УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ РАДИОЭЛЕМЕНТОВ С САМОКОРРЕКЦИЕЙ

Изобретение касается измерения и автоматического управления и предназначено для измерения параметров радиоэлементов. Цель изобретения - расширение области применения и повышение точности преобразования параметров контролируемых элементов. На фиг. 1 представлена блок-схема предложенного устройства; на фиг. 2 - блок-схема блока обработки и управления.
1
2
5
4
Устройство измерения и контроля параметров радиоэлементов с самокоррекцией содержит контролируемый 1 (КЭ) элемент, соответственно клеммы 2 и 3 для подключения контролируемого элемента, эталонный резистор 4 (Ro), эталонный резистор 5 (Ro), ключи 6 и 7, цифроаналоговый перемножающий преобразователь 8 с управляемым коэффициентом передачи Кз (ЦАПП), первый суммирующий усилитель 9, масштабирующий усилитель 10 с коэффициентом передачи К, инвертирующий усилитель 11 с большим коэффициентом усиления (R→∞), инвертирующий усилитель 12 с коэффициентом передачи, равным К=-1, фазосдвигающую цепь 13 (ФСЦ), цифроаналоговый перемножающий преобразователь 14 с управляемым коэффициентом передачи (К), цифроаналоговый перемножающий преобразователь 15 с управляемым коэффициентом передачи (К), второй суммирующий усилитель 16, ключи 17 и 18, источник 19 опорного напряжения постоянного тока, источник 20 опорного напряжения переменного тока, фазочувствительные выпрямители 21 и 22 (ФЧВ), фазосдвигающую цепь 23 (ФСЦ), коммутатор 24 аналоговых сигналов, аналого-цифровой преобразователь 25 (АЦП), блок 26 обработки и управления, управляющие выходы 27-31 блока 26 обработки и управления, информационные выходы 32, 33 и 34 блока 26 обработки и управления, управляющий выход 35, вход 36 осведомительного сигнала, информационный вход 37, управляющий выход 38, информационный вход 39, информационный выход 40, управляющий выход 41 блока 26 обработки и управления.
Блок 26 обработки и управления содержит входной регистр 42, блок 43 сравнения и анализа, блок 44 умножения, блок 45 суммирования, устройство 46 управления, блок 47 памяти, блок 48 вычитания результатов контроля и измерения.
Контролируемый элемент 1 подключен к измерительной цели при помощи клемм 2 и 3, причем клемма 3 для подключения контролируемого элемента и первые выводы эталонных резисторов 4 и 5 объединены и подключены к входу инвертирующего усилителя 11, выход которого подключен к входам фазочувствительных выпрямителей 21 и 22 и к первому входу коммутатора 24 аналоговых сигналов и через масштабирующий усилитель 10 - к первому входу суммирующего усилителя 9, выход источника 19 опорного напряжения постоянного тока подключен к первому входу ключа 18 (нормально замкнутый контакт), выход которого соединен с входом фазосдвигающей цепи 13, входом цифроаналогового перемножающего преобразователя 15 и через инвертирующий усилитель 12 - к второму входу суммирующего усилителя 9, выход источника 20 опорного напряжения переменного тока подключен к второму входу ключа 18 (нормально разомкнутый контакт) управляющему входу ФЧВ 21, через ФСЦ 23 - к управляющему входу ФЧВ 22. Выход ФСЦ 13 подключен к входу ЦАПП 14, выход которого подключен к первому входу суммирующего усилителя 16, а выход ЦАПП 15 - к второму входу второго суммирующего усилителя 16, выход которого подключен к входу ключа 17, первый выход которого (нормально замкнутый контакт) подключен к второму выводу эталонного резистора 4 и первому выходу (нормально разомкнутый контакт) ключа 7, второй выход которого подключен к входу (нормально замкнутый контакт) ключа 6, первый выход которого (нормально разомкнутый контакт) соединен с вторым выводом эталонного резистора 