Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Цифровой измеритель емкости индуктивности » S-Led.Ru


Прибор довольно точен. Он может измерять индуктивность от 10nН до 100mН и емкость от 0,5 pF до 0,3 uF. Работа с ним очень проста, так как выбор предела измерения происходит автоматически. Измерение емкости и индуктивности прибор определяет по частоте. В его схеме есть LC-генератор на операционном усилителе, а так же, опорные емкости и индуктивность.

Из них и измеряемой величины создается колебательный контур, и генератор генерирует определенную частоту, зависящую при измерении индуктивности от величины измеряемой индуктивности, а при измерении емкости от величины измеряемой емкости. Схема на микроконтроллере измеряет эту частоту и приводит показания к виду величин емкости или индуктивности.

Измеряемое подключается к паре клемм «Lх/Сх». Переключателем S1 можно выбрать измеряемую величину (емкость «С» или индуктивность «L»). Переключатель изменяет схему контура состоящего, в различных случаях, из индуктивности L1, конденсаторов С1-С4 и измеряемой емкости или индуктивности.

Кроме того второй секцией переключатель S1 дает информацию микроконтроллеру о типе измеряемой величины.

В процессе автоматического выбора предела измерения участвует реле К1, которое подключает конденсаторы С1-С3.

Генератор частоты выполнен на микросхеме А1. Частота поступает на выводы 17 и 3 контроллера D1.

На схеме есть несколько перемычек и выключателей. Перемычка J1 устанавливается если однострочного дисплея не нашлось, и был установлен двухстрочный. Перемычка J2 – контрольная, при её установке прибор показывает значение частоты генератора в единицах частоты. Исходная частота должна быть около 550 kHz. Перемычку J3 устанавливают если используется дисплей с подсветкой.

Кнопка S2 служит для сброса и перезапуска измерения.

Резистор R8 служит для регулировки контрастности дисплея, его можно заменить подстроечным.

Источником питания служит батарея типа «Крона» (как для питания мультиметра). Сна дает напряжение 9V, но схема на микроконтроллере требует 5V, поэтому есть стабилизатор А2. Здесь применен маломощный стабилизатор так как схема потребляет небольшой ток, за исключением реле, обмотка которого подключена до стабилизатора.

Измеритель индуктивности – приставка к мультиметру. | Дневник радиолюбителя

В этой статье я делюсь идеей приставки к мультиметру для измерения индуктивности катушек.

Необходимость в такой приставке у меня появилась, когда я экспериментировал с преобразователями напряжения для питания светодиодов от солнечных элементов. Один из удачных вариантов я описал в статье, ссылку смотрите в конце.

Во время экспериментов выходило так, что схема собранная по книжке не работает! Потом я понял что дело было в трансформаторе блокинг-генератора. Брал не тот феррит, не тот провод – индуктивность другая и генератор не запускается!

Конечно методом научного тыка, раза с 10-го мне удалось подобрать трансформатор, но на это ушло куча времени. Возникла необходимость как то измерить индуктивность катушек и трансформаторов.

Собирать какое-то сложное устройство ради пары измерений в год не хотелось. Сделать бы какую то простую приставку к мультиметру. И я стал думать. Паять мостовую схему сложно.

А что если измерить сопротивление катушки на переменном токе? Это можно сделать если подать напряжение с генератора на резистивно-индуктивный делитель, напряжение на его выходе будет прямо пропорционально реактивному сопротивлению, а следовательно индуктивности катушки. Uвых = Uвх*R/XL, XL = 2 Pi*f*L;

Схема измерителя индуктивности.

Схема измерителя индуктивности.

И вот родилась схема. В основе схемы мой любимый LM358 простой и дешевый сдвоенный ОУ общего назначения. На одной половине собран генератор синуса по схеме с мостом Вина. Диоды служат стабилизаторами напряжения и обеспечивают большую устойчивость.

Вторая половинка служит буферным усилителем-повторителем с К = 2 по схеме неинвертирующего усилителя. Это нужно для того, чтобы измерительная цепь не влияла на генератор.

С помощью R4 R5 можно изменять коэффициент усиления и тем самым напряжение на выходе. А оно определяет наклон передаточной характеристики и позволяет “подогнать” выходной сигнал в диапазон.

На выходе усилителя стоит RL делитель напряжения. Частота генератора – 16 кГц выбрана так, что сопротивление катушки 1 мH на этой частоте составляет 100 Ом. Чтобы получить на выходе 1 мВ переменного напряжения нужно рассчитать сопротивление резистора R6. Итак, Uвых = Uвх*R6/XL; R6 = Uвых*XL/Uвх. Поставив данные получаем R6 = 3,05*100/0,001= 305 кОм.

Аналогично можно рассчитать делитель для других диапазонов. Вот данные тестирования устройства. Видно что зависимость линейна и отклонения от нее невелики.

Передаточная характеристика прибора

Передаточная характеристика прибора

Кстати, эта схема может измерять и емкость! Для этого вместо R6 ставим измеряемый конденсатор а R6 вместо индуктивности!

Схема измерения емкости

Схема измерения емкости

Единственно почему я пока не реализовал эту схему в “железе”, это двухполярное питание. Это неудобно, так что схему придется дорабатывать.

Итак пишите свое мнение по поводу моей идеи, ставьте лайки если понравилась, подписывайтесь на канал!

Кстати, обещанная ссылка 🙂

Калейдоскоп схем на операционных усилителях

Мы предоставляем читателю право самостоятельно проанализировать работу приведенных ниже схем.

4.09. Линейные схемы

Схема с инвертированием по выбору. Схемы, представленные на рис. 4.14, позволяют инвертировать входной сигнал или пропускать его без инвертирования в зависимости от положения переключателя. Положение переключателя определяет также коэффициент усиления по напряжению — он может быть равен или +1, или —1.

Рис. 4.14.

Упражнение 4.5. Покажите, что схемы, представленные на рис. 4.14, работают так, как сказано выше.

Повторитель со следящей связью. В транзисторных усилителях на величину входного импеданса могут влиять цепи смещения; такая же проблема возникает при использовании ОУ, особенно с межкаскадными связями по переменному току, когда ко входу обязательно должен быть подключен заземленный резистор. Схема со следящей связью, представленная на рис. 4.15, позволяет решить эту проблему. Как и в транзисторной схеме со следящей связью (разд. 2.17), конденсатор емкостью 0,1 мкФ вместе с верхним резистором с сопротивлением 1 МОм образует для входных сигналов высокоомную входную цепь. Низкочастотный спад усиления для этой схемы начинается на частоте 10 Гц, на более низких частотах на спаде усиления начинает сказываться влияние обоих конденсаторов и ослабление оценивается величиной 12 дБ/октава.

Замечание: у вас может появиться искушение уменьшить величину входного конденсатора связи, так как его нагрузка привязана к высокому импедансу. Однако, это может привести к появлению пика в частотной характеристике, как в характеристике схемы активного фильтра (см. разд. 5.06).

Рис. 4.15.

Идеальный преобразователь тока в напряжение. Напомним, что простейший преобразователь тока в напряжение — это всего-навсего резистор. Однако у него есть недостаток, который состоит в том, что для источника входного сигнала входное сопротивление такого преобразователя не равно нулю; этот недостаток может оказаться очень серьезным, если устройство, обеспечивающее входной ток, имеет очень малый выходной рабочий диапазон или не может обеспечить постоянство тока при изменении выходного напряжения.

Примером может служить диодный фотоэлемент (фотодиод), или солнечная батарея. Небольшой светочувствительностью обладают даже обычные диоды в прозрачных корпусах, которые используются почти в любой схеме (известно немало историй о загадочном поведении схем, которое в конце концов было объяснено этим эффектом). На рис. 4.16 представлена хорошая схема для преобразования тока в напряжение, в которой потенциал входа поддерживается строго равным потенциалу земли. Инвертирующий вход имеет квазинуль потенциала; это очень хорошо, так как фотодиод может создавать потенциал, равный всего нескольким десятым долям вольта. Представленная схема обеспечивает преобразование тока в напряжение в отношении 1 В на 1 мкА входного тока. (В ОУ с биполярными плоскостными транзисторами на входах иногда между неинвертирующим входом и землей включают резистор; его функции мы определим, когда будем обсуждать недостатки операционных усилителей).

Рис. 4.16.

Безусловно, этот преобразователь тока в напряжение можно с таким же успехом использовать с элементами, через которые протекает ток при наличии положительного напряжения возбуждения, например UKK. В такую схему часто включают фотоумножители и фототранзисторы (оба элемента под воздействием света начинают потреблять ток от положительного источника питания (рис. 4.17).

Рис. 4.17.

 Упражнение 4. 4. Используя ОУ типа 411 и измерительный прибор на 1 мА (полный размах шкалы), разработайте схему «идеального» измерителя тока (т. е. с нулевым входным импедансом) с полным размахом шкалы, рассчитанным на 5 мА. Разработайте схему так, чтобы входной сигнал никогда не превышал +150 % полного размаха шкалы. Предположите, что диапазон выходного сигнала для ОУ типа 411 составляет +13 В (источники питания +15 В), а внутреннее сопротивление измерительного прибора равно 500 Ом.

Дифференциальный усилитель. На рис. 4.18 представлена схема дифференциального усилителя, коэффициент усиления которого равен R2/R1. В этой схеме, как и в схеме источника тока с согласованными резисторами, для получения высокого значения КОСС необходимо обеспечить точное согласование резисторов. Для этого лучше всего при первом удобном случае создать запас резисторов с сопротивлением 100 кОм и точностью 0,01 %.

Коэффициент усиления дифференциального усилителя будет равен единице, но этот недостаток легко устранить за счет последующих усилительных каскадов (с несимметричным входом).

Более подробно дифференциальные усилители рассмотрены в гл. 7.

Рис. 4.18. Классический дифференциальный усилитель.

Суммирующий усилитель. Схема, показанная на рис. 4.19, представляет собой один из вариантов инвертирующего усилителя. Точка X имеет потенциальный нуль, поэтому входной ток равен U1/RU2/R + U3/R, отсюда Uвых = — (U1 + U2 + U3). Обратите внимание, что входные сигналы могут быть как положительными, так и отрицательными. Кроме того, входные резисторы не обязательно должны быть одинаковыми; если они неодинаковы, то получим взвешенную сумму. Например, схема может иметь 4 входа, на каждом из которых напряжение равно +1 В или 0 В; входы представляют двоичные значения: 1, 2, 4 и 8.

Если использовать резисторы с сопротивлением 10, 5, 2,5 и 1,25 кОм, то снимаемое с выхода напряжение (в вольтах) будет пропорционально двоичному числу, которое задано на входе. Эту схему нетрудно расширить до нескольких цифр. Описанный метод представления чисел лежит в основе цифро-аналогового преобразования, правда, на входе преобразователя обычно используют другую схему (резистивную сетку R — 2R).

