MD888Z

MD888Z - Impedance converter

Info

Publication number: MD888Z
Application number: MDS20140137A
Authority: MD
Inventors: Виталие НАСТАС
Original assignee: Технический университет Молдовы
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2015-09-30
Also published as: MD888Y

Abstract

The invention relates to the field of measuring equipment and radioelectronics and can be used for reproducing virtual impedances with independent control of modulus and phase.The impedance converter comprises an operational amplifier (1) with two inputs and one output, two terminals (2, 7), connected respectively to the inverting input of the operational amplifier (1) and to the common wire, a fixed resistor (6), connected between the noninverting input of the operational amplifier (1) and the common wire, the first variable resistor (4) with the nominal resistance value RB, having one pole connected to the inverting input of the operational amplifier (1), and a differential amplifier (7) with stepwise-variable transmission coefficient, having its inputs connected respectively to the output and to the noninverting input of the operational amplifier (1). The converter further comprises a controllable phase shifter (8) with the possibility of controlling the phase in the value range 0…360° and with unit amplification coefficient, having its input connected to the output of the differential amplifier (7) and its output - to the noninverting input of the operational amplifier (1). The converter also comprises a second variable resistor (5) with the nominal resistance value RF = 0,1RB, having one pole connected to the output of the operational amplifier (1) and the second pole to the second pole of the first variable resistor (4), and the phase shifter (8) is provided with control bodies for step, smooth coarse and smooth fine control of the phase shift.

Description

Invenţia se referă la domeniile tehnicii de măsurare şi radioelectronicii şi poate fi utilizată pentru reproducerea impedanţelor virtuale cu reglare independentă a modulului şi fazei. The invention relates to the fields of measurement technology and radio electronics and can be used for reproducing virtual impedances with independent adjustment of the modulus and phase.

Cea mai apropiată soluţie este convertorul de impedanţă, care conţine un amplificator operaţional cu un rezistor variabil conectat în reacţia negativă, un amplificator diferenţial programabil şi un defazor programabil - toate conectate în cascadă, ieşirea defazorului fiind conectată la intrarea neinversoare a amplificatorului operaţional, precum şi două cleme, conectate respectiv la intrarea inversoare a amplificatorului operaţional şi la masă. Convertorul asigură reproducerea impedanţelor reprezentate în coordonate polare cu reglarea modulului şi a fazei impedanţei reproduse [1]. The closest solution is the impedance converter, which contains an operational amplifier with a variable resistor connected in negative feedback, a programmable differential amplifier and a programmable phase shifter - all connected in cascade, the output of the phase shifter being connected to the non-inverting input of the operational amplifier, as well as two clamps, connected respectively to the inverting input of the operational amplifier and to ground. The converter ensures the reproduction of impedances represented in polar coordinates with adjustment of the modulus and phase of the reproduced impedance [1].

Dezavantajul acestui convertor constă în imposibilitatea reglării fine a impedanţei reproduse, ceea ce micşorează precizia convertorului şi îngustează domeniul de utilizare. The disadvantage of this converter is the impossibility of fine-tuning the reproduced impedance, which reduces the converter's accuracy and narrows its scope of use.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în asigurarea reglării fine a impedanţei reproduse şi, prin aceasta, mărirea preciziei şi lărgirea domeniului de utilizare. The problem that the invention solves consists in ensuring fine adjustment of the reproduced impedance and, thereby, increasing the precision and broadening the scope of use.

Convertorul, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine un amplificator operaţional cu două intrări şi o ieşire, două cleme, conectate respectiv la intrarea inversoare a amplificatorului operaţional şi la masă, un rezistor fix, conectat între intrarea neinversoare a amplificatorului operaţional şi masă, primul rezistor variabil cu valoarea rezistenţei nominale RB, conectat cu un pol la intrarea inversoare a amplificatorului operaţional, şi un amplificator diferenţial cu factor de transmisiune variabil în trepte, conectat cu intrările respectiv la ieşirea şi la intrarea neinversoare ale amplificatorului operaţional. Convertorul de asemenea conţine un defazor comandat cu posibilitatea reglării fazei în banda de valori 0…360° şi cu factor de amplificare unitar, conectat cu intrarea la ieşirea amplificatorului diferenţial, iar cu ieşirea - la intrarea neinversoare a amplificatorului operaţional. Convertorul mai conţine al doilea rezistor variabil cu o valoare a rezistenţei nominale RF = 0,1RB, conectat cu un pol la ieşirea amplificatorului operaţional şi cu cel de-al doilea pol la cel de-al doilea pol al primului rezistor variabil, iar defazorul este dotat cu organe de reglare în trepte, lină brută şi lină fină a defazajului. The converter, according to the invention, eliminates the above-mentioned disadvantages by containing an operational amplifier with two inputs and one output, two terminals, respectively connected to the inverting input of the operational amplifier and to ground, a fixed resistor, connected between the non-inverting input of the operational amplifier and ground, the first variable resistor with the nominal resistance value RB, connected with one pole to the inverting input of the operational amplifier, and a differential amplifier with a step-variable transmission factor, connected with the inputs respectively to the output and to the non-inverting input of the operational amplifier. The converter also contains a controlled phase shifter with the possibility of adjusting the phase in the value range 0…360° and with a unity gain factor, connected with the input to the output of the differential amplifier, and with the output - to the non-inverting input of the operational amplifier. The converter also contains a second variable resistor with a nominal resistance value RF = 0.1RB, connected with one pole to the output of the operational amplifier and with the second pole to the second pole of the first variable resistor, and the phase shifter is equipped with step, rough smoothing and fine smoothing of the phase shift.

