedance dle předkládaného vynálezu neobsahuje boěník pro měření proudu v sériovém zapojení s měřeným obvodem, proto způsob měření impedancí v tomto zapojení odstraňuje nedostatky způsobené boěníkem v sériovém zapojení s měřeným obvodem. Zapojení nepodléhá problémům s úbytkem napětí na odporovém boěníku.

Způsob měření impedance v zapojení podle předkládaného vynálezu neobsahuje zpětnou vazbu, proto tento způsob měření impedance odstraňuje nedostatky způsobené zpětnou vazbou. Při převodu proudu na napětí, kdy zapojení funguje, jako převodník proudu na napětí, rovněž není obsažena zpětná vazba, a jsou tedy odstraněny nedostatky způsobené zpětnou vazbou a její kompenzací.

Na rozdíl od metody automaticky vyvažovaného můstku je u způsobu měření impedance dle předkládaného vynálezu informace o amplitudě a fázi známa okamžitě po přivedení vstupního signálu, takže předkládaný způsob nemá problémy s rychlostí měření.

Na rozdíl od měření pomocí vektorového analyzátoru zapojení dle předkládaného vynálezu neobsahuje směrové odbočnice ani 50 ohm vedení, proto dosahuje mnohonásobně vyššího dynamického rozsahu a odpadá nutnost kalibrace směrových odbočnic. Způsob podle předkládaného vynálezu navíc funguje i na velmi nízkých kmitočtech a i při stejnosměrném napětí.

Výhodou předkládaného zapojení je obvodová jednoduchost.

Šířka pásma, budicí proud a dynamický rozsah jsou omezeny převážně parametry součástek, ze kteiých je zapojení vyrobeno. Pokud parametiy součástek (tranzistorů) dosahují vysokých kmitočtů, velkých proudů a nízkého šumu, bude mít zapojení parametry umožňující jeho použití pro vysoké kmitočty, vysoký budicí proud a vysoký dynamický rozsah, což je výhoda.

Zapojení dle předkládaného vynálezu navíc dokáže nahradit trans impedanční zesilovač jako převodník proudu na napětí, přitom je výhodou, že ani jako převodník proudu na napětí zapojení podle předkládaného vynálezu neobsahuje zpětnou vazbu. Proto nemá problémy spojené se zpětnou vazbou.

-2CZ 2021 - 146 A3

Navíc je velmi výhodné, že totéž základní zapojení lze využít ke dvěma účelům: jak pro měření impedance, tak pro převod proudu na napětí.

Zapojení s proudovými zrcadly podle předkládaného vynálezu obsahuje měřený obvod, bočník, napěťový zesilovač a vstupní svorku pro připojení vstupního signálu, která je propojena s prvním vstupem napěťového zesilovače. Jeho podstatou je, že dále obsahuje první proudové zrcadlo a druhé proudové zrcadlo, přičemž první vstup prvního proudového zrcadla, který je napájecí, je připojen ke kladnému napájecímu vodiči. Dále je pak první výstup prvního proudového zrcadla je propojen s prvním výstupem druhého proudového zrcadla, přičemž na tomto propojení je uzel, kteiý je propojen s první svorkou bočníku pro měření proudu. Druhý vstup prvního proudového zrcadla je připojen k druhému vstupu napěťového zesilovače, který je napájecí, přičemž první svorka bočníku je propojena také s napěťovou výstupní svorkou pro měření proudu a druhá svorka bočníku je propojena se zemí. První vstup druhého proudového zrcadla, který je napájecí, je připojen k zápornému napájecímu vodiči a druhý vstup druhého proudového zrcadla je připojen k třetímu vstupu napěťového zesilovače, který je napájecí. První svorka měřeného obvodu je připojena k výstupu napěťového zesilovače a druhá svorka měřeného obvodu je propojena se zemí.

Ve výhodném provedení je první proudové zrcadlo realizováno jako Wilsonovo proudové zrcadlo nebo proudové zrcadlo v kaskodovém zapojení a druhé proudové zrcadlo je realizováno jako Wilsonovo proudové zrcadlo nebo proudové zrcadlo v kaskodovém zapojení.

Napěťový zesilovač je s výhodou třídy AB a má jednotkové zesílení.

Je výhodné, když zapojení obsahuje také napěťovou výstupní svorku pro měření napětí, která je propojena s první svorkou měřeného obvodu.

Tranzistory v proudových zrcadlech a v napěťovém zesilovači jsou s výhodou vybrány ze skupiny obsahující bipolámí tranzistory, unipolámí tranzistory a jejich kombinace.

Měřený obvod může zahrnovat senzor vybraný ze skupiny kapacitní senzor, induktivní senzor, senzor vodivosti, senzor obsahující impedanci.

Ve výhodném provedení je jako senzor zapojen detektor kovů.

V dalším výhodném provedení je alespoň jedné ze svorek vybrané ze skupiny obsahující vstupní svorku, napěťovou výstupní svorku pro měření proudu a napěťovou výstupní svorku pro měření napětí předřazeno zařízení vybrané ze skupiny obsahující filtr, přídavný zesilovač a rozdílový zesilovač.