Рис. 4.19.

Упражнение 4.5. Постройте схему цифро-аналогового преобразователя на две десятичные цифры, подобрав соответствующим образом входные резисторы для суммирующего усилителя. Цифровой вход должен представлять собой две цифры; каждый вход должен состоять из четырех шин, соответствующих значениям 1, 2, 4 и 8, из которых формируется десятичная цифра. Потенциал входной шины может быть равен потенциалу земли или +1 В, т. е. восемь входных шин соответствуют числам 1, 2, 4, 8, 10, 20, 40 и 80.

В связи с тем, что диапазон выходного сигнала ограничен значениями ± 13 В, нужно сделать так, чтобы выходное напряжение (в вольтах) составляло одну десятую часть числа на входе.

Предусилитель для электромагнитного звукоснимателя. Предусилитель для звукоснимателя по стандарту RIAA представляет собой пример усилителя с частотной характеристикой особого вида. При записи звука на пластинку амплитудная характеристика имеет почти плоский вид; с другой стороны, электромагнитный звукосниматель реагирует на скорость движения иглы в бороздке диска, следовательно, усилитель воспроизведения должен иметь подъем частотной характеристики на низких частотах. Такую характеристику обеспечивает схема, показанная на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Операционный усилитель в схеме предусилителя звуковых частот для электрофонов с электромагнитной головкой и коррекцией частотной характеристики по стандарту RIAA.

График представляет собой частотную характеристику усилителя воспроизведения (построенную относительно значения коэффициента усиления 0 дБ при частоте 1 кГц), точки перегиба графика отмечены в единицах времени. Заземленный конденсатор емкостью 47 мкФ уменьшает коэффициент усиления по постоянному току до единицы, в противном случае он был бы равен 1000; как упоминалось выше, это делается для того, чтобы устранить усиление входного сдвига по постоянному току. Использованная в примере интегральная схема типа LM833 представляет собой сдвоенный ОУ, предназначенный, для использования в звуковом диапазоне («золотой» для данного примера является схема типа LM1028, которая в 13 дБ раз тише ив 10 дБ раз дороже, чем схема типа 833!).

Усилитель мощности (бустер). Для получения больших выходных токов к выходу ОУ можно подключить мощный транзисторный повторитель (рис. 4.21).

Рис. 4.21.

В примере использован неинвертирующий усилитель, но повторитель можно подключать к любому операционному усилителю. Обратите внимание, что сигнал обратной связи снимается с эмиттера; следовательно, обратная связь определяет нужное выходное напряжение независимо от падения напряжения UБЭ. При использовании этой схемы возникает обычная проблема, связанная с тем, что повторитель может только отдавать ток (для n-р-n-транзистора). Как и в случае транзисторного повторителя, проблема решается применением двухтактного варианта схемы (рис. 4.22).

Рис. 4.22.

В дальнейшем мы покажем, что ограниченная скорость, с которой может изменяться напряжение на выходе (скорость нарастания), накладывает серьезные ограничения на быстродействие усилителя в переходной области и вызывает переходные искажения. Если усилитель будет использоваться в системе с малым быстродействием, то смещать двухтактную пару в состоянии покоя не нужно, так как переходные искажения будут в основном устранены за счет обратной связи. Промышленность выпускает несколько типов интегральных схем усилителей мощности для операционных усилителей, например LT1010, ОРАб33 и 3553. Эти двухтактные усилители с единичным коэффициентом усиления работают на частотах до 100 МГц и выше, их выходной ток равен 200 мА. Их смело можно охватывать петлей обратной связи (см. табл. 7.4).

Источник питания. Операционный усилитель может работать как усилитель в стабилизаторе напряжения с обратной связью (рис. 4.23).

Рис. 4.23.

Операционный усилитель сравнивает выходное напряжение с эталонным напряжением стабилитрона и соответственно управляет составным транзистором Дарлингтона, выполняющим функции «проходного транзистора». Эта схема обеспечивает стабилизированное напряжение 10 В при протекании через нагрузку тока до 1 А. Некоторые замечания по этой схеме:

1. Делитель, с которого снимается выходное напряжение, может быть выполнен в виде потенциометра, тогда выходное напряжение можно будет регулировать.

2. Для ослабления пульсаций на зенеровском диоде (стабилитроне) резистор с сопротивлением 10 кОм полезно заменить источником тока. Другой вариант состоит в том, чтобы смещение зенеровского диода задавать от выходного сигнала; в этом случае вы с пользой применяете стабилизатор, который построили. Замечание: если вы захотите воспользоваться этим трюком, то внимательно проанализируйте вашу схему и убедитесь в том, что она запускается, когда на нее подается питание.

3. Схема, подобная рассмотренной, может быть повреждена при возникновении короткого замыкания на выходе. Это связано с тем, что при этом ОУ стремится обеспечить протекание через составной транзистор очень большого тока. В стабилизированном источнике питания всегда следует предусматривать схему для ограничения «аварийного» тока (более подробно вы познакомитесь с этим вопросом в разд. 6.05).

4. Промышленность выпускает разнообразные стабилизаторы напряжения в интегральном исполнении, начиная от освященных временем интегральных схем типа 723 до недавно появившихся 3-выводных регулируемых стабилизаторов с внутренними средствами ограничения тока и ограничения по перегреву (см. табл. 6.8–6.10). Эти устройства, в которых имеются встроенные температурно-компенсированный источник эталонного напряжения и проходной транзистор, так удобны в работе, что операционные усилители общего назначения теперь почти никогда не используются в стабилизаторах напряжения. Исключением являются случаи, когда стабильное напряжение нужно сформировать внутри схемы, уже имеющей стабилизированный источник напряжения.

В гл. 6 мы подробно поговорим о стабилизаторах напряжения и источниках питания и рассмотрим специальные интегральные схемы, предназначенные для использования в качестве стабилизаторов напряжения.

4.10. Нелинейные схемы

Усилитель с переключением мощности. В тех случаях, когда нагрузка может переключаться, т. е. может быть либо подключена, либо отключена, к операционному усилителю можно подключить транзистор, который работает как переключатель. На рис. 4.24 показано, как это можно сделать.

Рис. 4.24.

Обратите внимание на диод, который предотвращает пробой перехода база-эмиттер (на выходе ОУ легко может возникнуть отрицательное напряжение, превышающее —5 В). Для некритичных условий подойдет мощный транзистор типа 2Ν3055. Если ток в схеме может превышать 1 А, то рекомендуем использовать составной транзистор Дарлингтона (или мощный полевой МОП-транзистор).

Активный выпрямитель. Если амплитуда сигналов меньше, чем падение напряжения на диоде, то выпрямлять такие сигналы с помощью диодно-резистивной схемы нельзя. Как правило, для выпрямления таких сигналов прибегают к помощи ОУ и помещают диод в цепь обратной связи (рис. 4.25).

Рис. 4.25. Простейший активный выпрямитель.

Для положительного напряжения Uвх диод обеспечивает отрицательную обратную связь; выходной сигнал за счет диода повторяет сигнал на входе, причем исключается влияние падения напряжения UБЭ. При отрицательном напряжении Uвх операционный усилитель переходит в режим насыщения и напряжение Uвых становится равным потенциалу земли. Для получения меньшего выходного импеданса (при нуле на выходе) можно взять резистор R с меньшим сопротивлением, но это ведет к увеличению выходного тока операционного усилителя. Лучше всего использовать на выходе схемы повторитель на ОУ так, как показано на рис. 4.25, при этом выходное сопротивление будет очень небольшим независимо от величины сопротивления R.

Представленная схема обладает недостатком, который сказывается при работе с быстро изменяющимися сигналами. Выходной сигнал операционного усилителя не может изменяться бесконечно быстро, в связи с этим восстановление при переходе из режима насыщения в активный режим (выходной сигнал проходит через нуль в направлении снизу вверх) занимает некоторое время, в течение которого состояние выхода является неправильным. Это явление иллюстрируется графиком на рис.  4.26.

Рис. 4.26. Проявление эффекта конечной скорости нарастания в простейшем активном выпрямителе.

Выходной сигнал (жирная линия) в точности представляет собой выпрямленный входной сигнал (тонкая линия), за исключением короткого интервала времени после увеличения входного напряжения относительно 0 В. На этом интервале операционный усилитель стремительно выходит из режима насыщения, при котором напряжение на его выходе было равно — UЭЭ, поэтому напряжение на выходе схемы равно потенциалу земли. Для операционного усилителя общего назначения типа 411 скорость нарастания (максимальная скорость изменения выходного сигнала) составляет 15 В/мкс; следовательно, восстановление при переходе из режима насыщения в активный режим занимает приблизительно 1 мкс — это может привести к серьезным выходным ошибкам для быстрых сигналов.

Положение дел можно исправить, если воспользоваться модификацией рассмотренной схемы (рис.  4.27).

Рис. 4.27. Улучшенный активный выпрямитель.

Благодаря диоду Д1 с отрицательными входными сигналами схема работает как инвертор с единичным коэффициентом усиления. Для положительных входных сигналов диод Д2 ограничивает выходное напряжение первого ОУ по уровню, который ниже потенциала земли на величину падения напряжения на диоде, и так как диод Д1 смещен в обратном направлении, то Uвых равно потенциалу земли. Эта схема дает лучший результат, так как при переходе входного сигнала через нуль напряжение на выходе изменяется всего лишь на удвоенную величину падения напряжения на диоде. В связи с тем что напряжение на выходе операционного усилителя должно измениться только на 1,2 В, вместо того чтобы изменяться на величину UЭЭ, динамическая ошибка при переходе через нуль уменьшается более чем в 10 раз. Кстати говоря, этот выпрямитель является инвертирующим. Если же выходной сигнал должен быть неинвертированным, то к выходу нужно подключить инвертор с единичным коэффициентом усиления.

Характеристики приведенных здесь схем будут лучше, если использовать в них операционные усилители с большой скоростью нарастания. Скорость нарастания влияет на характеристики простых усилителей напряжения. Здесь стоит остановиться и рассмотреть, чем реальные ОУ отличаются от идеальных, так как это различие влияет, как мы уже упоминали выше, на разработку схем с операционными усилителями. Если вы будете знать, в чем состоят недостатки операционных усилителей и как они влияют на разработку схем и на их характеристики, то это поможет вам правильно выбирать ОУ и эффективно разрабатывать схемы на их основе.

Приставка к частотомеру для измерения индуктивностей.

