УДК 681.2 : 621.317.33

ПРИНЦИП ПОБУДОВИ ЕЛЕМЕНТІВ

ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ, ПРЕДСТАВЛЕНИХ

ЦИФРОВИМИ ПРОГРАМНО КЕРОВАНИМИ ВИМІРЮВАЧАМИ

В.С. Тверезовський, Р.В. Бараненко

Постановка проблеми

Розвиток методів і засобів вимірювання і контролю параметрів виробів є невід'ємною частиною науково-технічного прогресу. В даний час істотний вплив на методи побудови вимірювальних систем має впровадження інформаційних технологій, мікропроцесорних засобів для обробки результатів вимірювання, ЕОМ для керуваннями процесами вимірювання.

Однієї з основних задач при розробці вимірювальних систем є підвищення точності і збільшення діапазону роботи засобів вимірювання й контролю при масовому виробництві виробів радіоелектронної промисловості.

Аналіз останніх досліджень

На сьогоднішній день існує багато методів виміру індуктивності [1-4]. Однак вони мають істотні недоліки, що полягають як у недостатній точності і вузькому діапазоні вимірювання, так і відсутності в більшості випадків лінійної шкали виміру індуктивності. У [1,5,8] запропонований підхід до рішення задачі збільшення діапазону вимірювання і забезпечення лінійної шкали засобу вимірювання, що полягає у використанні резонансного методу з застосуванням керуючого варикапа. Вимірюючи параметри керуючого варикапа, можливо за допомогою нескладних перетворень визначити співвідношення для індуктивності, що залежить від ємності керуючого варикапа засобу вимірювання.

Мета статті

Метою даного методу є підвищення точності виміру індуктивності, збільшення діапазону вимірювання до високих частот і лінеаризація шкали засобу вимірювання.

Основний матеріал

З метою рішення поставленої задачі та усунення недоліків існуючих вимірювачів індуктивності [6,7], що полягають у неможливості автоматичного виміру індуктивності на високих частотах, обумовлених їхніми структурними особливостями, виникає задача створення резонансного програмно керованого вимірювача, структурні особливості якого усунули б існуючі недоліки. При цьому резонансна частота контуру вимірювання, що входить до складу вимірювача, повинна дорівнювати:

де  – індуктивність, що входить до складу контуру,  – ємність конденсатора в контурі.

Практичним рішенням цієї проблеми є створення цифрового резонансного вимірювача індуктивностей з лінійною шкалою вимірювання, функціональну схему якого приведено на рис.1.

Виконана лінеаризація шкали засобу вимірювання значно спрощує процес вимірювання і роботу із самим вимірювачем.

Рис. 1 Функціональна схема резонансного вимірювача індуктивності

До складу вимірювача входять [8]: контур вимірювання 1; високочастотний генератор 2; підсилювач змінної напруги 3; детектор 4; блок виділення екстремуму 5; схеми затримки 6, 7, 8; генератор імпульсів 9; лічильник імпульсів 10; програмовані запам’ятовуючі пристрої (ПЗП) 11, 12; регістр вихідний 13; цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) 14.

До складу контуру вимірювання входять: управляючий варикап 19; розділяючий конденсатор 18; індуктивність  15; контакти для досліджуваної індуктивності 17; перемичка 21; розділяючий резистор 20.Необхідно відзначити, що ємність конденсатора 18 значно більша ємності варикапа 19 і не впливає на роботу контуру. Досліджувана індуктивність позначена номером 16.

В ПЗП 11 попередньо необхідно занести коди, які перетворюються ЦАП 14 в напруги, що подаються через розділяючий резистор 20 на управляючий варикап 19, змінюючи його ємність. В ПЗП 12 попередньо заносяться коди, які відповідають значенням вимірювальної індуктивності. Адресні входи ПЗП 11 і 12 визначаються вихідними кодами лічильника імпульсів 10.

Схеми затримки призначені: схема 6 необхідна для затримки імпульсу, що поступає на вхід генератора імпульсів 9, на час, необхідний для установки лічильника імпульсів 10 в початковий стан імпульсом “пуск”; схема затримки 7 необхідна для затримки імпульсу на час, необхідний для проходження перехідних процесів лічильника імпульсів; схема затримки 8 необхідна для затримки вхідних імпульсів на час, необхідний для перехідних процесів лічильника імпульсів 10, ПЗП 14, контуру вимірювання 1, підсилювача змінної напруги 3, детектора 4 і блоку виділення екстремуму.

Резонансна частота  контуру вимірювання даного вимірювача дорівнює:

де  - частота генератора,  – вимірювана індуктивність,  – індуктивність 15,  – ємність варикапа 19 при цьому резонансі в контурі.

