Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 621.317.337

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ ДОБРОТНОСТИ ВАРИКАПОВ

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В.

Введение и постановка проблемы

Постоянное развитие средств измерений и контроля различных параметров изделий и процессов является неотъемлемой частью научно-технического прогресса. В настоящее время существенное влияние на методы построения измерительных систем оказывает использование ЭВМ для обработки результатов измерений и управления различными процессами [1].

Одной из основных задач при разработке измерительных систем является повышение точности, быстродействия и увеличение диапазона измеряемых величин.

Анализ последних исследований

Известно устройство для измерения добротности варикапов, содержащее измерительный контур, схему управления, генератор, усилитель, управляемое сопротивление, измерительный прибор, детекторы, схемы сравнения [2]. Недостатком известного устройства является участие оператора в настройке контура по частоте, т.е. устройство не может автоматически измерять добротность варикапа.

Известно устройство для измерения добротности варикапов, содержащее колебательный контур, включающий образцовый варикап, соединенный через элементы связи с высокочастотным генератором и усилителем и через элемент развязки с источником смещения, блок управления, измеритель и регистратор [3]. К недостаткам известного устройства следует отнести то, что оно не позволяет автоматически производить измерение добротности. Добротность можно определить лишь по формуле, предварительно замерив параметры испытуемого варикапа.

Цель статьи

Целью работы является устранение недостатков существующих устройств для измерения добротности и разработка нового устройства, структурные особенности которого позволят увеличить точность измерения добротности.

Основной материал

Для реализации целей статьи разработан измеритель добротности [4], который служит для получения прямого отсчета добротности по величине выходного электрического сигнала измерителя добротности варикапов. Устройство [4] содержит генератор 1 переменного напряжения, выходное напряжение которого подается через управляемый усилитель 2 на измерительный контур 3, содержащий катушку 14 индуктивности и подстроечный конденсатор 15. На измерительный контур 3 подается также пилообразное напряжение от источника 4 напряжения смещения через элемент 5 развязки, обеспечивающее за счет изменения емкости измеряемого варикапа свипирование резонансной характеристики измерительного контура 3 относительно частоты генератора 1 переменного напряжения. Падение переменного напряжения на измеряемом варикапе через элемент 6 связи подастся на усилитель 7, с выхода усилителя напряжение поступает на детектор 8, выходное напряжение которого регистрируется вольтметром 9. Выходное напряжение детектора 8 поступает также на один из входов суммирующего усилителя 10, на второй вход которого поступает постоянное напряжение смещения от источника 12 опорного напряжения. На третий вход суммирующего усилителя поступает выходное напряжение детектора 11, вход которого соединен с выходом управляемого усилителя 2. Выходное напряжение суммирующего усилителя подается на управляющий вход управляемого усилителя 2. Режим работы суммирующего усилителя выбирается таким образом, что изменение коэффициента усиления управляемого усилителя 2 обеспечивает пропорциональность выходного напряжения детектора 8 добротности измеряемого варикапа. Цель достигается введением в устройство детектора 11, управляемого усилителя 2, суммирующего усилителя 10 и источника опорного напряжения.

На рис. 1 представлена структурная схема разработанного устройства.

Рис. 1  Структурная схема устройства

Работа измерителя заключается в следующем. К зажимам 17 подключается испытуемый варикап. От источника 5 напряжения смещения через элемент 4 развязки и катушку индуктивности измерительного контура 3 на испытуемый варикап поступает изменяющееся напряжение смещения. При этом происходит изменение емкости варикапа. При некотором заданном значении емкости измерительный контур будет настроен в резонанс. Емкость варикапа, соответствующая резонансу в измерительном контуре 3, задается с помощью конденсатора переменной емкости 15. Значение емкости, при котором измерительный контур 3 настроен в резонанс, будет равняться емкостям параллельно включенных конденсатора 15 варикапа, а также емкости монтажа. Емкость конденсатора 16 имеет большое значение и на частотные свойства измерительного контура не оказывает влияния.

