УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНОГО ДВУХПОЛЮСНИКА

Устройство относится к технике высокочастотных (ВЧ) электрических измерений и может быть использовано для определения комплексных параметров двухполюсника.
Известно устройство измерения отклика двухполюсника на электрический сигнал [1], состоящее из генератора гармонического электрического сигнала, двух электрических цепей, включенных параллельно генератору, первая из которых состоит из двух активных, реактивных или комплексных сопротивлений известной величины, включенных последовательно, а вторая - из активного, реактивного или комплексного сопротивления известной величины и измеряемого двухполюсника, включенных последовательно, нуль-органа, один из входов которого подключен к точке соединения сопротивлений первой цепи, а второй - к точке соединения сопротивлений и двухполюсника второй цепи. Это устройство известно как мостовая схема измерения проводимости (в том числе и комплексной). Измерение сопротивления двухполюсника выполняют подбором известных сопротивлений моста таким образом, чтобы достигнуть нулевого напряжения на нуль-органе. Если, например, при нулевом токе в нуль-органе значения всех трех сопротивлений равны, то значение неизвестного сопротивления двухполюсника равно этому же значению.
Недостатками этого устройства является большое время измерения, которое определяется временем подбора сопротивлений, и отсутствие развязки между генератором и измеряемым двухполюсником, что может привести к систематической ошибке, особенно при ВЧ измерениях.
Известно устройство для измерения изменяющихся параметров пассивного двухполюсника [2], содержащее генератор ВЧ гармонического электрического сигнала, выход которого подключен к первому входу дифференциального усилителя и к вентилю. Выход вентиля подключен ко второму входу дифференциального усилителя, а также через полосовой фильтр и кабельную линию к исследуемому двухполюснику, параметры которого изменяются под действием внешних факторов. Устройство содержит также регистратор электрического сигнала. Сигнал ВЧ генератора проходит через вентиль и попадает на измеряемый двухполюсник через фильтр и кабельную линию. В кабельной линии формируется отраженная от двухполюсника волна, амплитуда и фаза которой зависит от его комплексного импеданса. Отраженная волна не проходит через вентиль в обратном направлении, поэтому на первый вход дифференциального усилителя попадает только сигнал генератора, а на второй - сумма сигнала генератора и отраженного сигнала. Тогда на выходе дифференциального усилителя мы получаем отраженный сигнал. По амплитуде сигнала можно установить величину активного сопротивления двухполюсника. Достоинством данного устройства является высокое быстродействие. Постоянная времени измерения составляет порядка 100 нс.
К недостаткам этого устройства можно отнести невысокую точность измерений по сравнению с мостовой схемой, а также невозможность измерения комплексного импеданса двухполюсника.
Известно устройство для измерения изменяющихся параметров пассивного двухполюсника на электрический сигнал [3], выбранного в качестве прототипа. Это устройство состоит из генератора ВЧ гармонического электрического сигнала, выход которого подключен к четырем электрическим цепям через вентили. Выходы двух первых вентилей подключены к входам дифференциального усилителя. Одновременно один из них подключен к эталонному резистору, а другой - к пассивному двухполюснику (исследуемому образцу) через фильтр и кабельную линию. Эти две цепочки и дифференциальный усилитель образуют разностную схему измерения импеданса. Сигнал ВЧ генератора поступает так же на две цепочки с фазовращателями, выходы которых через смесители подключены к дифференциальному усилителю и двухканальному регистратору электрического сигнала. В каждой из цепочек фазовращателей производится сдвиг фазы на фиксированную величину, примерно равную 90°. На первые входы двух смесителей, которые выполняют аналоговую операцию перемножения сигналов, попадают сигналы генератора, сдвинутые относительно друг друга на 90°, а на вторые входы - отраженный от двухполюсника сигнал. По двум сигналам с выходов смесителей (квадратурные сигналы) может быть определен импеданс двухполюсника.
Недостатком этого устройства является невозможность быстрой перестройки рабочей частоты, поскольку фазовращатели имеют фиксированную рабочую частоту. Таким образом, ее изменение связано с заменой конструктивных элементов устройства, т.е. не может быть выполнено оперативно.
