RU2237252C2 - Device for transforming reactive element parameters to frequency - Google Patents
Device for transforming reactive element parameters to frequency Download PDFInfo
- Publication number
- RU2237252C2 RU2237252C2 RU2001107681/09A RU2001107681A RU2237252C2 RU 2237252 C2 RU2237252 C2 RU 2237252C2 RU 2001107681/09 A RU2001107681/09 A RU 2001107681/09A RU 2001107681 A RU2001107681 A RU 2001107681A RU 2237252 C2 RU2237252 C2 RU 2237252C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- output
- reactive element
- voltage
- phase
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения параметров элементов электрических цепей, в диэлькометрии, кондуктометрии, при измерении параметров бесконтактных индуктивных и емкостных датчиков.The invention relates to measuring technique and can be used to determine the parameters of elements of electrical circuits, in dielcometry, conductometry, when measuring the parameters of contactless inductive and capacitive sensors.
Известны преобразователи параметров реактивных элементов в частоту, содержащие LC-колебательный контур с искомым реактивным элементом (Lx или Сх) в цепи обратной связи усилителя [1, 2].Known converters of parameters of reactive elements into frequency, containing an LC-oscillatory circuit with the desired reactive element (Lx or Cx) in the amplifier feedback loop [1, 2].
Недостатком указанных устройств является обратно пропорциональный корню квадратному характер зависимости частоты от величины искомого параметра реактивного элемента, т.е.The disadvantage of these devices is inversely proportional to the square root of the dependence of the frequency on the magnitude of the desired parameter of the reactive element, i.e.
Известны также устройства, реализованные на основе RC-генераторов, содержащие во времязадающей цепи искомый реактивный элемент Сх.Also known are devices implemented on the basis of RC generators containing, during a timing chain, the desired reactive element Cx.
Недостатком данного типа устройств является обратно пропорциональный характер зависимости выходной частоты от Сх т.е.The disadvantage of this type of device is the inversely proportional nature of the dependence of the output frequency on Cx i.e.
Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь емкость-частота, который использует контур фазовой автоподстройки частоты и параметрическую модуляцию [3].Closest to the proposed is a capacitance-frequency converter, which uses a phase-locked loop and parametric modulation [3].
Недостатком данного устройства является обратно пропорциональный корню квадратному характер зависимости выходной частоты от величины искомого реактивного элемента.The disadvantage of this device is inversely proportional to the square root of the dependence of the output frequency on the magnitude of the desired reactive element.
Цель изобретения - получение нарастающей зависимости выходной частоты от величины параметра искомого реактивного элемента, т.е. F≈(F0+kCx), где F0 - некоторая начальная частота; k - коэффициент пропорциональности.The purpose of the invention is to obtain an increasing dependence of the output frequency on the parameter value of the desired reactive element, i.e. F≈ (F0 + kCx), where F0 is a certain initial frequency; k is the coefficient of proportionality.
Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе параметров реактивных элементов в частоту, состоящем из контура фазовой автоподстройки частоты, в цепь обратной связи которого включен резонансный трехполюсник, содержащий реактивный элемент с искомыми параметрами, используется косинусный фазовый детектор, генератор прямоугольных импульсов, управляемый напряжением, а также фазосдвигающая цепь, причем первый вход косинусного фазового детектора соединен непосредственно с выходом генератора прямоугольных импульсов, управляемого напряжением, а второй - через фазосдвигающую цепь и резонансный трехполюсник, содержащий в заземленной ветви реактивный элемент с искомыми параметрами, выход косинусного фазового детектора соединен с входом фильтра низкой частоты, выход последнего подключен к первому входу генератора прямоугольных импульсов, управляемого напряжением, на второй вход генератора поступает напряжение, определяющее начальную частоту работы генератора, управляемого напряжением, выход которого является выходом преобразователя.This goal is achieved by the fact that in the converter of the parameters of the reactive elements into the frequency, consisting of a phase-locked loop, the feedback circuit of which includes a resonant three-terminal device containing a reactive element with the desired parameters, uses a cosine phase detector, a rectangular pulse generator controlled by voltage, and also a phase-shifting circuit, and the first input of the cosine phase detector is connected directly to the output of the rectangular pulse generator, controllably voltage, and the second through a phase-shifting circuit and a resonant three-terminal network containing a reactive element with the desired parameters in the grounded branch, the output of the cosine phase detector is connected to the input of the low-pass filter, the output of the latter is connected to the first input of the square-wave pulse generator, controlled by voltage, to the second input the generator receives a voltage that determines the initial frequency of operation of the generator, controlled by the voltage, the output of which is the output of the Converter.
