Устройство для измерения добротности и резонансной емкости колебательных контуров

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДОБРОТНОСТИ И РЕЗОНАНСНОЙ ЕМКОСТИ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ, содержащее генератор высокой частоты, выходом соединенный е клеммой для подключения исследуемого колебательного контура и блока .отсчета частоты, добротности и резонансной емкости, амплитудный детектор, входом подЙлюченный к другой клемме для подключения колебательного контура, а выходом соединенный с блоком поиска резонансной частоты, выход которого соединен с управляющим входом генератора высокой частоты, цепь из двух последовательно соединенных конденсаторов , включенную между входом амплитудного детектора и общей шиной, запоминающий блок, три ключа, один из которых включен между общей шиной и общей точкой цепи из двух последо-, вательно соединенных конденсаторов, блок управления, выходами соединённый с соответствуюи1ими управляющими входами запоминающего блока и первого и второго ключей, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения резонансной емкости и добротности низкодобротных колебательных контуров, в него введены блок сравнения, одним входом соединенный с выходом амплитудного детектора и входом запоминающего блока, а другим входом - с выходом запоминающего блока, инвертор полярности напряжения, вход которого соединен с выходом блока сравнения и с входом второго ключа, а выход с входом третьего ключа, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления. i 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, блок поСЛ иска резонансной частоты содержит последовательно соединенные триггер Шмитта, первый вход которого является входом блока поиска резонансной частоты, а второй вход - соединен с вторым выходом запоминающего блока генератор линейно изменяющегося напряжения , управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления, и сумматор напря СП жений, второй вход которого соединен с выходами второго и третьего ключей а выход - с управляющим входом генератора высокой частоты, управляющие СО входы блока отсчета частоты, до.бротГности и резонансной емкости соедине00 ны с соответствующими выходами блока управления.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А

3(59 G 01 R 27 2

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГП4Й (21 ) 3513516/18-21 (22) 19.11.82 (46 ) 23.02.84. Бюл. Р 7 (72) В.В. Молочников, В.M. Лозовский и Н.П. Шалейко (53) 621.317.337(088.8) (56 ) 1. Авторское свидетельство СССР

9 763817, кл. G 01 R 27/26, 1980

2. Авторское свидетельство СССР

Р 892351, кл. G 01 R .27/26, 1981. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДОБРОТНОСТИ И РЕЗОНАНСНОЙ ЕМКОСТИ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ, содержащее генератор высокой частоты, выходом соединенный е клеммой для подключения исследуемого колебательного контура и блока .отсчета частоты, добротности и резонансной емкости, амплитудный детектор, входом подключенный к другой клемме для подключения колебательного контура, а выходом соединенный с блоком поиска резонансной частоты, выход которого соединен с управляющим входом генератора высокой частоты, цепь из двух последовательно соединенных конденсаторов, включенную между входом амплитудного детектора и общей шиной„ запоминающий блок, три ключа, один из которых включен между общей шиной и общей точкой цепи из двух последо-, вательно соединенных конденсатор в, блок управления, выходами соедигЯнный с соответствующими управляющими входами запоминающего блока и первого и второго ключей, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения резонансной емкости и добротности низкодобротных колебательных контуров, в него введены блок сравнения, одним входом соединенный с выходом амплитудного детектора и входом запоминающего блока, а другим входом — с выходом запоминающего блока, инвертор полярности напряжения, вход которого соединен с выходом блока сравнения и с входом второго ключа, а выход с входом третьего ключа, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, блок поиска резонансной частоты содержит последовательно соединенные триггер

Шмитта, первый вход которого является входом блока поиска резонансной частоты, а второй вход — соединен с втарым выходом запоминающего блока

F генератор линейно изменяющегося напряжения, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления, и сумматор напряжений, второй вход которого соединен с выходами второго и третьего ключей, а выход — с управляющим входом генератора высокой частоты, управляющие входы блока отсчета частоты, доброт",ности и резонансной емкости соединены с соответствующими выходами блока управления.