Výhodné je také provedení, v něm je k alespoň jedné ze svorek vybrané ze skupiny obsahující vstupní svorku, napěťovou výstupní svorku pro měření proudu a napěťovou výstupní svorku pro měření napětí připojeno zařízení vybrané ze skupiny obsahující zařízení pro měření napětí, dvoukanálový detektor amplitudy a fáze a analogově digitální převodník.

V jednom z výhodných provedení zapojení obsahuje ochranný rezistor, který je zapojen mezi výstup napěťového zesilovače a napěťovou výstupní svorku pro měření napětí.

Je rovněž výhodné, když zapojení obsahuje ochranný obvod pro odpojení alespoň jedné částí zapojení při proudovém přetížení. Odpojované části zapojení jsou přitom vybrány ze skupiny obsahující první vstup prvního proudového zrcadla, první vstup druhého proudového zrcadla a vstupní svorku pro připojení vstupního signálu. Ochranný obvod je propojen s výstupy obou proudových zrcadel.

V jednom z výhodných provedení je obsažen demodulátor, který je připojen k napěťové výstupní svorce pro měření proudu.

-3CZ 2021 - 146 A3

Pokud je zapojení využito ve výhodném provedení pro měření impedancí, měřený obvod obsahuje impedanci a zapojení dále zahrnuje generátor harmonického signálu, kteiý je připojen ke vstupní svorce pro připojení vstupního signálu, a dvoukanálový detektor amplitudy a fáze, jehož první kanál je připojen na napěťovou výstupní svorku pro měření proudu a jehož druhý kanál je připojen ke vstupní svorce pro měření vstupního signálu, nebo k napěťové výstupní svorce pro měření napětí na měřeném obvodu.

Je výhodné, když zapojení obsahuje operační zesilovač. V tomto provedení je napěťový zesilovač zapojen přes svůj první vstup a svůj výstup do záporné zpětné vazby tohoto operačního zesilovače.

Pokud je zapojení využito ve výhodném provedení pro převádění proudu na napětí, měřený obvod obsahuje zdroj proudu a zapojení dále zahrnuje zdroj stejnosměrného předpětí, který je připojen ke vstupní svorce pro připojení vstupního signálu, a zařízení pro měření napětí, které je připojeno na napěťovou výstupní svorku pro měření proudu.

Zdrojem proudu v právě zmíněném zapojení může být například fotodioda.

Podstatou způsobu měření impedance v zapojení podle výhodného provedení je to, že se:

a) přivede kladné napětí mezi kladný napájecí vodič a zem a záporné napětí stejné velikosti mezi záporný napájecí vodič a zem,

b) nastaví se velikost bočníku pro nastavení požadovaného měřicího rozsahu,

c) nastaví se frekvence a amplituda budicího harmonického signálu na generátoru harmonického signálu a poté se

d) odečtou hodnoty amplitud v obou kanálech na dvoukanálovém detektoru amplitudy a fáze a také fázový posun mezi oběma kanály,

e) z obou amplitud a fázového posunu mezi oběma kanály se vypočte měřená impedance pro frekvenci nastavenou na generátoru harmonického signálu.

V jednom možném provedení se po proměření frekvenční závislosti impedance kroky c) až e) opakují, přičemž při každém opakování se přeladí frekvence budicího harmonického signálu nastavená na generátoru harmonického signálu a přičemž počet opakování stanoví uživatel podle požadovaného počtu hodnot frekvence budicího harmonického signálu, pro něž je měřena impedance.

Podstatou způsobu převodu proudu na napětí v zapojení podle výhodného provedení je to, že se

g) přivede kladné napětí mezi kladný napájecí vodič a zem a záporné napětí stejné velikosti mezi záporný napájecí vodič a zem,

h) nastaví se velikost bočníku pro nastavení požadovaného měřicího rozsahu,

i) odečte se hodnota měřeného napětí na zařízení pro měření napětí, která odpovídá proudu protékajícímu měřeným obvodem.

Objasnění výkresů

V obr. 1 je znázorněno provedení zapojení, v němž jsou obě proudová zrcadla a jsou Wilsonova typu.

-4CZ 2021 - 146 A3

V obr. 2 je znázorněno provedení, v němž jsou obě proudová zrcadla v kaskodovém zapojení.

V obr. 3 je znázorněno nejobecnější blokové schéma zapojení.

Bloková schémata zapojení pro různá výhodná provedení jsou v obr. 4 až 14.

V obr. 4 je jako měřený obvod MO připojena impedance.

V obr. 5 je jako měřený obvod MO připojena fotodioda.

V obr. 6 je součástí zapojení detektor amplitudy a fáze, jehož první kanál je připojen na napěťovou výstupní svorku pro měření proudu. Druhý kanál tohoto detektoru může být zapojen buď na výstupní svorku pro měření napětí, což je vyznačeno plnou čarou, nebo ke vstupní svorce pro měření vstupního signálu, což je vyznačeno čárkovaně. Je znázorněn také generátor harmonického signálu.

