RU2212677C2 - Device for measuring parameters of double-pole multicomponent circuits - Google Patents

Device for measuring parameters of double-pole multicomponent circuits

Info

Publication number
RU2212677C2
RU2212677C2 RU2001107976/09A RU2001107976A RU2212677C2 RU 2212677 C2 RU2212677 C2 RU 2212677C2 RU 2001107976/09 A RU2001107976/09 A RU 2001107976/09A RU 2001107976 A RU2001107976 A RU 2001107976A RU 2212677 C2 RU2212677 C2 RU 2212677C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
parameters
computer
operational amplifier
Prior art date
Application number
RU2001107976/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2001107976A (en
Inventor
Н.Н. Хрисанов
Д.Б. Фролагин
Original Assignee
Самарский государственный технический университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Самарский государственный технический университет filed Critical Самарский государственный технический университет
Priority to RU2001107976/09A priority Critical patent/RU2212677C2/en
Publication of RU2001107976A publication Critical patent/RU2001107976A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2212677C2 publication Critical patent/RU2212677C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical instrumentation engineering. SUBSTANCE: device depends for its operation on measuring parameters of double-pole multicomponent circuit using integral characteristics of transient component in measuring circuit when square pulse is applied from reference-voltage source. Device enables measurement of parameters in both RC- and RLC-type double-pole multicomponent circuits in which case it may be both aperiodic and decaying-wave transient process. Integration operation enables reducing impact of random error component and transient component makes it possible to eliminate effect of measuring-channel additive error on measurement results. More universal measuring instruments and transducers for measuring parameters of double-pole multicomponent circuits can be built around proposed invention. EFFECT: enlarged functional capabilities of device. 1 cl, 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к контрольно-электроизмерительной технике, в частности к измерению параметров многоэлементных двухполюсников. The invention relates to a control and electrical measuring technique, in particular to measuring the parameters of multi-element bipolar.

Известен измерительный преобразователь параметров многоэлементных двухполюсников, содержащий формирователь опорного напряжения, исследуемый двухполюсник, усилитель постоянного тока, опорный элемент, первое и второе запоминающее устройство, первый и второй дифференциатор, логарифмический преобразователь, делитель напряжения (а.с. 1511708, кл. G 01 R 27/02, б.и. 36, 1989 г.). Known measuring transducer of parameters of multi-element bipolar, containing a driver of the reference voltage, the studied bipolar, DC amplifier, a reference element, the first and second storage device, the first and second differentiator, a logarithmic converter, voltage divider (AS 1511708, class G 01 R 27/02, B.I. 36, 1989).

Недостатком устройства являются низкие функциональные возможности. Оно позволяет определить параметры только RC- или RL-цепей. The disadvantage of this device is its low functionality. It allows you to determine the parameters of only RC or RL circuits.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения параметров многоэлементных двухполюсных цепей, содержащее источник опорного напряжения, операционный усилитель с клеммами для подключения опорного элемента и исследуемой двухполюсной цепи на входе и в цепи отрицательной обратной связи, три блока выборки-хранения, два блока вычитания напряжений, интегратор, причем выход источника опорного напряжения соединен через входные клеммы с входом операционного усилителя, выход которого соединен с первым входом первого блока вычитания напряжений и с входом первого блока выборки-хранения, выход которого соединен с вторым входом первого блока вычитания напряжений, выход второго блока выборки-хранения соединен с первым входом второго блока вычитания напряжений, блок управления, масштабирующий преобразователь, четвертый, пятый и шестой блоки выборки-хранения, вычислительный блок, ключ, причем вход масштабирующего преобразователя соединен с выходом источника опорного напряжения, выход масштабирующего преобразователя соединен с входом интегратора, выход которого соединен с третьим входом первого блока вычитания напряжений, выход которого соединен с входами второго, третьего, четвертого, пятого и шестого блоков выборки-хранения, выход третьего блока выборки-хранения соединен с вторым входом второго блока вычитания напряжений, выход последнего соединен с управляющим входом масштабирующего преобразователя, выходы второго, четвертого и пятого блоков выборки-хранения соединены с первым, вторым и третьим входами вычислительного блока, выход шестого блока выборки-хранения соединен с четвертым входом вычислительного блока, управляющие входы источника опорного напряжения, всех блоков выборки-хранения и ключа соединены с соответствующими выходами блока управления, выводы ключа соединены с соответствующими выводами исследуемой двухполюсной сети. The closest in technical essence to the proposed one is a device for determining the parameters of multi-element bipolar circuits, containing a reference voltage source, an operational amplifier with terminals for connecting the reference element and the studied bipolar circuit at the input and in the negative feedback circuit, three sampling-storage blocks, two blocks voltage subtraction, an integrator, and the output of the reference voltage source is connected via input terminals to the input of the operational amplifier, the output of which is connected to the first input of the first voltage subtraction unit and the input of the first sample-storage unit, the output of which is connected to the second input of the first voltage subtraction unit, the output of the second sample-storage unit is connected to the first input of the second voltage subtraction unit, control unit, scaling converter, fourth, fifth and the sixth sample-storage unit, a computing unit, a key, wherein the input of the scaling converter is connected to the output of the reference voltage source, the output of the scaling converter is connected to the input m integrator, the output of which is connected to the third input of the first voltage subtraction unit, the output of which is connected to the inputs of the second, third, fourth, fifth and sixth sampling-storage units, the output of the third sample-storage unit is connected to the second input of the second voltage subtraction unit, the output of the last connected to the control input of the scaling converter, the outputs of the second, fourth and fifth sampling-storage blocks are connected to the first, second and third inputs of the computing block, the output of the sixth sampling-storage block connected to the fourth input of the computing unit, the control inputs of the reference voltage source, all sampling-storage units and the key are connected to the corresponding outputs of the control unit, the key outputs are connected to the corresponding outputs of the studied bipolar network.