1075193

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения добротности, тангенса угла потерь, активного сопротивления, емкости и индуктивности радиоэлементов колебательных контуров.

Известно устройство для измерения добротности, индуктивности и емкости в цифровом виде, содержащее источник сигнала, колебательный контур, блок отношения напряжений, блок автоматического поддержания амплитуды напряжения, широкополосный усилитель, охваченный обратной связью через образцовый реактивный элемент, 15 и блоки автоматической регулировки усиления и фазы (1) .

Недостатком известного устройства является относительно большая погрешность измерения резонансной емкос- Щ ти и добротности низкодобротного колебательного контура, так как определение указанных емкости и добротности производится посредством измерения отношения напряжений на выходе и входе колебательного контура на частоте резонанса, т.е. на наименее чувствительном участке амплитудно-частотной характеристики,(АЧХ) колебательного контура, а также ограниченный частотный диапазон измерения добротности и емкости за счет большой частотной зависимости в широком, частотном диапазоне исходных для градуировки характеристик: фазового сдвига широкополосного усилителя, коэффициентов передачи детекторов и коэффициентов связи входного и выходного элементов связи измерительного колебательного контура с внешними цепями. 4О

Наиболее близким техническим ре шением к изобретению является устройство для измерения добротности и резонансной емкости колебательного контура, содержащее генератор высокой частоты, частотный модулятор, соединенный с одной клеммой для подключения исследуемого колебательного контура, амплитудный детектор, блок поиска резонансной частоты, включающий блок выделения первой производной по частоте и нуль-орган, блок выделения второй производной по частоте, дополнительный нуль-орган, два запоминающих блока, перестраиваемый генератор низкой частоты, блок отсче та частоты, добротности и резонансной емкости колебательного контура (блок отношения частот), цепь из двух последовательно соединенных 60 конденсаторов, делитель частоты, четыре ключа и блок управления (2g..

Данное устройство позволяет измерять добро тность и резонансную ем- кость колебательного контура в. цифровом виде в широком диапазоне частот (до 300 МГц), так как определение указанных добротности и емкости производится посредством измерения отношения резонансной частоты к полосе пропускания колебательного контура, в связи с чем частотная зависимость измерительной схемы и элементов связи колебательного контура с внешними цепями ограничено полосой пропускания колебательного KQHтура (менее 10% от резонансной частоты), что в свою очередь значительно уменьшает,ее влияние на измерение указанных добротности и емкости. Однако данное устройство имеет относительно большую погрешность измерения резонансной емкости и добротности низкодобротного колебательного контура, так как последние определяются резонансной частотой колебатель. ного контура, которая определяется по максимуму АЧХ, т.е. на наиболее пологом (малочувствительном) ее участке.

М

Целью иэобретения является повышение точности измерения резонансной емкости и добротности низкодобротных колебательных контуров.

Поставленная цель. достигается тем, что в устройство для измерения добротности и резонансной емкости колебательных контуров, содержащее генератор высокой частоты, выходом соединенный с одной клеммой для подключения исследуемого колебательного контура и. блока отсчета частоты, добротности и резонансной емкости, амплитудный детектор, входом подключенный к другой клемме для подключения колебательного контура, а выходом соединенный с блоком поиска резонансной частоты, выход которого соединен с управляющим входом генератора высокой частоты, цепь иэ двух последовательно соединенных конденсаторов, включенную между входом амплитудного детектора и общей шиной, запоминающий блок, три ключа, один из которых включен между общей шиной и общей точкой цепи из двух последовательно соединенных конден"аторов, блок управления, выходами соединенный с соответствующими управляющими входами запоминающего блока и первого и второго ключей, введены блок сравнения, одним входом соединенный с выходом амплитудного детектора и входом запоминающего блока, а другим входом - с выходом запоминающего блока, инвертор полярности напряжения, вход которого соединен с выходом блока сравнения и с входом второго ключа, а выход— с входом третьего ключа, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления.