V obr. 7 je jako měřený obvod MO připojen obecný zdroj proudu a je znázorněn také zdroj stejnosměrného předpětí.

V obr. 8 je zapojení pro měření impedance s připojeným zařízením pro měření napětí.

V obr. 9 je zapojení s kapacitním senzorem.

V obr. 10 je zapojení s induktivním senzorem.

V obr. 11 je zapojení s předzesilovači.

V obr. 12 je zapojení s ochranným rezistorem.

V obr. 13 je zapojení v zpětné vazbě operačního zesilovače.

V obr. 14 je zapojení s ochranným obvodem.

Příklady uskutečnění vynálezu

Níže popsaná provedení ukazují pouze některá z mnoha možných řešení, která spadají do ochrany vynálezu a ilustrují vynálezeckou myšlenku. Jde pouze o vybraná výhodná uspořádání, která nijak neomezují rozsah ochrany vynálezu.

Blokové schéma zapojení s proudovými zrcadly, které je využitelné jak pro měření impedance, tak i pro převod proudu na napětí, je znázorněno v obr. 3. Většina prvků z tohoto blokového schématu je společná i dalším provedením, ale např. napěťová výstupní svorka 8 pro měření napětí je přitom volitelná a v některých provedeních nemusí být, protože se k ní nic nepřipojuje. Znázorněna jsou ale výhodná provedení s touto napěťovou výstupní svorkou 8 pro měření napětí.

V obr. 3 jsou vidět hlavní prvky zapojení, mezi něž patří měřený obvod MO, bočník R1 a napěťový zesilovač 3. Vstupní svorka 6 pro připojení vstupního signálu je propojena s prvním vstupem 3.1 napěťového zesilovače 3. Důležité je, že zapojení dále obsahuje dvě proudová zrcadla, a to první proudové zrcadlo 1 a druhé proudové zrcadlo 2.

Přitom první vstup 1.1 prvního proudového zrcadla 1, který je napájecí, je připojen ke kladnému napájecímu vodiči 9, první výstup 1.2 prvního proudového zrcadla 1 je propojen s prvním výstupem 2.2 druhého proudového zrcadla 2. Na tomto propojení je uzel, který je propojen s první

-5CZ 2021 - 146 A3 svorkou bočníku R1 pro měření proudu. Druhý vstup 1.3 prvního proudového zrcadla 1 je připojen k druhému vstupu 3.2 napěťového zesilovače 3, který je napájecí. První svorka bočníku R1 je propojena také s napěťovou výstupní svorkou 7 pro měření proudu a druhá svorka bočníku R1 je propojena se zemí. První vstup 2.1 druhého proudového zrcadla 2, který je napájecí, je připojen k zápornému napájecímu vodiči 10 a druhý vstup 2.3 druhého proudového zrcadla 2 je připojen k třetímu vstupu 3.3 napěťového zesilovače 3, který je napájecí.

S první svorkou měřeného obvodu MQ, která je připojena k výstupu 3.4 napěťového zesilovače 3, může být volitelně propojena také napěťová výstupní svorka 8 pro měření napětí.

Na první vstup 3.1 napěťového zesilovače 3 se připojuje vstupní signál, kterým je po zesílení buzen měřený obvod MO. Napěťový zesilovač 3 má výstup 3.4 napěťového zesilovače 3, ke kterému se připojuje první svorka měřeného obvodu MO. Druhá svorka měřeného obvodu MO je propojena se zemí. Napěťový zesilovač 3 je napájen ze dvou proudových zrcadel 1 a 2. Kladný napájecí vodič 9 je připojen na první vstup 1.1 prvního proudového zrcadla 1, ze kterého je pak přes druhý vstup 1.3 prvního proudového zrcadla 1 a druhý vstup 3.2 napěťového zesilovače 3 napájen napěťový zesilovač 3. Záporný napájecí vodič 10 je připojen na první vstup 2.1 druhého proudového zrcadla 2, ze kterého je pak přes druhý vstup 2.3 druhého proudového zrcadla 2 a třetí vstup 3.3 napěťového zesilovače 3 napájen napěťový zesilovač 3. Napájením napěťového zesilovače 3 z proudových zrcadel 1 a 2 je zároveň zrcadlen napájecí proud proudovými zrcadly 1 a 2 do výstupů 1.2 a 2.2 těchto proudových zrcadel 1, 2. Oba výstupy 1.2 a 2.2 proudových zrcadel 1 a 2 jsou navzájem propojeny a je k nim zapojen odporový bočník Rl. Princip zařízení je tedy založen na zrcadlení napájecího proudu napěťového zesilovače 3 proudovými zrcadly 1 a 2 tak, aby odpovídal proudu výstupu 3.4 napěťového zesilovače 3, ke kterému je zapojen měřený obvod MO. Zrcadlený proud je převeden na napětí na napěťové výstupní svorce 7 pro měření proudu pomocí odporového bočníku Rl.

