RU2698072C1 - Method of determining parameters of impedance of a two-terminal device and device for its implementation - Google Patents
Method of determining parameters of impedance of a two-terminal device and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2698072C1 RU2698072C1 RU2018145699A RU2018145699A RU2698072C1 RU 2698072 C1 RU2698072 C1 RU 2698072C1 RU 2018145699 A RU2018145699 A RU 2018145699A RU 2018145699 A RU2018145699 A RU 2018145699A RU 2698072 C1 RU2698072 C1 RU 2698072C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- voltage
- terminal
- impedance
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Description
Изобретения относятся к электроизмерительной технике, а именно к измерению активного, реактивного и полного сопротивления двухполюсника и могут быть использованы для измерения параметров пассивных электрических цепей.The invention relates to electrical engineering, in particular to measuring the active, reactive and impedance of a two-terminal device and can be used to measure the parameters of passive electrical circuits.
Известен способ определения заземленных параллельно включенных емкости C и сопротивления R пассивного двухполюсника [RU 2365925 C1, МПК G01R27/02 (2006.01), опубл. 27.08.2009], включающий измерение длительности импульсов, соответствующих времени разряда конденсатора, и вычисление значений емкости C и сопротивления R. Способ основан на формировании прямоугольных импульсов различной длительности, получаемых в процессе разряда измерительной цепи, состоящей из источника питания, блока коммутации, двухпорогового компаратора с двумя опорными напряжениями нижнего Uн и верхнего Uв уровней, эталонного конденсатора и вычислительного устройства. Путем изменения топологии измерительной цепи вначале подключают собственную цепь двухполюсника и измеряют длительность разряда Tр1, затем подключают в цепь эталонный конденсатор C0 и определяют длительность разряда Tр2, а значения емкости C и сопротивления R вычисляют по формулам A known method for determining grounded in parallel connected capacitance C and resistance R of a passive two-terminal device [RU 2365925 C1, IPC G01R27 / 02 (2006.01), publ. 08/27/2009], including measuring the pulse duration corresponding to the discharge time of the capacitor, and calculating the capacitance C and resistance R. The method is based on the formation of rectangular pulses of various durations obtained during the discharge of the measuring circuit, consisting of a power source, a switching unit, a two-threshold comparator with two reference voltages of the lower U n and upper U in levels, a reference capacitor and a computing device. By changing the topology of the measuring circuit, first connect your own two-terminal circuit and measure the discharge duration T p1 , then connect the reference capacitor C 0 and determine the discharge duration T p2 , and the values of capacitance C and resistance R are calculated by the formulas
Устройство, реализующее данный способ [RU 2365925 C1, МПК G01R27/02 (2006.01), опубл. 27.08.2009], содержит источник питания, к выходу которого через первый переключающий элемент подключен измеряемый пассивный двухполюсник в виде параллельно включенных сопротивления и емкости, к которому посредством второго переключающего элемента подключен эталонный конденсатор, блок коммутации, двухпороговый компаратор, к которому подключено вычислительное устройство. Входы управления первого и второго переключающих элементов соединены с выходом блока коммутации, вход управления которого подключен к выходу двухпорогового компаратора. A device that implements this method [RU 2365925 C1, IPC G01R27 / 02 (2006.01), publ. August 27, 2009], contains a power source, to the output of which a measured passive two-terminal device is connected in the form of a parallel-connected resistance and capacitance, to which a reference capacitor, a switching unit, and a two-threshold comparator are connected to which a computing device is connected. The control inputs of the first and second switching elements are connected to the output of the switching unit, the control input of which is connected to the output of the two-threshold comparator.
Недостатком этих решений является их высокая сложность, обусловленная использованием эталонного конденсатора и двухпорогового компаратора. Кроме этого, нестабильность опорных уровней двухпорогового компаратора приводит к снижению точности определения значений емкости и сопротивления двухполюсника. The disadvantage of these solutions is their high complexity, due to the use of a reference capacitor and a two-threshold comparator. In addition, the instability of the reference levels of a two-threshold comparator leads to a decrease in the accuracy of determining the values of capacitance and resistance of a two-terminal device.
Известен способ измерения параметров полного сопротивления [п. 1 ф-лы RU 2092861 C1, МПК G01R27/02 (1995.01), опубл. 10.10.1997], заключающийся в том, что нормируют первое синусоидальное напряжение, которое подают на измеряемое полное сопротивление, на выходе которого формируется второе синусоидальное напряжение, пропорциональное модулю измеряемого полного сопротивления и со сдвигом фазы относительно первого синусоидального напряжения, равным базовому сдвигу измеряемого полного сопротивления. Второе синусоидальное напряжение фильтруют и интегрируют в течение периода, причем в течение одного полупериода интегрируют без изменения знака интегрируемого напряжения, а в течение другого полупериода с изменением его знака на противоположный. Для измерения активной составляющей полного сопротивления процесс интегрирования начинают в момент перехода через нуль первого синусоидального напряжения, а для измерения реактивной составляющей – в момент достижения максимального по абсолютной величине значения первого синусоидального напряжения. По соответствующим результатам интегрирования судят о значениях активной и реактивной составляющих измеряемого полного сопротивления.A known method of measuring the parameters of the impedance [p. 1 file RU 2092861 C1, IPC G01R27 / 02 (1995.01), publ. 10.10.1997], which consists in normalizing the first sinusoidal voltage, which is applied to the measured impedance, the output of which forms a second sinusoidal voltage proportional to the measured impedance modulus and with a phase shift relative to the first sinusoidal voltage equal to the base shift of the measured impedance . The second sinusoidal voltage is filtered and integrated over a period, and during one half-cycle it is integrated without changing the sign of the integrated voltage, and during the other half-cycle with the opposite sign. To measure the active component of the impedance, the integration process begins at the moment the first sinusoidal voltage passes through zero, and to measure the reactive component - at the moment the first absolute sinusoidal voltage reaches its absolute value. According to the corresponding integration results, the values of the active and reactive components of the measured impedance are judged.
Устройство для измерения параметров полного сопротивления [п. 2 ф-лы RU 2092861 C1, МПК G01R27/02 (1995.01), опубл. 10.10.1997], содержит генератор, к первому выходу которого подключены последовательно соединенные измерительная цепь, содержащая измеряемое полное сопротивление, фильтр, управляемый интегратор, блок памяти и блок нормирования управляющих сигналов, вход которого подключен ко второму выходу генератора, второй и третий выходы к одноименным входам управляемого интегратора, первый вход которого соединен с выходом фильтра. Выход управляемого интегратора соединен с первым входом блока памяти, второй вход которого подключен к первому выходу блока формирования управляющих сигналов, а выход является выходом устройства.Device for measuring the impedance [p. 2 files RU 2092861 C1, IPC G01R27 / 02 (1995.01), publ. 10.10.1997], contains a generator, the first output of which is connected in series to a measuring circuit containing the measured impedance, a filter, a controlled integrator, a memory unit and a control signal rationing unit, the input of which is connected to the second output of the generator, the second and third outputs of the same name inputs of a controlled integrator, the first input of which is connected to the output of the filter. The output of the managed integrator is connected to the first input of the memory unit, the second input of which is connected to the first output of the control signal generation unit, and the output is the output of the device.
