СКАНИРУЮЩИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ CG-ДВУХПОЛЮСНИКОВ
SCANNING METER OF CG-DIPOLE PARAMETERS

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения эквивалентных параметров CG-двухполюсников с повышенными диэлектрическими потерями и может быть использовано в системах производственного контроля электрорадиоэлементов и технологического контроля диссипативных веществ и сред.
Известен автоматический измеритель составляющих проводимости CG-двухполюсников, содержащий генератор высокочастотных колебаний, измерительный контур, включающий катушку индуктивности, управляемый конденсатор, модулирующий конденсатор, ключ, регулируемый аттенюатор, контролируемый двухполюсник, синхронный детектор, измерительный усилитель, блок динамического слежения, блоки контроля активной проводимости и емкости, фазовращатель [А.с. №924616 СССР, заявл. 02.10.80, опубл. 30.04.82].
Недостатком данного устройства является низкая помехоустойчивость, вызванная переходными процессами в измерительном контуре при работе ключа.
Наиболее близким решением к предлагаемому устройству является измеритель параметров диссипативных CG-двухполюсников, содержащий компаратор, амплитудные детекторы, индикатор проводимости, генератор высокой частоты, соединенный через преобразователь напряжение-ток с измерительной цепью, к информационному и общему входам которой подключен измеряемый CG-двухполюсник, а к управляющему входу - интегратор и индикатор емкости [Патент РФ №2314544, заявл. 14.04.2006, опубл. 10.01.2008].
Недостатком этого устройства является снижение разрешающей способности по реактивной составляющей адмитанса CG-двухполюсника, при возрастании погрешности измерения фазы.
Задачей изобретения является повышение разрешающей способности по реактивной составляющей адмитанса CG-двухполюсника.
Поставленная задача достигается тем, что в сканирующий измеритель параметров CG-двухполюсников, содержащий амплитудный детектор, индикаторы проводимости и емкости, интегратор, компаратор, генератор высокой частоты, соединенный через преобразователь напряжение-ток с измерительной цепью, к сигнальному входу которой и к общему проводу подключен измеряемый двухполюсник, дополнительно введены пиковый детектор, дифференциатор, таймер, генератор прямоугольных импульсов, решающее устройство, модулирующий конденсатор, причем к выходу измерительной цепи индикатор проводимости подключен через пиковый детектор, первый вход компаратора - через амплитудный детектор и дифференциатор, второй вход компаратора соединен с общим проводом, выход - с первым входом таймера, второй вход которого соединен с первым выходом генератора прямоугольных импульсов, выход - со входом решающего устройства, первый выход решающего устройства соединен с управляющим входом измерительной цепи, второй - с индикатором емкости, а второй выход генератора прямоугольных импульсов соединен через интегратор с управляющим входом модулирующего конденсатора.
На фигуре 1 изображена схема сканирующего измерителя параметров CG-двухполюсников; на фиг.2 - сканированная резонансная характеристика.
Сканирующий измеритель параметров CG - двухполюсников содержит генератор высокой частоты 1, соединенный через преобразователь напряжение-ток 2 с измерительной цепью 3. Измеряемый двухполюсник 4 подключен к сигнальному входу и общему проводу измерительной цепи 3. Первый выход измерительной цепи 3 соединен через пиковый детектор 5 с индикатором проводимости 6, второй - через амплитудный детектор 7 и дифференциатор 8 - с первым входом компаратора 9, второй вход которого соединен с общим проводом. Выход компаратора 9 соединен с первым входом таймера 10, выход которого соединен с входом решающего устройства 11. Первый выход решающего устройства 11 соединен с управляющим входом измерительной цепи 3, второй - с индикатором емкости 12. Первый выход генератора прямоугольных импульсов 13 соединен с вторым входом таймера 10, второй - через интегратор 14 с управляющим входом модулирующего конденсатора 15.
Устройство работает следующим образом.