Obr. 1 a 2 ukazují možná vnitřní zapojení jednotlivých zařízení v blokovém schématu. Jednotlivé tranzistory jsou značeny písmenem T a přirozeným číslem ve formátu TI až T12, rezistory jsou značeny R3, R4. V obr. 1 a 2 je znázorněn příklad měřeného obvodu MO se zapojenou impedancí Z1. Příkladné provedení měřeného obvodu MO s impedancí Z1 je rovněž v obr. 4. Tranzistory TI až T12 v proudových zrcadlech 1 a 2 a v napěťovém zesilovači 3 jsou vybrány ze skupiny obsahující bipolámí tranzistory, unipolární tranzistory a jejich kombinace, různé typy tranzistorů lze kombinovat v každém ze zařízení 1_, 2, 3 i mezi těmito zařízeními 1, 2, 3 navzájem.

Měřený obvod MO může zahrnovat také například kapacitní senzor S1 (např. měření výšky hladiny, senzory přiblížení), viz obr. 9, a/nebo induktivní senzor S2, např. měření výšky hladiny, senzory přiblížení), viz obr. 10, a/nebo senzor vodivosti. Kromě samotné impedance Z1 může obsahovat měřený obvod obsahovat, např. i senzor obsahující impedanci Zl. Tyto senzory lze vzájemně kombinovat i v rámci jednoho měřeného obvodu MO.

Často využitelným provedením bude takové, v němž je součástí měřeného obvodu senzor, který je detektorem kovů.

Součástí měřeného obvodu MO může být také zdroj proudu. V některých provedeních je takovým zdrojem proudu alespoň jedna fotodioda Dl, viz obr. 5.

První proudové zrcadlo 1 může být s výhodou Wilsonovo proudové zrcadlo nebo proudové zrcadlo v kaskodovém zapojení. Podobně druhé proudové zrcadlo 2 může být s výhodou Wilsonovo proudové zrcadlo nebo proudové zrcadlo v kaskodovém zapojení.

V obr. 1 jsou obě proudová zrcadla Wilsonova typu, v obr. 2 jsou obě proudová zrcadla v kaskodovém zapojení. V jiném provedení, které není znázorněno v obrázcích, může být ale každé proudových zrcadel 1, 2 i jiného typu.

-6CZ 2021 - 146 A3

Napěťový zesilovač 3 je v některých výhodných provedeních třídy AB a má jednotkové zesílení.

Pokud teče proud z výstupu napěťového zesilovače 3.4 směrem do měřeného obvodu MO, tento proud přitéká skrz kladný napájecí vodič 9 do napěťového zesilovače 3 a je zrcadlen prvním proudovým zrcadlem 1 na jeho výstup 12. Velikost tohoto proudu je měřena bočníkem R1. Pokud teče proud změřeného obvodu MO směrem do výstupu 3.4 napěťového zesilovače 3 (tedy opačným směrem, než minule), proud zároveň teče do záporného napájecího vodiče 10 a je zrcadlen stejným způsobem, ale v druhém proudovém zrcadle 2 na jeho výstup 22. Velikost proudu je opět měřena bočníkem R1.

Napěťový zesilovač v klidu bez připojeného měřeného obvodu MO odebírá klidový napájecí proud. Tento klidový napájecí proud je také zrcadlen proudovými zrcadly, výstupy obou proudových zrcadel 12 a 22 jsou spojeny. Proud zrcadlený z kladného napájecího vodiče 9 a proud zrcadlený ze záporného napájecího vodiče 10 mají stejnou velikost, ale opačné znaménko (směr), proto se od sebe na uzlu, ke kterému je připojen bočník Rl, odečtou. Do bočníku R1 tak neteče žádný zrcadlený klidový proud napěťového zesilovače 3.

Zapojení dle předkládaného vynálezu může navíc obsahovat různá přídavná zařízení, která lze kombinovat mezi sebou i s různými provedeními zapojení. V obrázcích jsou znázorněna jen některá možná zapojení těchto přídavných zařízení. Příklady přídavných zařízení jsou specifikovány v následujících odstavcích:

K alespoň jedné ze svorek vybrané ze skupiny obsahující vstupní svorku 6, napěťovou výstupní svorku 7 pro měření proudu a napěťovou výstupní svorku 8 pro měření napětí může být předřazeno zařízení vybrané ze skupiny obsahující filtr, přídavný zesilovač Al, A2 a rozdílový zesilovač. Filtr filtruje střídavé napětí. Může odfiltrovat nežádoucí části signálu - třeba rušení a šum. Přídavný zesilovač Al, A2 impedančně odděluje vstup od výstupu a zesiluje signál. Provedení se dvěma přídavnými zesilovači Al, A2 je zakresleno v obr. 11. Rozdílový zesilovač impedančně odděluje vstup od výstupu a zesiluje rozdíl napětí.

K alespoň jedné ze svorek vybrané ze skupiny obsahující vstupní svorku 6, napěťovou výstupní svorku 7 pro měření proudu a napěťovou výstupní svorku 8 pro měření napětí může být připojeno zařízení vybrané ze skupiny obsahující zařízení VM pro měření napětí, viz obr. 8, dvoukanálový detektor 12 amplitudy a fáze, viz obr. 6, a analogově digitální převodník, který digitalizuje analogové napětí ze svorek 7, 8, 6. Zařízení VM pro měření napětí měří napětí stejnosměrné nebo průběh napětí jakéhokoliv tvaru, například, ale nikoli nutně, střídavé a harmonické.