Rezultatul tehnic al invenţiei constă în posibilitatea reproducerii impedanţelor în coordonate polare cu reglare fină a componentelor impedanţei reproduse. The technical result of the invention consists in the possibility of reproducing impedances in polar coordinates with fine adjustment of the components of the reproduced impedance.

Invenţia se explică prin desenul din figură, care reprezintă schema convertorului. The invention is explained by the drawing in the figure, which represents the converter diagram.

Convertorul de impedanţă conţine amplificatorul operaţional 1; clemele 2 şi 3, conectate respectiv la intrarea inversoare a amplificatorului 1 şi la masă; rezistoarele variabile 4 şi 5, conectate în serie şi cu polii liberi respectiv la intrarea inversoare şi la ieşirea amplificatorului 1; rezistorul fix 6, conectat cu polii între intrarea neinversoare a amplificatorului 1 şi masă; amplificatorul diferenţial 7 programabil, conectat cu intrările respectiv la ieşirea şi la intrarea neinversoare ale amplificatorului 1; precum şi defazorul 8 comandat, conectat cu intrarea la ieşirea amplificatorului 7, iar cu ieşirea - la intrarea neinversoare a amplificatorului 1. Rezistoarele variabile 4 şi 5 posedă, respectiv, rezistenţele nominale RB şi RF = 0,1RB, amplificatorul diferenţial 7 este programabil cu factor de transmisiune Kd reglabil în trepte, iar defazorul 8 posedă următoarele organe de reglare a defazajului: Kφ, φb, φf. Organele de reglare Kd, Rb şi Rf se utilizează, respectiv, pentru reglarea în trepte, brută şi fină a modulului, iar organele de reglare Kφ, φb, φf - respectiv, pentru reglarea în trepte, brută şi fină a fazei impedanţei reproduse de convertor. The impedance converter contains the operational amplifier 1; terminals 2 and 3, respectively connected to the inverting input of amplifier 1 and to ground; variable resistors 4 and 5, connected in series and with free poles respectively to the inverting input and output of amplifier 1; fixed resistor 6, connected with poles between the non-inverting input of amplifier 1 and ground; programmable differential amplifier 7, connected with inputs respectively to the output and non-inverting input of amplifier 1; as well as the controlled phase shifter 8, connected with the input to the output of amplifier 7, and with the output - to the non-inverting input of amplifier 1. Variable resistors 4 and 5 have, respectively, the nominal resistances RB and RF = 0.1RB, differential amplifier 7 is programmable with a step-adjustable transmission factor Kd, and phase shifter 8 has the following phase shift adjustment elements: Kφ, φb, φf. The Kd, Rb and Rf control elements are used, respectively, for the coarse and fine step adjustment of the module, and the Kφ, φb, φf control elements - respectively, for the coarse and fine step adjustment of the impedance phase reproduced by the converter.

Convertorul funcţionează în modul următor. The converter operates in the following mode.

Amplificatorul operaţional 1 cu rezistoarele 4 şi 5, conectate în reacţie, formează un convertor de curent în tensiune. Tensiunea U1 la ieşirea lui constituie: Operational amplifier 1 with resistors 4 and 5, connected in feedback, forms a current-to-voltage converter. The voltage U1 at its output is:

U1 = - Ii·(Rb + Rf) + Ui, (1) U1 = - Ii·(Rb + Rf) + Ui, (1)

unde: Ii - curentul de intrare, Ui - căderea de tensiune pe rezistorul 4, Rb - valoarea rezistenţei rezistorului 4, Rf - valoarea rezistenţei rezistorului 5. where: Ii - input current, Ui - voltage drop across resistor 4, Rb - resistance value of resistor 4, Rf - resistance value of resistor 5.

Tensiunea U2 la ieşirea amplificatorului diferenţial 7, cu evidenţa relaţiei (1) constituie: The voltage U2 at the output of the differential amplifier 7, with the evidence of relation (1), is:

U2 = Kd · (Ui - U1) = Kd ·(Rb + Rf)·Ii. (2) U2 = Kd · (Ui - U1) = Kd ·(Rb + Rf)·Ii. (2)

Tensiunea Ui la ieşirea defazorului 8: Voltage Ui at the output of phase shifter 8:

Ui = Kφ · U2 = Kd · (Rb + Rf) · M ejφ · Ii = Kd R ejφ Ii, (3) Ui = Kφ · U2 = Kd · (Rb + Rf) · M ejφ · Ii = Kd R ejφ Ii, (3)

unde: Kφ = M ejφ =1· ejφ - factorul de transfer al defazorului 8. where: Kφ = M ejφ =1· ejφ - the transfer factor of the phase shifter 8.

