SU702317A1 - Цифровой измеритель параметров - Google Patents

Description

(54) ЦИФГОВОЙ ИЗМЕтТЕЛЬ RLC ПАРАМЕТРОВ

... ::, ; ... .: I ;

Изобретение относитс  к области электроизмерительной техники и найти применение при измерении RLC-параметров в широком частотном диапазоне.

Известно устройство дл  измерени  RLOnaраметров , в котором измерени  комплекшых составл ющих ioKai основаны на интегрировании кривой тока в определенные интервалы времени и преобразовании полученного аиалогрврго сш-нала в число импульсов, пропорциональное измер емой величине Ц.

Однако измерение синфазной и квадфатур ной составл ющих тока возможно лйиь на фиксированных частотах, поскольку нет узлов, обеспечивающих независимость результата измерени  от периода синусоидального кблебани . При этом дополнительные ограничени  на измерени  б диапазоне частот вызваны применением фазовращател  на 90°.

Известно устройство, содержащее управл е-мый синусоидального напр жени , подключенный к входу частотно-зависимой цеПи с образцовым и измер емь1М элементами, преобразователь изменени  параметров цепи в

напр жение, вход которого подключен к вь1ходу цепи, а его выход подключен к управл ющему входу генератора, формирователь периода выходаого сигнала генератора. Цифровой измеритель периода и два коммутатора, причем выход источника напр жени  посто нного тока пЬдключен к 1входу Измерительной цепи,

вход врем импульсного преобразовател  подключен к выходу измерительной цепи, входы Щ1ФРОВОГО измернггелй отношени  временйь1Х интервалов подключены к выходам врем импуиьсного преобразовател  напр жени  и формировател  выходного сигнала генератора через первый коммутатор, управл емый синхронно с вторым коммутатором, входы которого подключены к выходам генератора синусоидального натф жеии , а выходы фазовременного формировател  И формировател  периода умноженной частоты прдключеньГ к входам формировател  разностньгх временных интервалов , выход которого св зан с входом интегратора , выход, которого соединен с перестраи;Ваемым гетеродином, входом формировател 

временного интервала, выходом ключа, входом активного сопротивлени  и сигнальным входом второго переключател , выход к,оторого соединен с входом второго Ш1тегратора, который по выходу св зан с входом управлени  источника опорного напр жени  и пер- , вым входом второго устройства сравнени , другой вход которого св зан с общей шиной, а Ьыход соединен с входом селектора, между ВЫХОДОМ которого и входом цифрового отсчетного устройства включено цифровое дели- ю тельное устройство, причем выход первого интегратора подключен к входу управлени  источика опорного напр жени  и к входу управлени , йыходы которого св заны с вхбдами управлени  ключа, образцового элемента, цифро- t5 вого делительного устройства и формировател  временного интервала, вьисод которого соединен с входом блока управлени  2.

Недостатком известного устройства  вл етс :

а)ограниченность частотного диапазона, обус- ю ло.вленна  использованием гетеродинов, смесител  и фильтра нижних частот;

б)сложность реализации умножител  частоты исследуемого сигнала на восемь в широком частотном диапазоне;25

в)ограниченность точности измерени , обусловленна  вли нием на результат измерени  коэффициента передачи йрем импульсного преобразовател , а также формировател  разностных временных интервалов и значени  напр жени  зо источника опорного напр жени ;

г)возникновение погрешности измерени  импеданса емкостного и 1шдуктивного характера при фазовых сдвигах между током и напр жением больше чел . 35

д)отсутствие адаптации к роду измер емого параметра.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  в широком частотном диапазоне .40

Длй зтого в, цифровой измеритель RLC-параметров , содержащий генератор синусоидального напр жени , последовательно соединенные переключатель, интегратор, блок сравнени , селектор , цифровой делитель и цифровое отсчет- 45 вое устройство, а также генератор импульсов, подключенный к второму входу селектора, второй переключатель, блок образцовых злеменов , блок управлени  и источник опорного напр жени , выход которого подключен к вто- 50 рым входам обоих переключателей, причем одии из полюсов генерагора синусоидального напр жени  соединен с одним из входных .зажимов устройства, один выход блока образцовых элементов соединен с вторым входным 55 зажимом устройства, второй вход блока срдвн ни  подключен к общей шине, а выходы блока управлени  св зань с входами управлени  .