Электронно-счетные частотомеры находят все большее применение в радиолюбительской практике. Используя различные приставки к ним, нетрудно расширить возможности приборов и проводить, скажем, измерения параметров таких радиоэлементов, как конденсаторы , и катушки индуктивности.

Различные варианты подобных устройств описываюсь в литературе [1], в частности для изменения индуктивности. Их работа основана на том, что индуктивность катушки определяет частоту LC-генератора, а уже по ее значению вычисляют индуктивность. Недостаток такого рода устройств — зависимость между индуктивностью и частотой нелинейна, поэтому вычисления становятся неудобными.

Предлагаемая приставка, основой для разработки которой послужила публикация в [2], позволяет выйти из затруднительного положения — в сочетании с частотомером, фиксирующим длительность периода, она позволяет сравнительно просто определять индуктивность катушек в диапазоне 1 мГ … 10 Г с точностью не хуже 10%.Принципиальная cсхема приставки приведена на рис.1.

Рис.1.

Приставка представляет собой замкнутую релаксационную систему, собранную на трех быстродействующих операционных усилителях: на DA1 выполнен интегратор, на DA2 — триггер Шмитта, на DA3 — делитель напряжения. После подключения испытываемой катушки индуктивности к гнездам XI и Х2 устройство начинает генерировать колебания: на выходе усилителя DA1 они будут треугольной формы, а на выходе DA2 — прямоугольной. Через делитель R9R10 колебания прямоугольной формы поступают на выход — разъем ХЗ, к которому подключают частотомер.

Номиналы элементов приставки подобраны таким образом, что индуктивность подсчитывают по простой формуле: L = 100Т, где:

  • L — индуктивность катушки, Г,
  • Т — период колебаний, с.

На точность отсчета влияет сопротивление катушки индуктивности. Если оно не превышает 10 Омов, то каждому ому соответствует уменьшение точности отсчета на 0,1%.

Детали

Кроме указанных на схеме, в приставке можно использовать операционные усилители К140УД11, К574УД1. Конденсаторы С1, С2 – К50-6, К53-1; С3-С5 – КД, КМ, КТ; резистор R2 – СП3-3, остальные — МЛТ, ВС и т.д.

Рис.2.

Детали монтируют на печатной плате (рис. 2) из фольгированного стеклотекстолита, которую затем размещают в корпусе подходящих габаритов. Питание на приставку подают через разъем Х4. Подойдет источник постоянного тока напряжением 12…24В, но обязательно стабилизированным и с фиксированным значением, скажем, 15В. Потребляемый приставкой ток не превышает 20 мА.

Настройка

Налаживание приставки сводится к калибровке ее. Для этого к гнездам XI, Х2 подключают катушку с заранее измеренной (с точностью не хуже 1…2%) индуктивностью в пределах 50…20 мГ, а затем резистором R2 устанавливают период колебаний, соответствующий этой индуктивности.

Модернизация

Усовершенствование приставки заключается в установке вместо резисторов R1 и R2 дополнительных гнезд Х5 и Х6, соединенных соответственно с выводами 2 и 6 операционного усилителя DA1. Комбинацией подключения к этим гнездам, а также гнездам XI и Х2 образцовых резисторов, конденсаторов и катушек можно определять сопротивления, емкости и индуктивности проверяемых радиодеталей.

И. Александров

Литература:

1. Владимиров В. Частотомер-измеритель емкости. — Радио, 1984, № 10, с.45.

2. Джемисон Д. Измерение индуктивности с помощью LR- генератора. — Электроника, 1980, № И, с. 85.

Измерения | Техника и Программы

Щелканов В. Вольтметр на операционном усилителе. «Радио», 1985. № 4, с. 47—48. Предлагается описание электронного вольтметра постоянно­го и переменного напряжения с входным сопротивлением 1 МОм, работаю­щего в интервале частот от 20 Гц до 600 кГц. Погрешность измерения пос­тоянного напряжения — ±2%, переменного напряжения — ±4%. Дрейф ну­ля после 20-минутного прогрева практически отсутствует. Схема вольтмет­ра (рис. 5.1) собрана на двух операционных усилителях: К574УД1А и К140УД6. проводятся на 11 пределах от 10 мВ до 1000 В. Изме­рителем служит микроамперметр на 100 мкА типа М265. Питается воль­тметр от сети с помощью импульсного блока питания.

Пугач А. Высокочастотный милливольтметр с линейной шкалой. «Ра­дио», 1992. № 7, с. 39. Схема прибора (рис. 5.2) содержит высокочастотный пробник CI, VD1, Rl, С2 и усилитель постоянного тока. Нелинейность харак­теристики диода в пробнике компенсируется диодом VD2, включенным в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя DA1. Милливоль­тметр измеряет напряжения от 2,5 мВ до 25 В на 11 поддиапазонах. Полоса ра­бочих частот— 100 Гц…75 МГц, погрешность измерения не превышает 5%.

Власов Ю. Электронный термометр. «Радио», 1994. № 12, с. 39. Пред­лагается описание электронного термометра для измерения температурных режимов работающей аппаратуры с помощью самодельного термодатчика в виде зонда диаметром 2,5 мм, изготовленного из диода КД103А. Схема со­держи! сбалансированный мост, одним из плеч которого является термодат­чик, и операционный усилитель К140УД6, нагруженный стрелочным воль-

тметром с пределом измерения 1 В, что соответствует диапазону темпера­тур ±100 °С (рис. 5.3).

Зайцев Н Кварцевый калибратор.частотой 1 кГц для проверки низкочастотного тракта, прозвонку монтажа, проверку диодов с светодиодной сигнализацией, проверку конден­саторов емкостью более 0,47 мкФ, проверку цифровых устройств.

Елимов С. Генераторы прямоугольных импульсов на микросхемах КМОП. «Радио», 2000. № 1, с. 44—45. Хотя на схеме рис. 5.6 генератор соб-

ран на микросхеме 2И-НЕ типа K561JIA7, в такой же схеме можно исполь­зовать микросхемы 2ИЛИ-НЕ K561J1E5 или НЕ типа K561J1h3. В статье приводятся характеристики и зависимость частоты от произведения RC для разных микросхем.

Безындукционный звуковой генератор. «Радиолюбитель», 2000. № 1, с. 32—33. Генератор с LC-контуром обеспечивает получение сигнала с ма­лыми искажениями, но выполнить катушку индуктивности высокой доброт­ности практически невозможно. В схеме генератора (рис. 5.7) функции ин-

дуктивности выполняет гиратор на операционном усилителе ICb. Микрос­хему TL072 можно заменить на К157УД2.

Федоров В. СВЧ-делитель для частотомера. «Радиолюбитель», 2000. № 3, с. 33. Пробник-делитель (рис. 5.8) предназначен для измерения частоты в диапазоне 60…2300 МГц и для этого содержит делитель частоты на 160.

Бирюков С. Генератор импульсов вида «меандр». «Радио», 2001. № 4, с. 39. В схеме генератора (рис. 5.9) используется два из четырех триггеров Шмитта микросхемы K561TJI1. Устройство генерирует прямоугольные ко­лебания с крутыми фронтами и стабильной скважностью, равной двум, при изменениях питающего напряжения и температуры в широких пределах.

Степанов Б. Измеритель емкости аккумуляторов. «Радио», 2002. № 7, с. 38—39. В процессе эксплуатации аккумуляторы постепенно теряют емкость. Предлагаемый прибор (рис. 5.10) оценивает емкость по времени, в течение которого напряжение аккумулятора спадает до 1 В.

Коновалов С. Наноамперметр. «Радио», 2001. № 8, с. 49—50. Схема (рис. 5.11) построена на программируемом малошумящем операционном усилителе КР1407УД2. Пределы измерения — 100 нА, питание двухполяр- ное напряжениями ±1,5 В, стрелочный измеритель — микроамперметр с то­ком полного отклонения 100 мкА и внутренним сопротивлением 2000 Ом.

Звирбулис А. Универсальный щуп-индикатор. «Радио», 2001. № 10, с. 54—55. Описание простого щупа-индикатора со светодиодной и звуковой сигнализацией для проверки электрических цепей и маломощных полупро­водниковых приборов (рис. 5.12). Собран на одной микросхеме K561TJI1. Прибор позволяет определить фазовый провод силовых цепей, наличие пос­тоянного напряжения 10… 120 В, наличие переменного напряжения 10…240 В, наличие сигнала в телефонных и радиотрансляционных цепях, исправность радиоэлементов, решать другие задачи.

Самойленко А. Активный щуп с микросхемой КМОП. «Радио», 2001. № 11, с. 21—22. Предлагается схема и описание активного щупа на двух логических элементах 2И-НЕ микросхемы K561J1A7 (рис. 5.13). Чувствительность щупа можно легко изменять путем смены насадок А1, имеющих разные сопротивления резисторов R1. В статье предлагаются и другие комбинации насадок, применение которых изменяет характеристи­ки щупа.

Бирюков С. Приставка к мультиметру для измерения емкости кон­денсаторов. «Радио», 2002. № 2, с. 29—30. Приставка (рис. 5.14) предназ­начена для работы с мультиметрами, имеющими, кроме входных гнезд «VQrnA» и «СОМ» (общий), третье гнездо «Е PNP» для подключения эмит-

тера транзистора структуры р-п-р при измерении параметров транзисторов, например цифровой мультиметр М-832, включенный в режим милливоль­тметра постоянного тока с пределом 200 мВ. Приставка имеет пять преде­лов измерения: 2000, 20000 пФ, 0,2, 2 и 20 мкФ. Принцип работы состоит в

зарядке измеряемого конденсатора постоянным напряжением и последую­щим разрядом с измерением разрядного тока за единицу времени.

Нечаев И. Функциональный генератор с электронной перестройкой частоты. «Радио», 2002. № 2, с. 54—55. Генератор вырабатывает сигналы треугольной и прямоугольной формы. Диапазон частот от 20 до 20000 Гц разбит на три поддиапазона с плавной регулировкой частоты в пределах каждого поддиапазона. Амплитуда треугольного напряжения плавно регу­лируется переменным резистором R9 от 0 до 1 В, амплитуда прямоугольных импульсов формы «меандр» в вольтах определяется положением переклю­чателя SA2 (рис. 5.15).

Нечаев И. Генератор 34 на микросхеме К174УН7. «Радио», 2002. № 4, с. 52—53. Основная особенность генератора — его способность работать на низкоомную нагрузку, например на динамическую головку или акустичес­кую систему. Диапазон частот от 20 до 20000 Гц (рис. 5.16).

Костицын С. Новые функции мультиметра DT-830B. «Радио», 2002. № 6, с. 30. Описание и схема приставки к цифровому мультиметру для из­мерения емкости конденсаторов (рис. 5.17). Дополнительно вводится узел звуковой сигнализации для прозвонки цепей.