Недостатком этих технических решений является их высокая сложность из-за использования блока памяти и управляемого интегратора, интегрирующего напряжение без и с инверсией в течение полупериодов его входного напряжения. К другим негативным влияющим факторам относятся высокая погрешность определения значений активной и реактивной составляющих измеряемого полного сопротивления из-за аддитивной и мультипликативной погрешности основного узла – управляемого интегратора и низкой точности определения момента перехода через нуль и момента достижения максимального значения первого синусоидального напряжения.The disadvantage of these technical solutions is their high complexity due to the use of a memory unit and a controlled integrator that integrates voltage without and with inversion during half-periods of its input voltage. Other negative influencing factors include a high error in determining the values of the active and reactive components of the measured impedance due to the additive and multiplicative error of the main node - a controlled integrator and the low accuracy of determining the moment of transition through zero and the moment the maximum value of the first sinusoidal voltage is reached.
Известен способ измерения параметров полного сопротивления [SU 1411683 А1, МКИ G01R27/02, опубл. 23.07.1988], заключающийся в том, что для измерительной цепи, состоящей из полного сопротивления, включенного последовательно с эталонным сопротивлением, измеряют отношение синфазной и квадратурной составляющих напряжения эталонного сопротивления. Определение уровней напряжений, пропорциональных реактивным составляющим и добротности полного сопротивления, производят компенсацией разбаланса измерительной цепи путем сравнения напряжения генератора синусоидального напряжения с квадратурной составляющей напряжения эталонного сопротивления и регулировкой коэффициента передачи цепи подачи синусоидального напряжения на измерительную цепь. По результатам измерения напряжений, пропорциональных реактивным составляющим и добротности полного сопротивления, осуществляют расчет активной и реактивной составляющих полного сопротивления и его добротности.A known method of measuring the parameters of the impedance [SU 1411683 A1, MKI G01R27 / 02, publ. 07.23.1988], which consists in the fact that for a measuring circuit consisting of an impedance connected in series with a reference resistance, the ratio of the common-mode and quadrature components of the voltage of the reference resistance is measured. The determination of voltage levels proportional to the reactive components and the quality factor of the impedance is carried out by compensating for the imbalance of the measuring circuit by comparing the voltage of the sinusoidal voltage generator with the quadrature component of the voltage of the reference resistance and adjusting the transmission coefficient of the supply circuit of the sinusoidal voltage to the measuring circuit. According to the results of measuring stresses proportional to the reactive components and the Q factor of the impedance, the active and reactive components of the impedance and its Q factor are calculated.
Устройство, реализующее данный способ [SU 1411683 А1, МКИ G01R27/02, опубл. 23.07.1988], содержит генератор синусоидального напряжения, первый переключатель с двумя парами неподвижных и одной парой подвижных контактов, измерительную цепь, образованную последовательно соединенными объектом измерения и эталонным сопротивлением и подключенную к контактам подвижной пары переключателя, амплитудный и два синхронных детектора, фазовращатель, усилитель напряжения, блок вычитания, три измерителя отношения напряжений, управляемый масштабный преобразователь, узел сравнения напряжений и второй переключатель. Выход измерительной цепи непосредственно подключен к входу амплитудного и управляющему входу первого синхронного детектора, а через усилитель напряжения – к управляющему входу второго синхронного детектора. Информационные входы синхронных детекторов, у первого через фазовращатель и у второго непосредственно, подключены к первому контакту первой неподвижной пары первого переключателя и второму контакту второй неподвижной пары этого переключателя. Входы блока вычитания соединены с выходами амплитудного и второго синхронного детекторов, входы измерителей отношения напряжений попарно подключены к выходам блока вычитания, первого синхронного и амплитудного детекторов. Подвижный контакт второго переключателя соединен с одним из входов узла сравнения напряжений, а неподвижные контакты второго переключателя подключены к выходам первого синхронного и амплитудного детекторов. Другой вход узла сравнения напряжений и информационный вход управляемого масштабного преобразователя соединены с выходом генератора. Выход узла сравнения напряжений подключен к управляющему входу управляемого масштабного преобразователя, выход которого соединен с входом фазовращателя и управляющим входом второго синхронного детектора.A device that implements this method [SU 1411683 A1, MKI G01R27 / 02, publ. 07/23/1988], contains a sinusoidal voltage generator, a first switch with two pairs of fixed and one pair of movable contacts, a measuring circuit formed in series by a measurement object and a reference resistance and connected to the contacts of a moving switch pair, an amplitude and two synchronous detectors, a phase shifter, an amplifier voltage, a subtraction unit, three voltage ratio meters, a controlled scale converter, a voltage comparison unit, and a second switch. The output of the measuring circuit is directly connected to the input of the amplitude and control input of the first synchronous detector, and through the voltage amplifier to the control input of the second synchronous detector. The information inputs of synchronous detectors, the first through a phase shifter and the second directly, are connected to the first contact of the first fixed pair of the first switch and the second contact of the second fixed pair of this switch. The inputs of the subtraction unit are connected to the outputs of the amplitude and second synchronous detectors, the inputs of the voltage ratio meters are connected in pairs to the outputs of the subtraction unit, the first synchronous and amplitude detectors. The movable contact of the second switch is connected to one of the inputs of the voltage comparison unit, and the fixed contacts of the second switch are connected to the outputs of the first synchronous and amplitude detectors. The other input of the voltage comparison unit and the information input of the controlled scale converter are connected to the output of the generator. The output of the voltage comparison unit is connected to the control input of a controlled scale converter, the output of which is connected to the input of the phase shifter and the control input of the second synchronous detector.
Этот способ осуществлен с помощью устройства повышенной сложности из-за использования эталонного сопротивления, амплитудного детектора, фазовращателя, усилителя напряжения, блока вычитания, измерителей отношения напряжений. This method is carried out using a device of increased complexity due to the use of a reference resistance, an amplitude detector, a phase shifter, a voltage amplifier, a subtraction unit, voltage ratio meters.
Известен способ определения полных сопротивлений электрических цепей [п. 1 ф-лы RU 2301425 C1, МПК G01R27/02 (2006.01), опубл. 20.06.2007], выбранный в качестве прототипа, включающий определение на измеряемой частоте значения модуля полного сопротивления последовательно соединенных полного сопротивления измеряемого двухполюсника и эталонного сопротивления и расчет полного сопротивления двухполюсника. Предварительно определяют полное сопротивление двухполюсника постоянному току и значение названного модуля на другой частоте, находящейся в диапазоне рабочих частот двухполюсника.. Затем определяют характер реактивности полного сопротивления двухполюсника по увеличению или уменьшению значения названного модуля, считая, что полное сопротивление двухполюсника содержит индуктивную составляющую, если значение модуля увеличивается с ростом частоты, или емкостную составляющую, если значение модуля уменьшается с ростом частоты. Расчет полного сопротивления на измеряемой частоте производят, используя соотношение:A known method for determining the total resistance of electrical circuits [p. 1 file RU 2301425 C1, IPC G01R27 / 02 (2006.01), publ. 06/20/2007], selected as a prototype, including determining on the measured frequency the values of the impedance module of the series-connected impedance of the measured bipolar and the reference resistance and calculating the impedance of the bipolar. First, the impedance of the two-terminal to direct current and the value of the named module at another frequency that is in the range of operating frequencies of the two-terminal are determined. Then, the nature of the reactivity of the impedance of the two-terminal by increasing or decreasing the value of the named module is considered, assuming that the total resistance of the two-terminal contains an inductive component if modulus increases with increasing frequency, or capacitive component, if the value of the module decreases with increasing frequency. The calculation of the impedance at the measured frequency is performed using the ratio:
где Uо – напряжение на последовательно соединенных полном сопротивлении двухполюсника и эталонном сопротивлении Rэ;where U about the voltage on the series-connected impedance of the two-terminal network and the reference resistance R e ;
Uэ – напряжение на эталонном сопротивлении;U e is the voltage at the reference resistance;
Rэ – эталонное сопротивление;R e - reference resistance;
R и X – активная и реактивная составляющие полного сопротивления двухполюсника Z =R ± jX.R and X are the active and reactive components of the two-terminal impedance Z = R ± jX.