Задачей полезной модели является реализация возможности быстрой перестройки рабочей частоты без замены конструктивных элементов.
Техническим результатом заявляемого устройства является возможность работы устройства в широком диапазоне частот.
Дополнительным техническим результатом является возможность записи показаний, снятых с исследуемого двухполюсника и генератора на цифровой носитель информации для их последующей обработки.
Технический результат достигается следующим образом.
Устройство регистрации изменяющихся параметров пассивного двухполюсника включает генератор ВЧ гармонического электрического сигнала, выходы которого подключены к четырем электрическим цепям, в первых двух из которых через вентили. Выходы двух первых вентилей подключены к входам дифференциального усилителя. Одновременно один вентиль подключен к эталонному резистору, а другой - к пассивному двухполюснику (исследуемому образцу) через фильтр и кабельную линию. Вторые две электрические цепи, содержат по фазовращателю, соединенному с первым входом смесителя, выход которых подключен к регистратору сигнала.
Новым в устройстве является то, что оно снабжено двумя аналого-цифровыми преобразователями, соединенными с регистраторами цифрового сигнала, и фильтрами нижних частот; выход генератора подключен к входам фазовращателей через первый аналого-цифровой преобразователь, второй аналого-цифровой преобразователь подключен к выходу дифференциального усилителя, выход регистратора цифрового сигнала подключен ко второму входу смесителя, при этом выходы смесителей подключены к регистратору обработанного цифрового сигнала через фильтры нижних частот.
Кроме того, фазовращатели, смесители и регистраторы сигнала выполнены в виде компьютерной программы.
Наличие аналого-цифровых преобразователей и регистраторов цифрового сигнала в устройстве дает возможность выполнить фазовращатели и смесители в виде компьютерных программ, что в свою очередь позволяет работать устройству в широком диапазоне частот. Так же аналого-цифровые преобразователи и регистраторы цифрового сигнала дают возможность записи показаний, снятых с исследуемого двухполюсника и генератора на цифровой носитель информации для их последующей обработки.
На фиг. 1 представлена электрическая схема устройства, где: 1 - генератор, 2 - вентиль, 3 - вентиль, 4 - полосовой фильтр, 5 - кабельная линия, 6 - исследуемый двухполюсник, 7 - дифференциальный усилитель, 8 - эталонный резистор, 9 - аналого-цифровой преобразователь, 10 - регистратор цифрового сигнала, 11 - аналого-цифровой преобразователь, 12 - регистратор цифрового сигнала, 13 - фазосдвигающее звено, 14 - смеситель, 15 - фазосдвигающее звено, 16 - смеситель, 17 - фильтр низких частот, 18 - фильтр низких частот, 19 - регистратор цифрового сигнала.
Устройство регистрации изменяющихся параметров пассивного двухполюсника включает генератор ВЧ гармонического электрического сигнала 1, в качестве которого может быть использован генератор Hewlett-Packard" НР33120А, создающий на выходе гармонический сигнал с частотой от 100 КГц до 5 МГц и амплитудой 1В. Выходы генератора 1 подключены к четырем электрическим цепям, в первых двух из которых через вентили 2,3, которые собраны по схеме однокаскадного транзисторного усилителя в схеме с общим эмиттером с коэффициентом усиления, равным единице и входным сопротивлением 51 Ом. В них могут быть использованы транзисторы КТ939А. Выходы вентилей 2,3 подключены к входам дифференциального усилителя 7, в качестве которого может быть использована микросхема AD510A. Одновременно вентиль 3 подключен к эталонному резистору 8 с выбранным сопротивлением 51 Ом, а вентиль 2 подключен к пассивному двухполюснику 6 (исследуемому образцу) через полосовой фильтр 4 и кабельную линию 5. Полосовой фильтр 4 реализован на пассивных элементах. Волновое сопротивление кабельной линии 5 составляет 51 Ом. Эти две цепочки и дифференциальный усилитель 7 образуют разностную схему измерения импеданса. Выход генератора 1 в двух других электрических цепях подключен к входам смесителей 14, 16, в первой из которых через первый аналого-цифровой преобразователь 9, регистратор первичного цифрового сигнала 10 и фазовращатели 13, 15, а во второй через первый аналого-цифровой преобразователь 11, и регистратор первичного цифрового сигнала 12. Выход смесителя 14 соединен с регистратором электрического сигнала 19 через фильтр нижних частот 18. Выход смесителя 16 соединен с регистратором электрического сигнала 19 через фильтр нижних частот 17. В качестве первого и второго аналого-цифровых преобразователей 9, 11, а также регистраторов цифрового сигнала 10, 12 используются каналы осциллографической платы NationalInstruments NI PXI-5105, встроенной аппаратно в магистрально-модульной платформе NationalInstruments PXI (контроллер NI PXI-8183 Celeron 850 MHz и шасси NI PXI-1036), она же является регистратором цифрового сигнала 10. Кроме того, фазовращатели 13, 15, смесители 14,16 и регистраторы цифрового сигнала 10,12 выполнены в виде компьютерной программы.
