Мост для измерения параметров произвольного пассивного двухполюсника

Полезная модель относится к измерительной технике, конкретнее к устройствам мостового типа, и предназначена для измерения параметров объектов, представленных многоэлементными (R, L, С) линейными двухполюсниками.
Известно мостовое устройство для измерения параметров трехэлементных двухполюсников содержащее первый и второй операционные усилители, к входу первого подключен резистор, к входу второго - регулирующий резистор, в цепь отрицательной обратной связи второго включен конденсатор, дифференциальный усилитель, нуль-индикатор, источник напряжения и объекты измерения. Имеются интегратор, дифференциатор, детектор определения линейности переходного напряжения, детектор выделения информации о наличии линейной составляющей, входы двух операционных усилителей через резисторы соединены с интегратором, шунтированным ключом, соединенным с генератором прямоугольных импульсов, вход третьего операционного усилителя через объект измерения соединен с выходом интегратора, в цепь отрицательной обратной связи третьего операционного усилителя, выход которого через дифференциатор, шунтированный ключом, соединен с первым входом дифференциального усилителя и детектором определения линейности переходного напряжения, включают последовательно соединенные резистор и регулирующий конденсатор, в цепь отрицательной обратной связи первого операционного усилителя включен регулируемый резистор, а выходы первого и второго операционных усилителей через сумматор соединяют с вторым входом дифференциального усилителя, выход которого присоединен к первому входу детектора выделения информации о наличии линейной составляющей, второй вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов. [А.с. СССР, 1762247, МПК G01R 17/10, опубл. 15.09.92, БИ №34 «Мостовое устройство для измерения параметров трехэлементных двухполюсников» / автор М.М. Зинин].
Недостатком аналога являются недостаточные функциональные возможности, что заключается в невозможности измерения параметров произвольного пассивного двухполюсника.
Известен мост для измерения параметров трехэлементных нерезонансных двухполюсников, содержащий генератор прямоугольных импульсов, соединенный через первый регулируемый резистор с инвертирующим входом первого операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен конденсатор, выход первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, в цепь отрицательной обратной связи которого включены клеммы для подключения измеряемого двухполюсника, содержащего параллельно включенные конденсатор и резистор, включенные последовательно с конденсатором, нуль-индикатор, второй сумматор, третий регулируемый резистор, четвертый операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, к инвертирующему входу которого подключен четвертый регулируемый резистор, а выход подключен к первому входу второго сумматора, конденсатор, резистор, линия задержки, два ключа, детектор для определения экспоненциальной формы напряжения, пятый регулируемый резистор, генератор прямоугольных импульсов через конденсатор подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, выход которого соединен через первый ключ с нуль-индикатором и непосредственно с детектором для определения экспоненциальной формы напряжения, генератор прямоугольных импульсов через третий регулирующий резистор соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя, с четвертым регулируемым резистором, подключенным к инвертирующему входу четвертого операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор, к третьему входу второго сумматора подключен выход первого сумматора, параллельно конденсатору в цепь отрицательной обратной связи первого операционного усилителя включен пятый регулируемый резистор, выход генератора прямоугольных импульсов через линию задержки, параллельно которой включен второй ключ, соединен с первым ключом. [Пат. РФ 2034301, МПК G01R 17/10, опубл. 30.04.1995, БИ. №12, «Мост для измерения параметров трехэлементных нерезонансных двухполюсников», автор М.М.Зинин].
Недостатком прототипа являются недостаточные функциональные возможности, заключающиеся в невозможности измерения параметров произвольного пассивного двухполюсника.
Технической целью является расширение функциональных возможностей, заключающееся в обеспечении измерения параметров произвольного пассивного двухполюсника.
Технический результат достигается тем, что в мост для измерения параметров произвольного пассивного двухполюсника, содержащий генератор, первый операционный усилитель, сумматор, дополнительно введены блоки, входы этих блоков соединены с выходом генератора, выходы соединены с входами второго сумматора, а каждый блок выполнен из двух узлов, каждый из которых состоит из конденсатора, четырех регулируемых резисторов, дифференциатора, двух инверторов, двух двухпозиционных переключателей, вход второго блока соединен через регулируемый резистор с другими регулируемым резистором, который соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя и с первым конденсатором, к выходу второго операционного усилителя подключен регулируемый резистор, который соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и через регулируемый резистор с землей, выход второго операционного усилителя через переключатель соединен с инвертором и с первым сумматором, который соединен с выходом первого блока, реализующего простейшую дробь, выход второго операционного усилителя второго блока через переключатель соединен с выходом инвертора, а вход второго блока через регулируемый резистор соединен с первым регулируемым резистором, точка соединения которых через второй конденсатор
соединена с выходом третьего операционного усилителя, который соединен через дифференциатор со вторым двухпозиционным переключателем, который в свою очередь соединен со входом второго инвертора, выход которого соединен с первым сумматором и со вторым двухпозиционным переключателем, объект измерения, не входящий в состав устройства, подключен к выходу генератора и к инвертирующему входу первого операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор, а неинвертирующий вход третьего операционного усилителя через конденсатор соединен с землей, причем в качестве генератора использован генератор прямоугольных импульсов.