Недостатком устройства являются низкие функциональные возможности. Устройство позволяет определить параметры многоэлементных двухполюсных цепей лишь для отдельных частных случаев, причем исследуемые двухполюсные цепи могут быть или RС-типа или RL-типа. The disadvantage of this device is its low functionality. The device allows to determine the parameters of multi-element bipolar circuits only for individual particular cases, and the studied bipolar circuits can be either RC-type or RL-type.

Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. Предложенное устройство позволяет определять параметры многоэлементных двухполюсных цепей как RC- и RL-типа, так и RLC-типа, при этом переходной процесс может быть как апериодическим, так и затухающим колебательным. The technical result is the expansion of the functionality of the device. The proposed device allows to determine the parameters of multi-element bipolar circuits of both RC- and RL-type, and RLC-type, while the transient can be either aperiodic or damped oscillatory.

Поставленный технический результат достигается тем, что в устройство для определения параметров многоэлементных двухполюсных цепей, содержащее источник опорного напряжения, операционный усилитель с клеммами для подключения опорного элемента и исследуемой двухполюсной цепи на входе и в цепи отрицательной обратной связи, причем выход источника опорного напряжения соединен через входные клеммы с входом операционного усилителя, ключ, выводы которого соединены с соответствующими выводами операционного усилителя, тактовый генератор, блок выборки хранения, интегратор, масштабирующий преобразователь, выход которого соединен с входом интегратора, электронную вычислительную машину (ЭВМ), первый выход которой соединен с управляющими входами источника опорного напряжения и ключа, введены таймер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок выделения свободной составляющей, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, а выход с входом масштабирующего преобразователя, управляющие входы которого соединены со вторыми выходами ЭВМ, первый выход которой соединен с управляющим входом таймера, управляющий вход интегратора соединен с третьим выходом ЭВМ, а выход подключен к входу блока выборки-хранения, выход которого соединен с входом АЦП, выходы которого соединены с входами ЭВМ, выход тактового генератора соединен со счетным входом таймера, информационные входы которого соединены с четвертыми выходами ЭВМ, а выход подключен к управляющим входам блока выборки-хранения и АЦП. The technical result is achieved by the fact that in the device for determining the parameters of multi-element bipolar circuits, containing a reference voltage source, an operational amplifier with terminals for connecting the reference element and the studied bipolar circuit at the input and in the negative feedback circuit, and the output of the reference voltage source is connected through input terminals with the input of the operational amplifier, a key whose terminals are connected to the corresponding terminals of the operational amplifier, clock, bl ok storage samples, an integrator, a scaling converter, the output of which is connected to the integrator input, an electronic computer (computer), the first output of which is connected to the control inputs of the reference voltage source and key, a timer, an analog-to-digital converter (ADC), a free allocation block are introduced component, the input of which is connected to the output of the operational amplifier, and the output with the input of the scaling converter, the control inputs of which are connected to the second outputs of the computer, the first output of which is connected control input of the timer, the control input of the integrator is connected to the third output of the computer, and the output is connected to the input of the sampling-storage unit, the output of which is connected to the input of the ADC, the outputs of which are connected to the inputs of the computer, the output of the clock generator is connected to the counting input of the timer, the information inputs of which are connected with fourth computer outputs, and the output is connected to the control inputs of the sampling-storage unit and ADC.

Структурная схема предлагаемого устройства отличается от известного тем, что в него введены дополнительно блок выделения свободной составляющей, таймер и АЦП, которые являются стандартными узлами аналоговой и цифровой вычислительной техники. Однако несмотря на то что введенные блоки являются стандартными узлами цифровой вычислительной техники, их введение, а также появление новых функциональных связей между ними и существующими блоками дает возможность проявиться в устройстве новому свойству. А именно: устройство позволяет определять параметры многоэлементных двухполюсных цепей как RC- и RL-типа, так и RLС-типа, при этом переходной процесс может быть как апериодическим, так и затухающим колебательным, что расширяет функциональные возможности устройства. The structural diagram of the proposed device differs from the known one in that it is additionally introduced with a free component allocation unit, a timer and an ADC, which are standard nodes of analog and digital computing equipment. However, despite the fact that the introduced blocks are standard units of digital computer technology, their introduction, as well as the emergence of new functional relationships between them and existing blocks, makes it possible to manifest a new property in the device. Namely: the device allows to determine the parameters of multi-element bipolar circuits of both RC- and RL-type, and RLC-type, while the transient can be both aperiodic and damped oscillatory, which extends the functionality of the device.

Теоретическое обоснование работы устройства. Работа устройства основана на анализе переходного процесса, возникающего в исследуемой двухполюсной цепи при подаче на нее ступенчатого воздействия от источника опорного напряжения. The theoretical rationale for the operation of the device. The operation of the device is based on the analysis of the transient process that occurs in the bipolar circuit under study when a step effect is applied to it from a reference voltage source.