Приставка для измерения индуктивности катушки. Простой измеритель индуктивности

Инструкция

Приобретите LC-метр. В большинстве случаев, они на обычные мультиметры. Существуют также мультиметры с функцией измерения – такой прибор вам тоже подойдет. Любой из этих приборов можно приобрести в специализированных магазинах, торгующих электронными компонентами.

Обесточьте плату, на которой находится катушка. При необходимости, разрядите конденсаторы на плате. Выпаяйте катушку, которой требуется измерить, из платы (если этого не сделать, в измерение будет внесена заметная погрешность), а затем подключите к входным гнездам прибора (к каким именно, указано в его инструкции). Переключите прибор на точный предел, обычно обозначенный как “2 mH”. Если индуктивность меньше двух миллигенри, то она будет определена и показана на индикаторе, после чего измерение можно считать законченным. Если же она больше этой величины, прибор покажет перегрузку – в старшем разряде появится единица, а в остальных – пробелы.

В случае если измеритель показал перегрузку, переключите прибор на следующий, более грубый предел – “20 mH”. Обратите внимание на то, что десятичная точка на индикаторе переместилась – изменился масштаб. Если измерение и в этот раз не увенчалось успехом, продолжайте переключать пределы в сторону более грубых до тех пор, пока перегрузка не исчезнет. После этого прочитайте результат. Посмотрев затем на переключатель, вы узнаете, в каких единицах этот результат выражен: в генри или в миллигенри.

Отключите катушку от входных гнезд прибора, после чего впаяйте обратно в плату.

Если прибор показывает нуль даже на самом точном пределе, то катушка либо имеет очень малую индуктивность, либо содержит короткозамкнутые витки. Если же даже на самом грубом пределе индицируется перегрузка, катушка либо оборвана, либо имеет слишком большую индуктивность, на измерение которой прибор не рассчитан.

Видео по теме

Обратите внимание

Никогда не подключайте LC-метр к схеме, находящейся под напряжением.

Полезный совет

Некоторые LC-метры имеют специальную ручку для регулировки. Прочитайте в инструкции к прибору, как ей пользоваться. Без регулировки показания прибора будут неточными.

Катушка индуктивности представляет собой свернутый в спираль проводник, запасающий магнитную энергию в виде магнитного поля. Без этого элемента невозможно построить ни радиопередатчик, ни радиоприемник, на аппаратуру проводной связи. И телевизор, к которому многие из нас так привыкли, без катушки индуктивности немыслим.

Вам понадобится

  • Провода различного сечения, бумага, клей, пластмассовый цилиндр, нож, ножницы

Инструкция

По этим данным рассчитайте значение . Для этого значение напряжения поделите последовательно на 2, число 3.14, значения частоты тока и силы тока. Результатом будет значение индуктивности для данной катушки в Генри (Гн). Важное замечание: катушку присоединяйте только к источнику переменного тока. Активное сопротивление проводника, используемого в катушке должно быть пренебрежимо мало.

Измерение индуктивности соленоида.
Для измерения индуктивности соленоида возьмите линейку или другой инструмент для определения длин и расстояний, и определите длину и диаметр соленоида в метрах. После этого посчитайте количество его витков.

Затем найдите индуктивность соленоида. Для этого, возведите количество его витков во вторую степень, полученный результат умножьте на 3.14, диаметр во второй степени и поделите результат на 4. Полученное число поделите на длину соленоида и умножьте на 0,0000012566 (1,2566*10-6).2)/l. В этой формуле μ0 – магнитная постоянная, μr – относительная магнитная проницаемость материала сердечника, зависящая от частоты), s –

При работе с любыми электроприборами или токопроводящими деталями, наличие измерительной аппаратуры является необходимым, будь то амперметр, вольтметр или омметр. Но для того чтобы не покупать все эти устройства, лучше обзавестись мультиметром.

Мультиметр является универсальным измерительным аппаратом, который позволяет измерить любую характеристику электричества. Мультиметры бывают аналоговые и цифровые.

Аналоговый мультиметр

Данный тип мультеметров отображает показания измерений при помощи стрелки, под которой установлено табло с различными шкалами значений. Каждая шкала отображает показания того или иного измерения, которые подписаны непосредственно на табло. Но для новичков такой мультиметр будет не самым лучшим выбором, поскольку разобраться во всех обозначениях, которые находятся на табло довольно трудно. Это может привести к не правильному пониманию результатов измерения.

Цифровой мультиметр

В отличие от аналоговых, этот мультиметр позволяет с легкостью определять интересуемые величины, при этом его точность измерений гораздо выше по сравнению со стрелочными аппаратами. Также наличие переключателя между различными характеристиками электричества исключает возможность перепутать то или иное значение, поскольку пользователю не нужно разбираться в градации шкалы показаний. Результаты измерений отображаются на дисплее (в более ранних моделях – светодиодных, а в современных – жидкокристаллических). За счет этого цифровой мультиметр комфортен для профессионалов и прост и понятен в использовании для новичков.

Измеритель индуктивности для мультиметра

Несмотря на то, что определять индуктивность при работе с электроникой приходится редко, это все же иногда необходимо, а мультиметры с измерением индуктивности найти достаточно трудно. В данной ситуации поможет специальная приставка к мультиметру, позволяющая измерить индуктивность.

Зачастую для подобной приставки используется цифровой мультиметр установленный на измерение напряжения с порогом точности измерения в 200 мВ, который можно приобрести в любом магазине электро и радиоаппаратуры в готовом виде. Это позволит сделать простую приставку к цифровому мультиметру.

Сборка платы приставки.

Собрать приставку-тестер к мультиметру для измерения индуктивности можно без особых проблем в домашних условиях, обладая базовыми знаниями и навыками в области радиотехники и пайки микросхем.

В схеме платы можно применять транзисторы КТ361Б, КТ361Г и КТ3701 с любыми буквенными маркерами, но для получения более точных измерений лучше использовать транзисторы с маркировкой КТ362Б и КТ363. Эти транзисторы устанавливаются на плате в позициях VT1 и VT2. На позиции VT3 необходимо установить кремневый транзистор со структурой p-n-p, например, КТ209В с любой буквенной маркировкой. Позиции VT4 и VT5 предназначены для буферных усилителей. Подойдет большинство высокочастотных транзисторов, с параметрами h31Э для одного не меньше 150, а для другого более 50.

Для позиций VD и VD2 подойдут любые высокочастотные кремневые диоды.

Резистор можно выбрать МЛТ 0,125 или аналогичный ему. Конденсатор С1 берется с номинальной емкостью 25330 пФ, поскольку он отвечает за точность измерений и ее значение стоит подбирать с отклонением не более 1%. Такой конденсатор можно сделать объединив термостабильные конденсаторы разной емкости (например, 2 на 10000 пФ, 1 на 5100 пФ и 1 на 220 пФ). Для остальных позиций подойдут любые малогабаритные электролитические и керамические конденсаторы с допустимым разбросом в 1,5-2 раза.

Контактные провода к плате (позиция Х1) можно припаять или подключать при помощи пружинящих зажимов для «акустических» проводов. Разъем Х3 предназначен для подключения приставки к .

Проводу к «бананам» и «крокодилам» лучше взять короче, что бы уменьшить влияние их собственной индуктивности на показания замеров. В месте припаивания проводов к плате, соединение стоит дополнительно зафиксировать каплей термоклея.

При необходимости регулирования диапазона измерений на плату можно добавить разъем для переключателя (например, на три диапазона).

Корпус приставки к мультиметру

Корпус можно сделать из уже готового короба подходящего размера или сделать короб самостоятельно. Материал можно выбрать любой, например, пластик или тонкий стеклотекстолит. Короб делается под размер платы, и в нем подготавливаются отверстия для ее крепления. Также делаются отверстия для подключения проводки. Все фиксируется небольшими шурупами.

Питание приставки осуществляется от сети при помощи блока питания с напряжением в 12 В.

Настройка измерителя индуктивности

Для того чтобы откалибровать приставку для измерения индуктивности понадобятся несколько индукционных катушек с известной индуктивность (например, 100 мкГн и 15 мкГн). Катушки по очереди подключаются к приставке и, в зависимости от индуктивности, движком подстроечного резистора на экране мультиметра выставляется значение 100,0 для катушки на 100 мкГн и 15 для катушки на 15 мкГн с точностью 5%. По такому же методу устройство настраивается и в других диапазонах. Важным фактором является то, что для точной калибровки приставки необходимы точные значение тестовых катушек индуктивности.

Альтернативным методом определения индуктивности является программа LIMP. Но этот способ требует некоторой подготовки и понимания работы программы.
Но как в первом, так и во втором случае точность подобных измерений индуктивности будет не очень высока. Для работы с высокоточным оборудованием данный измеритель индуктивности подходит плохо, а для домашних нужд или для радиолюбителей будет отличным помощником.

Проведение замеров индуктивности

После сборки приставку к мультиметру необходимо протестировать. Есть несколько способов, как проверить устройство:

  1. Определение индуктивности измерительной приставки. Для этого необходимо замкнуть два провода, предназначенных для подключения к индуктивной катушке. Например, при длине каждого провода и перемычки 3 см образуется один виток индукционной катушки. Этот виток обладает индуктивностью 0,1 – 0,2 мкГн. При определении индуктивности свыше 5 мкГн данная погрешность не учитывается в расчетах. В диапазоне 0,5 – 5 мкГн при измерении необходимо брать в расчет индуктивность устройства. Показания менее 0,5 мкГн являются примерными.
  2. Измерение неизвестной величины индуктивности. Зная частоту катушки, при помощи упрощенной формулы расчета индуктивности можно определить это значение.
  3. В случае, когда порог срабатывания кремниевых p-n переходов выше амплитуды измеряемой электрической цепи (от 70 до 80 мВ), можно измерить индуктивность катушек непосредственно в самой схеме (предварительно обесточив ее). Поскольку собственная емкость приставки имеет большое значение (25330 пФ), погрешность подобных измерений будет составлять не более 5% при условии, что емкость измеряемой цепи не превышает 1200 пФ.

При подключении приставки непосредственно к катушкам расположенным на плате применяется проводка длиной 30 сантиметров с зажимами для фиксации или щупами. Провода скручиваются с расчетом один виток на сантиметр длины. В таком случае образуется индуктивность приставки в диапазоне 0,5 – 0,6 мкГн, которую также необходимо учитывать при измерениях индуктивности.

Одним из компонентов схем различных электронных и электротехнических приборов является дроссель. Дросселем называют катушку индуктивности, которая при работе в электрических схемах ограничивает проводимость для переменного тока и беспрепятственно пропускает ток постоянный. Это свойство дросселя используется для сглаживания переменной составляющей токов. Проверка дросселя осуществляется мультиметром или специальным тестером.