Součástí zapojení může být v jednom možném provedení i demodulátor, který je připojen k napěťové výstupní svorce 7 pro měření proudu. Demodulátor demoduluje vstupní analogový signál. Ze vstupního signálu zjišťuje informace (data), která jsou pomocí signálu posílána. Vstupní signál může být optický signál detekovaný fotodiodou, viz obr. 5.

Zapojení podle předkládaného vynálezu lze výhodné použít jako měřič impedancí, viz obr. 6. V tom případě měřený obvod MO obsahuje impedanci Z1 a zapojení dále zahrnuje generátor 11 harmonického signálu, kteiý je připojen ke vstupní svorce 6 pro připojení vstupního signálu, a dvoukanálový detektor 12 amplitudy a fáze, jehož první kanál a je připojen na napěťovou výstupní svorku 7 pro měření proudu a jehož druhý kanál b je připojen ke vstupní svorce 6 pro měření vstupního signálu, což je v obr. 6 znázorněno čárkovaně, nebo k napěťové výstupní svorce 8 pro měření napětí na měřeném obvodu MO, což je v obr. 6 znázorněno plnou čarou.

Jako detektor 12 amplitudy a fáze, nebo jako jinak řečeno měřič amplitudy a fáze signálu, může být použit v laboratorních podmínkách, např. osciloskop. O tom, jestli má být pro připojení druhého kanálu b detektoru amplitudy a fáze 12 použita vstupní svorka 6 pro připojení vstupního signálu, nebo napěťová výstupní svorka 8 pro měření napětí, rozhoduje konkrétní aplikace. Pro některé aplikace je z hlediska přesnosti měření vhodnější vstupní svorka 6 pro připojení vstupního

-7 CZ 2021 - 146 A3 signálu, pro jiné napěťová výstupní svorka 8 pro měření napětí. Napěťovou výstupní svorku 8 pro měření napětí je výhodné použít, pokud je potřeba budit měřený obvod MO, konkrétně měřenou impedanci Zl, velkým proudem. Detektor 12 amplitudy a fáze měří amplitudy střídavých napětí na každém svém vstupu. Měří také fázové posunutí (úhel) mezi střídavými signály na kanálech a, b detektoru 12 amplitudy a fáze.

Pro velmi přesné výstupní napětí při velkých výstupních proudech je výhodné, když je součástí zapojení operační zesilovač OZ. V tomto provedení je napěťový zesilovač 3 zapojen do zpětné vazby operačního zesilovače OZ. Zapojení do zpětné vazby operačního zesilovače OZ může být provedeno v invertujícím, nebo neinvertujícím zapojení. Napěťový zesilovač 3 se do zpětné vazby operačního zesilovače OZ připojuje přes první vstup 3.1 napěťového zesilovače 3 a přes a výstup 3.4 napěťového zesilovače 3, viz obr. 13.

Pro zajištění ochrany obvodů před zkratem nebo vysokým proudem na výstupu napěťového zesilovače 3 je výhodné, když je součástí zapojení ochranný rezistor R2 zapojený mezi výstup 3.4 napěťového zesilovače 3 a napěťovou výstupní svorku 8 pro měření napětí. Je výhodné zvolit hodnotu ochranného rezistoru R2 několikanásobně nižší, než je hodnota impedance Zl, viz obr. 12.

Pro zajištění spolehlivé ochrany obvodů před zkratem nebo vysokým proudem na výstupu napěťového zesilovače 3.4 je výhodné, když je součástí zapojení ochranný obvod OCH pro odpojení alespoň jedné části zapojení při proudovém přetížení. Odpojovanou částí může být kterákoli část zapojení vybraná ze skupiny obsahující první vstup 1.1 prvního proudového zrcadla 1, první vstup 2.1 druhého proudového zrcadla 2 a vstupní svorku 6 pro připojení vstupního signálu, případně lze odpojit i libovolnou kombinaci těchto částí zapojení. Ochranný obvod OCH je propojen s výstupy 1.2, 2.2 obou proudových zrcadel 1, 2. Toto provedení je ukázáno na obr. 14.

Při měření impedance Zl v zapojení podle předkládaného vynálezu se postupuje následovně:

a) přivede se kladné napětí mezi kladný napájecí vodič 9 a zem a záporné napětí stejné velikosti mezi záporný napájecí vodič 10 a zem, jde tedy o připojení k symetrickému napájecímu napětí. Zemnicí svorka je na nulovém napětí. Jeden z mnoha možných příkladů pro ilustraci: například svorka 9 je připojena na + 6 V, svorka 10 je připojena na - 6 V a zemnicí svorka je připojena na 0 V;

b) nastaví se velikost bočníku R1 pro nastavení požadovaného měřicího rozsahu, tento rozsah je možné kdykoliv podle potřeby změnit;

c) nastaví se frekvence a amplituda budicího harmonického signálu na generátoru 11 harmonického signálu, případně lze nastavit i DC předpětí, a poté se

d) odečtou hodnoty amplitud v obou kanálech dvoukanálového detektoru 12 amplitudy a fáze a také fázový posun mezi oběma kanály;

e) z obou amplitud a fázového posunu mezi oběma kanály se vypočte impedance Zl pro frekvenci nastavenou na generátoru 11 harmonického signálu;

f) naměřené a vypočtené hodnoty mohou být ve výhodném provedení zpřesněny kalibrací.