Известно устройство для измерения полных сопротивлений двухполюсников [п. 2 ф-лы RU 2301425 C1, МПК G01R27/02 (2006.01), опубл. 20.06.2007], выбранное в качестве прототипа, содержащее две входные клеммы для подключения измеряемого полного сопротивления двухполюсника, эталонное сопротивление, первый конец которого соединен с первой входной клеммой, усилитель переменного напряжения, первый и второй ключевые синхронные детекторы, первый и второй двухканальные переключатели, источник питания, источник постоянного тока, генератор синусоидальных напряжений, выполненный в виде каскадно соединенных микроконтроллера, к первому и второму входам которого подключен частотозадающий элемент, синтезатора частот, вход которого подключен к первому выходу микроконтроллера, сдвигового регистра с обратной связью, цифроаналогового преобразователя, усилителя переменного напряжения и дополнительного сопротивления. A device for measuring the total resistance of two-terminal devices [p. 2 files RU 2301425 C1, IPC G01R27 / 02 (2006.01), publ. June 20, 2007], selected as a prototype, containing two input terminals for connecting the measured impedance of a two-terminal device, a reference resistance, the first end of which is connected to the first input terminal, an AC amplifier, the first and second key synchronous detectors, the first and second two-channel switches, a power source, a direct current source, a sinusoidal voltage generator, made in the form of cascade-connected microcontrollers, the frequency of which is connected to the first and second inputs adayuschy element, the frequency synthesizer, whose input is connected to the first output of the microcontroller, the shift register with feedback analog converter, an alternating voltage amplifier and additional resistance.
Выход источника постоянного тока подключен к первому входу первого двухканального переключателя. Первый вывод дополнительного сопротивления соединен с выходом усилителя переменного напряжения, а второй вывод – со вторым входом первого двухканального переключателя. Входы первого и второго фильтров нижних частот подключены соответственно к выходам первого и второго ключевых синхронных детекторов, а их выходы соединены соответственно с третьим и четвертым входами микроконтроллера. Три входа буквенно-цифрового индикатора соединены со вторым - четвертым выходами микроконтроллера. Выходы пульта ручного управления соединены с пятым - десятым входами микроконтроллера. Выход первого двухканального переключателя соединен со второй входной клеммой и входом второго ключевого синхронного детектора. Первый и второй входы второго двухканального переключателя соединены соответственно с одним из выходов источника питания и одним из выводов сдвигового регистра с обратной связью. Выход второго двухканального переключателя соединен с управляющими входами обоих ключевых синхронных детекторов. Управляющие входы первого и второго двухканальных переключателей подключены к пятому выходу микроконтроллера. Вход первого ключевого синхронного детектора подключен к первой входной клемме, а второй конец эталонного сопротивления соединен с общим проводом устройства.The output of the DC source is connected to the first input of the first two-channel switch. The first terminal of the additional resistance is connected to the output of the AC voltage amplifier, and the second terminal is connected to the second input of the first two-channel switch. The inputs of the first and second low-pass filters are connected respectively to the outputs of the first and second key synchronous detectors, and their outputs are connected respectively to the third and fourth inputs of the microcontroller. The three inputs of the alphanumeric indicator are connected to the second to fourth outputs of the microcontroller. The outputs of the manual control are connected to the fifth to tenth inputs of the microcontroller. The output of the first two-channel switch is connected to the second input terminal and the input of the second key synchronous detector. The first and second inputs of the second two-channel switch are connected respectively to one of the outputs of the power source and one of the outputs of the shift register with feedback. The output of the second two-channel switch is connected to the control inputs of both key synchronous detectors. The control inputs of the first and second two-channel switches are connected to the fifth output of the microcontroller. The input of the first key synchronous detector is connected to the first input terminal, and the second end of the reference resistance is connected to the common wire of the device.
Расчёт активной и реактивной составляющих полного сопротивления двухполюсника согласно этим изобретениям возможен только по результатам измерения напряжений на полном сопротивлении и эталонном сопротивлении, используя структурно сложное устройство, содержащее эталонное сопротивление и дополнительный измерительный канал, состоящий из синхронного детектора и фильтра нижних частот. Генератор синусоидальных напряжений реализован на основе синтезатора частот, сдвигового регистра с обратной связью и цифроаналогового преобразователя. The calculation of the active and reactive components of the two-terminal impedance according to these inventions is possible only by measuring the voltage at the impedance and the reference resistance using a structurally complex device containing a reference resistance and an additional measuring channel, consisting of a synchronous detector and a low-pass filter. The sinusoidal voltage generator is implemented on the basis of a frequency synthesizer, a shift register with feedback and a digital-to-analog converter.
Наличие эталонного сопротивления и дополнительных синхронного детектора и фильтра нижних частот приводит к усложнению изобретений.The presence of a reference resistance and additional synchronous detector and low-pass filter leads to the complication of inventions.
Техническим результатом изобретений является упрощение способа и устройства для определения параметров полного сопротивления двухполюсника.The technical result of the invention is to simplify the method and device for determining the parameters of the impedance of a two-terminal device.
Предложенный способ определения параметров полного сопротивления двухполюсника, также как в прототипе, включает предварительное определение полного сопротивления двухполюсника постоянному току и определение значения модуля полного сопротивления на измеряемой частоте, находящейся в диапазоне рабочих частот двухполюсника.The proposed method for determining the parameters of the impedance of a two-terminal network, as well as in the prototype, includes a preliminary determination of the impedance of a two-terminal network to direct current and determining the value of the impedance module at a measured frequency in the operating frequency range of a two-terminal device.