5, второй выход ключа 7 (нормально замкнутый контакт) соединен с вторым выходом ключа 17 (нормально разомкнутый контакт). Выход суммирующего усилителя 9 подключен к входу ЦАПП 8, выход которого соединен с входом ключа 7. Выходы ФЧВ 21 и 22 подключены соответственно к второму и третьему входам коммутатора 24 аналоговых сигналов, выход которого через АЦП 25 соединен с входом регистра 42, выход которого подключен к входу блока 43 и первому входу блока 47, информационный выход блока 43 подключен к входу блока 44, а выход осведомительного сигнала к входу 36 устройства 46 управления. Выход блока 44 подключен к входу блока 45, выход которого подключен к первому информационному входу 39 - устройства 46 управления, информационный выход блока 47 подключен к вторым информационным входам блоков 43, 45, 46 и 48. Управляющие выходы устройства 46 управления подключены: 27 - к управляющему входу коммутатора 24; 28 -к управляющему входу ключа 18; 29 - к управляющему входу ключа 17: 30 - к управляющему входу ключа 7; 31 - к управляющему входу ключа 6; 35 - к управляющим входам регистра 42, блоков 43, 44 и 45; 38 - к входу управления блока 47; 41 - к входу управления блока 48. Информационные выходы устройства 46 управления подключены: 32 - к информационному входу ЦАПП 8; 33 - к информационному входу ЦАПП 14; 34 - к информационному входу ЦАПП 15; 40 - к информационному входу блока 48, выход которого подключен к второму информационному входу блока 47. Основу технического выполнения блока 26 обработки и управления (БОУ) составляет микропроцессорный контроллер (рис. 2), в который входят центральный процессор (ЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), таймер - таймер реального времени (РВ), Для связи контроллера с программируемым каналом преобразования используется программируемый параллельный интерфейс (ППИ).
Выходы БОУ 32, 33, 34 представляют собой 8-разрядные цифровые информационные выходы. Вход БОУ представляет собой 12-разрядный цифровой информационный вход. Выходы БОУ 28, 29, 30, 31 представляют собой 1-разрядные выходы управляющих сигналов, а выход 27 - 3-разрядный выход управляющих сигналов. Функции БОУ 26 физически реализованы в виде программ, хранящихся в ПЗУ контроллера.
1
2
1
2
Устройство измерения и контроля параметров радиоэлементов с самокоррекцией работает следующим образом. Устройство за исключением ФЧВ 21, 22, коммутатора 24, АЦП 25 и БОУ 26 представляет собой двуплечий автобалансный мост. Введем обозначения: Z - сопротивление (в общем случае комплексное), стоящее в цепи обратной связи усилителя 11; Z - сопротивление (в общем случае комплексное), стоящее в прямой цепи усилителя 11. Источник 19 опорного напряжения, инвертирующий усилитель 12 с единичным коэффициентом усиления, суммирующий усилитель 9, инвертирующий усилитель 11 с большим коэффициентом усиления, масштабирующий усилитель 10 и ЦАПП 8 образуют цепь питания комплексного сопротивления Z, стоящего в цепи обратной связи усилителя 11, причем за счет инверсии входного сигнала данным усилителем 40 обратная связь является отрицательной. Источник 19 опорного напряжения (Uo), ФСЦ 13, ЦАПП 14 и 15, суммирующий усилитель 16 образуют цепь питания комплексного сопротивления Z, стоящего в прямой цепи усилителя 11.
n
Цифроаналоговые перемножающие преобразователи (ЦАПП) построены на основе интегральных ЦАП; на его вход опорного напряжения подается сигнал, который умножается, на коэффициент N/2, где N - код, подаваемый на цифровой вход, n - число разрядов.
Усилитель 11 собран на основе интегрального операционного усилителя, обладающего высоким коэффициентом усиления в разомкнутом состоянии и большим входным сопротивлением.
