Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 621.317

ОПТИМИЗИРОВАННАЯ МОДЕЛЬ
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 путем автокалибровки.

Основной материал

Для реализации целей статьи разработан измеритель добротности [4], который содержит измерительный контур 1, усилитель 2 высокочастотного сигнала, детектор 3, вычислительный блок 4, ключ 5, регистрирующий блок 6, блок 7 функциональных преобразователей, блок 8 управления, ключ 9, генератор 10 пилообразного напряжения, блок 11 сравнения, формирователь 12 импульсов, триггер 13, клеммы для подключения испытуемого варикапа 14, генератор 15 высокочастотного сигнала, цифроаналоговый преобразователь 16, реверсивный счетчик 17, элемент 18 связи, блок 19 задания смещения, управляемый аттенюатор 20, элемент 21 связи, элементы 22, 23, 24 развязки, источники 25, 26 напряжения, варикап настройки 27, варикап автокалибровки 28, разделительные конденсаторы 29, 30, емкость 31, индуктивность 32.

Структурная схема измерителя представлена на рис. 1.

Выход измерительного контура 1 соединен через последовательно соединенные элемент 21 связи, усилитель 2 и детектор 3 с первым входом вычислительного блока 4, выход которого через ключ 5 соединен с входом регистрирующего блока 6. Второй выход ключа 5 соединен с входом формирователя 12 импульсов и первым входом блока 11 сравнения, второй вход которого соединен с выходом источника 26 напряжения, а выход – с установочным входом триггера 13. Вход сброса триггера соединен с первым выходом формирователя 12 импульсов, а выходы – с соответствующими входами реверсивного счетчика 17, счетный вход которого соединен с вторым выходом формирователя 12 импульсов, а выход соединен с входом цифроаналогового преобразователя 16. Выход последнего через последовательно соединенные управляемый аттенюатор 20 и элемент 18 связи соединен с вторым входом измерительного контура 1. Второй вход управляемого аттенюатора соединен с выходом генератора 15, выход блока 8 управления соединен с управляющими входами ключей 5 и 9. Информационные входы ключа 9 соединены с выходами источника 25 напряжения, а выход через элемент 23 развязки – с третьим входом измерительного контура 1. Выход блока 19 задания смещения через элемент 22 развязки соединен с первым входом измерительного контура 1, четвертый вход которого через элемент 24 развязки соединен с выходом генератора 10 пилообразного напряжения и входом блока 7 функциональных преобразователей, выходы которого соединены с дополнительными входами вычислительного блока 4.

Рис. 1 Структурная схема устройства

Исходное состояние схемы характеризуется следующим состоянием элементов. Испытуемый варикап 14 на клеммах для его подключения отсутствует. С блока 19 задания смещения постоянное напряжение поступает через элемент 22 развязки и индуктивность 32 на измерительный зажим. С высокочастотного генератора 15 через управляемый аттенюатор 20 и элемент 18 связи на измерительный контур 1 поступает напряжение возбуждения. На выходах измерительного контура 1, усилителя 2 высокочастотного сигнала, детектора 3, вычислительного блока 4, ключа 5, блока 11 сравнения, формирователя 12 сигналы отсутствуют. В реверсивном счетчике 17 может находиться случайный код. На выходе генератора 10 пилообразного напряжения будут импульсы пилообразного напряжения. Измерительный контур 1 без испытуемого варикапа 14 не может быть настроен в резонанс из-за малой емкости контура.

Работа измерителя добротности заключается в следующем.

Варикап 14 поступает на измерительные зажимы. Выходным сигналом с блока 8 управления ключ 5 соединяет выход вычислительного блока 4 с входом регистрирующего блока 6, а ключ 9 обеспечивает подачу напряжения постоянного тока высокого уровня через элемент 23 развязки на варикап автокалибровки 28 из источника 25 напряжения. Генератор 10 пилообразного напряжения вырабатывает импульсы напряжения пилообразной формы, которые через элемент 24 развязки поступают на варикап настройки 27. При высоком напряжении смещения (т.е. максимальном напряжении смещения на рабочем участке вольт-фарадной характеристики варикапа автокалибровки 28) варикап автокалибровки 28 имеет минимальную емкость и максимальную добротность, т.е. по этим параметрам варикап оказывает минимальное влияние на измерительный контур.

Блок 19 задания смещения вырабатывает постоянное напряжение смещения, которое поступает через элемент 22 развязки и индуктивность 32 на испытуемый варикап 14. С высокочастотного генератора 15 через управляемый аттенюатор 20 и элемент 18 связи на измерительный контур 1 поступает напряжение возбуждения.

С поступлением пилообразного напряжения на варикап настройки 27 происходит модуляция его по емкости. В результате на выходе измерительного контура 1 появляется напряжение частоты высокочастотного генератора 15, промоделированное по амплитуде. Наибольшая амплитуда этого напряжения будет в момент, когда измерительный контур 1 находится в резонансе. Промодулированное по амплитуде напряжение с измерительного контура через элемент 21 связи поступает на усилитель 2 высокочастотного сигнала. С выхода усилителя 2 усиленное напряжение детектируется детектором 3 и в виде импульса колоколообразной формы поступает на вход вычислительного блока 4.

