SU1758587A1 - Устройство дл определени параметров трехэлементных двухполюсных цепей - Google Patents

Abstract

Использование: в контрольно-измерительной технике и дл  измерени  параметров трехэлементных двухполюсных цепей. Сущность: устройство содержит формирователь 1 опорного напр жени , опорный конденсатор 2, операционный усилитель 3, клеммы 4 дл  подключени  исследуемой двухполюсной цепи, ключ 5, блок 6 управлени , блоки 7,10, 11.12 выборки и хранени , блоки 8,15 вычитани  напр жений, интегратор 9, масштабирующие преобразователи 13, 14, усилитель 16. Особенностью изобретени   вл етс  замена непосредственного измерени  напр жени  на выходе операционного усилител  в первый момент времени (to), пропорционального значению одного из параметров цепи, на экстрапол цию этого значени  напр жени  после измерени  значений напр жени  на выходе операционного усилител  в другие моменты времени (ti, 2ti), что позвол ет повысить точность измерени . 7 ил. Ј

Description

VI

ел

00

ел со

VI

Фиг. /

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике, в частности к изме- рению параметров трехэлементных двухполюсных RC или RL-цепей,

Задача определени  параметров таких цепей встречаетс  в случае преобразовани  параметров полупроводниковых и металл- диэлектрик-полупроводник-структур, в случае исследовани  характеристик неоднородных объектов с распределенными параметрами, в случае контрол  параметров слоистых сред при помощи параметрических датчиков и т.п.

Известен преобразователь параметров трехэлементного двухполюсника. Преобразователь позвол ет определить параметры этих всех элементов трехэлементной цепи.

Однако известный преобразователь характеризуетс  недостаточной точностью определени  параметров трехэлементного двухполюсника вследствие невозможности непосредственного измерени  напр жени  пропорционального параметрам трехэлементного двухполюсника в начальный момент времени.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности преобразовател  параметров трехэлементного двухполюсника.

На фиг. 1 приведена схема устройства дл  определени  параметров трехэлементных двухполюсных цепей; на фиг. 2 - временные диаграммы изменени  выходных напр жений формировател  1 опорного напр жени , операционного усилител  3, выхода 5 блока 6 управлени ; на фиг. 3 - схема блока управлени ; иа фиг. 4-схема включени  микросхем К155АГ1 дл  формировани  коротких импульсов длительностью Т2 R2C2 с задержкой RiCi (например, при Ri 10 кОм; ,1 мкФ; At при Ra 1 кОм, С2 ЮООпФ: та с); на фиг, 5 - схема масштабирующих преобразователей; на фиг. 6 - схема инвертирующего усилител ; на фиг. 7 - первый-четпертый блоки выборки и хранени .

Устройство дл  определени  параметров трехэлементных двухполюсных цепей содержит формирователь 1 опорного напр жени , опорный конденсатор 2, операционный усилитель 3, клеммы 4 дл  подключени  исследуемой двухполюсной цепи, ключ 5, блок выправлени , первый, второй, третий и четвертый блоки 10, 7, 12, 11 выборки и хранени , первый и второй блоки 15, 8 вычитани  напр жений, интегратор 9, первый и второй масштабирующие преобразователи 13. 14,усилитель 16.

Выход формировател  1 опорного напр жени  через опорный конденсатор 2

подключен к инвертирующему входу операционного усилител  3, в цепи отрицательной обратной св зи которого включены клеммы 4. При этом его неинвертирующий

вход соединен с общей точкой схемы. Выход операционного усилител  3 соединен с первым входом второго блока 8 вычитани  напр жений и с входом второго блока 7 выборки и хранени , выход последнего соединен с вторым входом второго блока 8 вычитани  напр жений.