Общее для всех режимов работы выражение выходного напряжения усилителя 11 запишется в виде:
x
x
x
Структура устройства (фиг. 1) может быть программно перестроена на выполнение соответствующей функции - измерение параметров резисторов (δR), параметров катушки индуктивности (δL, Q), параметров конденсаторов {δС, tgδ} или коррекции.
Структура перестраивается с помощью ключей 18, 17, 7 и 6, образующих схему конфигурационной коммутации.
В таблице представлены состояния элементов коммутации ключей 18, 17, 7 и 6 для режима измерения параметров конденсаторов (представленного параллельной схемой замещения), катушки индуктивности (представленной последовательной схемой замещения), резистора (на постоянном токе) и режима коррекции (на постоянном и переменном токе);
Работа устройства с самокоррекций происходит в два этапа.
Для случая измерения сопротивления резисторов состояние ключей схемы конфигурационной, коммутации соответствует режиму "Резистор" (таблица).
x
N
N
На первом этапе к клеммам 2 и 3 измерительной цепи подключается контролируемый элемент 1, имеющий активное сопротивление R=R+ΔRx, где R - номинальное значение сопротивления контролируемого резистора; ΔRx отклонение от номинала. При этом выход ЦАПП 8 через ключ 7 (положение а) и ключ 6 (положение а) подключается к клемме 2 контролируемого элемента 1, а выход суммирующего усилителя 16 через ключ 17 (положение а) подключается к второму выводу первого эталонного резистора 4. С помощью ключа 18 (положение а) подключается источник 19 опорного напряжения постоянного тока. Таким образом, к прямой цепи усилителя 11 подключено сопротивление
а к цепи обратной связи - контролируемый резистор с сопротивлением
N
0
4
5
5
С помощью БОУ 26 устанавливаются коэффициенты передачи управляемых ЦАПП 8, 14, 15 соответственно: Кз=R /R; K=1; К=0 (K=0, если код, поступающий на цифровой вход ЦАПП 14 равен нулю).
1
2
3
4
5
E
Подставив значения Z, Z, K, K, K в зависимость (3), получим выражение выходного напряжения U для режима контроля параметра резисторов
где.
E
АЦП
Выходное напряжение усилителя 11 поступает на первый вход коммутатора 24 аналоговых сигналов, через который по управляющему выходу 27 с БОУ 26 U поступает на АЦП 25. Для упрощения анализа условно рассматриваем передаточную характеристику АЦП как непрерывную, линейную с коэффициентом передачи К=1. На выходе АЦП 25 получают цифровой эквивалент сигнала
который поступает в регистр 42 и затем запоминается в блоке 47 памяти.
Второй этап работы устройства соответствует режиму коррекции. При этом БОУ 26 с сигналами управления на выходах 27-31 устанавливает схему конфигурационной коммутации в соответствии с режимом "Коррекция на = I" (таблица). При этом выход ЦАПП 8 через ключ 7 (положение а) и ключ 6 (положение б) подключен к второму выводу эталонного резистора 5, а выход суммирующего усилителя 16 через ключ 17 (положение а) подключается к второму выводу эталонного резистора 4. С помощью ключа 18 (положение а) подключается источник 19 опорного напряжения постоянного тока. Таким образом, к прямой цепи и к цепи обратной связи усилителя 11 подключены эталонные резисторы:
С помощью блоков 43, 44 и 46 вычисляются значения замещающих воздействий методом последовательных приближений в соответствии с формулой
где ;
коэффициент обратного преобразования,
причем начальное приближение вычисляется по формуле
3
N
o
4
4
5
4
4
1
2
3
4
5
(I+1)
(I+1)
(I+1)
Устройство 46 управления через свои информационные выходы 32, 33 и 34 устанавливает соответственно коэффициенты К=R/R К=К , К=0. Код уустанавливает коэффициент ЦАПП 15 К=К . Подставив значения Z Z, К, К и Кв зависимость (3), получим выражение выходного напряжения ИП на втором этапе работы
(I+1)
(I+1)
(n)
Данное напряжение, как и на первом этапе работы, через коммутатор 24 аналоговых сигналов, управляемый от БОУ 26. поступает на АЦП 25, с выхода которого результат преобразованного замещающего воздействия поступает через информационный вход на регистр 42, где затем сравнивается с Y* в блоке 43, т.е. Y*-Y=ΔY. Процесс продолжается до тех пор, пока Y*=Y или в развернутом виде
Из выражения (10) найдем значение устанавливаемого в результате второго этапа работы коэффициента передачи ЦАПП 15
4
(n)
(n)
Коэффициент К  пропорционален скорректированного значению сопротивления контролируемого элемента 1, т.е., сформированный в БОУ 26 код у будет также равен
3
Зная К, можно найти скорректированное значение
ХДОП
и сравнить его с допустимым относительным отклонением от номинала δR(вычисления проводятся в блоке 48).