Устройство регистрации изменяющихся параметров пассивного двухполюсника работает следующим образом.
Сигнал ВЧ генератора 1 поступает одновременно к четырем электрическим цепям, в первых двух - через вентили 2, 3 к входам дифференциального усилителя 7. При этом одновременно один вентиль подключен к эталонному резистору 8, а другой - к пассивному двухполюснику 6 через фильтр 4 и кабельную линию 5. На вторые электрические цепи с одной стороны сигнал ВЧ генератора поступает через первые аналого-цифровой преобразователь 9 и регистратор цифрового сигнала 10 на фазовращатели 13, 15 и далее на первые входы смесителей 14, 16. С другой стороны на вторые электрические цепи сигнал поступает с выхода дифференциального усилителя 7 через вторые аналого-цифровой преобразователь 11 и регистратор цифрового сигнала 12 на вторые входы смесителей 14, 16. Затем сигнал с выходов смесителей попадает на регистратор электрического сигнала 19 через фильтры нижних частот 17, 18.
Обработка сигналов в фазовращателях 13, 15, смесителях 14, 16, а так же в фильтрах нижних частот 17, 18 производится в цифровой форме. Благодаря этому, возможна быстрая перестройка рабочей частоты в устройстве.
Смесители выполняют операцию перемножения сигналов с одинаковыми несущими частотами (рабочая частота генератора), поэтому сигналы на выходе смесителей состоят из суммы полезного сигнала и паразитного сигнала с несущей частотой равной удвоенной рабочей частоте. Для устранения паразитного сигнала можно использовать фильтры нижних частот на выходах смесителей с граничной частотой, лежащей ниже удвоенной рабочей частоты, но выше верхней граничной частоты полезного сигнала.
При этом следует обратить внимание на то, что для устранения погрешностей оцифровки аналоговых сигналов должны быть выполнены следующие требования: большое количество число точек по времени (например, 100 точек на 1 период рабочего сигнала, число периодов в осциллограмме 1000, общее число точек по времени 105), а так же большая глубина оцифровки сигнала по амплитуде (как правило, не менее 12 двоичных разрядов).
Предлагаемое устройство можно использовать также в режиме отложенной обработки сигналов. Для этого к выходам аналогово-цифровых преобразователей дополнительно подключаются регистраторы цифрового сигнала. Дальнейшая обработка может проводиться после окончания эксперимента при помощи компьютерной программы. В этом случае нет ограничений на время обработки сигнала, как это происходит в режиме реального времени.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Т.М. Алиев, А.А. Тер-Хачатуров Измерительная техника М. Высшая школа, 1991 г
2. Ю.Б. Кудасов, Высокочастотные измерения проводимости бесконтактным методом в сверхсильных магнитных полях, ПТЭ. - 1999. - Вып. 4. - С. 527
3. Патент RU №2307365 опубл. 27.09.2007 г на изобретение «Устройство для измерения изменяющихся параметров пассивного двухполюсника» авторов Ю.Б. Кудасова, А.В. Филиппова