Как известно, переходной процесс в любой электрической цепи при подаче ступенчатого воздействия состоит из принужденной и свободной составляющей. Свободная составляющая для линейной двухполюсной электрической цепи в общем случае имеет вид

Figure 00000002

где Ai - постоянные интегрирования (амплитуды экспонент), которые определяются из начальных условий; pi - корни (показатели экспонент) характеристического уравнения (Атабеков Г.И. Основы теории цепей. Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1969, с.202). Причем амплитуды Ai и показатели pi являются функциями элементов исследуемой двухполюсной электрической цепи. Очевидно, определив амплитуды Аi и показатели рi, можно определить и значения всех элементов электрической цепи.As you know, the transition process in any electrical circuit when applying a stepwise action consists of a forced and free component. The free component for a linear bipolar electric circuit in the general case has the form
Figure 00000002

where A i are the integration constants (exponential amplitudes), which are determined from the initial conditions; p i - the roots (exponents) of the characteristic equation (Atabekov GI Fundamentals of the theory of chains. Textbook for universities. - M .: Energy, 1969, p.202). Moreover, the amplitudes A i and indicators p i are functions of the elements of the studied bipolar electric circuit. Obviously, having determined the amplitudes A i and the indicators p i , it is possible to determine the values of all elements of the electric circuit.

Наиболее известным методом определения параметров экспонент по переходному процессу является метод Прони (Марпл.-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, с.365). В соответствии с этим методом на переходном процессе берутся 2n равноотстоящих отсчета, где n - количество экспонент и по которым в три этапа определяются искомые амплитуды Аi и показатели pi экспонент. Однако этот метод чрезвычайно чувствителен к ошибкам в исходных данных.The most famous method for determining the parameters of exponentials in the transition process is the Prony method (Marpl.-ml. S.L. Digital spectral analysis and its applications: Transl. From English - M .: Mir, 1990, p. 365). In accordance with this method, 2n equally spaced samples are taken in the transition process, where n is the number of exponentials and from which the sought-for amplitudes A i and exponents p i are determined in three stages. However, this method is extremely sensitive to errors in the source data.

Вместе с тем отметим, что

Figure 00000003

т. е. определенный интеграл от экспоненты в пределах от некоторого момента времени tр до бесконечности с точностью до постоянной времени совпадает со значением экспоненты в момент времени tр. Следовательно, в методе Прони вместо равноотстоящих значений переходного процесса можно использовать значения интегралов от равноотстоящих ординат переходного процесса до окончания переходного процесса. Учитывая фильтрующие свойства операции интегрирования, очевидно, это позволит повысить точность определения параметров экспонент и соответственно параметров элементов двухполюсной цепи.However, we note that
Figure 00000003

that is, a certain integral of the exponent in the range from a certain point in time t p to infinity, up to a time constant, coincides with the value of the exponent at time t p . Consequently, in the Prony method, instead of equally spaced values of the transient process, one can use the values of the integrals from equally spaced ordinates of the transient process to the end of the transient process. Given the filtering properties of the integration operation, obviously, this will improve the accuracy of determining the parameters of the exponentials and, accordingly, the parameters of the elements of the bipolar circuit.

Рассмотрим определение параметров электрической цепи на конкретном примере. Consider the definition of the parameters of an electric circuit using a specific example.

Пусть двухполюсная цепь состоит из последовательно соединенных резистора R, конденсатора С и индуктивности L, причем исследуемая цепь подключена на входе операционного усилителя (фиг.1). Напряжение на выходе операционного усилителя в операторной форме будет равно

Figure 00000004

где UОП - напряжение на выходе источника опорного напряжения; р - комплексная частота. После преобразований (учитывая, что на входе исследуемой двухполюсной цепи формируется ступенчатое воздействие и UОП(р)=UОП/р) получим
Figure 00000005

Переходя к оригиналу, получим для свободной составляющей выходного напряжения
Figure 00000006
(2)
где p1, р2 - корни знаменателя (1), причем
Figure 00000007

где
Figure 00000008

Поскольку в данном случае n= 2, произведем интегрирование свободной составляющей выходного напряжения на четырех участках 0-tОП, tР-tОП, 2tP-tОП, 3tР-tОП (где tОП - момент времени окончания переходного процесса):
Figure 00000009

Figure 00000010

Figure 00000011

Figure 00000012

По аналогии с методом Прони, составим систему уравнений
Figure 00000013

Решая систему уравнений (4) относительно c0, с1, получим:
Figure 00000014

Figure 00000015

Далее, в соответствии с методом Прони составляем алгебраическое уравнение
c0+c1ξ+ξ2 = 0, (6)
корни которого равны
Figure 00000016

Здесь возможны три случая.Let the bipolar circuit consists of series-connected resistor R, capacitor C and inductance L, and the circuit under study is connected to the input of the operational amplifier (Fig. 1). The voltage at the output of the operational amplifier in operator form will be equal to
Figure 00000004

where U OP is the voltage at the output of the reference voltage source; p is the complex frequency. After the transformations (taking into account that a stepwise effect is formed at the input of the bipolar circuit under study and U ОП (р) = U ОП / р) we get
Figure 00000005

Passing to the original, we obtain for the free component of the output voltage
Figure 00000006
(2)
where p 1 , p 2 are the roots of the denominator (1), and
Figure 00000007

Where
Figure 00000008

Since in this case n = 2, we will integrate the free component of the output voltage in four sections of 0-t OD , t P -t OD , 2t P -t OD , 3t P -t OD (where t OD is the transition end time) :
Figure 00000009

Figure 00000010

Figure 00000011

Figure 00000012

By analogy with the Prony method, we compose a system of equations
Figure 00000013

Solving the system of equations (4) with respect to c 0 , c 1 , we obtain:
Figure 00000014

Figure 00000015

Further, in accordance with the Prony method, we compose an algebraic equation
c 0 + c 1 ξ + ξ 2 = 0, (6)
whose roots are equal
Figure 00000016

Three cases are possible here.