переключателей, селектора, цифрового делител  и цифрового отсчетного устройства, введены второй интегратор, второй блок сравнени , ключ и формирователь временного интервала, первый вход которого соединен с вторым выходом блока образцовых элементов, сигнальным входом второго переключател  и выходом ключа, вход которого подключен к первому выходу блока образцовых элементов и к общей шине, второй вход формировател  временного интервала соединен с вторым полюсом генератора синусоидального напр жени , а выход - с входом блока управлени , причем к выходу второго переключател  подключен второй интегратор, выход которого св зан с входом второго блока сравнени  и входом управлени  источника опорного напр жени , выход первого интегратора св зан с вторым входом управлени  источника опорного напр жени , и входом блока управлени , второй вход второго блока сравнени  подключен к общей шине, а выход - к третьему входу селектора , сигнальный вход первого переключател  соединен с первым входным зажимом устройства , а выходы блока управлени  св заны с управл ющими входами ключа, формировател  временного интервала и блока образцовых элементов .

На фиг. 1 изображена структурна  электрическа  схема цифрового измерител  RLC-napaметров .

Измеритель содержит переключатель 1, интегратор 2, блок сравнени  3, генератор синусоидального напр жени  4, измер емый элемент 5, источник опорного напр жени  6, генератор импульсов 7, селектор 8, Цифровой делитель 9, цифровое отсчетное устройство 10, ключ И, блок образцовых элементов 12, блок управлени  13, переключатель 14, интегратор 15 блок сравнени  16, формирователь временного интервала 17, состо щий из резистора 18 и собственно формировател  19.

Измеритель работает следующим образом.

В исходном Состо нии интеграторы 2 и 15 разр жены, ключ 11 сигналом с блока управлени  13 замкнут, счетчики цифрового делител  9 сброщены, а переключатели 1 и 14 наход тс  в нейтральном положении.