1075193

Блок поиска резонансной частоты содержит последовательно соединенные триггер Шмитта, первый вход которого является входом блока поиска резонансной частоты, а второй вход соединен с вторым выходом запоминающего

5 блока, генератор линейно изменяющегося напряжения, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления, и сумматор напряжений, второй вход которого соединен с выходами второго и третьего ключей, а выход — с управляющим входом генератора высокой частоты, управляющие входы блока отсчета частоты, добротности и резо- 15 нансной емкости соединены с соответствующими выходами блока управления.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, на фиг. 2 диаграммы, поясняющие работу устрой- 20 ства.

При измерении собственной резонан сной частоты и добротности колебательного контура устройство работает следующим образом. 65

Устройство содержит генератор 1 высокой частоты, выход которого соединен с входом колебательного контура 2 и с входом блока 3 отсчета частоты, добротности и емкости, цепь 4 из двух последовательно соединенных конденсаторов, включенную между общей шиной и выходом колебательного контура 2, первый

30 ключ 5, включенный между общей шиной и общей точкой конденсаторов цепи 4. Выход колебательного контура 2 соединен с входом амплитудного детектора 6, выход которого соеди- 35 нен с входами запоминающего блока 7, блок 8 сравнения и блок 9 поиска резонансной частоты, содержащего последовательно соединенные триггер

10 Шмитта, первый выход которого является входом блока 9, а второй вход соединен с первым выходом запоминающего блока 7, генератор 11 линейно изменяющегося напряжения и сумматор 12 напряжений, выход которого соединен с управляющим входом генератора 1 высокой частоты. Второй вход блока 8 сравнения соединен с вторым выходом запоминающего блока, а выход — с входами второго ключа 13 и инвертора 14 полярности напряжения, выход которого соединен с входом третьего ключа 15. Выходы ключей 13 и 15 соединены с входом сумматора 12 напряжений, а управляющие входы запоминающего блока 7, генератора 11 линейно изменяющегося напряжения, блока 3 отсчета частоты, добротности и емкости и ключей 5, 13 и 15 соединены с соответствующими выходами блока 16 управления. 60

Ключ 5 переводят в неуправляемый режим, при котором он находится в закрытом состоянии. С выхода генератора 11 линейно изменяющееся напряжение (фиг. 2б) через сумматор

12 поступает на управляющий вход re. нератора 1 высокой частоты, изменяя частоту его выходного напряжения.

Указанное напряжение с меняющейся частотой подается через колебательный контур 2 на вход амплитудного детектора 6> на выходе которого напряжение изменяется в соответствии с АЧХ колебательного контура (фиг. 2в). Выходное напряжение амплитудного детектора 6 поступает на первый вход триггера 10 Шмитта и через запоминающий блок 7 на второй вход указанного триггера 10

Шмитта. B момент времени 1 = С выходное напряжение амплитудного детектора достигает своего максимального значения Нц (фиг. 2в), при котором частота генератора 1 становится равной собственной резонансной частоте fä колебательного контура 2

Указанное максимальное напряжение на период времени t, - запоминается в запоминающем блоке 7. Дальнейшее незначительное изменение частоты генератора 1, начиная с времени — под действием напряжения (фиг. 2б) генератора 11 приводит к уменьшению выходного напряжения амплитудного детектора (в соответствии с AIX колебательного контура) и к появлению небольшой разности напряжений между входами триггера

Шмитта 10.

Под действием указанной разности напряжений триггер Шмитта 10 в момент времени t t опрокидывается, вырабатывается импульс напряжения (фиг. 2д), поД управлением которого в генераторе 11 линейно изменяющегося напряжения на период времени t< -t >, устанавливается постоянное напряжение (фиг. 2б), а в генераторе 1 на период времени устанавливается частота, примерно равная собственной резонансной частоте f колебательного контура.

Под действием управляющего импульса (фиг. 2е) блока 16 управления на период времени 1 -t> открывается ключ 13, образуя цепь автоподстройки частоты (АПЧ), содержащую генератор 1 высокой частоты, колебательный контур 2, амплитудный детектор 6, блок 8 сравнения и сумматор 12 напряжений.