Случай 1. c12/4>c0, т. е. корни ξ1,2/ - действительные. Показатели экспонент будут равны:

Figure 00000017

Figure 00000018

Для определения амплитуд A1 и А2 запишем выражение для интеграла H1
Figure 00000019

откуда, учитывая, что А1=-A2, получим
Figure 00000020

Из курса электротехники известно, что для апериодического процесса
Figure 00000021

Подставляя (9) в (10) получим
Figure 00000022

Учитывая (3), заметим, что
Figure 00000023

Figure 00000024

Откуда получаем
Figure 00000025

Случай 2. c12/4=c0, т.е. корни
Figure 00000026
- действительные и равны между собой (ξ1 = ξ2 = ξ). Свободная составляющая выходного напряжения будет иметь вид
Figure 00000027

Показатель экспоненты будет равен
Figure 00000028

Определим значение интеграла H1 для данного вида переходного процесса
Figure 00000029

Откуда получаем
A = H1p2. (15)
Учитывая (14), получим
Figure 00000030

Далее, используя равенство корней и соотношения (3), получим:
R = 2Lp, C = 4L/R2.Case 1. c 1 2/4> c 0, ie, the roots ξ 1,2 / -.. Valid. The exponents will be equal to:
Figure 00000017

Figure 00000018

To determine the amplitudes A 1 and A 2, we write the expression for the integral H 1
Figure 00000019

whence, given that A 1 = -A 2 , we get
Figure 00000020

From the course of electrical engineering it is known that for an aperiodic process
Figure 00000021

Substituting (9) into (10) we obtain
Figure 00000022

Given (3), we note that
Figure 00000023

Figure 00000024

Where do we get
Figure 00000025

Case 2. c 1 2/4 = c 0; the roots
Figure 00000026
are real and equal to each other (ξ 1 = ξ 2 = ξ). The free component of the output voltage will have the form
Figure 00000027

Exponent will be equal
Figure 00000028

Define the value of the integral H 1 for this type of transient
Figure 00000029

Where do we get
A = H 1 p 2 . (fifteen)
Given (14), we obtain
Figure 00000030

Further, using the equality of roots and relations (3), we obtain:
R = 2Lp, C = 4L / R 2 .

Случай 3. c12/4<c0, т. е. корни ξ1,2 = x±jy - комплексно-сопряженные. Свободная составляющая выходного напряжения будет иметь вид:

Figure 00000031

В соответствии с методом Прони значения р и ωсв = могут быть вычислены по формулам:
Figure 00000032

Figure 00000033

Figure 00000034

Получим значение H1 для этого вида переходного процесса
Figure 00000035

Откуда получаем
Figure 00000036

Из (17) и (18) получаем
Figure 00000037

Аналогично записываем выражения для R и С:
R = 2pL;
Figure 00000038

Формулы, используемые при определении параметров двухполюсной цепи, содержащей последовательно соединенные элементы R, L, С, сведены в таблицу.Case 3. c 1 2/4 <c 0, ie, the roots ξ 1,2 = x ± jy -. . The complex conjugate. The free component of the output voltage will have the form:
Figure 00000031

In accordance with the Proni method, the values of p and ω sb = can be calculated by the formulas:
Figure 00000032

Figure 00000033

Figure 00000034

We get the value of H 1 for this type of transient
Figure 00000035

Where do we get
Figure 00000036

From (17) and (18) we obtain
Figure 00000037

Similarly, we write the expressions for R and C:
R = 2pL;
Figure 00000038

The formulas used in determining the parameters of a bipolar circuit containing series-connected elements R, L, C are summarized in the table.

Численный пример. Приведенные выкладки подтвердим конкретным численным примером. Пусть UОП = 1 В, R0 = 1000 Ом, R = 200 Ом, С = 0,01 мкФ, L = 1 мГн. Используя (3), определим δ и ω0:

Figure 00000039

Figure 00000040

Т.к.
Figure 00000041
процесс будет затухающим и колебательным. Учитывая, что
Figure 00000042

выражение для свободной составляющей выходного напряжения будет иметь вид
Figure 00000043

Осцилограмма этого переходного процесса показана на фиг.2.A numerical example. The above calculations are confirmed by a concrete numerical example. Let U OD = 1 V, R 0 = 1000 Ohm, R = 200 Ohm, C = 0.01 μF, L = 1 mH. Using (3), we define δ and ω 0 :
Figure 00000039

Figure 00000040

Because
Figure 00000041
the process will be damping and oscillatory. Given that
Figure 00000042

the expression for the free component of the output voltage will be
Figure 00000043

An oscillogram of this transient is shown in FIG.

В качестве tP возьмем значение tP = 5 мкс = 5•10-6 с. Используя формулу (19) для интеграла для данного вида переходного процесса, найдем определенные интегралы от свободной составляющей выходного напряжения на четырех участках:

Figure 00000044

Figure 00000045

Figure 00000046

Figure 00000047

Участки интегрирования показаны на фиг.2.As t P we take the value t P = 5 μs = 5 • 10 -6 s. Using formula (19) for the integral for this type of transient, we find certain integrals of the free component of the output voltage in four sections:
Figure 00000044

Figure 00000045

Figure 00000046

Figure 00000047

Integration sites are shown in FIG.

Из (5) находим коэффициенты c0 и с1: c0=0,3678, с1=0,08580.From (5) we find the coefficients c 0 and c 1 : c 0 = 0.3678, c 1 = 0.08580.