Назначение и устройство

В некоторых приборах дроссели устанавливаются для того, что бы пропускать импульсные токи определенного диапазона частот. Диапазон этот зависит от конструктивного решения дросселя, то есть от применяемого в катушке провода, его сечения, количества витков, наличия сердечника и материала, из которого он изготовлен.

Конструктивно дроссель представляет собой намотанный на сердечник изолированный провод. Сердечник может быть металлическим, набранным из изолированных пластин или ферритовым. Иногда дроссель может выполняться без сердечника. В этом случае используется керамический или пластмассовый каркас для провода.

Дроссельная заслонка присутствует в карбюраторе. Она регулирует подачу горючей смеси, представляя собой потенциометр. Чтобы проверить датчик дроссельной заслонки в автомобиле, определяют соответствие входного напряжения устройства положению заслонки . В мультиметре выставляют режим прозвонки. Контакты разъема датчика соединяют со щупами мультиметра и создают видимость движения заслонки (пальцами). При этом проверяют, как реагирует датчик в крайних положениях заслонки. Должен идти чистый сигнал без хрипов.

В светильниках

В светильниках, предусмотренных для использования ламп дневного света, помимо самих ламп, применяются такие компоненты, как стартер и дроссель.
Стартер, как следует из названия, запускает процесс свечения в лампе, и далее в процессе не участвует. Дроссель выполняет функции стабилизатора тока и напряжения в течение всего периода свечения лампы.

Если дроссель неисправен, лампа не горит, или горит не устойчиво, свечение ее неоднородно по всей длине, внутри могут появляться области с более ярким свечением, движущиеся от одного электрода лампы к другому. Иногда можно заметить эффект мерцания света. Лампа при неисправном дросселе может не загореться с первого раза, и стартер будет многократно включаться, пока, наконец, процесс свечения не запустится. В результате, в местах установки спиралей, на колбе лампы появятся потемнения. Это связано с тем, что спирали работают более продолжительное время, чем установлено для нормального запуска.

Проверка в лампах

Проверку дросселя необходимо произвести, если наблюдается одно из вышеописанных явлений при работе лампы дневного света, а также, если замечено появление характерного запаха подгорающей изоляции, появление звуков, нехарактерных для работы прибора, а также в том случае, если лампа не включается.

До того, как проверить дроссель лампы, проверяются сама лампа и стартер.

Неисправность дросселя может заключаться в обрыве или перегорании провода катушки или межвитковом замыкании, вызванном пробоем или подгоранием изоляции. Обе неисправности могут произойти либо вследствие длительного времени использования прибора, либо в результате какого-либо механического воздействия. Возможно перегорание провода катушки в результате подачи на нее тока большего, чем максимальный, на который рассчитан дроссель.

В случае обрыва или перегорания провода, можно выявить неисправность обычным тестером или мультиметром. В силу того, что дроссель пропускает постоянный ток, замкнув цепь тестера через катушку, по свечению контрольной лампы или его отсутствию можно понять, есть обрыв или нет.

Если при измерении мультиметром, сопротивление бесконечно, имеет место обрыв провода катушки.

Проверка межвиткового замыкания

В случае межвиткового замыкания, проверка тестером результата не даст. В этом случае необходимо знать, как проверять дроссель при помощи мультиметра.

Межвитковое замыкание имеет место при непосредственном гальваническом контакте двух витков или при контакте витков с металлическим сердечником. Очевидно, что в этом случае сопротивление катушки уменьшается.

Возможен редкий случай, когда измерение сопротивления катушки не даст достоверной картины ее состояния. Такое может случиться при обрыве и межвитковом замыкании одновременно. В этом случае межвитковое замыкание может оказаться параллельным обрыву, и несколько витков просто не будут участвовать в измерении. Исправный, казалось бы, дроссель будет работать некорректно.

Для проверки катушки на наличие межвиткового замыкания, аналоговый мультиметр в режиме миллиамперметра необходимо использовать в составе прибора, собранного на двух транзисторах.

Схема прибора приведена на рисунке.

Сам прибор представляет собой генератор низкой частоты. При сборке схемы используются любые транзисторы из линейки МП39-МП42 (коэффициент усиления 40-50). Диоды можно использовать типа Д1 или Д2 с любым индексом. Резисторы применяются любого типа, рассчитанные на мощность не менее 0,12 Вт. Питание прибора осуществляется от источника постоянного тока, напряжением 7-9 В.

Последовательность действия

Порядок проверки следующий:

  1. включается тумблер Вк. При этом стрелка мультиметра должна отклониться до середины шкалы;
  2. в зависимости от индуктивности катушки, устанавливается положение движка переменного резистора R5. Левое положение соответствует меньшей, а правое – большей индуктивности. При проверке катушек с индуктивностью менее 15 мГн, необходимо дополнительно нажать кнопку Кн2;
  3. к клеммам Lx подключаются выводы дросселя и замыкается кнопкой контакт Кн1. При этом, если в обмотке нет витков, короткозамкнутых между собой, стрелка мультиметра должна отклониться в сторону больших значений или же незначительно отклониться в сторону меньших. Если в обмотке есть хоть одно замыкание между витками, стрелка возвращается на нуль.

Иногда причиной неисправности катушки может стать разрушившийся или поврежденный сердечник. Материал, из которого выполнен сердечник, его размер и положение относительно катушки, влияют на индуктивность.

Проверка индуктивности

Наличие в арсенале мультиметра такой полезной функции, как измерение индуктивности катушек, будет полезным для проверки соответствия дросселя характеристикам, заявленным в справочной литературе. Функция присутствует только в некоторых моделях цифровых мультиметров.

Чтобы воспользоваться этой функцией, необходимо настроить мультиметр на . Контакты щупов присоединяются к выводам катушки. При первом измерении мультиметр устанавливается в наибольший диапазон измерений, и потом диапазон уменьшается для получения измерения достаточной точности.

При проведении всех измерений важно не допускать касания руками контактов, на которых измеряются те или иные параметры, иначе проводимость человеческого тела может изменить показания прибора.


Практически каждый, кто увлекается электроникой, будь то начинающий, или опытный радиолюбитель, просто обязан иметь в своём арсенале приборы для измерений. Наиболее часто приходится измерять, конечно же, напряжение, ток и сопротивление. Чуть реже, в зависимости от специфики работы, – параметры транзисторов, частоту, температуру, ёмкость, индуктивность.

Сейчас в продаже имеется множество недорогих универсальных цифровых измерительных приборов, так называемых мультиметров. С их помощью можно измерять практически все вышеназванные величины. За исключением, пожалуй, индуктивности, которая очень редко встречается в составе комбинированных приборов. В основном, измеритель индуктивности – это отдельный прибор, также его можно встретить совместно с измерителем ёмкости (LC – метр).

Обычно, измерять индуктивность приходится нечасто. В отношении себя я бы даже сказал – очень редко. Выпаял, например, с какой-нибудь платы катушку, а она без маркировки. Интересно же узнать, какая у неё индуктивность, чтобы потом где-нибудь применить.

Или сам намотал катушку, а проверить нечем. Для таких эпизодических измерений я посчитал нерациональным приобретение отдельного прибора. И вот я начал искать какую-нибудь очень простую схему измерителя индуктивности. Особых требований по точности я не предъявлял, – для любительских самоделок это не столь важно.

В качестве средства измерения и индикации в схеме, описанной в статье, применяется цифровой вольтметр с чувствительностью 200 мВ , который продаётся в виде готового модуля. Я же решил использовать для этой цели обычный цифровой мультиметр UNI-T M838 на пределе измерения 200 мВ постоянного напряжения. Соответственно, схема упрощается, и в итоге приобретает вид приставки к мультиметру.

Исключён фрагмент. Наш журнал существует на пожертвования читателей. Полный вариант этой статьи доступен только

Я не буду повторять описание работы схемы, всё вы можете прочитать в оригинальной статье (архив внизу). Скажу только немного о калибровке.

Калибровка измерителя индуктивности

В статье рекомендуется следующий способ калибровки (для примера первого диапазона).
Подключаем катушку с индуктивностью 100 мкГ, движком подстроечного резистора P1 устанавливаем на дисплее число 100,0. Затем подключаем катушку с индуктивностью 15 мкГ и тем же подстроечником добиваемся индикации числа 15 с точностью 5%.

Аналогично – в остальных диапазонах. Естественно, что для калибровки нужны точные индуктивности, либо образцовый прибор, которым необходимо измерить имеющиеся у вас индуктивности. У меня, к сожалению, с этим были проблемы, так что нормально откалибровать не получилось. В наличии у меня есть десятка два катушек, выпаянных из разных плат, большинство из них без какой-либо маркировки.

Их я измерил на работе прибором (совсем не образцовым) и записал на кусочках бумажного скотча, которые прилепил к катушкам. Но тут ещё проблема и в том, что у любого прибора тоже есть какая-то своя погрешность.

Есть ещё один вариант: можно использовать . Из деталей нужен всего один резистор, два штеккера и два зажима. Также нужно научиться пользоваться данной программой, как пишет автор, измерения «требуют определённой работы мозга и рук». Хотя точность измерений здесь тоже «радиолюбительская», у меня получились вполне сравнимые результаты.

Плата и сборка

Плату разработал в Sprint Layout, берите в разделе файлов. Размеры получились небольшие. Подстроечные резисторы применил б/у, отечественные. Переключатель диапазонов на три положения – от какой-то старой импортной магнитолы. Можно, конечно, применить другие типы, просто подкорректируйте файл печатной платы под свои детали.


Провода к «бананам» и «крокодилам» берём покороче, чтобы уменьшить вклад их индуктивности при измерениях. Концы проводов припаиваем непосредственно к плате (без разъёмов), и в этом месте фиксируем каплей термоклея.

Корпус

Корпус можно изготовить из любого подходящего материала. Я применил для корпуса кусок пластикового монтажного короба 40×40 из отходов. Подогнал под размеры платы длину и высоту короба, получились габариты 67×40×20.

Сгибы в нужных местах делаем так. Нагреваем феном место сгиба до такой температуры, чтобы пластик размягчился, но ещё не плавился. Затем быстро прикладываем к заранее подготовленной поверхности прямоугольной формы, сгибаем под прямым углом и так держим до тех пор, пока пластик не остынет. Для быстрого остывания лучше прикладывать к металлической поверхности.

Чтобы не получить ожогов, используйте рукавицы или перчатки. Сначала рекомендую потренироваться на небольшом отдельном куске короба.

Затем в нужных местах делаем отверстия. Пластик очень легко обрабатывается, так что на изготовление корпуса уходит мало времени. Крышку я зафиксировал маленькими шурупами.
На принтере распечатал наклейку, сверху заламинировал скотчем и приклеил к крышке двусторонней «самоклейкой».