На втором выходе запоминающего блока 7 с помощью делителя напряжения, входящего в состав запоминающего блока 7, получают опорное напряжение Н, = 0,707 U+ (фиг. 2г), которое подается на второй вход бло1075193 н в, о

1о

Q --—

1В-5- н (2) с непосредственным отсчетом укаэанных величин.

При измерении резонансной емкости колебательного контура устройство работает следующим образом. ка 8 сравнения. В результате за счет неравенства напряжений с выхода амплитудного детектора 6 и опорного

tJ с выхода запоминающего блока 7 на выходе блока 8 сравнения появляется напряжение ошибки, которое суммируется в сумматоре 12 с напряжением генератора 11 линейно изменяющегося напряжения и поступает на управляющий вход генератора 1, автоматически (в момент времени t<) иэ- 10 меняя его частоту до нижней частоты среза f колебательного контура 2 на уровне 0,707 его АЧХ, которая поддерживается в течение времени

t -t (фиг. 2). Малейшее отклонение частоты генератора 1 за время от значения f приводит к изменению напряжения высокой частоты на выходе колебательного контура и соот. ветственно на выходе амплитудного 20 детектора, что приводит к обратной реакции блока 8 сравнения и, следовательно, к восстановлению частоты f>

Напряжение с частотой fH с выхода генератора 1 подается на блок 3 от- 25 счета частоты, добротности и емкости, где указанная частота измеряется и запоминается. В момент времени под воздействием импульса (фиг. 2а) с блока 16 управления устройство Зп переводится в исходный режим (аналогичный моменту t< ) и начинается вторая половина цикла измерения tS -t6 (фиг. 2), аналогичная первой половине — t> с той разницей, что при этом цепь АПЧ под управлением импуль. са напряжения (фиг. 2ж) с блока 16 замыкается через инветор 14 полярности напряжения и ключ 15. ИнвертиРование напряжения с выхода блока 8 сравнения приводит к тому, что во второй половине цикла измерения в момент времени t генератор 1 автоматически перестраивается на верхнюю частоту среза Г6 колебательного контура.

45 частота f, также как и Г„, измеряется и запоминается в блоке 3 отсчета частоты, добротности и емкости.

В момент времени t цикл измере- 50 ния заканчивается, а в блоке 3 производятся определения резонансной частоты и добротности колебательного контура по формулам

Ключ 5 переводят в управляемый

Режим, а Устройство с помощью блока

16 управления переводят в четырехцикличный режим измерения.

На время первых двух циклов ключ 5, управляемый блоком 16, закрыт и генератор 1 автоматически перестраивается описанным способом на частоты fz и Г, которые измеряются и запоминаются блоком 3 отсчета частоты, добротности и емкости.

На время вторых двух циклов ключ

5 открывается блоком 16 управления и замыкает общую точку цепи 4 на общую шину и тем самым изменяет емкость колебательного контура на из-вестную величину Ь С. При этом изменится собственная резонансная частота колебательного контура и получит ! новое значение f . Соответственно частоты нижнего и верхнего среза

АЧХ колебательного контура будет иметь также новые значения f и которые автоматически устанавливаются и запоминаются блоком 3 также, как и эа время первых двух циклов.

В конце четвертого цикла в блоке 3 производится определение и непосредственный отсчет резонансной емкости колебательного контура по формуле

4 f"4 "Б

e(o. S,î ) 2(4" f в- н- f ь) которая при выборе — (О, 05 доЬС пускает измерения резонансной емкости колебательного контура с погрешностью, не превышающей 1,25%.

Таким образом, в предлагаемом устройстве определяются значения которые совместно с данными о приращении емкости позволяют по общеизвестным формулам вычислить резонансную частоту контура fo, его добротность Q и емкость а при необходимости и другие параметры, например индуктивность, тангенс угла потерь и т.д. Укаэанные вычисления производятся в блоке 3 отсчета Г,, С и могут быть реализованы с помощью аналоговых схем, цифровых схем, или с помощью микроЭВМ.