Значение емкости  конденсатора 16 выбирается из условия

где  - максимальная добротность контура 3 с испытуемым варикапом при максимальной его добротности;

 - емкость измерительного контура 3, соответствующая резонансу контура.

При выполнении приведенного условия шунтирующим влиянием параметров измерительного контура 3 на амплитуду входного напряжения можно пренебречь, т.е. будет выполняться условие

где        - емкость конденсатора 13;

 - напряжение на выходе управляемого усилителя 2,

.

При резонансе в измерительном контуре 3 на вход усилителя 7 переменного сигнала будет поступать переменное напряжение с частотой генератора 1. Наибольшая амплитуда этого напряжения будет в момент резонанса в измерительном контуре 3. Это напряжение детектируется детектором 8 и поступает на вход вольтметра 9 и на третий вход суммирующего усилителя 10. Полярность выходных напряжений детектора 8 и источника опорного напряжения 12  - положительная. В схеме обеспечивается положительная обратная связь по цепи: выход детектора 11, вход суммирующего усилителя 10, выход этого усилителя и управляющий вход управляемого усилителя 2. На первый вход суммирующего усилителя 10 поступает напряжение , через детектор 11 с выхода управляемого усилителя 2. Полярность этого напряжения - отрицательная.

где        - напряжение на выходе генератора 1;

 - коэффициент усиления управляемого усилителя 2, пропорциональный выходному напряжению инвертирующего операционного усилителя.

Для суммирующего усилителя 10 справедливо равенство:

откуда ,

где        - выходное напряжение детектора 8;

 ^_ значение выходного напряжения управляемого усилителя 2.

Напряжения на входе измерительного контура 3 и выходе детектора 8 связаны соотнопением:

где        - напряжение на входе измерительного контура 3;

 - суммарная добротность измерительного контура 3, которая определяется по формуле:

 - собственная добротность измерительного контура 3 (без испытуемого варикапа);

 - добротность испытуемого варикапа;

 - емкость испытуемого варикапа;

 - емкость контура, включающая емкость конденсатора 15 и емкость монтажа;

 - результирующий коэффициент передачи последовательно включенных элементов связи усилителя 7 переменного напряжения и детектора 8.

Подставляя (1), (2) и (4) в уравнение (3), получим

Из (5) следует

При выполнении условия

уравнение (6) принимает вид:

где .

Условие (7) выполняется путем регулирования, например .

Из (8) следует, что при измерении добротности варикапов с фиксированной емкостью ( - const) добротность испытуемого варикапа  пропорциональна напряжению  на входе вольтметра 9.

Установка необходимого  для выполнения условия (7) производится с помощью двух мер добротности  и  с одинаковой емкостью. Меры добротности поочередно ставятся на измерительные зажимы, и, регулируя, например коэффициент усиления усилителя 7, добиваются соотношения

где  и  - выходные напряжения детектора 8, которые соответствуют добротностям  и .

Выводы

В данной статье предлагается устройство для измерения добротности варикапов, повышение точности которого достигается путем введения в его состав управляемого усилителя, второго детектора, суммирующего усилителя и источника опорного напряжения, что обеспечивает расширение области применения устройства по сравнению с известными решениями.

ЛИТЕРАТУРА:

1.                  В.С. Тверезовський, Р.В. Бараненко Принцип здійснення гнучкого програмного керування елементами вимірювальних систем за аналізом їх експоненціальних параметрів //Вестник Херсонского государственного технического университета. – 2003. – №2 (18). – С.297-301.

2.                  Авторское свидетельство СССР №429375. Кл.G01R27/26, 09.02.1972.

3.                  Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. /Под ред. Н.Н. Горюнова. – М.: «Советское радио», 1968. – С.116-117.

4.                  Авторское свидетельство СССР №1496475, «Измеритель добротности варикапов». Авторы: В.З. Лубяный, В.С. Тверезовский, С.В. Сидорович. Кл. G01R27/26.