Выход второго блока 8 вычитани  напр жений соединен через интегратор 9 с входом третьего блока 12 выборки и хранени  и со входами первого и четвертого блоков 10, 11 выборки и хранени . Выход первого блока 10 выборки и хранени  соединен с входом первого масштабирующего преобразовател  13 и первым входом первого блока 15 вычитани  напр жений. Выход четвертого блока 11 выборки и хранени  через второй масштабирующий преобразователь 14 соединен с вторым входом первого блока 15 вычитани  напр жений, выход

которого соединен с входом усилител  16. Выход усилител  16 соединен с управл ющими входами первого и второго масштабирующих преобразователей 13, 14. Вход и выход ключа 5 соединен с клеммами 4 дл 

подключени  исследуемой двухполюсной цепи.

Управл ющие входы формировател  1 опорного напр жений и ключа 5 соответственно соединены с выходами 1, 5 блока 6

управлени . Выход 2 блока 6 управлени  соединен с управл ющими входами второго и третьего блоков 7,12 выборки и хранени , а выходы 3 и 4 блока 6 управлени  соответственно соединены с управл ющими входами первого и четвертого блоков 10, 11 выборки и хранени .

Устройство работает следующим образом .

Устройство работает в циклическом режиме , Работой устройства управл ет блок 6 управлени , который вырабатывает импульсные последовательности, поступающие на управл ющие входы формировател  1 опорного напр жени  блоков, 10,11, выборки и хранени , ключа 5.

По команде блоха 6 управлени  формирователь 1 опорного напр жени  в момент времени to подает на вход измерительной

схемы скачок посто нного напр жени  амплитудой Uo, действующий в течение промежутка времени t0-t2.

Выходное напр жение операционного усилител  3:

+

UoCc C2

i

;R,C

Второй блок 7 выборки и хранени  измер ет и запоминает значение выходного напр жени  операционного усилител  3 в установившемс  режиме (); что соответствует практическому установлению напр жени  U(t), т.е. ty (5-6) г, где г RC2), т.е. после практического завершени  переходного процесса в измерительной схеме

(ty)

UCc Ci

I I III Uo Со , Uo Со

U8 u3-u7-сТ + сГ

однозначно определ емое параметром Ci.

При повторной подаче скачка напр жени  на вход операционного усилител  3 выходное напр жение второго блока 8 вычитани  напр жений

i

щ

е -

UoCo

CiС2

Интегратор 9 интегрирует это напр жение с посто нной интегрировани  ги

Ug U°C°R (1 е-7ГеГ

HI

Третий блок 12 выборки и хранени  измер ет и запоминает значение выходного напр жени  интегратора 9 в установившемс  режиме

(ty)

UoCoR

однозначно определ емое параметром R.

Выходное напр жение второго блока 8

,, U0 Со U8 -er-x

вычитани  напр жении

tх е К-Ъ, полученное при повторной подаче скачка напр жений на вход операционного усилител  3, также поступает на входы первого и четвертого блоков 10, 11 выборки и хранени , которые измер ют и запоминают значени  этого напр жени  по команде с блока 6 управлени  (выходы 3 и 4) в моменты времени, равные и соответственно .

Моменты времени ti и 2ti соответствуют наиболее характерному этапу протека0

5

0

5

0

5

0

5

0

ни  переходного процесса в измерительной схеме с посто нной времени r(r RC2), когда значение г может быть определено с малой погрешностью, т.е.

ti 0,5 г. 2ti 5 г.

Алгоритм определени  значени 

Ue(to) U(ti)-K (где

к U(tQ U (2 ti )

необходимого дл  получени  Un Us{to)

UoCo

, однозначно определ емого параметром С2. реализован в аналоговой форме путем масштабировани  аналоговых сигналов масштабирующим преобразователем 13 с коэффициентом передачи, пропорциональным значению К . А 1 -ч . При эгом

требуемое значение коэффициента передачи масштабирующего преобразовател  устанавливаетс  по критерию равенства напр жений U(ti) и U(2ti) К,

Действительно, U(2ti) К U(n) при К

Ufti

|) /Vt Данна  операци  осуществл етс  первым блоком 15 вычитани  напр жений , один вход которого подключен к выходу первого блока 10 выборки и хранени , а второй вход через второй масштабирующий преобразователь 14 - к выходу четвертого блока 11 выборки и хранени , и усилителем 16, вход которого соединен с выходом первого блока 15 вычитани  напр жений , а выход-с управл ющими входами первого и второго масштабирующих преоб0 разователей 13, 14.

