SU924617A1 - Преобразователь параметров пассивных двухполюсников - Google Patents

Description

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано при построении преобразователей параметров слэж- β ных пассивных двухполюсников, например, при измерении параметров МДПструктур, в диэлькометрии или кондуктометрии при измерении параметров бесконтактных датчиков. В указанных и во |д многих других случаях необходимо осуществлять преобразование параметров пассивных двухполюсных цепей со сложными многоэлементными схемами.замещения, которые могут быть приведены к трехэлементным эквивалентным схе- ¹ мам, состоящим из отдельного элемента 7>_л и комплексного сопротивления Ζ остальной (как угодно сложной) части двухполюсника с эквивалентными активной Re [Z] и реактивной Im[Z] составляющими.

Известен преобразователь параметров нерезонансных трехэлементных двухполюсников в напряжении, содержащий формирователь опорного напря- 25 жения, задатчик интервалов времени, усилитель постоянного тока в цепь отрицательной обратной связи которого включен исследуемый двухполюсник, представляющий собой последователь- 30 ное соединение конденсатора и параллельной цепи, состоящий из конденсатора и резистора, дифференциаторы, ограничитель напряжения, интеграторы, ключ, инвертирующий масштабный преобразователь, вычитатель напряжения, сумматор напряжений [1) .

Недостатком указанного устройства являются ограниченные функциональные возможности, так как оно позволяет преобразовывать в напряжение параметры только трехэлементных двухполюсников, имеющих вполне конкретную трехэлементную схему замещения.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь параметров комплексных сопротивлений, который содержит генератор синусоидального напряжения, выход которого через трансформатор напряжения с первичной и двумя вторичными обмотками соединен с преобразуемым комплексным сопротивлением, состоящим из последовательносоединенных измеряемой емкости и измеряемого сопротивления. Образцовый элемент включен в цепь обратной связи усилителя, выход которого соединен с входом управляемого делителя напряжения. Вторичная обмотка трансформатора напряжения и выход управляемого делителя .напряжения соединены с входами сумматора, выход которого соединен с входом фазочувствительного индикатора [2].

Недостатком известного устройства является ограниченность функциональ- 5 ных возможностей, так как измеряемое комплексное сопротивление может иметь только двухэлементную эквивалентную схему и невозможно измерение параметров сложных двухполюсных цепей по ю трехэлементной эквивалентной схеме.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь параметров nac-j^ сивных двухполюсников, содержащий генератор синусоидального напряжения, операционный усилитель с опорным резистором на входе и исследуемым двухполюсником в цепи отрицательной обратной связи, управляемый делитель ^U напряжения, сумматор, фаэочувствительный индикатор, введены ключ, нульиндикатор, интегратор, амплитудный детектор, блок сравнения, фильтр нижних частот, разделительный конденсатор, 25 блок вычитания, причем выход генератора синусоидального напряжения соединен с входом нуль-индикатора и через ключ, управляющий вход которого подключен к выходу нуль-индикатора, с другим выводом опорного резистора, выход операционного усилителя соединен с одним из входов сумматора, другой вход которого и выход интегратора 'соединены с входом амплитудного детектора, выход-35 последнего подключен к одному из входов блока сравнения,· другой вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, выход блока сравнения соединен с управляющим входом интег- до ратора, выход сумматора соединен с входом фильтра нижних частот и через разделительный конденсатор с входом управляемого делителя напряжения и с одним из входов фазочувствительно- 45 го индикатора, выход последнего соединен с управляющим входом управляемого делителя напряжения, выход которого соединен с одним из входов вычитающего блока, другой вход которого ’и вход интегратора подключены к выходу генератора синусоидального . напряжения, выход вычитающего блока соединен с вторым входом фазочувствительного индикатора.

На фиг.1 изображена схема исследуемого двухполюсника; на фиг.2 - структурная схема преобразователя для случая, когда исследуемый двухполюсник имеет вид, изображенный на фиг.1, и в качестве, отдельно стоящего элемен- 60 та выделена емкость С.

Преобразователь параметров пассивных двухполюсников.содержит генератор 1 синусоидального напряжения, ключ 2, -нуль-индикатор 3, опорный 65 элемент 4, операционный усилитель 5, исследуемый двухполюсник 6, сумматор 7, интегратор 8, амплитудный детектор 9, блок 10 сравнения, фильтр 11 нижних частот, разделительный конденсатор 12, управляемый делитель 13 напряжения, вычитающий блок 14, фазочувствительный индикатор 15.