При использовании для настройки контура в резонанс конденсатора с воздушным диэлектриком, потерями которого можно пренебречь по сравнению с потерями индуктивности 32, добротность испытуемого варикапа вычисляется по формуле

где  – добротность контура с испытуемым варикапом, пропорциональная амплитуде напряжения на выходе детектора;

 – добротность индуктивности 32;

 – емкость испытуемого варикапа.

При использовании в качестве переменного конденсатора варикапа настройки 27 его потерями пренебречь нельзя. Добротность испытуемого варикапа в данном случае вычисляется по формуле:

где

 – результирующая добротность индуктивности 32 и варикапа автокалибровки 28 при минимальной его емкости и максимальной добротности;

 – емкость варикапа настройки;

 – добротность варикапа настройки.

Так как , а зависимость емкости варикапа настройки от напряжения смещения  на нем определяется как , то, учитывая выражение (3), формулу (2) можно записать

где  – сопротивление потерь варикапа настройки, постоянная величина для данного варикапа;

;

;

 – постоянная величина;

 – контактная разность потенциалов, постоянная величина для одного типа материала -перехода.

Функции  и  формируются блоком 7 функциональных преобразователей 7 из пилообразного напряжения, поступающего на его вход. Напряжения, пропорциональные  и , поступают на два других входа вычислительного блока 4. В вычислительном блоке производится вычисление добротности испытуемого варикапа по формуле (4).

С выхода вычислительного блока сигнал, пропорциональный добротности испытуемого варикапа, поступает через ключ 5 на вход регистрирующего блока 6. В качестве регистрирующего блока может быть использован, например, импульсный вольтметр.

После ухода испытуемого варикапа 14 с измерительных зажимов начинается цикл автокалибровки. Длительность во времени циклов измерения и автокалибровки одинакова. Блок 6 вырабатывает команды, по которым ключ 9 через элемент 23 развязки подает на варикап автокалибровки 28 обратное напряжение смещения низкого уровня из источника 25 напряжения. При этом напряжении варикап автокалибровки 28 имеет емкость и добротность, которые находятся в диапазоне данного измерителя. Варикап автокалибровки того же типа, что и испытуемые варикапы.

С выхода вычислительного блока 4 сигнал, пропорциональный добротности варикапа автокалибровки 28, поступает на ключ 5. Сигнал управления с блока 8 управления подключает выход ключа 5 к входам блока 11 сравнения и формирователя 12. На второй вход блока сравнения подается опорное напряжение от источника 26 напряжения, соответствующее добротности варикапа автокалибровки.

Формирователь 12 формирует из колоколообразного импульса, приходящего на его вход, два коротких импульса, соответствующих по времени переднему и заднему его фронтам. Импульс, соответствующий переднему фронту, с выхода формирователя 12 поступает на вход сброса триггера 13, а импульс, соответствующий заднему фронту, поступает на счетный вход реверсивного счетчика 17. На два других входа реверсивного счетчика приходят сигналы с выхода триггера 13. Эти сигналы задают режим реверсивного счетчика (сложение или вычисление). Цифровые выходы реверсивного счетчика 17 соединены с цифровыми входами цифроаналогового преобразователя 16, аналоговый выход которого соединен с управляющим входом управляемого аттенюатора 20.

Работают эти блоки следующим образом.

Сигнал с формирователя 12 сбрасывает триггер 13. Блок сравнения сравнивает опорное напряжение с амплитудой колоколообразного импульса и выдает импульс на вход установки триггера 13. Триггер задает режим работы реверсивного счетчика. Если амплитуда колоколоообразного импульса превышает опорное напряжение , то задается режим "вычитание", если нет, то "сложение". Затем реверсивный счетчик считает импульсы, приходящие на его вход с формирователя 12, цифроаналоговый преобразователь 16 преобразует цифровой сигнал на своем входе в аналоговый, поступающий на его вход.

Если амплитуда колоколообразного импульса меньше опорного напряжения , то за каждым шагом автокалибровки напряжение на выходе управляемого аттенюатора 20 порциями увеличивается. Управляемый аттенюатор больше открывается, и на вход измерительного контура подается напряжение возбуждения большей амплитуды. Следовательно, возрастает амплитуда колоколообразного напряжения. По достижении амплитудой колокоолообразного напряжения величины  схема автокалибровки входит в режим "захват" и амплитуда колоколообразного импульса за каждый шаг автокалибровки изменяется на квант  (плюс или минус) около среднего значения, равного . За один цикл автокалибровки происходит несколько шагов добавления  (или сложения, или вычитания).

Схема автокалибровки позволяет производить коррекцию временной и температурной нестабильности цепи, состоящей из генератора 15 высокочастотного сигнала, измерительного контура 1, усилителя 2, детектора 3 и вычислительного блока 4.

Выводы

В данной статье предлагается устройство для измерения добротности варикапов, повышение точности которого достигается путем введения в его состав блока сравнения, триггера, реверсивного счетчика, двух источников напряжения, цифроаналогового преобразователя, управляемого аттенюатора, элемента развязки, формирователя импульсов и варикапа автокалибровки, что обеспечивает расширение области применения устройства по сравнению с известными решениями. Схема автокалибровки позволяет производить коррекцию временной и температурной нестабильности цепи.

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 №1443582, «Измеритель добротности». Авторы: В.С. Тверезовский, С.С. Голощапов, С.В. Сидорович. Кл. G01R27/26. Опубл.: 08.08.1988.