Измерение синфазной и квадратурной составл ющих исследуемого импеданса основано на интегрировании напр жени  на измер емом сопротивлении в течение времени, определ емого формирователем временного интервала 17, который формирует врем  измерени  из длительности периода напр жени  на резисторе 18, моменты перехода через нуль которого совпадают с моментами перехода через нуль кривой тока в цепи генератора 4 синусоидального напр жени . При синусоидальной форме кривой напр жени  U/i:) (uui + 4) дл  измерени  синфазной составл ющей напр жени  Ui (t) необходимо его интегрировать в течение полупернода опорного напр жени . Тогд получим инт.х ПФ При измерении квадратурной составл ющей напр жени  Ui (t) должно выполн тьс  условие что моменты времени ti а«Т и tj в-Т начала и конца интегрировани  должны быть сим метричны относительно момента ts перехода через нуль опорного напр жени  Umi sin cut (фиг. 2 а). При соблюдении услови  а + в 1 получим ЙПЧ.МП П -0|У (2 при измерении RLC-параметров генератор 4 синусоидального напр жени  Ui (t)Umisin cot измер емый элемент (сопротивление Zx 5), образцовый элемент (сопротивление ZQ 12) и резистор 18 образуют делитель напр жени  : Ui(t). Сойротивление Zx 5 и ZQ 12  вл ютсй комплексными. При измерении емкости Zx и ZQ содержат емкостные составл ющие сопротивлени  и активные сопротивлени  утечки. Пр измерении индуктивности в Zx и ZQ вход т индуктивные сопротивлени  и активные сопротивлени  катушек. При измерении активного сопротивлени  RX в комплексном сопротивлении Zx 5 блок управлени  размыкает ключ 11 и включает в элемент 12 активное сопротивление RQ. Поскольку сопротивление Zx 5 комгйексное то между током, протекающим через него, и напр жением на нем имеетс  фазовый сдвиг 1/) х- Формирователь временного интервала 19 . U -jeiHUUt нз опорного напр жени -; Tl-на резисторе 18 (фиг. 2 а)формирует временной интервал (фиг. 2 б) длительностью, равной полупериоду опорного напр жени . Сигнал с выхода формировател  19 поступает на вход блока 13 управлени . На врем  его длительности переключатели 1 и 14 устанавливаютс  в полоsin (.(ji). жение а. Напр жение UgCt) на сопротивлении Zx 5 и напр жение ,siMi«,t на элементе 12 тегрируютс  соответственно в интеграторах 2 и. 15. Поскольку при измерении активного сопротивлени  RX элемент 12 беретс  чисто активным , то в нем отсутствует сдвиг фаз f Q. Однако в качестве ZQ можно в этом случае примен ть и комплексное сопротивление, но при известном значении активной составл ющей RQВ процессе интегрировани  напр жение на выходе интегратора 2 равно . ХлСОЗМ ИНТ.2). а напр жение на выходе интеграт-ора 15 MHT.iSX где TI и Tj - посто нные времени интеграторов 2 и 15 соответственно. Во втором такте преобразовани  €лок 13 управлени  переводит переключатели 1, 14 в положение б и открывает селектор 8. Напр жение DO с выхода источника опорного напр жени  6 поступает через переключатели 1 и 14 на входы интеграторов 2 и 15, вследствие чего начинаетс  интегрирование UQ до моментов t4, ts равенства нулю напр жений и на выходе интеграторов 2 и 15 (фиг. 2 в, г). За врем  ts-ts на вход первого счетчика цифрового делительного устройства 9 с выхода генератора 7 импульсов через селектор 8 поступит число импульсов (фиг. 2 в). |.tco,4. . (5) (s-vа в течение времени t4-ts в другом счетчике цифрового делительного устройства 9 зафиксируетс  код числа (фиг. 2 г) м .. ау. п.и--г оМоменты ts и t4 равенства нулю выходных напр жений интеграторов 2 и 15 фиксируютс  блоками сравнени  3 и 16, которые  вл ютс  нульторганами. В цифровом делителе 9 выполн етс  операци  отнощенн  NIX/NJX, вследствие чего на основании 5 и 6 получаем код числа (. ах V пропорциональный значению синфазной составл ющей Zx cos V X в комплексном сопротивлении Zx, так как где RX - синфазна  составл юща  комплексно го сопротивлени  ZxКодовое значение Nix/Njx с выхода цифро вого делител  9 пбступает на вход цифрового отсчетного устройства 10 и при RQ кратном пропорционально синфазной RX составл ющей импеданса Zx и не зависит от периода Т колебаний напр жени  Upp sin wt источника 4 его амплитудного значени  Um. частоты fo генератора импульсов 7, посто нных времени TI и Т2 интеграторов 2 и 15. Их стабильность требуетс  обеспечить лищь на врем  измерени  Измерение квадратурных составл ющих импеданса (емкости шш индуктивности) производитс  в два такта. Первый такт используетс  дл  определени  характера комплексного сопротивлени  (емкостного или индзтктивного), то есть осуществл етс  адаптаци  к роду изме р емого параметра. Дл  этого блок 13 управлени  закрывает ключ М, а формирователь 17 временного интервала формирует временной интервал ti-ts, который симметричен относительно точки ts перехода через нуль опорного напр жени  Umi-sin cot (фиг. 2 а и 2 д), то есть выполн ютс  услови  а + в 1 и ti+te Т, В зависимости от емкостного или индуктивного характера измер емого импеданса Zx 5 напр жение на выходе интегратора 2 в момент tfi будет положительным или отрицательным соответственно. Поэтому при положительном напр жении на выходе интегратора 2 блок 13 управлени  по управл ющему сигналу с выхода интегратора 2 выбирает в блоке 12 образцовзто емкость Сд, а при отрицательном напр жении - образцовую индуктивность LQ. При этом GO или LO не об зательно должны. быть высокодобротными, требуетс  лищь точно знать значени  их реактивных (квадратурных) Cq HLo составл ющих. Во втором такте производитс  измерение квадратурной составл ющей импеданса, дл  чего блок 13 управлени  размыкает ключ 11 и подает сигнал управлени  на формирователь 17 временного интервала, который в произволь ный момент ti из опорного напр жени  Umr sin cjt, снимаемого с резистора 18, фор . мйрует передний фронт импульса (фиг. 2 д), который посредством блока 13 зттравЛени  переводит переключатели 1 и 14 в положение а Одноврёменно начинаетс  интегрирование напр 

жёний, снимаемь1х с элементов 5 и 12, в интеграторах 2 и 15 до момента te при соблюдении услови  ti + tg # Т.