Передаточная функция операционного усилителя с подключенным резистором и объектом измерения, разложенная на простейшие дроби, реализуется в виде блоков, реализующих простейшую дробь. В результате получают мост с частотно-независимым состоянием равновесия, позволяющий измерять параметры линейного R, L, С двухполюсника.
Передаточная функция операционного усилителя с подключенным резистором и объектом измерения, разложенная на простейшие дроби, реализована в виде блоков, образующих мост с частотно-независимым состоянием равновесия, который позволяет измерить параметры линейного (R, L, С) двухполюсника.
На чертеже показана принципиальная схема моста для измерения параметров произвольного пассивного двухполюсника.
Мост для измерения параметров произвольного пассивного двухполюсника состоит из генератора 1, объекта измерения 2, резистора 3, операционных усилителей 4, 5, 6, сумматора 7, имеющего количество входов, равное числу простейших дробей, блоков, реализующих простейшие дроби 8, 9, 10. Блок 8, так же как и остальные 9, 10 (количество блоков, реализующих простейшие дроби, равно числу простейших дробей в разложении), содержит регулируемые резисторы 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18; конденсаторы 19, 20; дифференциатор 21; инверторы 22, 23; двухпозиционные переключатели 24, 25; сумматор 26; конденсаторы 27 и 28.
Устройство работает следующим образом.
Генератор 1 выдает импульсы (можно использовать гармонические колебания). Объект измерения 2 имеет, в общем случае, операторную проводимость вида
i
i
i
i
i
где M, N, a, b, d - параметры;
p - комплексная переменная;
Y(ρ) - операторная проводимость.
На выходе генератора 1 имеются прямоугольные импульсы (рассмотрим данный случай в качестве примера). На выходе операционного усилителя 4 имеется напряжение, изображение которого равно
где Е - амплитуда прямоугольных импульсов;
3
R - сопротивление резистора 3;
i
i
i
i
i
M, N, a, b, d - коэффициенты;
p - комплексная переменная.
Оригинал данного изображения представляет собой, в зависимости от вида корней характеристического уравнения, либо сумму экспонент, либо сумму экспоненциально-модулированных синусоид.
Простейшие дроби реализуются в виде блоков, реализующих простейшую дробь 8, 9, 10. Передаточная функция блока, реализующего простейшую дробь, например 8, имеет вид
где
8
OK(p) - обратный коэффициент преобразования;
13
14
где - R, R - регулируемые резисторы;
21
K - коэффициент пропорциональности, вносимый дифференциатором 21;
0
b; w - параметры простейшей дроби.
11
12
где R, R - сопротивления регулируемых резисторов 11, 12.
11
15
12
16
13
17
14
18
27
28
Для проведения измерений необходимо выполнение равенств R=R; R=R; R=R; R=R; С=С, где нумерация величин соответствует нумерации элементов. Поскольку могут иметь разные знаки, используются инверторы 22 и 23, перед которыми имеются двухпозиционные переключатели 24, 25, суммируя сигнал в сумматоре 26. Блоки, реализующие простейшие дроби, являются стандартными.
По формулам (1) (2) (3) осуществляется работа моста, состоящего из блоков 8, 9, 10, реализующих простейшие дроби.
i
i
i
i
i
Фактически измеряются параметры простейших дробей (если они измеримы) M, N, a, b, d, по которым могут быть найдены (R, L, С) параметры объекта измерения.
Уравновешивание осуществляется регулировкой только активных сопротивлений.
Возможна организация раздельного зависимого уравновешивания, с помощью выделения экспоненциальных и экспоненциально-модулированных составляющих (А.с. СССР №1748087, МПК G01R 27/00, опубл. 15.07.1992, БИ. №26 «Преобразователь параметров многоэлементных двухполюсников» / автор М.М. Зинин).
Предлагаемое устройство позволяет создать универсальные измерители параметров линейных R, L, С двухполюсников с классом точности 2-3%, что дает возможность уменьшить количество типов используемых мостов.