Согласно изобретению при определении активной составляющей двухполюсника с емкостной составляющей изменением выходного тока управляемого преобразователя напряжение-ток устанавливают значение постоянного напряжения на двухполюснике, равное верхнему пределу измерения напряжения на входе микроконтроллера. При определении емкостной составляющей изменением частоты управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений устанавливают амплитуду переменного напряжения на двухполюснике в два раза меньше, чем постоянное напряжение. Определение активной составляющей двухполюсника с индуктивной составляющей производят путем установки выходного постоянного тока, равного верхнему пределу рабочего диапазона управляемого преобразователя напряжение-ток, протекающего через двухполюсник. Индуктивную составляющую двухполюсника определяют на частоте, при которой амплитуда переменного напряжения на двухполюснике в полтора раза больше, чем постоянное напряжение на нем. Определение параметров полного сопротивления двухполюсника проводят по формуламAccording to the invention, when determining the active component of a two-terminal with a capacitive component by changing the output current of a controlled voltage-current converter, the value of the constant voltage at the two-terminal is set equal to the upper limit of the voltage measurement at the input of the microcontroller. When determining the capacitive component by changing the frequency of the controlled analog sinusoidal voltage generator, the amplitude of the alternating voltage at the two-terminal is set to two times less than the constant voltage. The determination of the active component of a two-terminal with an inductive component is carried out by setting the output DC current equal to the upper limit of the operating range of the controlled voltage-current converter flowing through the two-terminal. The inductive component of a two-terminal is determined at a frequency at which the amplitude of the alternating voltage on the two-terminal is one and a half times greater than the constant voltage on it. The determination of the parameters of the impedance of a two-terminal device is carried out according to the formulas
где Rc , RL – активные составляющие двухполюсника с емкостной и индуктивной составляющими соответственно;where R c , R L are the active components of the two-terminal network with capacitive and inductive components, respectively;
C, L – емкостная и индуктивная составляющие двухполюсника соответственно;C, L are the capacitive and inductive components of the two-terminal network, respectively;
Zcm, ZLm – модули полных сопротивлений двухполюсников с емкостной и индуктивной составляющими соответственно;Z cm , Z Lm are the impedance modules of two-terminal devices with capacitive and inductive components, respectively;
Uzсmax0 – максимальное падение постоянного напряжения на двухполюснике с емкостной составляющей;U zсmax0 is the maximum DC voltage drop at a two-terminal network with a capacitive component;
Iп1 – постоянный ток двухполюсника с емкостной составляющей;I p1 - direct current of a two-terminal with a capacitive component;
UZL0 – падение постоянного напряжения на двухполюснике с индуктивной составляющей;U ZL0 - DC voltage drop on a two-terminal with an inductive component;
Iпmax0 – максимальный постоянный ток двухполюсника с индуктивной составляющей;I p max0 - maximum direct current of a two-terminal with an inductive component;
UZcm, UZLm – амплитуды напряжений на полных сопротивлениях двухполюсников с емкостной и индуктивной составляющими соответственно;U Zcm , U ZLm are the amplitudes of the voltages at the total resistances of two-terminal devices with capacitive and inductive components, respectively;
Iп1m , Iп2m – амплитуды выходных токов управляемого преобразователя напряжение-ток, нагруженного на полные сопротивления двухполюсников с емкостной и индуктивной составляющими соответственно;I p1m , I p2m are the amplitudes of the output currents of a controlled voltage-current converter loaded on the impedances of two-terminal devices with capacitive and inductive components, respectively;
ω1, ω2 – круговые частоты управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений.ω 1 , ω 2 - circular frequencies of a controlled analogue sinusoidal voltage generator.
Устройство для определения параметров полного сопротивления двухполюсника, также как в прототипе, содержит первую и вторую входные клеммы для подключения измеряемого полного сопротивления, синхронный детектор, вход которого соединен с первой входной клеммой, а выход соединен с фильтром нижних частот, первый и второй мультиплексоры, источник питания, управляемый генератор синусоидальных напряжений, управляющий вход которого подключен к первому выходу микроконтроллера, выход источника питания подключен к первому входу второго мультиплексора, выход фильтра нижних частот подключен к первому входу микроконтроллера, второй, третий и четвертый выходы которого соединены с входом буквенно-цифрового индикатора, выход пульта ручного управления соединен со вторым входом микроконтроллера, выход второго мультиплексора соединен с управляющим входом синхронного детектора, управляющий вход первого мультиплексора подключен к пятому выходу микроконтроллера.A device for determining the parameters of the impedance of a two-terminal network, as in the prototype, contains the first and second input terminals for connecting the measured impedance, a synchronous detector, the input of which is connected to the first input terminal, and the output is connected to a low-pass filter, the first and second multiplexers, source power supply, a controlled sinusoidal voltage generator, the control input of which is connected to the first output of the microcontroller, the output of the power source is connected to the first input of the second multip lexor, the low-pass filter output is connected to the first input of the microcontroller, the second, third and fourth outputs of which are connected to the input of the alphanumeric indicator, the output of the hand control panel is connected to the second input of the microcontroller, the output of the second multiplexer is connected to the control input of the synchronous detector, the control input of the first the multiplexer is connected to the fifth output of the microcontroller.
В отличие от прототипа вход управляемого преобразователя напряжение-ток соединен с выходом первого мультиплексора. Первый выход управляемого преобразователя напряжение-ток подключен к первой входной клемме. Второй выход управляемого преобразователя напряжение-ток соединен со второй входной клеммой и общим проводом устройства. Первый вход первого мультиплексора соединен с первым входом второго мультиплексора, третий вход которого подключен к выходу косинусоидального напряжения управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений. Вторые входы первого и второго мультиплексоров соединены с выходом синусоидального напряжения управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений. Управляющие входы второго мультиплексора подключены к шестому и седьмому выходам микроконтроллера. Управляющий вход управляемого преобразователя напряжение-ток подключен к восьмому выходу микроконтроллера. Unlike the prototype, the input of the controlled voltage-current converter is connected to the output of the first multiplexer. The first output of the controlled voltage-current converter is connected to the first input terminal. The second output of the controlled voltage-current converter is connected to the second input terminal and the common wire of the device. The first input of the first multiplexer is connected to the first input of the second multiplexer, the third input of which is connected to the output of the cosine voltage of the controlled analogue sinusoidal voltage generator. The second inputs of the first and second multiplexers are connected to the output of the sinusoidal voltage of the controlled analogue sinusoidal voltage generator. The control inputs of the second multiplexer are connected to the sixth and seventh outputs of the microcontroller. The control input of the controlled voltage-current converter is connected to the eighth output of the microcontroller.
Определение параметров полного сопротивления двухполюсника производится на постоянном и переменном токе путем измерения напряжения только на двухполюснике одним измерительным каналом, состоящим из синхронного детектора и фильтра нижних частот. Использование управляемого преобразователя напряжение-ток позволяет устанавливать постоянное напряжение, равное верхнему пределу измерения напряжения на первом входе микроконтроллера, на активной составляющей двухполюсника. При этом микроконтроллер обеспечивает высокую точность измерения этого напряжения. В случае измерения реактивной составляющей двухполюсника частота управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений устанавливаются такой, чтобы постоянное напряжение на первом входе микроконтроллера, пропорциональное синфазной составляющей напряжения на двухполюснике, было в два раза меньше постоянного напряжения на активной составляющей двухполюсника с емкостной составляющей и в два раза больше – для случая двухполюсника с индуктивной составляющей. Двукратное отличие напряжений при определении активной и реактивной составляющих полного сопротивления двухполюсника позволяет исключить процедуру и средства измерения напряжения на эталонном сопротивлении (усилитель переменного напряжения, дополнительные синхронный детектор и фильтр нижних частот) как в прототипе, что упрощает способ и устройство определения параметров полного сопротивления двухполюсника.The determination of the parameters of the two-terminal impedance is carried out on direct and alternating current by measuring the voltage on the two-terminal only by one measuring channel, consisting of a synchronous detector and a low-pass filter. Using a controlled voltage-current converter allows you to set a constant voltage equal to the upper limit of voltage measurement at the first input of the microcontroller, on the active component of a two-terminal device. At the same time, the microcontroller provides high accuracy for measuring this voltage. In the case of measuring the reactive component of a two-terminal device, the frequency of the controlled analog sinusoidal voltage generator is set such that the constant voltage at the first input of the microcontroller, proportional to the in-phase component of the voltage at the two-terminal device, is two times less than the constant voltage on the active component of the two-terminal device with a capacitive component and two times for the case of a two-terminal with an inductive component. The two-fold difference in voltage when determining the active and reactive components of the two-terminal impedance allows to exclude the procedure and means of measuring the voltage at the reference resistance (AC amplifier, additional synchronous detector and low-pass filter) as in the prototype, which simplifies the method and device for determining the parameters of the two-terminal impedance.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства реализующего предлагаемый способ определения параметров полного сопротивления двухполюсника. In FIG. 1 shows a functional diagram of a device that implements the proposed method for determining the parameters of the impedance of a two-terminal device.