Defazajul φ, format de defazorul 8 constituie: The phase shift φ, formed by the phase shifter 8, constitutes:

φ = Kφ ( φb + φf), (4) φ = Kφ ( φb + φf), (4)

unde: Kφ = 1; 10; 102… - valoarea treptei de reglare, φb - valoarea defazajului la reglarea brută, φf - valoarea defazajului la reglarea fină. where: Kφ = 1; 10; 102… - the value of the adjustment step, φb - the value of the phase shift at coarse adjustment, φf - the value of the phase shift at fine adjustment.

Impedanţa Zi, reprodusă de convertor la clemele 2 şi 3, se determină: The impedance Zi, reproduced by the converter at terminals 2 and 3, is determined:

Zi = Ui / Ii = Kd · (Rb + Rf) exp [j Kφ ( φb + φf)] ≡ Zi ejφi, (5) Zi = Ui / Ii = Kd · (Rb + Rf) exp [j Kφ ( φb + φf)] ≡ Zi ejφi, (5)

unde: Zi - modulul impedanţei reproduse, φi - faza ei. where: Zi - the modulus of the reproduced impedance, φi - its phase.

După cum rezultă din relaţia (5), modulul Zi al impedanţei reproduse de convertor poate fi reglat în trepte prin intermediul organului de reglare Kd, care asigură valori ale factorului de transmisiune Kd = 1; 10; 102, etc., sau altele, după necesitate, şi lin, prin reglarea rezistenţei rezistoarelor 4 şi 5. Reglarea valorii Rb duce la reglarea brută, iar reglarea valorii Rf duce la reglarea fină a modulului impedanţei reproduse. Reglarea cu precizie înaltă a fazei se efectuează în mod similar, prin reglarea respectivă a organelor Kφ, φb, φf . As follows from relation (5), the modulus Zi of the impedance reproduced by the converter can be adjusted in steps by means of the regulating element Kd, which provides values of the transmission factor Kd = 1; 10; 102, etc., or others, as necessary, and smoothly, by adjusting the resistance of resistors 4 and 5. Adjusting the value Rb leads to the rough adjustment, and adjusting the value Rf leads to the fine adjustment of the modulus of the reproduced impedance. High-precision adjustment of the phase is performed in a similar way, by adjusting the respective elements Kφ, φb, φf.

Exemplu de implementare practică Practical implementation example

Într-un convertor cu valorile componentelor RB = 103 Ω, RF = 102 Ω, Kd = 1; 10; 102, de exemplu, pentru banda de valori ale modulului, care corespund Kd =10, la reglarea brută Rb =(0…103) Ω, valoarea modulului impedanţei reproduse variază Zi = (0…104) Ω, iar la reglarea fină Rf =(0…102) Ω şi valoarea Zi variază: Zi = (0…103) Ω, ceea ce face posibilă instalarea cu precizie înaltă a valorii modulului. La fel şi reglarea fazei se efectuează în trepte prin variaţia Kφ = 1; 10 şi lin prin variaţia organului de reglare brută φb =(0…36)° şi fină φf =(0…4)° cu precizie înaltă în banda de valori φi =(0…360)°. In a converter with component values RB = 103 Ω, RF = 102 Ω, Kd = 1; 10; 102, for example, for the band of module values, which correspond to Kd =10, at rough adjustment Rb =(0…103) Ω, the value of the module of the reproduced impedance varies Zi = (0…104) Ω, and at fine adjustment Rf =(0…102) Ω and the value Zi varies: Zi = (0…103) Ω, which makes it possible to set the module value with high accuracy. Similarly, the phase adjustment is performed in steps by varying Kφ = 1; 10 and smoothly by varying the coarse adjustment element φb =(0…36)° and fine φf =(0…4)° with high accuracy in the band of values φi =(0…360)°.

1. MD 740 Z 2014.09.30 1. MD 740 Z 2014.09.30

Claims

Impedance converter, comprising an operational amplifier (1) with two inputs and one output; two terminals (2 and 3), respectively connected to the inverting input of the operational amplifier (1) and to ground; a fixed resistor (6), connected between the non-inverting input of the operational amplifier (1) and ground; the first variable resistor (4) with the nominal resistance value RB, connected with one pole to the inverting input of the operational amplifier (1); a differential amplifier (7) with a step-variable transmission factor, connected with its inputs to the output and the non-inverting input of the operational amplifier (1); as well as a phase shifter (8) controlled with the possibility of adjusting the phase in the 0…360° value band and with a unitary amplification factor, connected with the input to the output of the differential amplifier (7), and with the output - to the non-inverting input of the operational amplifier (1), characterized in that it also contains a second variable resistor (5) with a nominal resistance value RF = 0.1RB, connected with one pole to the output of the operational amplifier (1) and with the second pole to the second pole of the first variable resistor (4), and the phase shifter (8) is equipped with stepwise, rough smoothing and fine smoothing adjustment elements of the phase shift.