Функция преобразования ток I - напряжение U измерительной цепи 3 имеет вид
<mrow><mfrac><mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>I</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>Y</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                              </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где комплексная проводимость равна
<mrow><mi>Y</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>G</mi><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mi>L</mi></msub><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mi></mi><msub><mi>C</mi><mi>Э</mi></msub><mo>-</mo><mi>j</mi><msub><mi>b</mi><mi>L</mi></msub><mo>,</mo><mtext>                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где
<mrow><msub><mi>g</mi><mi>L</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>r</mi><mrow><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>L</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mtext>                                              </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
- эквивалентная активная проводимость индуктивной ветви,
<mrow><msub><mi>b</mi><mi>L</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ω</mi><mi>L</mi></mrow><mrow><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>L</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mtext>                                   </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
- эквивалентная индуктивная проводимость, r - активное сопротивление катушки индуктивности, G - измеряемая проводимость,
<mrow><msub><mi>С</mi><mi>Э</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mi>B</mi></msub><mo>+</mo><mi>C</mi><mtext>                                </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
B
- эквивалентная емкость, определяемая суммой начальной емкости C, емкости варикапа Си измеряемой емкости С.
Модуль комплекса (2)
<mrow><mi>Y</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ω</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msqrt><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>G</mi><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mi>L</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mi>Э</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mi>L</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext>        </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
фаза
Э
L
При ωC=b в измерительной цепи наступает резонанс, при котором фаза
<mrow><mi>ϕ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0,</mn><mtext>                                           </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
а модуль комплекса
<mrow><mi>Y</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mi>G</mi><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mi>L</mi></msub><mo>.</mo><mtext>                                  </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В результате выходное напряжение по (1) достигает максимума, в котором не зависит от реактивной проводимости измерительной цепи:
<mrow><mi>U</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>I</mi><mrow><mi>G</mi><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mi>L</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
L
При фиксированной амплитуде питающего тока и активной проводимости индуктивной ветви g это напряжение определяется только измеряемой проводимостью G, т.е. инвариантно к емкости CG-двухполюсника.
Для поиска резонанса к измерительной цепи подключен модулирующий конденсатор 15. На управляющий вход этого конденсатора подается экспоненциально изменяющееся пилообразное напряжение, которое формируется интегрированием в блоке 14 импульсов, снимаемых со второго выхода генератора прямоугольных импульсов 13.
в2
На этапе экспоненциального спада управляющего импульса временная зависимость емкости C(t) модулирующего конденсатора близка к линейной, поэтому периодическое изменение этой емкости приводит к формированию на выходе измерительной цепи 3 переменного напряжения, огибающая которого отражает резонансную характеристику в виде периодической функции времени (фиг.2). Амплитудным детектором 7 огибающая восстанавливается, в результате формируется переменное напряжение в виде периодически повторяющейся с частотой модуляции сканированной резонансной характеристики (фиг.2).
x
x
x
x
x
х
х
x
На фигуре 2 сканированная характеристика K1(t) получена на частоте f=10 МГц при r=1 Ом, R=1 кОм, L=1,7 мкГн, С=80 пФ, G=0 и G=1 мСм. Кривая K2(t) получена также при емкости С=80 пФ, но при проводимости G=2 мСм. Видно, что изменение проводимости G, шунтирующей контур, отражается изменением амплитуды сканированной характеристики, но не приводит к временному сдвигу резонанса, что обеспечивает инвариантность G=inv(C). Положение максимума функций K(t) определяется только величиной С, что обеспечивает определение С=inv(G). Наиболее отчетливо изменение емкости контура проявляется во временном сдвиге склонов резонансных характеристик.