На фиг. 2 приведены эквивалентные схемы двухполюсников, где а) – двухполюсник с емкостной составляющей, б) – двухполюсник с индуктивной составляющей.In FIG. Figure 2 shows equivalent circuits of two-terminal circuits, where a) is a two-terminal with a capacitive component, b) is a two-terminal with an inductive component.
Устройство определения параметров полного сопротивления двухполюсника содержит синхронный детектор 1 (СД), вход 2 которого соединен с первой входной клеммой 3 устройства и с первым выходом 4 управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ), второй выход 6 которого соединен со второй входной клеммой 7 устройства и общим проводом устройства. Вход управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) соединен с выходом первого мультиплексора 8 (М1). Первый вход 9 первого мультиплексора 8 (М1) и первый вход 10 второго мультиплексора 11 (М2) подключены к выходу источника питания 12 (ИП). Вторые входы 13, 14 первого 8 (М1) и второго 11 (М2) мультиплексоров соответственно подключены к выходу синусоидального напряжения 15 управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН), к дополнительному выходу косинусоидального напряжения 17 подключен третий вход 18 второго мультиплексора 11 (М2). Выход синхронного детектора 1 (СД) соединен с входом фильтра нижних частот 19 (ФНЧ), выход которого подключен к первому входу 20 микроконтроллера 21 (МК). Второй вход 22 микроконтроллера 21 (МК) соединен с выходом пульта ручного управления 23 (ПУ). Первый выход 24 микроконтроллера 21 (МК) подключен к управляющему входу управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН). Второй 25, третий 26 и четвертый 27 выходы микроконтроллера 21 (МК) соединены с входами буквенно-цифрового индикатора 28 (БЦИ). Пятый выход 29 микроконтроллера 21 (МК) подключен к управляющему входу первого мультиплексора 8 (М1). Шестой 30, седьмой 31 выходы микроконтроллера 21 (МК) соединены с управляющими входами второго мультиплексора 11 (М2). Восьмой выход 32 микроконтроллера 21 (МК) соединен с управляющим входом управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ). The device for determining the impedance of a two-terminal device contains a synchronous detector 1 (LED), the
Опытный экземпляр устройства для определения полного сопротивления двухполюсника был выполнен на аналоговых и цифровых микросхемах.A prototype device for determining the impedance of a two-terminal device was performed on analog and digital circuits.
Синхронный детектор 1 (СД) выполнен на микросхеме AD630, представляющей собой интегральный балансный модулятор/демодулятор. Коэффициент преобразования равен единице. Управляемый преобразователь напряжение-ток 5 (УПНТ) выполнен на операционных усилителях AD620 и OPА454. Входное напряжение – 1 В, выходной ток 0,01…10 мА. Управляемый аналоговый генератор синусоидальных напряжений 15 (УГСН) выполнен в виде квадратурного генератора на инверторе и двух интеграторах на операционных усилителях OP27 и 544УД2. Диапазон частот 10…100000 Гц. Фильтр нижних частот 19 (ФНЧ) выполнен на операционном усилителе OP27 в виде активного фильтра Баттерворта первого порядка. В качестве мультиплексоров 8 (М1), 11 (М2) использовалась интегральная микросхема ADG509, представляющая собой аналоговый коммутатор с четырьмя аналоговыми входами, одним выходом и цифровыми адресными входами. Источник напряжения 12 (ИП) выполнен на основе интегральных стабилизаторов 7812, 7912 с выходными напряжениями ± 12 В, стабилизатора 7805 с выходным напряжением +5 В. Микроконтроллер 21 (МК) выполнен на основе интегральной микросхемы Atmega 328P. Программа работы микроконтроллера написана на языке С++. Буквенно-цифровой индикатор 28 (БЦИ) выполнен на основе графического OLED индикатора типа REG010016AYPP5N00000. Пульт управления 23 (ПУ) выполнен на клавиатуре типа AK304NWWB, организованной в виде матрицы клавиш 4×3. Synchronous detector 1 (SD) is made on the AD630 chip, which is an integrated balanced modulator / demodulator. The conversion factor is one. The controlled voltage-current converter 5 (UPNT) is made on operational amplifiers AD620 and OPA454. Input voltage - 1 V, output current 0.01 ... 10 mA. The controlled analogue sinusoidal voltage generator 15 (UGSN) is made in the form of a quadrature generator on an inverter and two integrators on operational amplifiers OP27 and 544UD2.
К входным клеммам 3 и 7 устройства (фиг. 1) подключили двухполюсник с емкостной составляющей (фиг. 2, а)). Двухполюсник составлен из двух элементов – прецизионного резистора типа С2-29А с номинальным сопротивлением Rсн = 10 кОм и относительной погрешностью ± 0,1 % и прецизионного конденсатора типа К71-7 с номинальной емкостью To the
Сн = 0,01 мкФ и относительной погрешностью ± 0,1 %.With n = 0.01 μF and a relative error of ± 0.1%.
При включении источника питания 12 (ИП) первый – четвертый выходы 24 – 27 и пятый – восьмой выходы 29 – 32 микроконтроллера 21 (МК) устанавливают следующие начальные состояния блоков устройства: выходы первого мультиплексора 8 (М1) и второго мультиплексора 11 (М2) переключаются на свои первые входы 9 и 10 соответственно; на выходах синусоидального и косинусоидального напряжений 15, 17 управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН) генерируются гармонические напряжения с амплитудой 1 В и частотойWhen the power supply 12 (IP) is turned on, the first - fourth outputs 24 - 27 and the fifth - eighth outputs 29 - 32 of the microcontroller 21 (MK) set the following initial states of the device blocks: the outputs of the first multiplexer 8 (M1) and the second multiplexer 11 (M2) are switched to their
1 кГц; на буквенно-цифровом индикаторе 28 (БЦИ) высвечиваются нули.1 kHz; zeroes are displayed on the alphanumeric display 28 (BCR).