Корни уравнения (6) в данном случае комплексно-сопряженные
ξ1,2/= x±jy,
где

Figure 00000048

Figure 00000049

По формулам (18) вычисляем:
Figure 00000050

Figure 00000051

Figure 00000052

По формуле (20) вычисляем амплитуду
Figure 00000053

Далее, используя (21) и (22), определяем значения элементов двухполюсной цепи:
Figure 00000054

R = 2pL = 2•100000•0,001 = 200 Ом,
Figure 00000055

Таким образом, по интегральным значениям от свободной составляющей переходного процесса были получены искомые значения параметров двухполюсной цепи.The roots of equation (6) in this case are complex conjugate
ξ 1,2 / = x ± jy,
Where
Figure 00000048

Figure 00000049

By the formulas (18) we calculate:
Figure 00000050

Figure 00000051

Figure 00000052

By the formula (20) we calculate the amplitude
Figure 00000053

Further, using (21) and (22), we determine the values of the elements of the bipolar circuit:
Figure 00000054

R = 2pL = 2 • 100000 • 0.001 = 200 Ohms,
Figure 00000055

Thus, from the integral values of the free component of the transient process, the desired values of the parameters of the bipolar circuit were obtained.

Структурная схема устройства для определения параметров многоэлементных двухполюсных цепей приведена на фиг.1, где 1 - источник опорного напряжения; 2 - исследуемая двухполюсная цепь; 3 - опорный элемент; 4 - операционный усилитель; 5 - ключ; 6 - блок выделения свободной составляющей; 7 - масштабирующий усилитель; 8 - интегратор; 9 - блок выборки-хранения; 10 - тактовый генератор; 11 - таймер; 12 - АЦП, 13 - ЭВМ. The block diagram of the device for determining the parameters of multi-element bipolar circuits is shown in figure 1, where 1 is the source of the reference voltage; 2 - investigated bipolar circuit; 3 - supporting element; 4 - operational amplifier; 5 - key; 6 - block allocation of the free component; 7 - scaling amplifier; 8 - integrator; 9 - block sampling-storage; 10 - clock generator; 11 - timer; 12 - ADC, 13 - computer.

Источник опорного напряжения 1 предназначен для создания ступенчатого воздействия на входе исследуемого двухполюсника 2. На выходе источника опорного напряжения 1 появляется напряжение UОП, при подаче на его управляющий вход уровня логической единицы с первого выхода ЭВМ 13.The reference voltage source 1 is designed to create a stepwise effect at the input of the two-terminal 2 under study. The voltage U OP appears at the output of the reference voltage source 1 when a logical unit level is applied to its control input from the first computer output 13.

Операционный усилитель 4 предназначен для подключения исследуемой двухполюсной цепи 2 и опорного элемента 3. При этом в зависимости от вида исследуемой двухполюсной цепи 2 она включается или на входе операционного усилителя 4, или в цепи обратной связи. The operational amplifier 4 is designed to connect the studied bipolar circuit 2 and the support element 3. Moreover, depending on the type of the studied bipolar circuit 2, it is switched on either at the input of the operational amplifier 4 or in the feedback circuit.

Ключ 5 предназначен для закорачивания цепи обратной связи операционного усилителя 4, когда не производится определение параметров исследуемой двухполюсной цепи. Это необходимо производить для разряда конденсаторов, входящих в исследуемую цепь, при ее включении в цепи обратной связи. The key 5 is intended for shorting the feedback loop of the operational amplifier 4, when the parameters of the studied bipolar circuit are not determined. This must be done to discharge the capacitors included in the circuit under study, when it is included in the feedback circuit.

Блок 6 предназначен для выделения свободной составляющей переходного процесса. Функция выделения свободной составляющей может быть реализована применением разделительного конденсатора СР, подключенного к сопротивлению нагрузки RН.Block 6 is designed to highlight the free component of the transition process. The free component extraction function can be implemented by using a separation capacitor C P connected to a load resistance R N.

Масштабирующий усилитель 7 предназначен для усиления или ослабления входного сигнала с тем, чтобы обеспечить оптимальные условия для работы интегратора 8. Управление работой масштабирующего усилителя 7 производится сигналами, поступающими на его управляющие входы с выхода ЭВМ 13. The scaling amplifier 7 is designed to amplify or attenuate the input signal in order to provide optimal conditions for the operation of the integrator 8. The operation of the scaling amplifier 7 is controlled by the signals received at its control inputs from the output of the computer 13.

Интегратор 8 предназначен для выполнения операции интегрирования аналогового сигнала, поступающего на его вход. Операция интегрирования производится при подаче уровня логической единицы на его управляющий вход. При наличии на управляющем входе интегратора 8 уровня логического нуля он работает как буферный усилитель с единичным коэффициентом усиления (при реализации интегратора на операционном усилителе в цепи его обратной связи под воздействием сигнала на управляющем входе вместо конденсатора включается резистор). The integrator 8 is designed to perform the integration operation of the analog signal supplied to its input. The integration operation is performed by applying the level of a logical unit to its control input. If there is a logic zero level at the control input of the integrator 8, it acts as a buffer amplifier with a unity gain (when the integrator is implemented on an operational amplifier in its feedback circuit, a resistor is switched on instead of a capacitor under the influence of a signal at the control input).

Блок выборки-хранения 9 предназначен для запоминания уровня сигнала на выходе интегратора 8 в заданные моменты времени. Запоминание производится по переднему фронту импульса, поступающего на управляющий вход блока выборки-хранения 9 с выхода таймера 11. Block sampling-storage 9 is designed to store the signal level at the output of the integrator 8 at specified points in time. Memorization is performed on the leading edge of the pulse received at the control input of the fetch-storage unit 9 from the output of the timer 11.

Тактовый генератор 10 предназначен для синхронизации работы устройства и выдачи импульсов на вход таймера 11. The clock generator 10 is designed to synchronize the operation of the device and provide pulses to the input of the timer 11.