0
в1ХХ
0
1
Для повышения точности контроля положения ветвей сканированной характеристики следует перейти от временной функции резонансной характеристики к ее производной, для чего напряжение с выхода амплитудного детектора 7 дифференцируется в блоке 8. На фиг.2 приведен один период продифференцированной сканированной характеристики D(t) на выходе дифференциатора 8. В момент прохождения резонанса функция D(t) обращается в ноль. Следовательно, достаточно зафиксировать компаратором 9 моменты перехода характеристик D(t) через ноль (для чего второй вход компаратора соединен с общим проводом), чтобы принять решение о вхождении в этот момент времени измерительной цепи 3 в резонанс. С этой целью прямоугольные импульсы с выхода компаратора 9 вводятся на первый вход таймера 10, на второй вход которого поступают импульсы с генератора прямоугольных импульсов 13. Выходное напряжение таймера поступает на вход решающего устройства 11. Решающее устройство 11 при отключенном измеряемом двухполюснике 4 (режим холостого хода) устанавливает на управляющем входе измерительной цепи 3 напряжение U, при котором емкость С+C=C вводит измерительную цепь 3 в резонанс в момент времени
<mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><msub><mi>з</mi><mn>0</mn></msub></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><mtext>                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
0
где t - момент перехода управляющего импульса с фронта на срез, принимаемый за начала отсчета, τ - сдвиг во времени момента наступления резонанса, соответствующий холостому ходу измерительной цепи 3. На индикаторе емкости 12 решающее устройство формирует отсчет 0.
х
1
х
1
0
1
1
0
в1
в1н
х
При подключении измеряемого двухполюсника 4 его емкость С увеличивает емкость измерительной цепи 3 до С+С, что сопровождается уменьшением временного сдвига, фиксируемого таймером 10 до τ<τ. Для восстановления исходного значения С эквивалентной емкости нагруженной измерительной цепи 3 решающее устройство 11 увеличивает напряжение на ее управляющем входе до тех пор, пока не будет восстановлено равенство τ=τ. При этом емкость конденсатора С уменьшается до значения С, при котором компенсируется дополнительная емкость С. Разность
<mrow><msub><mi>С</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>С</mi><mrow><mi>в</mi><mn>1</mn><mi>н</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mi>x</mi></msub><mo>,</mo><mtext>                                </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
х
x.
следовательно, компенсирующее напряжение, сформированное решающим устройством 11, может использоваться для индикации измеряемой емкости С. Для этого решающее устройство 11 должно ввести на проградуированный в единицах емкости индикатор 12 напряжение, пропорциональное С
x
х
Информация о проводимости G содержится в амплитуде сигнала, снимаемого с контура, поэтому в канал измерения проводимости Gвключен пиковый детектор 5. На выходе блока в соответствии с (10) постоянное напряжение в режиме холостого хода равно
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><msub><mi>G</mi><mn>0</mn></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>I</mi><mrow><msub><mi>G</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mi>L</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
где G - начальная эквивалентная активная проводимость ненагруженной измерительной цепи 3. При подключении измеряемого двухполюсника 4 после восстановления резонанса напряжение на выходе пикового детектора 5
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><msub><mi>G</mi><mi>н</mi></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>I</mi><mrow><msub><mi>G</mi><mi>x</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>G</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mi>L</mi></msub></mrow></mfrac><mtext>.                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Отношение
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><msub><mi>G</mi><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><msub><mi>G</mi><mi>н</mi></msub></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>G</mi><mi>x</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>G</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mi>L</mi></msub></mrow></mfrac><mtext>.                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Из (16) следует функция измерительного преобразования индикатора проводимости 6:
<mrow><msub><mi>G</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>G</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mi>L</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><msub><mi>G</mi><mn>0</mn></msub></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><msub><mi>G</mi><mi>н</mi></msub></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                     </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
L
где g=G+g - параметр, определяемый при градуировке измерителя.
x
x
Таким образом, предложенное устройство позволяет инвариантно измерять C и G в режиме сканирования передаточной характеристики измерительной цепи, что, в отличие от известных технических решений, повышает точность измерений на 10…15% и обеспечивает цифровую обработку сигналов во всех звеньях измерительных цепей.