По сигналу с пульта управления 23 (ПУ), поступающему на второй вход 22 микроконтроллера 21 (МК), коэффициент преобразования управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) посредством сигнала с восьмого выхода 32 микроконтроллера 21 (МК) устанавливается равным минимальному значению Kпmin = 0,01 мА/В. Постоянное положительное напряжение Uоп =1 В с источника питания 12 (ИП) поступает через первый вход 9 первого мультиплексора 8 (М1) на вход управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ), на первом выходе 4 которого устанавливается ток Iп0 = Uоп∙Kпmin = (1 В)∙(0,01 мА/В) = 0,01 мА. Так как второй выход 6 управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) соединен со второй входной клеммой 7 устройства, то на активной составляющей двухполюсника создается падение напряжения URc0 = Iп0∙Rc = (0,01 мА) (10 кОм) = 0,1 В, поступающее на вход 2 синхронного детектора 1 (СД). При этом на его управляющий вход через первый вход 10 второго мультиплексора 11 (М2) поступает напряжение Uоп с источника питания 12 (ИП). Коэффициент преобразования Kсд синхронного детектора 1 (СД) равен единице. Учитывая, что для пассивного фильтра нижних частот 19 (ФНЧ) коэффициент передачи Kф = 1, входное напряжение на первом входе 20 микроконтроллера 21 (МК) равно According to the signal from the control panel 23 (PU) supplied to the
U1 = Kсд∙Kф∙URc0 = Kсд∙Kф∙Iп0∙Rc = Iп0∙Rc = (0,01 мА) (10 кОм) = 0,1 В, (1)U 1 = K sd ∙ K f ∙ U Rc0 = K sd ∙ K f ∙ I p0 ∙ R c = I p0 ∙ R c = (0.01 mA) (10 kOhm) = 0.1 V, (1)
где Kсд – коэффициент преобразования синхронного детектора; where K sd is the conversion coefficient of the synchronous detector;
Kф – коэффициент передачи фильтра нижних частот; K f - transmission coefficient of the low-pass filter;
URc0 – падение напряжения на активной составляющей двухполюсника с емкостной составляющей; U Rc0 is the voltage drop across the active component of a two-terminal device with a capacitive component;
Iп0 – выходной постоянный ток управляемого преобразователя напряжение-ток;I p0 - direct current output of a controlled voltage-current converter;
Rc – активная составляющая двухполюсника с емкостной составляющей.R c is the active component of the bipolar with a capacitive component.
Точность определения активной составляющей двухполюсника зависит от погрешности измерения микроконтроллером 21 (МК) напряжения U1 и погрешности установки выходного тока Iп0 управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ).The accuracy of determining the active component of a two-terminal network depends on the error in measuring the voltage U 1 by the microcontroller 21 (MK) and the error in setting the output current I p0 of the controlled voltage-current converter 5 (UPNT).
Точность измерения напряжения U1 выше при выполнении условияThe accuracy of voltage measurement U 1 is higher when the condition
Umax ≥ U1 ≥ 0,3Umax , (2)U max ≥ U 1 ≥ 0.3U max , (2)
где Umax – верхний предел измерения напряжения на первом входе микроконтроллера 21 (МК), равный 5 В.where U max - the upper limit of the voltage measurement at the first input of the microcontroller 21 (MK), equal to 5 V.
Если напряжение U1, не удовлетворяет условию (2), то микроконтроллер 21 (МК) устанавливает новое большее значение коэффициента преобразования Kп1 > Kпmin управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) и соответственно большее значение выходного тока Iп1 > Iп0 последнего. Например, при Kп1 = 0,2 мА/В на первом выходе 4 управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) устанавливается ток Iп1 = Uоп∙Kп1 = (1 В)∙(0,2 мА/В) = 0,2 мА. Тогда из (1) следует, что при таком токе на первом входе 20 микроконтроллера 21 (МК) действует напряжение If the voltage U 1 does not satisfy the condition (2), the microcontroller 21 (MC) establish a new larger value conversion factor K n1> K pmin managed converter voltage-current 5 (UPNT) and respectively larger value of the output current I n1> I n0 last . For example, when K p1 = 0.2 mA / V, the current I p1 = U op ∙ K p1 = (1 V) ∙ (0.2 mA / V) = 0.2 mA Then it follows from (1) that at this current, voltage acts on the first input 20 of the microcontroller 21 (MK)
где
Значение напряжения
Активную составляющую двухполюсника определяют по формуле:The active component of the bipolar is determined by the formula:
Измерение емкости двухполюсника с емкостной составляющей ( а) на фиг. 2) осуществляется на переменном токе. Вначале измеряют синфазную составляющую падения напряжения на двухполюснике. Для этого по сигналам управления с пятого – седьмого выходов 29, 30, 31 микроконтроллера 21 (МК) выходы первого 8 (М1) и второго 11 (М2) мультиплексоров переключаются на вторые входы 13 и 14 соответственно.The capacitance measurement of a bipolar with a capacitive component (a) in FIG. 2) is carried out on alternating current. First, the in-phase component of the voltage drop across the two-terminal network is measured. To this end, according to the control signals from the fifth to
Сигнал Uсин с амплитудой 1 В с выхода синусоидального напряжения 15 управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН) через первый мультиплексор 8 (М1) поступает на вход управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ), а через второй мультиплексор 11 (М2) – на управляющий вход синхронного детектора 1 (СД). Переменный выходной ток управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) с круговой частотой ω и амплитудой Iп1m, равной значению постоянного тока Iп1, создает падение напряжения на полном сопротивлении двухполюсника The signal U syn with an amplitude of 1 V from the output of the
в виде as
где Uсфс – синфазная составляющая напряжения 
Uквс – квадратурная составляющая напряжения 
Так как на управляющий вход синхронного детектора 1 (СД) поступает напряжение Uсин, то он выделяет только синфазную составляющую Uсфс напряжения на двухполюснике. Since the voltage U syn is supplied to the control input of the synchronous detector 1 (SD), it selects only the common-mode component U sfs of the voltage at the two-terminal network.
Фильтр нижних частот 19 (ФНЧ) преобразует переменное напряжение с выхода синхронного детектора 1 (СД) в постоянное напряжение, которое поступает на первый вход 20 микроконтроллера 21 (МК).The low-pass filter 19 (low-pass filter) converts the alternating voltage from the output of the synchronous detector 1 (SD) into a constant voltage, which is supplied to the first input 20 of the microcontroller 21 (MK).
Повышенная точность измерения емкости двухполюсника обеспечивается при выполнении условияThe increased accuracy of measuring the capacitance of a two-terminal device is ensured when the condition
где Uсинс0 – постоянное напряжение на аналоговом входе микроконтроллера.where U sins0 is a constant voltage at the analog input of the microcontroller.