Tento postup lze provést například v příkladném zapojení, které je znázorněno v obr. 6. Toto zapojení má ale i další varianty, jak bylo zmíněno výše.

Je též možné proměřit frekvenční závislosti impedance Zl, a to tak, že se kroky c) až e) opakují, přičemž při každém opakování se přeladí frekvence budicího harmonického signálu nastavená na generátoru 11 harmonického signálu. Počet opakování průchodů kroky c) až e) stanoví uživatel

-8CZ 2021 - 146 A3 podle požadovaného počtu hodnot frekvence budicího harmonického signálu, pro něž je měřena impedance Zl. Ve výhodném provedení lze místo opakování kroků c) až e) opakovat kroky c) až f).

Je též možné měřit impedance v můstkovém zapojení při použití dvou zapojení podle předkládaného vynálezu. V tomto provedení se měřená impedance Z1 zapojí mezi výstup 3.4 napěťového zesilovače 3 prvního zapojení a mezi výstup 3.4 napěťového zesilovače 3 druhého zapojení. V případě můstkového zapojení není impedance Z1 uzemněna. Díky můstkovému zapojení je možné lépe změřit například kapacity měřené impedance Z1 vůči uzemněnému stínění.

Hodnota amplitudy signálu na napěťové výstupní svorce 7 pro měření proudu po přenásobení konstantou měřicího rozsahu proudu odpovídá hodnotě proudu. Hodnota amplitudy signálu na vstupní svorce 6 pro připojení vstupního signálu a na napěťové výstupní svorce 8 pro měření napětí odpovídá hodnotě napětí. Hodnota fázového posunu mezi kanály a, b odpovídá hodnotě fázového posunu mezi napětím a proudem. Konstantu měřicího rozsahu proudu je možné vypočítat jako převrácenou hodnotu odporu bočníku 1/R1. Konstantu měřicího rozsahu proudu je možné zjistit měřením a použít ji zároveň, jako kalibraci.

Z hodnot napětí, proudu a fázového posunuje možné vypočítat hodnotu komplexní impedance pro danou frekvenci nastavenou na generátoru, jako podíl fázorů napětí a proudu.

Z hodnot napětí, proudu a fázového posunu je možné vypočítat indukčnost a kapacitu a jejich parazitní prvky v náhradním obvodu.

Pro měření impedance v požadovaném frekvenčním rozsahu se generátor 11 připojený na vstupní svorku 6 pro připojení vstupního signálu přelaďuje v tomto rozsahu frekvencí a pro jednotlivé frekvence se odečítají hodnoty z detektoru amplitudy a fáze.

Při převodu proudu na napětí lze zapojení podle předkládaného vynálezu rovněž využít. Zapojení lze tedy uplatnit i pro měření proudu, viz obr. 5, 7, případně též varianty s různými přídavnými zařízeními. V zapojení je obsažen zdroj stejnosměrného předpětí 13 a zdroj proudu v měřeném obvodě MO. např. alespoň jedna fotodioda Dl. Zdroj 13 stejnosměrného předpětí, je připojen ke vstupní svorce 6 pro připojení vstupního signálu a zařízení VM pro měření napětí je připojeno na napěťovou výstupní svorku 7 pro měření proudu. V laboratorních podmínkách může být zařízením VM pro měření napětí, např. osciloskop.

Při převodu proudu na napětí v zapojení podle předkládaného vynálezu se provedou následující kroky:

g) přivede se kladné napětí mezi kladný napájecí vodič 9 a zem a záporné napětí stejné velikosti mezi záporný napájecí vodič 10 a zem, tzn. jde o symetrické napájecí napětí. Zemnicí svorka je na nulovém napětí. Jeden z mnoha možných příkladů pro ilustraci: například svorka 9 je připojena na + 6 V, svorka 10 je připojena na - 6 V a zemnicí svorka je připojena na 0 V;

h) nastaví se velikost bočníku R1 pro nastavení požadovaného měřicího rozsahu, přičemž rozsah je možno kdykoli podle potřeby změnit);

i) odečte se hodnota měřeného napětí na zařízení (VM) pro měření napětí, která odpovídá proudu protékajícímu měřeným obvodem MO.

V případě použití fotodiody Dl jako měřeného obvodu MO může být obvod využit jako rychlý trans-impedanční zesilovač pro přijímač optického vlákna, jak je znázorněno na obr. 5., kde vlákno pro přehlednost není znázorněno. Kdyby znázorněno bylo, navazovalo by na fotodiodu Dl.