Для случая измерения параметров конденсатора БОУ 26 сигналами управления на выходах 27-31 устанавливает схему конфигурационной коммутации в соответствии с режимом "Конденсатор" (таблица). На первом этапе к клеммам 2 и 3 измерительной цепи подключается контролируемый элемент 1, имеющий комплексное сопротивление
,
N
где C - номинальное значение емкости контролируемого конденсатора:
x
ΔC - отклонение от номинала;
x
R - активная составляющая.
При этом выход ЦАПП 8 через ключ 7 (положение б) подключается к второму выводу эталонного резистора 4, а выход суммирующего усилителя 16 через ключ 17 (положение б) и ключ 6 (положение а) подключается к клемме 2 контролируемого элемента 1. С помощью ключа 18 (положение б) подключается источник 20 опорного напряжения переменного тока.
Таким образом, к прямой цепи усилителя 11 подключено комплексное сопротивление
а к цепи обратной связи - эталонное сопротивление, т.е.
3
0
N
4
5
1
2
3
4
5
С помощью БОУ 26 устанавливаются коэффициенты передачи управляемых ЦАПП 8, 14, 15 соответственно: К=RωC, K4=0, (К=0, если код, поступающий на цифровой вход ЦАПП 15, равен нулю), К=1. Подставив значения Z Z, К, К, К в выражение (3), получим выражение выходного напряжения  для режима контроля параметров конденсатора
где ;
Выходное напряжение усилителя 11 поступает на фазочувствительные выпрямители 21 и 22. На управляющий вход ФЦВ 21 подается напряжение, синфазное с напряжением питания, при этом на выходе ФЧВ 21 выделяется активная составляющая напряжения по формуле (15)
На управляющий вход ФЧВ 22 подается напряжение, сдвинутое ФСЦ 23 на 80° по отношению к , при этом на выходе ФЧВ 22 выделяется реактивная составляющая напряжения согласно формулы (15)
АЦП
Выпрямленные напряжения по зависимостям (16) и (17) с выходов ФЧВ 21 и 22 через коммутатор 24 аналоговых сигналов последовательно поступают на АЦП 25. Коммутатор 24 управляется БОУ 26. Для упрощения анализа условно рассматриваем передаточную характеристику АЦП как непрерывную, линейную с коэффициентом передачи К=1. Тогда на выходе АЦП 25 получают соответственно цифровые эквиваленты сигналов (16) и (17):
которые записываются в первую и вторую половины регистра 42 соответственно, а затем запоминаются в блоке памяти.
Второй этап работы устройства соответствует режиму коррекции, при этом состояние ключей схемы конфигурационной коммутации соответствует режиму "Коррекция на ~I" (таблица). При этом выход ЦАПП 8 через ключ 7 (положение а) и ключ 6 (положение б) подключается к второму выводу эталонного резистора 5, а выход суммирующего усилителя 16 через ключ 17 (положение а) подключается к второму выводу эталонного резистора 4. С помощью ключа 18 (положение б) подключается источник 20 опорного напряжения переменного тока.