Примеры измерений

Измерения производятся просто и быстро. Для этого подключаем мультиметр, устанавливаем на нём переключателем DC 200 mV , подаём питание около 15 Вольт на измеритель (можно нестабилизированное – стабилизатор есть на плате), крокодилами цепляемся за выводы катушки. Переключателем диапазонов L-метра выбираем нужный предел измерений.

Результаты измерений индуктивности 100 мкГ


Первый диапазон


Второй диапазон


Третий диапазон


С помощью программы LIMP

Недостатки схемы: нужны дополнительно мультиметр и внешний блок питания, несколько сложная и непонятная калибровка (особенно, когда нечем калибровать), невысокая точность измерений, маловат верхний предел.

Я считаю, что этот простой измеритель индуктивности может быть полезен начинающим радиолюбителям, а также тем, у кого не хватает средств на покупку дорогостоящего прибора.

Применение данного измерителя оправдано в тех случаях, когда к точности измерений абсолютных значений индуктивности не предъявляется строгих требований.

Измеритель может, например, пригодиться для контроля индуктивности обмоток при намотке дросселей сетевых фильтров, подавляющих синфазные помехи. При этом важна идентичность двух обмоток дросселя, чтобы не допустить насыщение сердечника.

Источники

1. Статья. В помощь радиолюбителю. Выпуск 10. Информационный обзор для радиолюбителей / Сост. М.В. Адаменко. – М.: НТ Пресс, 2006. – С. 8.

Предлагаемая приставка к частотомеру для определения расчетным путем индуктивности в диапазоне 0,2 мкГн… 4 Гн отличается от прототипов пониженным напряжением на измеряемой индуктивности (амплитуда не более 100 мВ), что снижает погрешность измерения для катушек на малогабаритных кольцевых и замкнутых магнитопроводах и дает возможность измерить с достаточной для практики точностью начальную магнитную проницаемость магнитопроводов. Кроме того, малое значение напряжения на контуре позволяет оценивать индуктивность катушки непосредственно в конструкции, без демонтажа.

Для многих начинающих радиолюбителей изготовление и оценка индуктивности катушек, дросселей, трансформаторов становится «камнем преткновения». Промышленные измерители малодоступны, самодельные законченные конструкции, как правило, сложны в повторении и при их настройке необходимы промышленные приборы. Поэтому особой популярностью пользуются простые приставки к частотомеру или осциллографу.

Описания и схемы подобных устройств были опубликованы в периодической литературе . Они просты в повторении, удобны в применении. Но сведения в статьях в части заявленных погрешностей и пределов измерения нередко приводят к ошибочным выводам и искаженным результатам. Так в указано, что приставка позволяет измерить индуктивность более 0,1 мкГн, а погрешность измерения зависит от подбора конденсатора, который в авторской конструкции имеет допустимое отклонение номинальной емкости не более ±1 %. И это при том, что на указанных на схеме транзисторах устойчивая генерация начинается с индуктивностью колебательного контура 0,15…0,2 мкГн (желающие легко могут проверить), а собственная индуктивность выводов от платы до разъема 30 мм оказывается равной 0,1…0,14 мкГн. В другой статье указывается погрешность до 1,5 % от верхнего предела (кстати, обратите внимание, нижний предел 0,5 мкГн с погрешностью 0,9 мкГн ― и это верно, иными словами измерение таких величин носит оценочный характер) как для маленьких, так и больших значений индуктивности, без учета собственной емкости катушек. А такая емкость может достигать соизмеримой с контурной величины и вносить дополнительную погрешность до 10…20 %.

В этой статье сделана попытка в какой-то мере восполнить отмеченный пробел и показать методы оценки погрешности измерений и способы применения действительно простой и полезной конструкции в лаборатории каждого радиолюбителя.

Предлагаемая приставка к частотомеру предназначена для оценки и измерения с достаточной для практики точностью индуктивности в диапазоне 0,2 мкГн… 4 Гн. Она отличается от прототипов пониженным напряжением на измеряемой индуктивности (амплитуда не более 100 мВ), что снижает погрешность измерения индуктивности на малогабаритных кольцевых и замкнутых магнитопроводах и дает возможность измерить начальную магнитную проницаемость магнитопроводов. Кроме того, малое значение напряжения на контуре позволяет оценивать индуктивность катушки непосредственно в конструкции, без демонтажа. Такую возможность оценят те, кому часто приходится заниматься ремонтом и настройкой аппаратуры при отсутствии схем и описаний.

Для работы с приставкой подходят любые самодельные или промышленные частотомеры, позволяющие измерять частоту до 3 МГц с точностью не менее 3х знаков. Если нет частотомера, подойдет и осциллограф. Точность измерения временных параметров у последних, как правило, порядка 7…10%, что и определит погрешность измерения индуктивности.

Принцип измерения индуктивности основан на известном соотношении, связующим параметры элементов колебательного контура с частотой его резонанса (формула Томсона)


Здесь и далее во всех формулах частота указана в мегагерцах, емкость ― в пикофарадах, индуктивность ― в микрогенри.

При емкости контура Ск = 25330 пФ, формула упрощается

, где Т ― период в микросекундах.

В приставке (ее схема показана на рис. 1 ) используется генератор с эмиттерной связью в

двухкаскадном усилителе, частота гармонических колебаний которого определяется емкостью конденсатора С1 и измеряемой индуктивностью Lx, подключаемой к пружинным зажимам Х1. Так как используется непосредственное соединение базы транзистора VT1 с коллектором VT2, то коэффициент петлевого усиления генератора высок, что обеспечивает устойчивую генерацию при изменении соотношения L/C в широком диапазоне. Коэффициент петлевого усиления пропорционален крутизне используемых транзисторов и может эффективно регулироваться изменением тока эмиттеров, для чего используется выпрямитель на диодах VD1, VD2 и управляющий транзистор VT3. Введение усилителя на транзисторе VT4 с КU= 8…9 позволило снизить амплитуду напряжения на контуре до уровня 80…90 мВ при выходной амплитуде 0,7 В. Эмиттерный повторитель обеспечивает работу на низкоомную нагрузку.

Устройство работоспособно при изменении напряжения питания в интервале 5…15 В, при этом вариации уровня выходного напряжения не превышают 20 %, а уход частоты F= 168,5 кГц (с катушкой высокой добротности, намотанной на сердечнике 50ВЧ при индуктивности L= 35 мкГн) не более 40 Гц!

В конструкции можно использовать в позициях VT1, VT2 транзисторы КТ361Б, КТ361Г, КТ 3107 с любым буквенным индексом, хотя несколько лучшие результаты достигаются с КТ326Б, КТ363; в позиции VT3 ― кремниевые транзисторы структуры р-n-р, например, КТ209В, КТ361Б, КТ361Г, КТ3107 с любым буквенным индексом. Для буферного усилителя (VT4, VT5) пригодно большинство высокочастотных транзисторов. Параметр h31Э для транзистора VT4 ― более 150, для остальных не менее 50.

Диоды VD, VD2 ― любые высокочастотные кремниевые, например, серий КД503, КД509, КД521, КД522.

Резисторы ― МЛТ-0,125 или аналогичные. Конденсаторы, кроме С1, ― малогабаритные соответственно керамические и электролитические, допустим разброс 1,5…2 раза.

Конденсатор С1 емкостью 25330 пФ определяет точность измерения, поэтому ее значение желательно подобрать с отклонением не более ±1 % (можно составить из нескольких термостабильных конденсаторов, например 10000+10000+5100+ 220пФ из группы КСО, К31. Если нет возможности точно подобрать емкость, можно воспользоваться описанной ниже методикой.

В качестве разъема Х1 удобно использовать пружинящие зажимы для «акустических» кабелей. Разъем Х3 для соединения с частотомером ― СР–50-73Ф.

Детали монтируют на печатной плате (рис. 2 ) из односторонне фольгированного стеклотекстолита.

Чертёж печатной платы в формате lay разработки П.Семина можно

Допустимо использовать навесной монтаж. В качестве корпуса для приставки можно применить любой подходящий по размерам коробок из любого материала. Разместить разъем Х1 необходимо так, чтобы обеспечить минимальную длину соединяющих его с платой проводников. На фото, для примера, показан аккуратно выполненная конструкция от Павла Семина.


После проверки правильности монтажа следует подать питание напряжением 12 В, не подключая катушки к разъему Х1. Напряжение на эмиттере VT5 должно быть примерно равным половине питающего напряжения; если отклонение больше, потребуется подбор резистора R4. Ток потребления окажется близким к 20 мА. Присоедините к разъему Х1 катушку Lx индуктивностью в пределах десятков―сотен микрогенри (точное значение некритично), а к разъему Х3 ― осциллограф или высокочастотный вольтметр. На выходе приставки должно быть переменное напряжение 0,45…0,5 В эфф (амплитудное значение 0,65…0,7 В). При необходимости его уровень можно установить в диапазоне 0,25…0,7 Вэфф подбором резистора R8.

Теперь можно приступить к калибровке приставки , подключив ее к частотомеру.

Это можно сделать несколькими методами.

Если есть возможность измерить с точностью не хуже 1 % катушку на незамкнутом магнитопроводе с индуктивностью порядка десятков-сотен мкГ, то используя ее как образцовую, подберите емкость конденсаторов С1 так, чтобы показания приставки совпали с требуемым значением.

Во втором случае понадобится один термостабильный эталонный конденсатор, емкость которого не менее 1000 пФ и известна с высокой точностью. В крайнем случае, если нет возможности точно измерить емкость, можно применить конденсаторы КСО, К31 с допуском ±2―5 %, смирившись с вероятным увеличением погрешности. Автор использовал конденсатор К31-17 с номинальной емкостью 5970 пФ ±0,5 %. Сначала по частотомеру фиксируем частоту F1 для катушки Lx без дополнительного внешнего конденсатора. Затем присоединяем параллельно катушке эталонный конденсатор Cэт и фиксируем частоту F2. Теперь можем определить реальную входную емкость собранной приставки и индуктивность катушки Lx по формулам

Чтобы можно было пользоваться приведенными в начале статьи упрощенными формулами, нужно подбором группы конденсаторов С1 установить емкость Свх равной 25330±250 пФ. После окончательной корректировки емкости конденсаторов С1 сделайте контрольный замер по приведенной выше методике, чтобы убедиться, что емкость С вх соответствует требуемой.Вручную делать многократные пересчеты долго, поэтому автор пользуется удачной программой расчетов MIX10 , разработанной А. Беспальчиком.

После этого приставка готова к работе. Попробуем оценить ее возможности; для этого проведем несколько опытов.