Таймер 11 предназначен для формирования интервалов времени tP и выдачи соответствующего импульса на управляющие входы блока выборки-хранения 9 и АЦП 12. В качестве таймера 11 может быть использована микросхема программируемого таймера КР580ВИ53, предназначенного для получения программно-управляемых задержек в ЭВМ (Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник в 2 т. Под ред. В.А. Шахнова. - М.: Радио и связь, 1988, т.1, с.76). Интервалы времени, через которые на выходе таймера появляются импульсы, задаются записью в таймер через его информационные входы соответствующего коэффициента с четвертых выходов ЭВМ 13.The timer 11 is designed to form time intervals t P and to issue a corresponding pulse to the control inputs of the sample-storage unit 9 and ADC 12. As a timer 11, a programmable timer chip KR580VI53 can be used, designed to obtain program-controlled delays in computers (Microprocessors and microprocessors sets of integrated circuits: a Handbook of 2 volumes, edited by V.A. Shakhnov. - M.: Radio and Communications, 1988, vol. 1, p. 76). The time intervals through which pulses appear at the output of the timer are set by writing to the timer through its information inputs of the corresponding coefficient from the fourth outputs of the computer 13.

АЦП 12 предназначен для преобразования аналогового сигнала на выходе блока выборки-хранения 9 в цифровой код, предназначенного для дальнейшей обработки в ЭВМ. Преобразование входного сигнала начинается по отрицательному фронту импульса, поступающего на его управляющий вход с выхода таймера 11. The ADC 12 is designed to convert an analog signal at the output of the sample-storage unit 9 into a digital code intended for further processing in a computer. The conversion of the input signal begins on the negative edge of the pulse received at its control input from the output of timer 11.

ЭВМ 13 предназначена для управления работой устройства и выполнения вычислений по вышеприведенным формулам при определении параметров элементов двухполюсной цепи. В прототипе эти функции выполняются блоком управления и вычислительным блоком. A computer 13 is designed to control the operation of the device and perform calculations according to the above formulas when determining the parameters of the elements of a bipolar circuit. In the prototype, these functions are performed by the control unit and the computing unit.

Перед описанием работы устройства необходимо отметить, что точность определения параметров многоэлементных двухполюсников в значительной степени зависит от правильного выбора интервалов времени tP и tОП (момент времени окончания переходного процесса) и соответствующей настройки масштабирующего преобразователя 7. В частности, в качестве tP при колебательном переходном процессе целесообразно использовать момент времени, соответствующий первому максимуму переходного процесса (фиг.2б). Поэтому, как правило, перед определением параметров двухполюсной цепи необходимо производить операцию калибровки для определения оптимальных параметров проведения процесса измерения.Before describing the operation of the device, it should be noted that the accuracy of determining the parameters of multi-element two-terminal devices depends to a large extent on the correct choice of time intervals t P and t OP (time of the end of the transient process) and the corresponding setting of the scaling transducer 7. In particular, as t P when transient, it is advisable to use a point in time corresponding to the first maximum of the transition process (Fig.2B). Therefore, as a rule, before determining the parameters of a bipolar circuit, it is necessary to carry out a calibration operation to determine the optimal parameters of the measurement process.

В режиме калибровки устройство работает следующим образом. По команде с ЭВМ 13 на управляющем входе интегратора 8 устанавливается уровень логического нуля, и, таким образом, он работает как буферный усилитель с единичным коэффициентом усиления. Таймер 11 настраивается таким образом, чтобы обеспечить минимальное время между отдельными замерами переходного процесса при подаче на вход исследуемой схемы перепада напряжения. In calibration mode, the device operates as follows. On command from the computer 13 at the control input of the integrator 8 sets the logic zero level, and, thus, it works as a buffer amplifier with a unity gain. The timer 11 is configured in such a way as to ensure the minimum time between individual measurements of the transient process when applying a voltage drop to the input of the investigated circuit.

На первом выходе ЭВМ 13 устанавливается уровень логической единицы, который размыкает ключ 5 в цепи обратной связи операционного усилителя 4, разрешает работу таймера 11 и включает источник опорного напряжения 1. В исследуемой двухполюсной цепи начинается переходной процесс, формирующий соответствующее напряжение на выходе операционного усилителя 4. Блоком 6 выделяется свободная составляющая переходного процесса, которая затем масштабируется блоком 7 и через интегратор 8 (выполняющего в этом режиме функции буферного усилителя) поступает на вход блок выборки-хранения 9. По переднему фронту импульсов, поступающих с таймера 11, блоком выборки-хранения 9 запоминаются значения переходной характеристики в дискретные моменты времени, а по заднему фронту импульса - преобразование в цифровой код с помощью АЦП 12. Таким образом производится оцифровка переходной характеристики и ввод ее в ЭВМ 13. At the first output of the computer 13, a logical unit level is established, which opens the key 5 in the feedback circuit of the operational amplifier 4, enables the timer 11 and turns on the reference voltage source 1. In the bipolar circuit under study, a transient begins, which generates the corresponding voltage at the output of the operational amplifier 4. Block 6 selects the free component of the transient process, which is then scaled by block 7 and through the integrator 8 (which performs the functions of a buffer amplifier in this mode) and the input is a sampling-storage unit 9. On the leading edge of the pulses received from the timer 11, the sampling-storage unit 9 stores the values of the transient response at discrete time instants, and on the trailing edge of the pulse - converts to a digital code using ADC 12. Thus, digitization of the transient response and entering it into the computer 13.

По истечении определенного времени (заведомо превышающего время переходного процесса) на первом выходе ЭВМ 13 устанавливается уровень логического нуля и процесс калибровки заканчивается. По значениям переходной характеристики определяются оптимальные значения интервалов времени tP и tОП, а также оптимальный режим работы масштабирующего преобразователя 7.After a certain time (obviously exceeding the time of the transition process) at the first output of the computer 13, the logical zero level is set and the calibration process ends. The values of the transient response determines the optimal values of the time intervals t P and t OP , as well as the optimal mode of operation of the scaling transducer 7.