Поскольку устройство работает в циклическом режиме с многократным повторением процесса измерени , за несколько тактов измерени  достигаетс  точное равенство напр жений U(ti) и U(2ti) К на входах блока 15 вычитани  напр жений, а следовательно, на выходе масштабирующего преобразовател  13 получаем точное значение

Uia-UeOo T

U(ti)-K

- -т UoCc С2

Л р Значение U8(t0) Qg°

TT72li °пРеДел етс  экстрапол цией

функции Us(t) на момент времени t0, следующим образом:

-JL Ua(t) A-e

где A U8(to), r RC2.

Дл  момента времени ti и 2ti выраже- ние UsCt) можно представить в следующем виде- iiUe (ti)-A-e .(1)

Ue(2ti)-A-e .(2)

Выражени  (1) и (2) можно переписать следующим образом

(3) (4)

Логарифмиру  правые и левые части уравнений (3) и (4), получим -b-t

In

U(tQ А

. U(2ti) In -чд ; .

(5) (6)

Преобразу  выражени  (5) и (6), можно записать

,n ufti) ... ti

In Ат

(7)

In

U(2ti) 2ti

(8)

На основе выражений (7) и (8) можно составить следующее равенство

,n U(ti) 1 , U(2tQ ln A2 1П А

которое можно переписать в следующем виде

U2(ti) U(2tQ. А2А

Провод  дальнейшие преобразовани , -получим

0

4-- A--$&H С помощью ключа 5, вход и выход которого соединены с клеммами 4 дл  подключени  исследуемой двухполюсной цепи, при его замыкании осуществл етс  задание начальных условий на емкости, вход щей в состав исследуемой двухполюсной цепи, включаемой в цепь отрицательной обратной св зи операционного усилител  3.

0

Действительно, при включении в цепь отрицательной обратной св зи операци- ° онного усилител  3 двухполюсника емкостного характера (с последовательно включенной емкостью) необходимо в каждом цикле преобразовани  осуществл ть задание начального (обычно нулевого) напр жени  на емкости.

Управление ключом 5 осуществл етс  по команде с выхода 5 блока б управлени , причем дл  установлени  начальных условий ключ открываетс  на интервал времени Дх ta-ts (см. фиг. 2), необходимый длл разр да емкостей исследуемой двухполюсной цепи (см. фиг. 1), где i ty момент времени, определ ющий спад посто нного напр жени , подаваемого на вход операционного усилител  3 с формировател  1 опорного напр жени . Момент времени t3 to, где to - момент времени, соответствующий подаче следующего скачка посто нного напр жени  Uo на вход операционного усилител 

5

3.

0

5

5

Таким образом, предлагаемое устройство позвол ет с высокой точностью определить параметры всех элементов трехэлементного двухполюсника. Тем самым поставленна  цель - повышение точности преобразовател  параметров трехэлементного двухполюсника - достигаетс .

Предлагаемое устройство может быть сравнительно легко реализовано с использованием элементной базы, выпускаемой в насто щее врем  отечественной промышленностью .

Так, управл ющий работой всего уст- ройства блок 6 управлени  может быть реализован по схеме (фиг. 3), содержащей генератор импульсов G с частотой следовани , равной необходимой частоте следовани  импульсов опорного напр жени  (Т ty), одновибраторы S, формирующие короткие импульсы, управл ющие работой блоков 7, 10, 11, 12 выборки и хранени , а также импульсы, управл ющие работой ключа 5, и элементы задержки, обеспечивающие срабатывание одновибрэторов в моменты времени

tl, 2t1,ty, t2.

Генератор импульсов G может быть реализован по любой из многочисленных схем, опубликованных в технической литературе , например, на микросхемах серии 155. Одновибраторы и элементы задержки также могут быть реализованы множеством способов, например, на микросхемах К155АГ1.