Таким образом, к прямой цепи и к цепи обратной связи усилителя 11 подключены чисто активные образцовые резисторы:
RE
Im
(i+1)
(i+1)
С помощью блоков 43, 44 и 45 в БОУ 26 вычисляются, значения замещающих воздействий Y , Y методом последовательных приближений в соответствии с формулами:
Причем начальное приближение вычисляется по формулам:
RE
Im
3
0
N
4
4
5
5
RE
4
4
Im
5
5
1
2
3
4
5
(i+1)
(i+1)
(i=1)
(i+1)
(i+1)
(i=1)
(i+1)
(i+1)
По управляющему сигналу на выходе 35 считываются Y ,Y  в блок 46 управления. Затем блок 46 управления через свои информационные выходы 32, 33, 34 устанавливает соответственно коэффициенты: К=RωC, K=К , К=К  код Y  устанавливает коэффициент передачи ЦАПП 15 К=К , код Y  устанавливает коэффициент передачи ЦАПП 14 K=K . Подставив значения Z, Z, К, К, К в формулу (3), получим выражение выходного напряжения усилителя 11 на втором этапе работы
RE
Im
*
*
Данное напряжение, как и на первом этапе работы, поступает на ФЧВ 21 и 22, с помощью которых выделяются активная и реактивная составляющие сигнала Затем эти составляющие через коммутатор 24 последовательно поступают на АЦП 25, с выхода которого результаты преобразованного замещающего воздействия через информационный вход поступают соответственно в первую и вторую половины регистра 42, а затем сравниваются с Y  и Y  в блоке 43, т.е.
RE
RE
RE
*
(i+1)
(i+1)
Y -Y =ΔY ;
Im
Im
Im
*
(i+1)
(i+1)
Y -Y =ΔY .
Процесс продолжается до тех пор пока:
RE
RE
*
(n)
Y =Y :
Im
Im
*
(n)
Y =Y .
или в развернутом виде:
В результате второго этапа работы устанавливаются следующие значения коэффициентов передачи:
4
5
3
(n)
(n)
Из выражений (25) и (26) видно, что коэффициенты K , K  пропорциональны активной и реактивной составляющим преобразуемого элемента. Зная К, можно найти скорректированные значения:
и сравнить их с допустимыми отклонениями относительных величин:
ХДДО
ДОП
δCtgδ
Для случая измерения параметров катушки индуктивности состояние ключей схемы конфигурационной коммутации соответствует режиму «катушка индуктивности» (таблица). На первом этапе к клеммам 2 и 3 измерительной цепи подключается контролируемый элемент 1, имеющий комплексное сопротивление
X
X
N
X
Z=R+jω(L+ΔL).
N
где L - номинальное значение индуктивности контролируемой катушки индуктивности:
X
ΔL - отклонение от номинала;
X
R - активная составляющая.
При этом выход ЦАПП 8 через ключ 7 (положение а) и через ключ 6 (положение а) подключается к клемме 2 контролируемого элемента 1, а выход суммирующего усилителя 18 через ключ 17 (положение а) подключается к второму выводу эталонного резистора 4. С помощью ключа 18 (положение б) подключается источник 20 опорного напряжения переменного тока, т.е. к прямой цепи усилителя 1.1 подключен эталонный резистор
а к цепи обратной связи - комплексное сопротивление
4
5
1,
2
3
4
5
С помощью БОУ 28 устанавливаются коэффициенты передачи управляемых ЦАПП 8, 14, 15 соответственно:; К=0; К=1. Подставив значения Z Z, К, К, К в зависимость (3), получим выражение выходного напряжения  для режима контроля параметров катушки индуктивности
где ;
Выходное напряжение усилителя 11 поступает на фазочувствительные выпрямители 21 и 22. На управляющий вход ФЧВ 21 подается напряжение, синфазное с напряжением питания , при этом на выходе ФЧВ 21 выделяется активная составляющая напряжения формулы (29).