  1. При измерении малых значений индуктивности большую погрешность вносит собственная индуктивность приставки, состоящая из индуктивности проводников, соединяющих разъем Х1 с платой, и индуктивности монтажа. Попробуем ее измерить. Сначала замкнем контакты разъема Х1 прямым коротким проводником. Скрученные провода, идущие к разъему Х1 длиной 30 мм, и перемычка длиной 30 мм образуют один виток катушки. Если в генераторе транзисторы КТ326Б, колебания возникают только при ударном возбуждении контура путем периодичного включения питания; при этом частота F1 = 2,675…2,73 МГц, что соответствует индуктивности 0,14 мкГн (с транзисторами КТ3107Б генерация совсем не возникает). Теперь сделаем из провода диаметром 0,5 мм кольцо диаметром 3 с расчетной индуктивностью около 0,08 мкГн и подключим к Х1. Для генератора на транзисторах КТ326Б частотомер показал значение 2,310 МГц, что соответствует индуктивности 0,19 мкГн. Вариант на транзисторах КТ3107Б генерировал только при ударном возбуждении контура. Таким образом, собственная индуктивность приставки оказалась в пределах 0,1…0,14 мкГн.

Выводы: высокая точность измерений обеспечивается для индуктивности более 5 мкГн. При значениях в интервале 0,5… 5 мкГн надо учитывать собственную индуктивность 0,1…0,14 мкГн. При индуктивности менее 0,5 мкГн измерения носят оценочный характер. Уверенно регистрируемая минимальное значение индуктивности 0,2 мкГн.

  1. Измерение неизвестной индуктивности. Допустим, для нее частота F1= 0,16803 МГц, что по упрощенной формуле расчета индуктивности дает 35,42 мкГн.

При проверке с эталонным конденсатором частота F2 = 0.15129 МГц соответствует индуктивности 35,09 мкГн. Погрешность ― менее 1 %.

  1. Используя измеренную индуктивность в качестве образцовой, можно оценить входную емкость генератора. Емкость контура состоит из емкости группы конденсаторов С1 и емкости Сген, состоящей из суммы емкости монтажа и емкости, вносимой транзисторами VT1, VT2, т. е. Свх= С1+С ген.

Чтобы определить величину С ген, отключаем конденсаторы С1 и измеряем с используемой индуктивностью частоту F3. Теперь Сген можно рассчитать по формуле

В авторском варианте приставки с транзисторами КТ3107Б емкость Сген равна 85 пФ, а с транзисторами КТ326Б ― З9 пФ. По сравнению с требуемым значением 25330 пФ это меньше 0,4 %, что позволяет применять практически любые высокочастотные транзисторы без заметного влияния на точность измерения..

  1. Благодаря большой собственной емкости приставки, при измерении индуктивности до 0,1 Гн погрешность, вносимая собственной емкостью катушек, несущественна. Так при измерении индуктивности первичной обмотки выходного трансформатора от транзисторных приемников получилось значение L = 105,6 мГн. При дополнении колебательного контура эталонным конденсатором 5970 пФ получилось другое значение ― L=102 мГн, а собственная емкость обмотки Стр= Сизм– С1 = 25822 – 25330 = 392 пФ.
  2. Амплитуда на измерительном колебательном контуре величиной 70…80 мВ оказывается меньше порога открывания кремниевых p-n переходов, что позволяет во многих случаях измерять индуктивность катушек и трансформаторов прямо в схеме (естественно, обесточенной). Благодаря большой собственной емкости приставки (25330 пФ), если емкость в измеряемой цепи не более 1200 пФ, погрешность измерения не превысит 5 %.

Так при измерении индуктивности катушки контура ПЧ (емкость контура не более 1000 пФ) непосредственно на плате транзисторного приемника получено значение 92,1 мкГн. При измерении индуктивности катушки, выпаянной из платы, расчетное значение оказалось меньше ― 88,7мкГн (погрешность менее 4 %).

Для подключения к катушкам индуктивности, размещенных на платах, автор использует щупы с соединительными проводами длиной 30 см, скрученных с шагом одна скрутка на сантиметр. Ими вносится дополнительная индуктивность 0,5…0,6 мкГн ― это важно знать при измерении малых величин, для оценки ее достаточно замкнуть щупы между собой.

В заключение еще несколько полезных советов .

Определить магнитную проницаемость кольцевого магнитопровода без маркировки можно по следующей методике. Намотать 10 витков провода, равномерно распределив его по кольцу, и измерить индуктивность обмотки, а полученное значение индуктивности подставить в формулу:

В практических расчетах удобно пользоваться упрощенной формулой для расчета числа витков на кольцевых магнитопроводах

Значения коэффициента k для ряда широкораспространенных кольцевых магнитопроводов по данным В. Т. Полякова приведены в табл. 1 .

Таблица 1

Типоразмер К18х8х4 К18х8х4 К18х8х4 К18х8х4 К18х8х4 К18х8х4
Магнитная проницаемость 3000 2000 1000 2000 1000 400
k 21 26 37 31 44 70

Для широко распространенных броневых магнитопроводов из карбонильного железа индуктивность удобнее рассчитывать в микрогенри, поэтому введем коэффициент m, и формула соответственно изменится:

Некоторые значения для распространенных броневых магнитопроводов приведены в табл. 2 .

Сердечник СБ-9а СБ-12а СБ-23-17а СБ23-11а
m 7.1 6.7 4.5 4.0

Составить подобную таблицу для имеющихся у вас кольцевых и броневых магнитопроводов, воспользовавшись предлагаемой приставкой, не составит большого труда.

ЛИТЕРАТУРА

1.Гайдук П. Частотомер измеряет индуктивность. ― Радиолюбитель, 1996, № 6, с. 30.

  1. L-метр с линейной шкалой. ― Радио, 1984, № 5, с. 58, 61.
  2. Поляков В. Катушки индуктивности. ― Радио, 2003, № 1, с. 53.
  3. Поляков В. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. ― М.: Патриот, 1990, с. 137, 138.
  4. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя. /Терещук Р. М. и др./ ― Киев: Наукова думка, 1987, с. 104.

С.Беленецкий, US5MSQ Луганск Украина Радио, 2005, №5, с.26-28

Обсудить статью, высказать свое мнение и предложения можно на форуме

Прямой метод измерения входной дифференциальной емкости ОУ

Введение

Входная емкость может быть ключевой характеристикой для приложений с высокоомным и высокочастотным операционным усилителем (ОУ). Примечательно, что когда емкость перехода фотодиода мала, входная емкость операционного усилителя может доминировать над проблемами шума и полосы пропускания. Входная емкость операционного усилителя и резистор обратной связи создают полюс в отклике усилителя, влияя на стабильность и увеличивая коэффициент усиления шума на более высоких частотах.В результате стабильность и запас по фазе могут ухудшиться, а выходной шум может увеличиться. Фактически, некоторые предыдущие методы измерения C DM (емкостно-разностный режим) основывались на высокоомных инвертирующих схемах и анализе стабильности, а также анализе шума. Эти методы могут быть довольно утомительными.

В усилителе с обратной связью, таком как операционный усилитель, общая эффективная входная емкость состоит из C DM , включенного параллельно с отрицательной входной синфазной емкостью, или C CM– , соединенной с землей.Одна из причин, по которой C DM трудно измерить, заключается в том, что основная задача операционного усилителя – не допускать разделения двух входов. По сравнению со сложностью измерения C DM , измерить положительную входную синфазную емкость, C CM + , на землю напрямую относительно легко. Поместив большое последовательное сопротивление на неинвертирующий вывод операционного усилителя и приложив синусоидальную волну или источник шума, можно измерить частотную характеристику –3 дБ, обусловленную входной емкостью операционного усилителя, с помощью анализатора цепей или анализатора спектра.Предполагается, что C CM + и C CM– идентичны, особенно для усилителей с обратной связью по напряжению. Однако измерить C DM с годами было все труднее; различные использованные методы были неудовлетворительными из-за внутренней природы операционного усилителя, заставляющего его входы быть равными, что является начальной загрузкой C DM . Когда входы разводятся и измеряется ток, выход пытается счетчик. Традиционные методы измерения C DM являются косвенными, основанными на ухудшении запаса по фазе и усложненными другими емкостями, такими как C CM– , подключенными параллельно.

Желательно, чтобы тестируемый операционный усилитель действительно работал и функционировал, как обычно в условиях замкнутого контура, точно так же, как их используют клиенты. Одна из предложенных возможностей заключалась в том, чтобы разделить входы и позволить выходному зажиму, но в зависимости от топологии операционного усилителя это может привести к неработоспособности внутренней схемы, поэтому измеренная емкость может не отражать фактическую рабочую емкость. В этом подходе входы не разделяются слишком сильно, чтобы избежать нелинейностей на входном каскаде, а также чрезмерного размаха или ограничения выходного сигнала.В этой статье будет представлен простой и прямой метод измерения C DM .

Новый способ измерения C

DM

Авторы решили просто использовать буферную схему с коэффициентом усиления 1 и возбуждать выход и инвертирующий вход источником тока. Выходной и инвертирующий вход будут перемещаться ровно настолько, насколько позволяет операционный усилитель. На низких частотах выход будет двигаться очень мало, поэтому ток через C DM будет небольшим. А на слишком высоких частотах тест может оказаться недействительным, а результаты – полезными.Но на средних частотах, где ширина полосы пропускания операционного усилителя падает, но все же не слишком низко, выходное движение может быть адекватным для обеспечения достаточного возбуждения напряжения и измеримого тока через C DM .

Практически неограниченный минимальный уровень шума LTspice ® позволил провести простое тестовое моделирование, показанное на Рисунке 1. Увидев, что методика работает довольно точно в LTspice, возник вопрос: «Будет ли у меня адекватное соотношение сигнал / шум в реальном мире, чтобы провести хорошее измерение? ? »

Рисунок 1.Прямое измерение импеданса C DM в LTspice. Постройте график V (r) / I (R1), чтобы получить импеданс. В этом случае на частоте 1 МГц Z составляет 19,89437 кОм (10 (85,97 / 20)) при –89,996 °, что составляет ровно 8 пФ при C = 1 / (2π × Z × Freq).

Угол почти равен –90 °, что указывает на емкостное сопротивление. Синфазная емкость 2 пФ не испортила измерения, потому что C CM– не находится на пути и 1 / (2 × π × Freq × C CM + ) >> 1 Ом.