В режиме определения параметров элементов двухполюсной цепи устройство работает следующим образом. In the mode of determining the parameters of the elements of the bipolar circuit, the device operates as follows.

По команде с ЭВМ 13 таймер 11 настраивается таким образом, чтобы обеспечить выдачу импульсов через равные промежутки времени, равные tP. На первом выходе ЭВМ 13 устанавливается уровень логической единицы, который размыкает ключ 5 в цепи обратной связи операционного усилителя 4, разрешает работу таймера 11 и включает источник опорного напряжения 1. Уровень логической единицы также устанавливается на управляющем входе интегратора 8, что переводит его в режим интегрирования.On command from the computer 13, the timer 11 is configured so as to ensure the issuance of pulses at equal intervals of time equal to t P. At the first output of the computer 13, the level of the logical unit is established, which opens the key 5 in the feedback circuit of the operational amplifier 4, enables the timer 11 and turns on the reference voltage source 1. The level of the logical unit is also set at the control input of the integrator 8, which puts it into integration mode .

В исследуемой двухполюсной цепи начинается переходной процесс, формирующий соответствующее напряжение на выходе операционного усилителя 4. Блоком 6 выделяется свободная составляющая переходного процесса, которая затем масштабируется блоком 7 и поступает на интегратор 8, с помощью которого производится интегрирование свободной составляющей переходного процесса. In the bipolar circuit under study, a transient begins, generating the corresponding voltage at the output of the operational amplifier 4. Block 6 isolates the free component of the transient, which is then scaled by block 7 and fed to the integrator 8, with the help of which the free component of the transient is integrated.

По истечении времени tP на выходе таймера 11 появляется первый импульс. По переднему фронту этого импульса в блок выборки-хранения 9 запишется значение интеграла от свободной составляющей переходного процесса на интервале времени 0-tP. На фиг.2б интеграл, соответствующий этой области интегрирования, обозначен через Н20. По заднему фронту импульса с выхода таймера 11, который поступает на управляющий вход АЦП 12, производится преобразование значения интеграла Н20 из аналоговой в цифровую форму и запоминание полученного значения Н20 в памяти ЭВМ.After the time t P , the first pulse appears at the output of the timer 11. On the leading edge of this pulse, the value of the integral of the free component of the transient process in the time interval 0-t P is written to the sample-storage unit 9. 2b, the integral corresponding to this integration region is denoted by H 20 . On the trailing edge of the pulse from the output of the timer 11, which is fed to the control input of the ADC 12, the value of the integral H 20 is converted from analog to digital and the resulting value of H 20 is stored in a computer memory.

Аналогично через интервалы времени 2tP и 3tP производится определение значения интегралов H30 и H40 (фиг.2в, г). По окончании переходного процесса производится ввод в ЭВМ цифрового значения интеграла Н1 (фиг.2а).Similarly, at time intervals 2t P and 3t P , the values of the integrals H 30 and H 40 are determined (Fig. 2c, d). At the end of the transition process, the digital value of the integral H 1 is entered into the computer (Fig. 2a).

После этого на первом выходе ЭВМ 13 устанавливается уровень логического нуля и процесс интегрирования свободной составляющей переходного процесса заканчивается. After that, at the first output of the computer 13, a logical zero level is set and the integration process of the free component of the transition process ends.

На следующем этапе с помощью ЭВМ 13 на основе полученных значений интегралов производится вычисление параметров элементов двухполюсной цепи. Вначале по полученным значениям Н20, Н30 и Н40 определяются значения интегралов Н2, Н3 и Н4:
Н2 = Н120; Н3 = Н130; Н4 = Н140,
а затем по вышеприведенным формулам (для двухполюсной цепи, состоящей из последовательно соединенных элементов R, L, С, эти формулы приведены в таблице) производится вычисление параметров элементов исследуемой двухполюсной цепи.
At the next stage, using a computer 13, based on the obtained values of the integrals, the parameters of the elements of the bipolar circuit are calculated. First, the obtained values of H 20 , H 30 and H 40 determine the values of the integrals H 2 , H 3 and H 4 :
H 2 = H 1 -H 20 ; H 3 = H 1 -H 30 ; H 4 = H 1 -H 40 ,
and then according to the above formulas (for a bipolar circuit, consisting of elements R, L, C connected in series, these formulas are given in the table), the parameters of the elements of the bipolar circuit under study are calculated.

Таким образом, предложенное устройство позволяет определять параметры многоэлементных двухполюсников произвольной структуры, содержащей одновременно R, L, С элементы, т.е. переходной процесс на выходе исследуемой цепи может иметь колебательный (затухающий) характер. При этом параметры двухполюсной цепи определяются по интегральным характеристикам от свободной составляющей переходного процесса, что позволяет снизить влияние случайных помех на результат измерения. Использование свободной составляющей переходного процесса позволяет, кроме того, исключить влияние на результат измерения аддитивных погрешностей блоков, входящих в измерительный канал (в частности, напряжения смещения операционного усилителя 4 и масштабирующего преобразователя 7). Thus, the proposed device allows to determine the parameters of multi-element two-terminal circuits of an arbitrary structure containing simultaneously R, L, C elements, i.e. The transient process at the output of the circuit under study may have an oscillatory (decaying) character. In this case, the parameters of the bipolar circuit are determined by the integral characteristics of the free component of the transient process, which reduces the influence of random noise on the measurement result. The use of the free component of the transition process allows, in addition, to exclude the influence on the measurement result of the additive errors of the blocks included in the measuring channel (in particular, the bias voltage of the operational amplifier 4 and the scaling transducer 7).