Використовуючи вольтфарадну характеристику управляючого варикапу 19 (див. рис.2) [1] і формулу 3, можна зробити шкалу вимірювання індуктивностей лінійною. Для цього необхідно, щоб коди, записані в ПЗП 11, які визначають значення ємностей управляючого варикапа 19, були такими, щоб сусідні значення , записані в ПЗП 12, відрізнялись між собою на однакові значення .

де  – максимальне значення ємності варикапа 19 на вибраній ділянці вольтфарадної характеристики.

Рис. 2 Вольтфарадна характеристика управляючого варикапу

Значення вимірюваної індуктивності можна знайти, використавши формулу 4.

Визначивши по фольтфарадним характеристикам варикапу 19 напруги зміщення, їхні коди заносяться в ПЗП11. Таким чином, вимірювана індуктивність визначається рівнянням:

Беручи до уваги фольтфарадну характеристику управляючого варикапу 19 (див. рис.2), звідки

можна одержати наступне рівняння для :

або

де , .

З рівняння (8)  по  дорівнює:

Таким чином, шкала вимірювання індуктивності являється лінійною з постійною чутливістю (див. рис.3 ).

Рис. 3 Шкала засобу вимірювання з постійною чутливістю

Алгоритм програмного керування цифровим вимірювачем індуктивності записується у вигляді:

1.                  Визначення резонансної частоти  генератора імпульсів 9.

2.                  Встановлення в лічильнику імпульсів 10 адресного одиничного коду.

3.                  Подання одиничного коду на вхід ПЗП11.

4.                  Зчитування коду з виходу ПЗП11 на вхід ЦАП14.

5.                  Встановлення ємності .

6.                  Обнуління лічильника імпульсів 10.

7.                  Запуск генератора імпульсів.

8.                  Зчитування коду з ПЗП11 за адресою в лічильнику 10.

9.                  Передавання коду до ЦАП14.

10.              Обчислення .

11.              Зменшення ємності управляючого варикапу 19 на .

12.              Обчислення .

13.              Якщо , то переходимо до шагу 7.

14.              Блокування генератора імпульсів 9.

15.              Зчитування коду з виходу лічильника імпульсів 10.

16.              Подання зчитаного коду до регістра вихідного 13.

17.              Обчислення .

Даний алгоритм складається з двох операцій: калібрування вимірювача (пункти 1-5) і вимірювання (пункти 6-17). Основним недоліком алгоритму є необхідність повторення операції калібрування деяке число раз, необхідне для вибірки середнього значення.

Висновки

В результаті даного аналізу реалізоване рішення проблеми цифрового виміру індуктивності у виді програмно керованого цифрового пристрою, забезпечена можливість автоматичного виміру індуктивності на високих частотах, зроблена лінеаризація шкали засобу вимірювання, досягнуте спрощення процесу вимірювання і розроблений алгоритм керування вимірювальним пристроєм.

1.                  Винокуров В.И., Каплин С.И., Петелин И.Г. Электрорадиоизмерения: Учеб. пособие для радиотехнич. спец. вузов/ Под ред. В.И. Винокурова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1986. – 351 с.: ил.

2.                  Орнатский П.П., Скрипник Ю.А., Скрипник В.И. Измерительные приборы периодического сравнения. –М.: Энергия, 1975, – 231с.

3.                  Авдеев Е.Я., Антонюк Б.М., Душин Е.М., Основы метрологии и электрические измерения: 6-е изд., пераб. и доп. –Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 480с.

4.                  Скрипник Ю.А. Повышение точности измерительных устройств. –К.: 1990. –264с.

5.                  Деклараційний патент на винахід № 48854 А, «Резонансний вимірювач ємності». Автори: В.Є. Ходаков, В.С. Тверезовський, Є.А. Дроздова. 6 G01R29/24. Опубл. 15.08.2002, Бюл. № 8.

6.                  П.П.Орнатский Автоматические измерения и приборы. – К.: Вища школа, 1986 – с.500, мал.9.12в

7.                  Винокуров В.И., Каплин С.И., Петелин Н.Г. Электрорадиоизмерения. – М.: Высшая школа, 1986 – с.350, с.264, мал.13.10 а, б.

8.                  Деклараційний патент на винахід № 50652 А, «Резонансний вимірювач індуктивності». Автори: В.Є. Ходаков, В.С. Тверезовський, Є.А. Дроздова, Р.В. Бараненко. 7 G01R27/26. Опубл. 15.10.2002, Бюл. № 10.