На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя.Figure 1 presents the structural diagram of the Converter.
Преобразователь параметров реактивных элементов в частоту содержит: косинусный фазовый детектор 1, генератор прямоугольных импульсов 2, управляемый напряжением, фазосдвигающую цепь 3, резонансный трехполюсник, представляющий комплексный делитель напряжения, заземленная ветвь которого содержит реактивный элемент с искомыми параметрами и дополнительные элементы, образующие с последним резонансный колебательный контур 4, фильтр низкой частоты 5.The converter of the parameters of the reactive elements into the frequency contains: a cosine phase detector 1, a
Входы фазового детектора 1 соединены с выходом генератора 2 прямоугольных импульсов, управляемого напряжением, напрямую и через фазосдвигающую цепь 3, последовательно с которой включен резонансный трехполюсник 4, выход косинусного фазового детектора 1 соединен со входом фильтра низкой частоты 5, выход которого подключен к первому входу генератора 2, управляемого напряжением, на второй вход которого поступает напряжение, определяющее начальную частоту его колебаний, выход генератора 2 является выходом преобразователя.The inputs of the phase detector 1 are connected to the output of the voltage-controlled
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Реактивный элемент включается в заземленную ветвь резонансного трехполюсника, являющегося комплексным делителем напряжения, включенным в цепь обратной связи системы фазовой автоподстройки частоты. Величина параметра искомого реактивного элемента определяет фазовый сдвиг между сигналами, поступающими на первый вход косинусного фазового детектора непосредственно с генератора, а на второй - через фазосдвигающую цепь, задающую режим работы, последовательно с которой включен резонансный трехполюсник, содержащий искомый реактивный элемент. Режим синхронизации фаз, примененный в преобразователе, позволяет системе автоматически выходить на частоту, являющуюся функцией искомого параметра реактивного элемента.The reactive element is connected to the grounded branch of the resonant three-terminal network, which is a complex voltage divider included in the feedback circuit of the phase-locked loop. The value of the parameter of the desired reactive element determines the phase shift between the signals arriving at the first input of the cosine phase detector directly from the generator, and at the second through the phase-shifting circuit that sets the operating mode, in series with which the resonant three-terminal device containing the desired reactive element is connected. The phase synchronization mode used in the converter allows the system to automatically reach the frequency that is a function of the desired parameter of the reactive element.
Совместное применение генератора прямоугольных импульсов, управляемого напряжением, и косинусного фазового детектора обусловлено:The combined use of a voltage-controlled rectangular pulse generator and a cosine phase detector is due to:
1. Невозможностью получения нарастающей зависимости частоты от параметра реактивного элемента при использовании синусного фазового детектора, работающего с гармоническим сигналом, т.к. в этом случае зависимость имеет вид1. The impossibility of obtaining an increasing dependence of the frequency on the parameter of the reactive element when using a sine phase detector operating with a harmonic signal, because in this case, the dependence has the form
2. Невозможность применения косинусного фазового детектора, работающего на гармоническом сигнале, так как осуществление захвата при фазовом сдвиге 90 градусов автоматически приведет систему к верхней или нижней границе зоны захвата, где зависимость частоты от величины искомого параметра отсутствует.2. The impossibility of using a cosine phase detector operating on a harmonic signal, since capturing at a phase shift of 90 degrees will automatically lead the system to the upper or lower boundary of the capture zone, where the frequency does not depend on the magnitude of the desired parameter.
Ввиду сложности наглядного аналитического представления работы преобразователя, вызванного большим объемом численных операций, связанных с определением реакции системы на импульсное воздействие, обусловленное применением генератора прямоугольных импульсов и косинусного фазового детектора, в качестве доказательства работоспособности приводятся результаты эксперимента.Due to the complexity of the visual analytical representation of the converter operation caused by a large amount of numerical operations related to determining the system response to a pulsed action caused by the use of a rectangular pulse generator and a cosine phase detector, the experimental results are presented as evidence of operability.
На фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема реализованного преобразователя; на фиг.3 - полученная на реализованном варианте преобразователя зависимость выходной частоты от величины емкости, взятой в качестве искомого реактивного элемента; на фиг.4 - осциллограмма сигналов на входах фазового детектора в режиме захвата, где 1 - сигнал с выхода генератора, а 2 - сигнал с выхода трехполюсника.Figure 2 presents the circuit diagram of the implemented Converter; figure 3 - obtained on the implemented version of the Converter, the dependence of the output frequency on the value of the capacitance taken as the desired reactive element; figure 4 - waveform of the signals at the inputs of the phase detector in capture mode, where 1 is the signal from the output of the generator, and 2 is the signal from the output of the three-terminal network.
Преобразователь параметров реактивных элементов в частоту собран на базе интегральной микросхемы КР174ХА12, представляющей собой готовую систему фазовой автоподстройки частоты. Экспериментальные исследования произведены на специально изготовленном стенде. В состав стенда входили:The converter of the parameters of the reactive elements into the frequency is assembled on the basis of the integrated circuit КР174ХА12, which is a ready-made phase-locked loop. Experimental studies were performed on a specially made stand. The stand structure included:
1) выполненная печатным способом плата со схемой преобразователя;1) a printed circuit board with a converter circuit;
2) коммутационные зажимы для подключения образцовых элементов;2) switching clamps for connecting model elements;
3) схемы сопряжения, предотвращающие влияние кабельных соединений измерительных приборов на режим работы преобразователя;3) interface circuits preventing the influence of cable connections of measuring instruments on the operating mode of the converter;
4) редуктор с нониусной шкалой для обеспечения возможности многократных повторяющихся измерений значений емкости.4) a gearbox with a vernier scale to enable multiple repeated measurements of capacitance values.
В качестве элементов, задающих параметры фильтра низкой частоты и времязадающей цепи генератора, управляемого напряжением, использовались высокостабильные емкости типа КМ.Highly stable capacitances of the KM type were used as elements defining the parameters of a low-pass filter and a voltage-controlled oscillator timing circuit.
Выходная частота преобразователя измерялась частотомером БЗ-63.The output frequency of the converter was measured with a BZ-63 frequency meter.
Учитывая высокую частоту работы микросхемы, на которой реализован преобразователь, следует отметить, что дополнительные фазовые сдвиги могут возникать из-за неоднородности исполнения каналов фазового детектора, что может либо использоваться с целью исключения дополнительных фазосдвигающих цепей, либо, при необходимости, быть скомпенсировано ими.Given the high frequency of operation of the microcircuit on which the converter is implemented, it should be noted that additional phase shifts can occur due to the heterogeneity of the channels of the phase detector, which can either be used to eliminate additional phase-shifting circuits, or, if necessary, be compensated by them.
Приведенная осциллограмма показывает, что при рабочем режиме захват происходит при фазовом сдвиге, близком к 90 градусам.The given oscillogram shows that during operation the capture occurs at a phase shift close to 90 degrees.
Полученная зависимость выходной частоты от величины искомого реактивного элемента может быть аппроксимирована, в пределах зоны захвата, составляющей около 10% от исходной частоты генератора, управляемого напряжением, линейными участками, что позволяет получить преобразователь с линейной зависимостью частоты от емкости.The obtained dependence of the output frequency on the magnitude of the desired reactive element can be approximated, within the capture zone, which is about 10% of the initial frequency of the generator controlled by voltage, linear sections, which allows to obtain a converter with a linear frequency dependence of the capacitance.
Кроме того, данный преобразователь в течение года испытывался в экспериментальном образце влагомера песка, где показал следующие результаты:In addition, this converter was tested over a year in an experimental sample of a sand moisture meter, where it showed the following results:
Для диапазона изменения емкости чувствительного элемента влагомера от 0 до 70 пФ, рабочей частоты 4 МГц и диапазона влажности от 0-14% погрешность измерений не превышала 1% влажности.For the range of variation in the capacitance of the sensitive element of the hygrometer from 0 to 70 pF, the operating frequency of 4 MHz and the humidity range from 0-14%, the measurement error did not exceed 1% humidity.