Для выполнения условия (3) микроконтроллер 21 (МК) сигналами управления с первого выхода 24 изменяет частоту управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН), а, следовательно, полное сопротивление двухполюсника Zс и падение напряжения на нем. При частоте ω1 = 20000 рад/сек напряжение Uсинс1 на первом входе 20 микроконтроллера 21 (МК) будет равно 0,25 В, что соответствует выражению (3), то есть находится в зоне от 0,2 В до 1,0 В.To fulfill condition (3), the microcontroller 21 (MK) controls the
Далее измеряют квадратурную составляющую падения напряжения на двухполюснике. Для этого по сигналам управления с шестого и седьмого выходов 30, 31 микроконтроллера 21 (МК) выход второго мультиплексора 11 (М2) переключается на третий вход 18. Сигнал Uкос с амплитудой 1 В с выхода косинусоидального напряжения 17 управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН) через мультиплексор М2 поступает на управляющий вход синхронного детектора 1 (СД). Вследствие этого последний выделяет только квадратурную составляющую напряжения Uквс на двухполюснике. Фильтр нижних частот 19 (ФНЧ) преобразует переменное напряжение с выхода синхронного детектора 1 (СД) в постоянное напряжение Uквс1 = 0,5 В, которое поступает на первый вход 20 микроконтроллера 21 (МК), где по измеренным напряжениям Uсинс1 и Uквс1 рассчитывают амплитуду напряжения на полном сопротивлении Zс Next, measure the quadrature component of the voltage drop across the two-terminal network. To do this, according to the control signals from the sixth and
и модуль полного сопротивленияand impedance module
Определение искомой емкости С производят по формулеThe determination of the desired capacity C is carried out according to the formula
Для двухполюсника с емкостной составляющей (фиг. 2, а)) с параметрами For a two-terminal with a capacitive component (Fig. 2, a)) with parameters
Rс = Rсн = 10 кОм, С = Сн = 0,01 мкФ R c = R c n = 10 kOhm, C = C n = 0.01 μF
номинальное значение полного сопротивления Zсmн, определяемое по формулеthe nominal value of the impedance Z smn , determined by the formula
равно equally
Относительные погрешности определения полного сопротивления, его активной и емкостной составляющих рассчитывают по формулам:Relative errors in determining the impedance, its active and capacitive components are calculated by the formulas:
Результаты расчетов полного сопротивления, активной и емкостной составляющих двухполюсника ZСm = 4385 Ом, RС = 10 кОм и С = 0,0102 мкФ соответственно, а также их погрешности δZсm = 1,9 %, δRС = 0 %, δС = -2 % отображаются на буквенно-цифровом индикаторе 28 (БЦИ) по сигналу управления, поступающему с пульта управления 23 на второй вход 22 микроконтроллера 21 (МК).The results of impedance calculation, and the active components of the two-pole capacitive Z Cm = 4385 ohms, R C = 10 kohm and C = 0.0102 microfarads, respectively, and their error from to δZ = 1,9%, δR C = 0%, δS = -2% are displayed on the alphanumeric indicator 28 (BTS) by the control signal from the
При измерении параметров полного сопротивления двухполюсника с индуктивной составляющей ( б) на фиг. 2), на вход устройства подключили меру индуктивности Р5111 с номинальной индуктивностью Lн = 30 мГн с относительной погрешностью ± 0,02 % и номинальным сопротивлением RLн = 50 Ом с относительной погрешностью ± 0,02 %.When measuring the parameters of the impedance of a two-terminal with an inductive component (b) in FIG. 2), the inductance measure Р5111 with a nominal inductance L n = 30 mH with a relative error of ± 0.02% and a nominal resistance R Ln = 50 Ohms with a relative error of ± 0.02% was connected to the input of the device.
При измерении активной составляющей двухполюсника с индуктивной составляющей исходное состояние узлов аналогично предыдущему. По сигналу с пульта управления 23 (ПУ), поступающему на второй вход 22 микроконтроллера 21 (МК), коэффициент преобразования управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) устанавливается равным максимальному значению Kпmax = 10 мА/В. Постоянное напряжение Uоп с источника питания 12 (ИП) поступает через первый вход 9 первого мультиплексора 8 (М1) на вход управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ), на выходе которого устанавливается максимальный ток Iпmax0 = Uоп∙Kпmax = (1В) (10 мА/В) = 10 мА. Под действием этого тока на активной составляющей двухполюсника создается падение напряжения, измеряемое синхронным детектором 1 (СД). When measuring the active component of a two-terminal with an inductive component, the initial state of the nodes is similar to the previous one. According to the signal from the control panel 23 (PU), arriving at the
Коэффициент преобразования синхронного детектора 1 (СД) и коэффициент передачи фильтра нижних частот 19 (ФНЧ) равны единице. Поэтому входное напряжение на первом входе 20 микроконтроллера 21 (МК) равно The conversion coefficient of the synchronous detector 1 (SD) and the transmission coefficient of the low-pass filter 19 (low-pass filter) are equal to unity. Therefore, the input voltage at the first input 20 of the microcontroller 21 (MK) is
U2 = Kсд∙Kф∙URL0 = UZL0 = Iпmax0 ∙RL = (10 мА)∙(50 Ом) = 500 мВ,U 2 = K sd ∙ K f ∙ U RL0 = U ZL0 = I p max0 ∙ R L = (10 mA) ∙ (50 Ohms) = 500 mV,
где UZL0 – падение напряжения постоянного тока на двухполюснике; RL – активная составляющая двухполюсника. where U ZL0 is the DC voltage drop at the two-terminal network; R L is the active component of the bipolar.
Определяют активную составляющую двухполюсника RL по формулеThe active component of the two-terminal R L is determined by the formula
Измерение индуктивной составляющей двухполюсника (фиг. 2, б)) осуществляется на переменном токе. Последовательность проведения операций такая же, как и при определении емкости двухполюсника с емкостной составляющей. На первом этапе измеряется синфазная составляющая падения напряжения на двухполюснике. По сигналам управления с пятого – седьмого выходов 29, 30, 31 микроконтроллера 21 (МК) выходы первого 8 (М1) и второго 11 (М2) мультиплексоров переключаются на вторые входы 13 и 14 соответственно. Сигнал Uсин с выхода синусоидального напряжения 15 управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН) через первый мультиплексор 8 (М1) поступает на вход управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ), а через второй мультиплексор 11 (М2) на управляющий вход синхронного детектора 1 (СД). Переменный выходной ток управляемого преобразователя напряжение-ток 5 (УПНТ) с амплитудой Iп2m, равной значению постоянного тока Iпmax0, создает на полном сопротивлении двухполюсника 
где UсфL – синфазная составляющая напряжения 
UквL – квадратурная составляющая напряжения
При указанных выше состояниях первого 8 (М1) и второго 11 (М2) мультиплексоров синхронный детектор 1 (СД) выделяет только синфазную составляющую UсфL напряжения на двухполюснике. Это напряжение посредством фильтра нижних частот 19 (ФНЧ) преобразуется в постоянное напряжение UсинL0, которое поступает на первый вход 20 микроконтроллера 21 (МК).With the above states of the first 8 (M1) and second 11 (M2) multiplexers, the synchronous detector 1 (LED) selects only the common-mode component U cfL of the voltage at the two-terminal network. This voltage through the low-pass filter 19 (low-pass filter) is converted to a constant voltage U synL0 , which is supplied to the first input 20 of the microcontroller 21 (MK).