Выход генератора 1 синусоидального напряжения соединен с входами ключа 2 и нуль-индикатора 3, причем выход последнего подключен к управляющему входу ключа 2. Выход ключа 2 через опорный элемент 4 подключен к входу операционного усилителя 5, в цепи отрицательной обратной связи которого включен исследуемый двухполюсник 6. Выход операционного усилителя 5 соединен с одним из входов сумматора 7, другой вход которого соединен с выходом интегратора 8 и с входом амплитудного детектора 9. Выход интегратора 8 соединен с выходом генератора 1 синусоидального напряжения. Выход амплитудного детектора 9 соединен с одним из входов блока 10 сравнения, другой вход которого подключен к выходу фильтра 11 нижних частот. Выход блока 10 сравнения соединен с управляющим входом интегратора 8.

Выход сумматора 7 соединен с входом фильтра 11 нижних частот и через разделительный конденсатор 12 с входом управляемого делителя 13 напряжения. Выход последнего соединен с одним из входов вычитающего блока 14, другой вход которого подключен к выходу генератора 1 синусоидального напряжения. Выход вычитающего блока 14 соединен с одним из входов фазочувствительного индикатора 15, другой вход которого подключен к входу управляемого делителя 13 напряжения. Выход фазочувствительного индикатора 15 соединен с управляющим входом управляемого делителя 13 напряжения.

Устройство работает следующим образом .

Рассмотрим работу преобразователя на примере преобразования параметров исследуемого двухполюсника 6 (фиг,1) для случая, когда в качестве отдельно стоящего элемента выделена емкость С^, а в качестве опорного элемента 4 используется резистор Цд(фиг.2).

Синусоидальное напряжение питания

U =U₃sinuJ_ot с выхода генератора 1 синусоидального напряжения через ключ 2 открывающийся по сигналу нуль-индикатора 3 в момент перехода напряжения через нулевой уровень, подключается к опорному элементу 4 (R_o), включенному на входе операционного усилителя 5.

В дальнейшем ключ 2 остается открытым. Операционный усилитель 6 oev6 ществляет пропорциональное преобразование сопротивления исследуемого двухполюсника 6 в напряжение

⁵'°

to подается через разделительный конденсатор 12 на вход управляемого делителя 13 напряжения, выходное напряжение которого

Uj(t)= k^U₄ ~(t), где — коэффициент передачи делителя 13 напряжения, поступает на один из входов вычитающего блока 14. На другой вход вычитающего блока подается напряжение питания с выхода генератора 1.

Выходное напряжение вычитающего блока 14 где ^0 1 cosuJpt составляющая напря^{0 0} * жения ύ₂, пропорцио⁺ рЫ

о

нальная параметру С1 исследуемого двухполюсника 6; постоянная составляющая напряжения 0,_г, обусловленная интегрированием напряжения U, и равная по значению амплитуде составляющей напряжения ϋί;

составляющая напряжения U ,пропорцио- 30 нальная сопротивлению Ζ остальной

-V ^Ro % ! А ----<---V ’ V'^{n ω}(Α ⁴o(Re[t]⁺ I подается на вход фазочувствительного индикатора 15, выходное напряжение которого изменяет коэффициент· передачи к^ управляемого делителя 13 напряжения до тех пор, пока напряжение ύ_Ί на выходе вычитающего блока 14 не станет в квадратуре с напряжением U₄ на входе управляемого делителя 13 напряжения. Это происхочасти исследуемого двухполюсника 6.

С выхода операционного усилителя 35 5 напряжение Щ подается на один из входов сумматора 7. На другой вход сумматора 7 поступает сдвинутое по фазе на 90° относительно напряжения питания Щ выходное напряжение ин- 4Q тегратора 8

Uo,(t)= к Ц^соэ uj_ot, где к - коэффициент передачи интегратора 8.

Сумматором 7 осуществляется компенсация составляющей (^напряжения ΰ<ι, пропорциональной параметру С_и. Для э того коэффициент передачи k-t интегратора 8 изменяется по сигналу блока 10 сравнения до тех пор, пока амплитуда напряжения ύj, выделенная ^э амплитудным детектором 9, не станет , R о дит при k(y= pe’[tj ' ^тогда напряжение на выходе вычитающего блока 14 v_b(^- \^wn-_T -VW ⁴ равной постоянной составляющей выходного напряжения сумматора 7, выделенной фильтром 11 нижних частот. При этом к = , а амплитуда компенRp л сдвинуто по фазе на 90° относительно напряжения ϋ₄~ на выходе управляемого делителя 13 напряжения.