- 9 CZ 2021 - 146 A3

Průmyslová využitelnost

Průmyslové využití lze očekávat v:

· Laboratorních impedančních analyzátorech • V přenosných impedančních analyzátorech • V chemických senzorech, které pracují na principu impedanční analýzy • V materiálové impedanční spektroskopii • V LRC metrech · Při měření transformátorů • Jako elektronika pro induktivní a kapacitní senzory a detektory kovu • Jako rychlý převodník proudu na napětí • Jako náhrada za transimpedanční zesilovač pro fotodiodu

Obecně lze zapojení podle předkládaného vynálezu použít jako elektroniku pro jakékoliv zařízení, jehož elektronika má měřit impedanci nebo proud.

Claims (19)

1. Zapojení s proudovými zrcadly obsahující měřený obvod (MO), boěník (Rl), napěťový zesilovač (3) a vstupní svorku (6) pro připojení vstupního signálu, která je propojena s prvním vstupem (3.1) napěťového zesilovače (3), vyznačující se tím, že dále obsahuje první proudové zrcadlo (1) a druhé proudové zrcadlo (2), přičemž první vstup (1.1) prvního proudového zrcadla (1), který je napájecí, je připojen ke kladnému napájecímu vodiči (9), výstup (1.2) prvního proudového zrcadla (1) je propojen s výstupem (2.2) druhého proudového zrcadla (2), přičemž na tomto propojení je uzel, který je propojen s první svorkou bočníku (Rl) pro měření proudu, když druhý vstup (1.3) prvního proudového zrcadla (1) je připojen k druhému vstupu (3.2) napěťového zesilovače (3), který je napájecí, přičemž první svorka bočníku (Rl) je propojena také s napěťovou výstupní svorkou (7) pro měření proudu a druhá svorka bočníku (Rl) je propojena se zemí, a přičemž první vstup (2.1) druhého proudového zrcadla (2), který je napájecí, je připojen k zápornému napájecímu vodiči (10) a druhý vstup (2.3) druhého proudového zrcadla (2) je připojen k třetímu vstupu (3.3) napěťového zesilovače (3), který je napájecí, a přičemž první svorka měřeného obvodu (MO) je připojena k výstupu (3.4) napěťového zesilovače (3) a druhá svorka měřeného obvodu (MO) je propojena se zemí.

2. Zapojení podle nároku 1, vyznačující se tím, že první proudové zrcadlo (1) je Wilsonovo proudové zrcadlo nebo proudové zrcadlo v kaskodovém zapojení a že druhé proudové zrcadlo (2) je Wilsonovo proudové zrcadlo nebo proudové zrcadlo v kaskodovém zapojení.

3. Zapojení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že napěťový zesilovač (3) je třídy AB a má jednotkové zesílení.

4. Zapojení podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že obsahuje také napěťovou výstupní svorku (8) pro měření napětí, která je propojena s první svorkou měřeného obvodu (MO).

5. Zapojení podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že tranzistory v proudových zrcadlech (1, 2) a v napěťovém zesilovači (3) jsou vybrány ze skupiny obsahující bipolární tranzistory, unipolámí tranzistory a jejich kombinace.

6. Zapojení podle kteréhokoliv z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že měřený obvod (MO) zahrnuje senzor vybraný ze skupiny kapacitní senzor (SI), induktivní senzor (S2), senzor vodivosti, senzor obsahující impedanci (Zl).

7. Zapojení podle nároku 6, vyznačující se tím, že senzorem je detektor kovů.

8. Zapojení podle kteréhokoliv z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že alespoň jedné ze svorek vybrané ze skupiny obsahující vstupní svorku (6), napěťovou výstupní svorku (7) pro měření proudu a napěťovou výstupní svorku (8) pro měření napětí je předřazeno zařízení vybrané ze skupiny obsahující filtr, přídavný zesilovač (Al, A2) a rozdílový zesilovač.

9. Zapojení podle kteréhokoliv z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že k alespoň jedné ze svorek vybrané ze skupiny obsahující vstupní svorku (6), napěťovou výstupní svorku (7) pro měření proudu a napěťovou výstupní svorku (8) pro měření napětí je připojeno zařízení vybrané ze skupiny obsahující zařízení (VM) pro měření napětí, dvoukanálový detektor (12) amplitudy a fáze a analogově digitální převodník.

10. Zapojení podle kteréhokoliv z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že obsahuje ochranný rezistor (R2), který je zapojen mezi výstup (3.4) napěťového zesilovače (3) a napěťovou výstupní svorku (8) pro měření napětí.

-11CZ 2021 - 146 A3

11. Zapojení podle kteréhokoliv z nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že obsahuje ochranný obvod (OCH) pro odpojení alespoň jedné části zapojení při proudovém přetížení, když odpojované části zapojení jsou vybrány ze skupiny obsahující první vstup (1.1) prvního proudového zrcadla (1), první vstup (2.1) druhého proudového zrcadla (2) a vstupní svorku (6) pro připojení vstupního signálu, přičemž ochranný obvod (OCH) je propojen s výstupy (1.2, 2.2) obou proudových zrcadel (1,2).