Claims (1)

Устройство для определения параметров многоэлементных двухполюсных цепей, содержащее источник опорного напряжения, операционный усилитель с клеммами для подключения опорного элемента и исследуемой двухполюсной цепи на входе или в цепи отрицательной обратной связи, причем выход источника опорного напряжения соединен через входные клеммы с инверсным входом операционного усилителя, ключ, предназначенный для закорачивания цепи обратной связи операционного усилителя, когда не производится определение параметров исследуемой цепи, причем первый вывод ключа соединен с инверсным входом, а второй - с выходом операционного усилителя, тактовый генератор, блок выборки хранения, интегратор, масштабирующий преобразователь, выход которого соединен с входом интегратора, электронную вычислительную машину (ЭВМ), первый выход которой соединен с управляющими входами источника опорного напряжения и ключа, отличающееся тем, что в него введены таймер, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок выделения свободной составляющей, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, а выход - с входом масштабирующего преобразователя, управляющие входы которого соединены со вторыми выходами ЭВМ, первый выход которой соединен с управляющим входом таймера, управляющий вход интегратора соединен с третьим выходом ЭВМ, а выход подключен к входу блока выборки-хранения, выход которого соединен с входом АЦП, выходы которого соединены с входами ЭВМ, выход тактового генератора соединен со счетным входом таймера, информационные входы которого соединены с четвертыми выходами ЭВМ, а выход подключен к управляющим входам блока выборки-хранения и АЦП, и при определении параметров многоэлементных двухполюсных цепей используют формулы, приведенные в таблице. A device for determining the parameters of multi-element bipolar circuits, containing a reference voltage source, an operational amplifier with terminals for connecting the reference element and the studied bipolar circuit at the input or in the negative feedback circuit, and the output of the reference voltage source is connected through input terminals to the inverse input of the operational amplifier, the key intended for shorting the feedback loop of the operational amplifier when the parameters of the circuit under study are not determined, The first key output is connected to the inverse input, and the second to the output of the operational amplifier, a clock generator, a storage fetch unit, an integrator, a scaling converter, the output of which is connected to the integrator input, and an electronic computer (computer), the first output of which is connected to the control inputs a reference voltage source and a key, characterized in that a timer, an analog-to-digital converter (ADC), a free component extraction unit, the input of which is connected to the output of the operational amplifier, are introduced into it I, and the output is with the input of the scaling converter, the control inputs of which are connected to the second outputs of the computer, the first output of which is connected to the control input of the timer, the control input of the integrator is connected to the third output of the computer, and the output is connected to the input of the sampling-storage unit, the output of which is connected with the input of the ADC, the outputs of which are connected to the inputs of the computer, the output of the clock generator is connected to the counting input of the timer, the information inputs of which are connected to the fourth outputs of the computer, and the output is connected to the control inputs of the unit Sample storage and ADC, and in determining the parameters of multi-element bipolar circuits using the formulas shown in the table.
RU2001107976/09A 2001-03-26 2001-03-26 Device for measuring parameters of double-pole multicomponent circuits RU2212677C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001107976/09A RU2212677C2 (en) 2001-03-26 2001-03-26 Device for measuring parameters of double-pole multicomponent circuits

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001107976/09A RU2212677C2 (en) 2001-03-26 2001-03-26 Device for measuring parameters of double-pole multicomponent circuits

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2001107976A RU2001107976A (en) 2003-03-10
RU2212677C2 true RU2212677C2 (en) 2003-09-20

Family

ID=29776634

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001107976/09A RU2212677C2 (en) 2001-03-26 2001-03-26 Device for measuring parameters of double-pole multicomponent circuits

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2212677C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2449295C1 (en) * 2010-12-13 2012-04-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Method for bipole parameters determination

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2449295C1 (en) * 2010-12-13 2012-04-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Method for bipole parameters determination

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10551469B2 (en) Calibration of inverting amplifier based impedance analyzers
CN101563847A (en) Fast, high resolution digital-to-analog converter
CN103529256A (en) Waveform synthesis device
RU2212677C2 (en) Device for measuring parameters of double-pole multicomponent circuits
EP0862060A2 (en) RMS converter using digital filtering
Grimaldi et al. Identification of ADC error model by testing of the chosen code bins
Tapashetti et al. Design and simulation of op amp integrator and its applications
JP2912285B2 (en) Transient analysis method for analog / digital mixed circuits
RU2362988C1 (en) Device to convert capacitive and resistor sensors parametres into frequency signal
US4503544A (en) Device for pulse measurement and conversion
RU2198410C2 (en) Multichannel device measuring root-mean-square value of voltage
Kavanagh et al. A novel frequency meter using jump resonance
US10469094B2 (en) Method of signal processing and system including the same
Higino et al. Digital filtering in smart load cells
Samoilov et al. Equivalent Number of Bits of the ADC in the Implementation of Its Input Driver Based on High-Speed Operational Amplifiers
RU2212676C2 (en) Signal amplitude measuring device
RU2247398C1 (en) Two-terminal network
CN114740336A (en) Amplifier test circuit and test method
RU2517698C1 (en) Broadband attenuator for high-speed analogue and analogue-digital interfaces
Sergeyev Signal processing system of intelligent sensor with nonlinear characteristic
RU2156982C1 (en) Device for measuring parameters of dipoles
Phuc et al. Generalised analysis of nonmonotonic lowpass filters with minimum power loss characteristic
KR100378764B1 (en) Device and method for sampling large signal parameter
SU1465821A1 (en) Device for measuring capacitance
SU984035A1 (en) Adaptive analogue-digital converter