При этом отношение напряжения U₄^ на выходе управляемого делителя 13 напряжения к напряжению IJ $ на его выходе пропорционально активной составляющей Re[t] комплексного сопротивления Z.

Reft] Й ς k R 0. ’ а отношение напряжения U5 на выходе управляемого делителя 13 напряжения к напряжению ΰ_& на выходе вычитающего блока 14 пропорционально тангенсу угла потерь сирующего напряжения U„= порциональна параметру Ζ_η

Uo

R-, Д£С-| '-‘-jC 1 про60

Переменная составляющая напряжения сумматора 7 __! J; s ί η г; t_________ ^и д ^t 1 1 ^R’^fRn- ⁺ jot выходного

6S ₌ _ ЛИШ. = _ η tq Λ .

0₆ ReftJ ^{3 gOt}

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять преобразование параметров пассивных двухполюсников, имеющих сложную схему замещения, которая может быть представлена трехэлементной эквива· лентной схемой при постоянной частоте напряжения питания. При этом спи7 маются ограничения по числу элементов и конфигурации схемы замещения, свойственные известным устройствам, и расширяются функциональные возможности .

Claims (2)

1. Изобретение относитс  к информационно-измерительной технике и может быть использовано при построении преобразователей параметров с.пэж ных пассивных двухполюсников, например , при измерении параметров МДПструктур , в диэлькометрии или кондук тометрии при измерении параметров бе контактных датчиков. В указанных и в многих других случа х необходимо осу ществл ть преобразование параметров пассивных двухполюсных цепей со слож ными многоэлементными схемами,замещени , которые могут быть приведены к трехэлементным эквивалентным схемам , состо щим из отдельного элемен та Z и комплексного сопротивлени  Z остальной (как угодно сложной) части двухполюсника с эквивалентными активной Re Z и реактивной составл ющими. Известен преобразователь парамет ров нерезонансных трехэлементных двухполюсников в напр жении, содержаний формирователь опорного напр жени , задатчик интервалов времени, усилитель посто нного тока в цепь отрицательной обратной св зи которо го включен исследуемый двухполюсник представл ющий собой п о следов ат ельное соединение конденсатора и параллельной цепи, состо щий из конденсатора и резистора, дифференциаторы, ограничитель напр жени , интеграторы, ключ, инвертирующий масштабный преобразователь , вычитатель напр жени , cyMj.iaTOp напр жений 111 . Недостатком указанного устройства  вл ютс  ограниченные функциональные возможности, так как оно позвол ет преобразовывать в напр жение параметры только трехэлементных двухполюсников , имеющих вполне конкретную трехэлементную схему замещени . Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  преобразователь параметров комплексных сопротивлений, который содержит генератор синусоидального напр жени , выход которого через трансформатор напр жени  с первичной и двум  вторичными обмотками соединен с преобразуемым комплексным сопротивлением , состо щим из последовательно соединенных измер емой емкости и измер емого сопротивлени . Образцовый элемент включен в цепь обратной св зи усилител , выход которого соединен с входом управл емого делител  напр жени . Вторична  обмотка трансформатора напр жени  и выход у;(зарл емого делител  напр жени  сое динсны с Бходами сумматора, выход ко тзрого coeдиf eн с входом фазочувстви тельного индикатора 2. Недостатком известного устройства  вл етс  ограниченность функциональных возможностей, так как измер емое комплексное сопротивление может имет только двухэлементную эквивалентную схему и невозможно измерение парамет ров сложных двухполюсных цепей по трехэлементной эквивалентной схеме. Цель изобретени  - расширение фун кциональных возможностей. Поставленна  цель достигаетс  тем что в преобразователь параметров nac сивных двухполюсников, содержащий ге нератор синусоидального напр жени , операционный усилитель с опорным резистором на входе и исследуемым двух полюсником в цепи отрицательной обратной св зи, управл емый делитель напр жени , сумматор, фазочувствител ный индикатор, введены ключ, нульиндикатор , интегратор, амплитудный д тектор, блок сравнени , фильтр нижних частот, разделительнкгй конденсатор, блок вычитани , причем выход генерато ра синусоидального напр жени  соедине с входом нуль-индикатора и через ключ управл ющий вход которого