Технические науки

Электротехника и радиоэлектроника

В.С. Тверезовский, Р.В. Бараненко

Херсонский национальный технический университет

ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ

ИЗМЕРИТЕЛЯ ДОБРОТНОСТИ ВАРИКАПОВ

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.

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.

Целью работы является автоматизация процесса измерения добротности варикапов.

Для реализации целей статьи разработан измеритель добротности варикапов [4], который содержит колебательный контур 1, блок 2 управления, источник 3 изменяющегося напряжения, преобразователь 4 емкости в напряжение, ключ 5, измерительный прибор 6, регистратор 7, вычислительное устройство 8, устройство выделения 9 экстремума, усилитель 10, источник 11 напряжения смещения, элементы 12, 13, 14 развязки, элементы 15, 16, 17 связи, высокочастотный генератор 18, индуктивность 19, емкости 20, 21, образцовые варикапы 22, 23, испытуемый варикап 24. Варикапы 23 и 22 подобраны с идентичными вольт-фарадными характеристиками. Индуктивность 19, емкости 20, 21 и варикапы 22, 24 представляют собой колебательный контур. Элементы 15, 17 связи служат для связи с контуром усилителя 10 и генератора 18. Элемент 16 связи служит для связи генератора с образцовым варикапом 23. Элементы 12, 13 и 14 развязки служат для развязки источника 3 изменяющегося напряжения с контуром и образцовым варикапом 23, также источника 11 напряжения смещения с контуром. Блок 2 управления синхронизирует работу всего устройства. Емкость и добротность контура с варикапом 22 известны. Значение емкости контура соответствует резонансу контура без испытуемого варикапа 24, при фиксированном смещении на варикапе 22.

Структурная схема устройства представлена на рис. 1.

Принцип работы устройства заключается в следующем.

С поступлением испытуемого варикапа на измерительные позиции, с источника 3 изменяющегося напряжения через элемент 13 развязки на варикапы 22 периодически подается изменяющееся напряжение. Из источника 11 напряжения смещения через элемент 14 развязки на испытуемый варикап задается уровень напряжения смещения, при котором ведется измерение его добротности. С высокочастотного генератора 18 через элемент 17 связи на контур поступает напряжение возбуждения. Также высокочастотное напряжение подается через элемент 16 связи на дополнительный образцовый варикап 23. На варикап 23 также синхронно подается через элемент 12 развязки с источника 3 изменяющееся напряжение. С поступлением изменяющегося напряжения на варикап 22 происходит изменение его емкости с частотой подводимого напряжения.

Рис. 1 Структурная схема измерителя добротности варикапов

Следовательно, с этой частотой изменяются и параметры измерительного контура 1 и в определенный момент он будет настроен в резонанс с частотой подводимого от генератора 18 высокочастотного напряжения. В это время на выходе измерительного контура 1 и на входе усилителя 10 появится импульс высокочастотного напряжения, так как напряжение на входе и выходе измерительного контура связаны известным соотношением

,

где – высокочастотное напряжение на выходе измерительного контура; – высокочастотное напряжение на входе измерительного контура; – добротность измерительного контура, то амплитуда импульсов высокочастотного напряжения будет зависеть от добротности измеряемого варикапа 24. Напряжение с контура поступает через элемент 15 связи и усилитель 10 на вход устройства 9 выделения экстремума. Устройство 9 имеет два выхода, на одном из которых действует выделенное экстремальное напряжение, пропорциональное напряжению резонанса в контуре, а на другом – действует импульс напряжения, соответствующий во времени моменту резонанса в контуре.

Емкость дополнительного образцового варикапа 23 с помощью преобразователя 4 преобразуется в напряжение. Это напряжение через ключ 5 поступает на вход измерительного прибора 6.

При наступлении резонанса в контуре с выхода устройства 9 поступит управляющий потенциал на ключ 5, после чего он запретит поступление изменяющегося напряжения на вход измерительного прибора 6. Измерительный прибор выделит максимальное напряжение, поступившее на его вход. Оно будет прямо пропорционально емкости варикапа 23 в момент резонанса в контуре. Напряжение с измерительного прибора 6 поступает на вход вычислительного устройства 8, на другой вход которого подается напряжение с устройства 9, пропорциональное напряжению резонанса в контуре. В вычислительном устройстве реализуются операции, описываемые выражением

,

(1)

где – напряжение на выходе вычислительного устройства, прямо пропорциональное добротности испытываемого варикапа; – напряжение, поступающее с выхода устройства 9; – напряжение, поступающее с выхода измерительного прибора, прямо пропорциональное емкости варикапа 23.

,

(2)

где – добротность контура без испытуемого варикапа, которая зависит от емкости варикапа 22; – емкость, соответствующая резонансу в контуре (const).

В формуле (1) за единицу принята максимальная добротность контура (т.е. добротность без испытуемого варикапа или она же ). Учитывая то, что добротность контура зависит от напряжения смещения на варикапе 22, для увеличения точности измерителя в вычислительное устройство можно ввести коррекцию. Так как зависит от емкости варикапа 22, т.е. , а характеристики варикапов 22 и 23 идентичные, то . Эту зависимость легко определить экспериментально. Вычислительное устройство 8 тогда должно содержать функциональный элемент, реализующий данную зависимость.

В этом случае в вычислительном устройстве реализуются операции, описываемые выражением

,

(3)

где – напряжение, соответствующее емкости контура в момент резонанса; – напряжение прямо пропорциональное емкости варикапа 23 в момент резонанса в контуре.

Коррекция будет не нужна в том случае, если добротность варикапа 22 будет значительно больше добротности испытуемого варикапа и рабочий участок варикапа 22 будет находиться в узком диапазоне его вольт-фарадной характеристики. Напряжение с выхода вычислительного устройства поступает на вход регистрирующего устройства. Емкости 20 и 21 служат для разделения постоянных составляющих в контуре.

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 №651272, «Измеритель добротности варикапов». Авторы: В.З. Лубяный, В.С. Тверезовский, Б.П. Полешко. Кл². G01R27/26. Опубл.: 05.03.1979, Бюл. №9.