На управляющий вход ФЧВ 22 подается напряжение, сдвинутое ФСЦ 23 на 90° по отношению к , при этом на выходе ФЧВ 22 выделяется реактивная составляющая напряжения
АЦП
Выпрямленные напряжения (30) и (31) с выходов ФЧВ 21 и 22 через коммутатор 24 аналоговых сигналов последовательно поступают на АЦП 25. Коммутатор 24 управляется БОУ 26. Для упрощения анализа, как и в других режимах работы, условно рассматривают передаточную характеристику АЦП как непрерывную, линейную, с коэффициентом передачи К=1. Тогда на выходе АЦП 25 получают соответственно цифровые эквиваленты сигналов (30) и (31):
которые поступают в первую и вторую половины регистра 42 и затем запоминаются в блоке 47 памяти.
Второй этап работы устройства соответствует режиму коррекции, при этом состояние ключей схемы конфигурационной коммутации соответствует режиму "Коррекция на ~I" (таблица). Выход ЦАПП 8 через ключ 7 (положение а), и ключ 6 (положение б) подключается к второму выводу эталонного резистора 5, а выход суммирующего усилителя 16 через ключ 17 (положение а) подключается к второму выводу эталонного резистора 4. С помощью ключа 18 (положение б) подключается источник 20 опорного напряжения переменного тока, т.е. к прямой цепи и к цепи обратной связи усилителя 11 подключены эталонные резисторы:
RE
Im
(i+1)
(i+1)
В БОУ 26 с помощью блоков 43, 44 и 45 вычисляются значения замещающих воздействий методом последовательных приближений в соответствии с формулами (22), при этом начальные приближения вычисляются по формулам (23). По управляющему сигналу на выходе 35 Y  и Y  считываются в блок 46 управления. Затем последний через свои информационные выходы 32, 33 и 34 устанавливает соответственно коэффициенты:
4
4
im
5
5
1
2
3
4
5
(i+1)
(i+1)
(i+1)
Код устанавливает коэффициент передачи ЦАПП 15 K=K , код Y  устанавливает коэффициент передачи ЦАПП 14 K=K  Подставив значения Z, Z, К, К, К в формулу (3), получим выражение выходного напряжения усилителя 11 на втором этапе работы.
Данное напряжение, как и на первом этапе работы, поступает на ФЧВ 21 и 22, с помощью которых являются активная и реактивная составляющие сигнала . Затем эти составляющие через коммутатор 24 последовательно поступают на АЦП 25, с выхода которого цифровые эквиваленты составляющих :
RE
Im
*
*
через информационный вход поступают соответственно в первую и вторую половины регистра 42, а затем сравниваются с Y  и Y  в блоке 43, т.е.:
RE
RE
RE
*
(i+1)
(i+1)
Y -Y =ΔR
Im
im
im
*
(i+1)
(i+1)
Y -Y =ΔY
Процесс продолжается до тех пор, пока:
RE
RE
Im
Im
*
(n)
*
(n)
Y =Y  и Y =Y
В результате второго этапа работы устанавливаются следующие значения коэффициентов передачи:
4
5
3
(n)
(n)
Из выражений (39) и (40) видно, что коэффициенты K  и K пропорциональны активной и реактивной составляющим преобразуемого элемента. Зная К, можно вычислить скорректированные значения:
Х
ДОП,
ДОП.
и сравнить их с допустимыми отклонениями относительных величин δLQКроме преобразования относительного сопротивления контролируемого резистора, осуществляется преобразование относительных параметров контролируемой катушки индуктивности, а также относительных параметров контролируемого конденсатора, что расширяет область применения предложенного устройства.
В данном устройстве реализуется структурно-алгоритмический метод коррекции погрешности, с введением которого повышается точность преобразования всех параметров контролируемых элементов.
Литература
1. Авторское свидетельство СССР №1161900, кл. 01GR 27/2, 1985.
2. Авторское свидетельство СССР №1193601, кл. 01GR 27/2, 1985.
3. Хромой Б.П., Моисеев Ю.Г. Электрорадиоизмерения. М.: Радио и связь, 1995, с. 199, 203),
4. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин, М.: Высш. шк., 1989, с. 302, рис. 13.18.