Необходимо отметить, что для схемы стенда характерна слабая зависимость функции преобразования Сх в частоту от величины шунтирующего контур резистора, изменяемого в диапазоне от 1 Мом до 360 Ом.It should be noted that the stand circuit is characterized by a weak dependence of the function of converting Cx to frequency on the value of the shunt resistor, which varies in the range from 1 MΩ to 360 Ω.
Источники информацииSources of information
1. Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: Справочник. В 2-х т. Пер с англ./Под ред. Покровского Ф.Н. - М.: Энергоатомиздат, 1991, - 368 с.:ил.1. Kaufman M., Sidman A. A practical guide to the calculation of circuits in electronics: a Handbook. In 2 vols. Trans. From English / Ed. Pokrovsky F.N. - M.: Energoatomizdat, 1991, - 368 p.: Ill.
2. Агалаков А.А. Измерительные цепи емкостных и индуктивных датчиков. - М.: Приборы, 2001, №1, 18-20 с.2. Agalakov A.A. Measuring circuits of capacitive and inductive sensors. - M .: Instruments, 2001, No. 1, 18-20 p.
3. А.с. №798634. Ройфе В.С., БИ №3, 1981.3. A.S. No. 798634. Roife V.S., BI No. 3, 1981.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001107681/09A RU2237252C2 (en) | 2001-03-21 | 2001-03-21 | Device for transforming reactive element parameters to frequency |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001107681/09A RU2237252C2 (en) | 2001-03-21 | 2001-03-21 | Device for transforming reactive element parameters to frequency |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2001107681A RU2001107681A (en) | 2003-03-10 |
RU2237252C2 true RU2237252C2 (en) | 2004-09-27 |
Family
ID=33432604
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001107681/09A RU2237252C2 (en) | 2001-03-21 | 2001-03-21 | Device for transforming reactive element parameters to frequency |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2237252C2 (en) |
-
2001
- 2001-03-21 RU RU2001107681/09A patent/RU2237252C2/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN211348423U (en) | High-frequency signal measuring device | |
US4340854A (en) | Distortion measurement system | |
US3896374A (en) | Method of analog measurement of a capacitance and a capacitance meter for carrying out said method | |
US6956380B2 (en) | Narrow-band amplifier and impedance-measuring apparatus | |
US4785236A (en) | Device for measuring voltage by scanning | |
FI121898B (en) | Method and apparatus for measuring impedance | |
EP1538450A1 (en) | Electrical power meter | |
US4409544A (en) | Instruments for measurement of carrier power and antenna impedance in AM broadcasting | |
US6292002B1 (en) | Crystal resonant frequency sensor | |
Jakoby et al. | Novel analog readout electronics for microacoustic thickness shear-mode sensors | |
GB1590794A (en) | Viscosimeter and/or densitometer | |
RU2237252C2 (en) | Device for transforming reactive element parameters to frequency | |
US6765392B1 (en) | Method and device for evaluating a sensor device | |
US6819188B2 (en) | Phase-locked loop oscillator with loop gain compensation | |
CN107314799B (en) | A kind of weak capacitive detection circuit for nanoliter level liquid level sensor | |
Rietveld et al. | Highly sensitive picoampere meter | |
Hu et al. | A weak capacity measurement system with vector ratio method based on phase sensitive detection | |
JPH0287053A (en) | Method for determining characteristic value of hf-oscillator and circuit device | |
SU883797A1 (en) | Loop resonance frequency and quality factor meter | |
Ghidini et al. | A 15 ppm resolution measurement system for capacitance transducers | |
CA2146174C (en) | High precision rf vector analysis system based on synchronous sampling | |
JPH04285864A (en) | Frequency measuring apparatus | |
US3973190A (en) | Infralow frequency transfer function analyzer | |
SU1026079A1 (en) | Device for measuring pickup complex resistance component | |
SU808981A1 (en) | Resonsnce meter of small capacitance increments |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050322 |