подключен к выходу нуль-индикатора, с другим выво дом опорного резистора, выход операци онного усилител  соединен с одним из входов сумматора, другой вход которого и выход интегратора соединены с входом амплитудного детектора, выход последнего подключен к одному из входов блока сравнени  , другой вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, выход блока сравнени  соединен с управл ющим входом интегратора , выход сумг атора соединен с входом фильтра нижних частот и через разделительный конденсатор с входом управл емого делител  напр жени  и с одним из входов фазочувствительного индикатора, выход последнего соединен с управл ющим входом управл емого делител  напр жени , выход которого соединен с одним из входов вычитающего блока, другой вход которого и вход интегратора подключены к выходу генератора синусоидального . напр жени , выход вычитающего блока соединен с вторым входом фаэочувствительного индикатора. На фиг.1 изображена схема исследуемого двухполюсника; на фиг.2 - струк турна  схема преобразовател  дл  случа , когда исследуемый двухполюсник имеет вид, изображенный на фиг.1, и в качестве, отдельно сто щего элемента выделена емкость С. Преобразователь параметров пассивных двухполюсников.содержит генератс р 1 синусоидального напр жени , ключ 2, -нуль-индикатор 3, опорный элемент 4, операционный усилитель 5, иccлeдye wn двухполюсник 6, сумматор 7, интегратор 8, амплитудный детектор 9, блок 10 сравнени , фильтр 11 нижних частот, разделительный конденсатор 12, управл емый делитель 13 напр жени , вычитающий блок 14, фазочувствительный индикатор 15. Выход генератора 1 синусоидального напр жени  соединен с входами ключа 2 и нуль-индикатора 3, причем выход последнего подключен к управл ющему входу ключа 2. Выход ключа 2 через опорный элемент 4 подключен к входу операционного усилител  5, в цепи отрицательной обратной св зи которого включен исследуемый двухполюсник б. Выход операционного усилител  5 соединен с одним из входов сумматора 7, другой вход которого соединен с выходом интегратора 8 и с входом амплитудного детектора 9. Выход интегратора 8 соединен с выходом генератора 1 синусоидального напр жени . Выход амплитудного детектора 9 соединен с одним из входов блока 10 сравнени , другой вход которого подключен к выходу фильтра 11 нижних частот. Выход блока 10 сравнени  соединен с управл ющим входом интегратора 8. Выход сумматора 7 соединен с входом фильтра 11 нижних частот и через разделительный конденсатор 12 с входом управл емого делител  13 напр жени . Выход последнего соединен с одним из входов вычитающего блока 14, другой вход которого подключен к выходу генератора 1 синусоидального напр жени . Выход вычитающего блока 14 соединен с одним из входов фазочувствительного индикатора 15, другой вход которого подключен к входу управл емого делител  13 напр жени . Выход фазочувствительного индикатора 15 соединен с управл ющим входом управл емого делител  13 напр жени . Устройство работает следующим образом . Рассмотрим работу преобразовател  на примере преобразовани  параметров исследуемого двухполюсника б (фиг.1) дл  случа , когда в качестве отдельно сто щего элемента выделена емкость а в качестве опорного элемента 4 используетс  резистор Кд(фиг.2). Синусоидальное напр жение питани  и (t) U5SinjDot с выхода генератора 1 синусоидального напр жени  через ключ 2 открывающийс  по сигналу -нуль-индикатора 3 в момент перехода напр жени  0 через нулевой уровень, подключаетс  к опорному элементу 4 (Rg), включенному на входе операционного усилител  5. В дальнейшем ключ 2 остаетс  открытым . Операционный усилитель б осутествл ет пропорциональное пре вание сопротивлени  исследуемо двухполюсника 6 в напр жение V SinvO.t I, ,J o Reltl j V sinuJgl Vn.,V SinUJ ........ ;- -0-co5w l) 4«eW ,1)1-- - --cosujgt составл юща  напр о о жени  йп, пропорци нальна  параметру Ci исследуемого двухполюсника б; 41 г посто нна  составл юща  напр жени  0,, обусловленна  интегрированием напр жени  U, и равна  по значению амплитуде составл ющей напр жени  Ui ; V SAnUO,.t ) составл юща  напр  Ч n f -1 ) жени  и ,пропорцио нальна  сопротивле нию Z остальной части исследуемого двухполюсника 6. С выхода операционного усилител  5 напр жение Uo подаетс  на один из входов сумматора 7. На другой вход сумматора 7 поступает сдвинутое по фазе на 90 относительно напр жени  питани  Пд выходное напр жение интегратора 8 Ul,(t) К ,U COSib-ot, где k - коэффициент передачи интегратора 8. Сумматором 7 осуществл етс  компенсаци  составл ющей (Jri напр жени  й(., пропорциональной параметру C-j. Дл  этого коэффициент передачи k интегратора 8 измен етс  по сигналу блока 10 сравнени  до тех пор, пока амплитуда напр жени  Uj, выделенна  амплитудным детектором 9, не станет равной посто нной составл ющей выход ного напр жени  сумматора 7, выделен ной фильтром 11 нижних частот. При 1 этом k -га амплитуда компен Uo сирующего напр жени  Uo - . проRj-OyC-i порциокальна параметру Z -- . XgC1 Переменна  составл юща  выходного напр жени  cyr-MciTopa 7 п , t -iliIiini « г i . i) Н , ,,- г г , I подаетс  через разделительный конденсатор 12 на вход управл емого делител  13 напр жени , выходное напр жение которого U5{t) ,i-(t), где k - коэффициент передачи делител  13 напр жени , поступает на один из входов вычитающего блока 14. На другой вход вычитающего блока подаетс  напр жение питани  с выхода генератора 1. Выходное напр жение вычитающего блока 14 , Rertrj:.ri )ot о i + J подаетс/т на вход фазочувствительного индикатора 15, выходное напр жение которого измен ет коэффициент передачи kr управл емого делител  13 напр жени  до тех пор, пока напр жение и., на выходе вычитающего блока 14 не станет в квадратуре с напр жением Од на входе управл емого делител  13 напр жени . Это происходит при k( --г, тогда напр жение на выходе вычитающего блока 14 .. ,uJot j3n,t4 сдвинуто по фазе tia 90 относительо напг жени  Uj на выходе управл емого делител  13 напр жени . При этом отношение напр жени  0 на. вы-ходе управл емого делител  13 напр жени  к напр жению 0, на его выходе пропорционально активной сотавл ющей комплексного сопроивлени  Z. U-t- 1 a отношение напр жени  Uj на выходе управл емого делител  13 напр жени  к напр жению Uj, на выходе вычитающего блока 14 пропорцис-.нально таих-енсу угла потерь ... л RTUT - Tai-им образом, предлагаемое устройство позвол ет осуществл ть преобразование параметров пассивных двухполюсников, имеющих сложную схему замеи ени , котора  может быть представлена трехэлементной эквивалентной схемой при посто нной частоте напр жени  питани . При зтом сиимаютс  ограничени  по числу элементов и конфигурации схемы замещени , йвойственные известным устройствам, и расшир ютс  функциональные возмож ности. Формула изобретени  Преобразователь параметров пассивных двухполюсников, содержащий генератор синусоидального напр жеНИН , оперс.ционный усилитель с опорным резистором на входе и исследуемым двухполюсником в цепи отрицательной обратной св зи, управл емый делитель напр жени , сумматор, фазо чувствительный индикатор, отличающийс  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей , в него введены ключ, нульиндикатор , интегратор, амплитудный детектор, блок сравнени , фильтр ни них частот, разделительный конденса тор, блок вычитани , причем выход ., генератора синусоидального напр жени  соединен с входом Нульт-индикато ра и через ключ, управл ющий вход которого подключен к выходу нульиндикатора , соединен с другим выводом опорного резистора, выход опера ционного усилител  соединен с одним из входов сумматора, другой вход которогЬ и выход интегратора соединены с входом амплитудного детектора, выход последнего подключен к одному из входов блока сравнени , другой вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, выход блока сравнени  соединен с управл ющим входом интегратора, выход сумматора соединен. Ъ входом фильтра нижних частот и рез разделительный конденсатор с входом управл емого делител  напр жени  и с одним из входов фазочувствительного индикатора, выход последнего соединен с управл ющим входом управл емого делител  напр жени , выход которого соединен с одним из входов вычитающего блока, другой вход которого и вход интегратора подключены к выходу генератора синусоидального напр жени , выход вычитающего блока соединен с вторым входом фазочувствительного индикатора. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 493021, Н 03 К 13/20, 1973.
2. 2.Авторское свидетельство СССР № 523364, кл. G 01 R 27/00, 1974.