Повышение точности измерения индуктивности двухполюсника обеспечивается при условииImproving the accuracy of measuring the inductance of a two-terminal is provided provided
Для выполнения этого условия микроконтроллер 21 (МК) сигналом управления с первого выхода 24 изменяет частоту управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН), а, следовательно, полное сопротивление двухполюсника ZL и падение напряжения на нем. При частоте ω2, равной 21990 рад/cек, напряжение UсинL2 на первом входе 20 микроконтроллера 21 (МК) будет равно 0,539 В, что удовлетворяет условию (4), то есть находится в зоне [500 мВ, 750 мВ].To fulfill this condition, the microcontroller 21 (MK) by the control signal from the
Далее измеряют квадратурную составляющую падения напряжения на двухполюснике. По сигналам управления с шестого и седьмого выходов 30, 31 микроконтроллера 21 (МК) выход второго мультиплексора 11 (М2) переключается на третий вход 18. Сигнал Uкос с выхода косинусоидального напряжения 17 управляемого аналогового генератора синусоидальных напряжений 16 (УГСН) через мультиплексор 11 (М2) поступает на управляющий вход синхронного детектора 1 (СД). Вследствие этого последний выделяет только квадратурную составляющую UквL напряжения на двухполюснике. Фильтр нижних частот 19 (ФНЧ) преобразует переменное напряжение с выхода синхронного детектора 1 (СД) в постоянное напряжение UквL2, равное 4,097 В. Это напряжение поступает на первый вход 20 микроконтроллера 21 (МК).Next, measure the quadrature component of the voltage drop across the two-terminal network. According to the control signals from the sixth and
По измеренным напряжениям UсинL2 = 0,539 В и UквL2 = 4,097 В рассчитывают амплитуду напряжения на полном сопротивлении ZL From the measured voltages U synL2 = 0.539 V and U kVL2 = 4.097 V, the voltage amplitude at the impedance Z L is calculated
и модуль полного сопротивленияand impedance module
Определяют индуктивную составляющую двухполюсника L по формулеThe inductive component of the two-terminal L is determined by the formula
Для двухполюсника с индуктивной составляющей (фиг. 2,б) с номинальными параметрами RLн = 50 Ом, Lн = 30 мГн номинальное значение полного сопротивления ZLmн, определяемое по формулеFor a two-terminal with an inductive component (Fig. 2, b) with nominal parameters R Ln = 50 Ohm, L n = 30 mH, the nominal value of the impedance Z Lmn , determined by the formula
равно 
Относительные погрешности определения полного сопротивления, его активной и индуктивной составляющих рассчитывают по формулам:Relative errors in determining the impedance, its active and inductive components are calculated by the formulas:
Результаты определения полного сопротивления, активной и индуктивной составляющих двухполюсника ZLm = 649 Ом, RL = 50 Ом и The results of determining the impedance, active and inductive components of the two-terminal network Z Lm = 649 Ohm, R L = 50 Ohm and
L = 29,4 мГн соответственно, а также их погрешности δZLm = 1,9 %, δRL = 0 %, L = 29.4 mH, respectively, as well as their errors δZ Lm = 1.9%, δR L = 0%,
δL = 2 % отображаются на буквенно-цифровом индикаторе 28 (БЦИ) по сигналу управления, поступающему с пульта управления 23 на второй вход 22 микроконтроллера 21 (МК).δL = 2% are displayed on the alphanumeric display 28 (BTS) by the control signal from the
Экспериментальными исследованиями установлено, что в диапазоне частот 10 Гц…100 кГц и диапазоне измерения активной составляющей и полного сопротивления 20 Ом…200 кОм, емкости 0,001 мкФ…0,1 мкФ и индуктивности 0,01 мГн… 100 мГн относительная погрешность измерения не превышает ± 2 %. Таким образом, предлагаемое устройство по точности определения активной, реактивных составляющих и полного сопротивления двухполюсника не уступает прототипу при существенно меньших аппаратных затратах.Experimental studies found that in the frequency range of 10 Hz ... 100 kHz and the measuring range of the active component and impedance of 20 Ohms ... 200 kOhms, capacitances of 0.001 μF ... 0.1 μF and inductances of 0.01 mH ... 100 mH, the relative measurement error does not exceed ± 2% Thus, the proposed device for the accuracy of determining the active, reactive components and the impedance of a two-terminal device is not inferior to the prototype at a significantly lower hardware cost.
Claims (18)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018145699A RU2698072C1 (en) | 2018-12-24 | 2018-12-24 | Method of determining parameters of impedance of a two-terminal device and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018145699A RU2698072C1 (en) | 2018-12-24 | 2018-12-24 | Method of determining parameters of impedance of a two-terminal device and device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2698072C1 true RU2698072C1 (en) | 2019-08-21 |
Family
ID=67733914
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018145699A RU2698072C1 (en) | 2018-12-24 | 2018-12-24 | Method of determining parameters of impedance of a two-terminal device and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2698072C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU168771A1 (en) * | ||||
| US4206648A (en) * | 1979-02-26 | 1980-06-10 | Rca Corporation | Impedance measuring circuit |
| WO1995025962A1 (en) * | 1994-03-21 | 1995-09-28 | Square D Company | Monitor for an ungrounded system |
| RU2154834C2 (en) * | 1998-10-14 | 2000-08-20 | Санкт-Петербургская государственная педиатрическая медицинская академия | Method of measurement of components of impedance and device for its implementation |
| RU2301425C1 (en) * | 2005-09-21 | 2007-06-20 | Василий Иванович Туев | Method for determination of input impedances of electric circuit and device for its realization |
| US20170108552A1 (en) * | 2015-10-01 | 2017-04-20 | California Institute Of Technology | Systems and methods for monitoring characteristics of energy units |
-
2018
- 2018-12-24 RU RU2018145699A patent/RU2698072C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU168771A1 (en) * | ||||
| US4206648A (en) * | 1979-02-26 | 1980-06-10 | Rca Corporation | Impedance measuring circuit |
| WO1995025962A1 (en) * | 1994-03-21 | 1995-09-28 | Square D Company | Monitor for an ungrounded system |
| RU2154834C2 (en) * | 1998-10-14 | 2000-08-20 | Санкт-Петербургская государственная педиатрическая медицинская академия | Method of measurement of components of impedance and device for its implementation |
| RU2301425C1 (en) * | 2005-09-21 | 2007-06-20 | Василий Иванович Туев | Method for determination of input impedances of electric circuit and device for its realization |
| US20170108552A1 (en) * | 2015-10-01 | 2017-04-20 | California Institute Of Technology | Systems and methods for monitoring characteristics of energy units |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2013011444A (en) | Impedance measuring device | |
| CN113646649A (en) | Apparatus and method for measuring cell resistance | |
| Nagalakshmi et al. | A novel simple schmitt trigger circuit using CDTA and its application as a square-triangular waveform generator | |
| TWI597506B (en) | Impedance source ranging apparatus and method | |
| RU2698072C1 (en) | Method of determining parameters of impedance of a two-terminal device and device for its implementation | |
| TWI695986B (en) | Analog power factor AC load system and method | |
| RU2301425C1 (en) | Method for determination of input impedances of electric circuit and device for its realization | |
| JP2017083379A (en) | Impedance measuring device and impedance measuring method | |
| Miyazaki et al. | Lock-in amplifier impedance meter using a low-cost microcontroller | |
| CN103983854A (en) | Quartz crystal electrical parameter testing system | |
| JPH0452901B2 (en) | ||
| WO2007010320A1 (en) | Method and device for liquid conductivity measurement | |
| RU2301426C1 (en) | Device for determination of input impedances of electric circuits | |
| JP4937283B2 (en) | Impedance measuring instrument | |
| SU779911A1 (en) | Device for measuring resistance and capacitance of two-pole networks at shunting of semiconductor element p-n- junction | |
| JP4163865B2 (en) | Impedance measurement method and impedance measurement system | |
| US2754477A (en) | Wide range alternating current | |
| JP2007212192A (en) | Current measuring circuit and testing apparatus using same | |
| JPWO2018037463A1 (en) | Capacitance detection device and light wavelength selection filter device | |
| Pawasarn et al. | Implementation of Low-output-impedance Sinusoidal Oscillator and Its Modification for use in Filters. | |
| RU2265859C1 (en) | Method of measuring characteristics of nonlinear units | |
| RU125713U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING VOLTAMPER AND VOLT-FARAD CHARACTERISTICS OF A SEMICONDUCTOR DEVICE | |
| RU108853U1 (en) | COMPLEX RESISTANCE METER WITH COMPENSATION OF PARASITIC PARAMETERS | |
| JP6132718B2 (en) | Impedance measuring apparatus and impedance measuring method | |
| Miyazaki et al. | Microcontroller-based lock-in amplifier: a comparative study |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201225 |