12. Zapojení podle kteréhokoliv z nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že obsahuje demodulátor, který je připojen k napěťové výstupní svorce (7) pro měření proudu.

13. Zapojení podle kteréhokoliv z nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že měřený obvod (MO) obsahuje impedanci (Zl) a že zapojení dále zahrnuje generátor (11) harmonického signálu, který je připojen ke vstupní svorce (6) pro připojení vstupního signálu, a dvoukanálový detektor (12) amplitudy a fáze, jehož první kanál (a) je připojen na napěťovou výstupní svorku (7) pro měření proudu a jehož druhý kanál (b) je připojen ke vstupní svorce (6) pro měření vstupního signálu, nebo k napěťové výstupní svorce (8) pro měření napětí na měřeném obvodu (MO).

14. Zapojení podle nároku 13, vyznačující se tím, že obsahuje operační zesilovač (OZ), přičemž napěťový zesilovač (3) je zapojen přes svůj první vstup (3.1) a svůj výstup (3.4) do záporné zpětné vazby tohoto operačního zesilovače (OZ).

15. Zapojení podle kteréhokoliv z nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že měřený obvod (MO) obsahuje zdroj proudu a že zapojení dále zahrnuje zdroj (13) stejnosměrného předpětí, který je připojen ke vstupní svorce (6) pro připojení vstupního signálu, a zařízení (VM) pro měření napětí, které je připojeno na napěťovou výstupní svorku (7) pro měření proudu.

16. Zapojení podle nároku 15, vyznačující se tím, že zdrojem proudu je fotodioda (Dl).

17. Způsob měření impedance v zapojení podle nároku 13, vyznačující se tím, že se

a) přivede kladné napětí mezi kladný napájecí vodič (9) a zem a záporné napětí stejné velikosti mezi záporný napájecí vodič (10) a zem,

b) nastaví se velikost bočníku (Rl) pro nastavení požadovaného měřicího rozsahu,

c) nastaví se frekvence a amplituda budicího harmonického signálu na generátoru (11) harmonického signálu a poté se

d) odečtou hodnoty amplitud v obou kanálech dvoukanálového detektoru (12) amplitudy a fáze a také fázový posun mezi oběma kanály,

e) z obou amplitud a fázového posunu mezi oběma kanály se vypočte velikost impedance (Zl) pro frekvenci nastavenou na generátoru (11) harmonického signálu.

18. Způsob měření impedance podle nároku 17, vyznačující se tím, že pro proměření frekvenční závislosti impedance (Zl) se kroky c) až e) opakují, přičemž při každém opakování se přeladí frekvence budicího harmonického signálu nastavená na generátoru (11) harmonického signálu a přičemž počet opakování stanoví uživatel podle požadovaného počtu hodnot frekvence budicího harmonického signálu, pro něž je měřena impedance (Zl).

19. Způsob převodu proudu na napětí v zapojení podle nároku 15 nebo 16, vyznačující se tím, že se

g) přivede kladné napětí mezi kladný napájecí vodič (9) a zem a záporné napětí stejné velikosti mezi záporný napájecí vodič (10) a zem,

-12CZ 2021 - 146 A3

h) nastaví se velikost bočníku (Rl) pro nastavení požadovaného měřicího rozsahu,

i) odečte se hodnota měřeného napětí na zařízení (VM) pro měření napětí, která odpovídá proudu 5 protékajícímu měřeným obvodem (MO).

7 výkresů

Seznam vztahových značek

MO - měřený obvod

Rl - bočník

Z1 - impedance

D1 - fotodioda

VM - zařízení pro měření napětí

S1 -kapacitní senzor

S2 - induktivní senzor

A1, A2 - přídavné zesilovače

OZ - operační zesilovač

R2 - ochranný rezistor

OCH - ochranný obvod

1 - první proudové zrcadlo

1.1- první vstup prvního proudového zrcadla 1 (napájecí)

1.2 - výstup prvního proudového zrcadla 1

1.3- druhý vstup prvního proudového zrcadla 1

2 - druhé proudové zrcadlo

2.1 - první vstup druhého proudového zrcadla 2 (napájecí)

2.2 - výstup druhého proudového zrcadla 2

2.3 - druhý vstup druhého proudového zrcadla 2

3 - napěťový zesilovač

3.1 - první vstup napěťového zesilovače 3

3.2 - druhý vstup napěťového zesilovače 3 (napájecí)

3.3 - třetí vstup napěťového zesilovače 3 (napájecí)

3.4 - výstup napěťového zesilovače 3

6 - vstupní svorka pro připojení vstupního signálu

7 - napěťová výstupní svorka pro měření proudu

8 - napěťová výstupní svorka pro měření napětí

9 - kladný napájecí vodič

10 - záporný napájecí vodič

11 - generátor harmonického signálu

12 - detektor amplitudy a fáze a- první kanál detektoru 12 amplitudy a fáze b- druhý kanál detektoru 12 amplitudy a fáze

13 - zdroj stejnosměrného předpětí