Анализируя погрешность определения резонансной частоты колебательHo1О KoHTÓÐ, ь(2 р2 о() =20 3 Ып где U — напряжение на выходе контура в момент резонанса, 8 >g — разрешающая способность устройства по напряжению, — добротность колебательного

3 контура,"

ۄ— погрешность определения (установки ) резонансной частоты колебательного контура по первой производной

АЧХ колебательного контура„

1075193 для предлагаемого устройства, исходЙ из определения напряжения .на колеба-, тельном контуре и обобщенной расстройки а (5) 5 (6) (7)

15 (8) получим "г= 2Q

1%a (9) При обобщенной расстройке а = 1 имеем

Принимая разрешающие способности схем автоматики известного и предлагаемого устройства по напряжению одинаковыми в соответствии с (4) и (10), получим

30. 3u=aq 3 u„, (11) Учитывая, что выражение (4) имеет смысл при условии 35

Ь,:-0,1— то при 4 — 10 имеем

Ь -ОЛЗЫ,, резонансная частота колебательного контура в предлагаемом устройстве по сравнению с известным измеряется (устанавливается) точнее более чем 45 в 10 раз, а следовательно, во столько же раз точнее измеряются малые значения добротности и резонансные емкости колебательного контура при малых значениях добротности. При из- 50 меренги высокодобротных контуров погрешность определения указанных параметров в предлагаемом и известном устройствах примерно сравнимы, т.е. наибольший эффект предлагаемое устройство дает при измерении параметров низкодобротных колебательных контуров.

В качестве базового объекта может быть принято устройство для измерения добротности Е4-11, содержащее где U1 — напряжение, вводимое в колебательный контур", U — напряжение на выходе контура в момент резонанса 10 перестраиваемый вручную генератор высокой частоты, измерительный колебательный контур, кувольтметр. Для измерения добротности в приборе

Е4-11 используется резонанс напряжений в последовательном колебательном контуре, при этом добротность определяется отношением напряжения на измерительном конденсаторе к входному напряжению контура при настройке его в резонанс. В приборе

Е4-11 при измерении добротности выполняются вручную следующие операции: установки нуля, калибровка и настройка измерительного контура в резонанс. Отсчет добротности производится по шкале стрелочного прибора, а частоты и емкости по механическим шкалам, при этом шкала измерительного конденсатора проградуирована на частоте 1000 Гц.

Предлагаемое устройство для измерения добротности и резонансной емкости колебательных контуров по сравнению с базовым имеет следующие преимущества: отсутствуют операции установки нуля и калибровки, автоматизированы операции настройки измерительного контура в резонанс и. выборы пределов измерения добротности,. отсчет частоты, добротности и емкос. ти на частоте измерения добротности производится в цифровом виде. В связи с тем, что собственная резонансная частота, резонансная емкость и добротность колебательного контура определяется по граничным частотам его полосы пропускания, которым соответствуют наиболее чувствительные участки АЧХ, снижены погрешности отсчета частоты до 0,1Ъ и емкости до 0,13-1,3% вместо соответственно

1: и 1-5,5%, снижены погрешность измерения добротности. до 3-5% вместо 15-30% при измерении параметров колебательных контуров с добротностью более 10.

Повышение метрологических характеристик достигнуто за счет того, что в предлагаемом устройстве реализовано измерение параметров методом вариации частоты, при этом автоматически осуществляется настройка генератора на частоты, характеризующие параметры колебательного койтура.

В предлагаемом устройстве повышена также технологичность изготовления за счет исключения сложных механических и верньерных механизмов в генераторе высокой частоты и измерительном блоке и достигнута тем салым более высокая рентабельность его производства.

1075193

1075193

Составитель Л. Сорокина

Редактор С. Патрушева Техред Т.Маточка

Корректор N. Шароши

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, лу. Проектная, 4

Заказ 493/39 Тираж 711

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж- 35, Раушская наб., д. 4/5