Claims (2)

1. В момент t6 блок управлени  13 переводит переключатели | и 14 в положение б, вследствие чего выходное напр жение Ug источника 1)Шрндг6 нагф жё и  6, пол рность которого противоположна пол рности напр жений на высоидального напр жени , его амплитудного Um значени , сопротивлени  Z преобразовательной цепи, посто н1П)1Х времени TI и Г2 интеграторов 2 и 15, частоты foгенератора 7 импульсов , и что особенно важно, от. значений моментов начала ti и конца t интегрировани  в первом такте при измерении квадратурных составл ющих импедансд. ходе интеграторов, поступает на вход нитеграторов 2 и 15 и интегрируетс  до моментов t7 и ts равенства нулю аыхрдш {х напр жений интеграторов 2 и 15 (фиг. 2 е и 2 ж), которые фиксируютс  устройстаами сравнени  3 к 16. За врем  t7-tg с выхода генератора 7 импульсов через селектор 8 на вход первого счетчика цифрового делител  9 поступит число импульсов (фиг. 2 е) .N f TU siiih(iB-a) Чп . T sinvp, . а во втором счетчике цифрового делител  9 зафиксируетс  код числа (фиг. 2 д) .(tg.. );,(-a-) X.siHT Разделив (8) на (9), ползшим 2j,siHVf5N пераци  делени  Niy/Njy выполн етс  в цифровом делителе 9, и при Zgsin , кратном lO результат отношени  Niy/Njy с выхода цифрового делител  9 вьвдаётс  на цифровое Отсчетное устройство 10. При измерении индуктивности Zxsin CO-LX, а Zosin (fo CJ-LQ. Подставив зти значени  в (10), получим При емкостном характере комплексного сопротивлени  Zx sin ( X ijJcKa Zosin о д откуда, с учетом (1оЯ имеем , Таким образом, по сравнению с известными измерител ми RLC-параметров в предложенном устройстве обеспечена возможность измерени  с высокой точностью RLC-параметров комплексиых сопротивлений в щироком частотном диапазоне , так как результаты измерени  не завис т от частоть колебаний генератора 4 сннуЭто дало возможность отойти от необходимости применени  фазосдвигающих цепей на 90, построение которых со стабильным значением 90 фазового сдвига дл  широкого диапазона частот представл ет значителъш 1е технические трудности. Формула изобретени  Цифровой измеритель RLC параметров, содер жащий генератор синусоидального напр жени , последовательно соединенные переключатель, . интегратор, блок сравнени , селектор, цифровой делитель и цифровое отсчетное устройство, а также генератор импульсов, подключенный к второму входу селектора, второй переключатель , блок образцовых элементов, блок управлени , и источник опорного напр жени , выход которого подключен к вторым входам обоих переключателей, причем один из полюсов генератора синусоидального напр жени  соединен с одним из входных зажимов устройства, один выход блока образцовых элементов соединен с вторым входном зажимом устройства, второ вход блока сравнени  подключен к общей шине , а выходы блока управлени  св заны с вхо дами управлени  переключателей, селектора циф рового делител , и цифрового отсчетного устройства , р т л и.ч а ю щ и и с   тем, что, г. с целью повышени  точности измерени  в широком частотном диапазоне, в него введены второй интегратор, второй блок сравнени , ключ и формирователь временного интервала, первый вход которого соединен с вторым выходом блока образцовых элементов, сигнальным входом второго переключател  и выходом ключа, вход которого подключен к первому выходу блока образцовых элементов и к общей шине, второй вход формировател  временного интервала соединен с вторым полюсом генератора синусоидального напр жени , а выход - с входом блока управлени , причем к выходу второго переключател  подключен второй интегратор , выход которого св зан с входом второго блока сравнени  и входом управлени  источника опорного напр жени , выход первого интегратора св зан с вторым входом управлени  источника опорного напр жени  и входом блока управлени , второй вход второго блока сравнени  подключен, к. общей шине, а выходк третьему входу селектора, сигнальный вход первого переключател  соединен с первым входным зажимом устройства, а выходы блока управлени  св заны с управл ющими входами ключа, формировател  временных интервалов и блока образцовых элементов. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент ПНР № 76778, кп. G 01 R 19/06.
2. 2.Авторское свидетельство СССР № 467302, кл. G 01 R 2.7/26.