Формирователь 1 опорного напр жени  может быть реализован, например по известным схемам.

В качестве операционного усилител  3 может быть использован любой высококачественный интегральный операционный уси- литель, например, отечественна  микросхема К544УД2А.

В качестве масштабирующих преобразователей 13 и 14 может быть использована схема (фиг. 5), содержаща  инвертирующий усилитель А1 на микросхеме К544УД2А с оптроном АОР104Б во входной цепи и формирователь управл ющего оптроном сигнала на микросхеме А2.

В качестве усилител  16 может быть использована схема инвертирующего усилител  (фиг. 6), содержаща  интегральный операционный усилитель А1, например, отечественна  микросхема К553УД2А.

Усилитель 16 выполн ет роль сглаживающего усилител , необходимого дл  придани  астатизма цепи автоматического регулировани  коэффициента передачи масштабирующих преобразователей 13,14.

Интегратор 9, первый и второй блоки 15, 8 вычитани  напр жений могут быть выполнены по типовым схемам.

Первый, второй, третий и четвертый блоки 10,7,12,11 выборки и хранени  могут быть построены по схеме, приведенной на фиг. 7. Схема содержит ключ (транзистор КП304А), запоминающий конденсатор емкостью 1000 пФ, повторитель с большим вход- ным сопротивлением (микросхема К544УД2А) и формирователь управл ющего ключом сигнала на транзисторах КТ315Б.

В качестве ключа 5 может быть использован любой высококачественный ключ с малым остаточным сопротивлением, например , полевой транзистор КП304А.

Указанные примеры реализации блоков предлагаемого устройства не  вл ютс  единственно возможными.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство дл  определени  параметров трехэлементных двухполюсных цепей, содержащее формирователь опорного напр жени , опорный конденсатор, операционный усилитель с клеммами дл 

   подключени  исследуемой двухполюсной цепи в цепь отрицательной обратной св зи, первый, второй и третий блоки выборки и хранени , первый и второй блоки вычитани  напр жений, интегратор, причем выход

   формировател  опорного напр жени  соединен через опорный конденсатор с иивер тирующим входом операционного усилител , неинвертирующий оход которого соединен с общей шиной, а выход которого

   соединен с первым входом второго блоке вычитани  напр жений и с входом второго блока выборки и хранени , выход которого соединен с вторым входом второго блока вычитани  напр жений, выход которого соединен через интегратор с входом третьего блока выборки и хранени , выход первого блока выборки и хранени  соединен с первым входом первого блока вычитани  напр жений , отличающеес  тем, что. с

   целью повышени  точности, в устройство введены первый и второй масштабирующие преобразователи, четвертый блок выборки и хранени , усилитель, блока управлени  и ключ, причем вход первого масштабирующего преобразовател  соединен с выходом первого блока выборки и хранени , вход четвертого блока выборки и хранени  соединен с выходом второго блока вычитани  напр жений, а его выход соединен с входом

   второго масштабирующего преобразовател , выход которого соединен с вторым входом первого блока вычитани  напр жений, выход которого соединен с входом усилител , выход которого соединен с управл ющими входами первого и второго масштабирующих преобразователей, вход и выход ключа соединены с клеммами дл  подключени  исследуемой двухполюсной цепи, с первого по п тый выходы блока управлени  соединены с управл ющим входами соответственно формировател  опорного напр жени , второго и третьего. первого и четвертого блоков выборки и хранени  и ключа.

   и

   ФОЦ

   е

   at

   i

   Фиг.2.

   ,-t.

   ЯпсЬ

   (jjinvmfi Ш9) yflpdufi

   3SI +

   3S1inlngo

   9oxi4 g

   goxq

   4U9f}

   1И051

   A8S89II

   К544УШ

   Фиг.7

   Конгл

   Цепь

   ЬхоЗ

   ЬыхоЭ

   Обилии

   ЈЬ

   + 15В

   Уп5 обАвни8 (От О А. Б , unBQtAftiuf