Задачи: поиск подходящего оборудования и реальных условий для испытаний

Глядя на рисунок 1, на выходе операционного усилителя последовательно подключены 2 кОм для преобразования возбуждения от источника напряжения в источник тока.Это позволит получить небольшое напряжение в узле «r», которое не должно быть слишком далеко от напряжения, которое будет видно на неинвертирующем выводе операционного усилителя, и вызовет небольшой ток, протекающий между входами для C DM . быть измеренным. Теперь, конечно, выходное напряжение небольшое, оно буферизуется тестируемым устройством (DUT), а также ток в C DM очень мал (57 нА в симуляторе), поэтому измеряйте его с помощью резистора 1 Ом. было бы сложно на скамейке запасных. LTspice.ac и LTspice.Моделирование транзисторов не имеет шума резистора, но резистор 1 Ом в реальном мире имеет 130 пА / √Гц и будет выдавать только 57 нВ сигнала из ожидаемых 57 нА тока конденсатора. Дальнейшее моделирование показало, что замена R1 на 50 Ом или 1 кОм не приведет к слишком большим потерям тока в C CM + на частотах в пределах интересующей полосы пропускания. Для лучшего метода измерения тока, чем простой резистор, вместо R1 можно использовать трансимпедансный усилитель (TIA). Вход TIA должен быть подключен к неинвертирующему выводу операционного усилителя, где требуется ток, при фиксации напряжения на виртуальной земле, чтобы исключить ток в C CM– .Оказывается, именно так реализованы четырехпортовые анализаторы импеданса, такие как Keysight / Agilent HP4192A. HP4192A может измерять импеданс на частотах от 5 Гц до 13 МГц. Некоторые из новейших устройств на рынке, в которых используется тот же метод измерения импеданса, – это анализатор импеданса E4990A с диапазоном от 10 Гц до 120 МГц и прецизионные измерители LCR, такие как Keysight E4980A, с диапазоном от 20 Гц до 2 МГц.

Если посмотреть на тестовую схему на Рисунке 2 ниже, неинвертирующий вывод операционного усилителя находится в виртуальной земле из-за TIA внутри анализатора импеданса.Из-за этого C CM + не повлияет на измерение, так как оба его вывода будут иметь потенциал земли. Небольшой ток, развиваемый через C DM DUT, будет протекать через резистор обратной связи R r TIA, который затем измеряется внутренним измерителем напряжения.

Рисунок 2. Схема тестирования для C DM .

Любое четырехпортовое оборудование, использующее метод измерения импеданса моста с автобалансировкой 1 , может быть хорошим кандидатом для измерения C DM .Они предназначены для генерации синусоидальной волны от внутреннего генератора с центром в нуле с положительными и отрицательными колебаниями для работы с двумя источниками питания. Если тестируемое устройство операционного усилителя питается от однополярного источника питания, необходимо настроить функцию смещения, чтобы сигнал не ограничивался заземлением. На рисунке 3 использовался HP4192A с подробными подключениями к DUT.

Рисунок 3. Испытательная установка для метода измерения Direct C DM .

На рис. 4 показана точная испытательная установка, используемая для достижения очень минимального вклада паразитной емкости в C DM со стороны платы и проводки.Любая универсальная плата может использоваться для медленных операционных усилителей, в то время как высокоскоростные операционные усилители требуют более строгой компоновки печатной платы. Вертикальные заземленные разделители на медной плате размещены таким образом, чтобы на входе и выходе не было дополнительных путей поля параллельно с DUT C DM .

Рисунок 4. Установка HP4192A с отображением платы. Справа – возбуждение через 2 кОм и обратный отсчет напряжения. Используемое ИУ представляет собой 8-выводной SO LT1792 на одной почтовой марке LB2223. TIA находится слева, внутри HP4192A.

Результаты и обсуждения

Во-первых, плата тестируется без тестируемого устройства, чтобы измерить ее емкость. Плата, показанная на рисунке 4, была измерена при емкости без тестируемого устройства 16 фФ. Это относительно небольшая емкость, которой можно пренебречь, поскольку значения C DM обычно могут измеряться от сотен до тысяч фемтофарад.

Большинство операционных усилителей с входными полевыми транзисторами и КМОП-транзисторами можно было измерить с помощью этого нового метода измерения C DM . В качестве примера, чтобы проиллюстрировать метод, был измерен прецизионный малошумящий операционный усилитель с полевым транзистором на полевых транзисторах LT1792.В таблице ниже перечислены импеданс (Z), фазовый угол (θ), реактивное сопротивление X S и рассчитанное C DM в диапазоне частот. Импеданс имеет чисто емкостную природу, когда фазовый угол составляет –90 °.

Таблица 1. Измерение импеданса LT1792 по частотам при напряжении питания ± 15 В
Частота Z (кОм) θ X S (кОм) C S = C DM = 1 / (2 × π × X S × Freq) (пФ)
500 кГц 33 –89 ° –32.9 9,7
600 кГц 27 –90 ° –26,9 9,8
700 кГц 22,6 –90 ° –22,6 10
800 кГц 19,65 –90 ° –19.7 10,1
900 кГц 17,4 –90 ° –17,4 10,2
1 МГц 15,64 –89,9 ° –15,6 10,2
2 МГц 7,76 –89,8 ° –7.76 10,25
3 МГц 5,1 –90 ° –5,1 10,4
4 МГц 3,74 –90 ° –3,74 10,6
5 МГц 2,92 –90 ° –2,92 10.9

В таблице 1 выше приведены результаты, измеренные в диапазоне частот от 500 кГц до 5 МГц. Фаза в этом частотном диапазоне близка к чисто емкостной с фазой от –89 ° до –90 °. Кроме того, реактивное сопротивление X S доминирует над общим входным сопротивлением, так что Z ≈ X S . Усредненное вычисленное значение C DM составляет около 10,2 пФ. Максимальная частота измерения составляет 5 МГц, поскольку полоса пропускания этой части составляет только до 5,6 МГц. Результаты на более низких частотах стали некогерентными.Предположительно, это произошло из-за быстро исчезающего тока C DM с выходным напряжением, уменьшенным действием операционного усилителя, в то время как X S также становится более высоким импедансом на низкой частоте.

Выход операционного усилителя также следует проверять на каждой ступенчатой ​​частоте, чтобы убедиться, что он не перегружен сигналом, выходящим из анализатора импеданса. Амплитуда этого сигнала от HP4192A может быть отрегулирована от 0,1 В до 1,1 В, достаточно, чтобы создать покачивание на выходе операционного усилителя и немного сместить уровень напряжения на инвертирующем входном контакте.На рис. 5 показан неискаженный размах сигнала 28 мВ (зеленый сигнал) на выходе операционного усилителя на частоте 800 кГц. Желтый сигнал с размахом от пика до пика 2,76 В (1 В среднеквадратичное значение) зондируется непосредственно из колебательного выходного порта анализатора. Из соображений справедливости принято произвольное решение не допускать искажений на выходе как для тестируемого устройства, так и для детекторов HP4192A. Зонды были удалены при получении фактических данных об импедансе и фазе, хотя установка относительно невосприимчива к их воздействию.

Рисунок 5. Пробные выходы выходного порта HP4192A «Osc» и выходного контакта операционного усилителя.

Был также проведен тест для измерения C DM при другом напряжении питания. Зависимость C DM от источников питания и синфазного напряжения может различаться для разных операционных усилителей; ожидается, что разные топологии и типы транзисторов приведут к разным паразитам перехода к высоким и низким источникам питания. В таблице 2 показаны результаты для напряжения ± 5 В с LT1792. Среднее измеренное значение C DM равно 9.2 пФ, что относительно близко к результату 10 пФ при питании ± 15 В. Таким образом, можно сделать вывод, что LT1792 C DM существенно не изменяется при изменении напряжения питания. Это резко контрастирует с его C CM , которое значительно меняется в зависимости от напряжения питания.

Таблица 2. Измерение импеданса LT1792 по частотам при напряжении питания ± 5 В
Частота Z (кОм) θ X S (кОм) C S = C DM (пФ)
500 кГц 37 –90 ° –37 8.6
600 кГц 30 –91 ° –30 8,8
700 кГц 25,3 –91 ° –25,2 9
800 кГц 22 –91 ° –22 9
900 кГц 19.5 –91 ° –19,5 9
1 МГц 17,5 –91 ° –17,5 9,1
2 МГц 8,62 –92 ° –8,62 9,2
3 МГц 5,6 –93 ° –5.6 9,5
4 МГц 4,07 –94 ° –4,07 9,8
5 МГц 3,14 –94 ° –3,14 10,1

Между тем операционные усилители с биполярным входом почти так же просты, как и их аналоги на полевых транзисторах.Однако их высокий входной ток смещения и токовый шум будут заметны, поскольку они работают параллельно с током C DM . К этому добавляется собственное дифференциальное сопротивление R DM , присущее входам биполярных дифференциальных пар, также параллельно с C DM . На примере прецизионного малошумящего усилителя ADA4004 в таблице 3 показаны измерения импеданса. Очевидно, фаза не указывает на чисто емкостное поведение, так как она далеко от –90 °. Хотя частоты 4 МГц, 5 МГц и 10 МГц довольно близки, в этом случае подойдет модель RC с параллельным эквивалентным импедансом, чтобы можно было извлечь C DM из других сопротивлений.Следовательно, параллельная проводимость G P , проводимость B P и рассчитанная C DM в диапазоне частот показаны в таблице 3, где C P предполагается равным C DM .

Таблица 3. Измерение импеданса ADA4004 по частотам при напряжении питания ± 15 В
Частота Z (кОм) θ G P (мкСм) B P (мкСм) C P = C DM = B P / (2 × π × Freq) (пФ)
500 кГц 29.4 –36 ° 27,5 20 6,4
600 кГц 27,2 –41 ° 27,6 24,1 6,4
700 кГц 25,3 –45,4 ° 27,6 28 6.4
800 кГц 23,5 –49 ° 27,9 32 6,4
900 кГц 22 –52 ° 28 35,7 6,3
1 МГц 20,7 –54,3 ° 28.1 39,3 6,3
2 МГц 12 –72,6 ° 24,9 79,4 6,3
3 МГц 7,8 –79,2 ° 24 126 6,7
4 МГц 5.8 –81,8 ° 24,5 171 6,8
5 МГц 4,7 –83,5 ° 24,2 212,7 6,8
10 МГц 2,5 –86 ° 28 319,5 6.3

На основании результатов, приведенных в таблице 3, ADA4004 C DM может быть оценен как около 6,4 пФ. Результаты также подразумевают, что в диапазоне частот, представленном в таблице 3, C DM имеет значительную параллельную проводимость G P и не является чисто емкостным C DM . Измерение показывает, что реальное входное дифференциальное сопротивление этого биполярного операционного усилителя составляет примерно 40 кОм (25 мкСм).

Дополнительное примечание: Были предприняты попытки измерения других типов операционных усилителей, таких как операционные усилители с нулевым дрейфом (LTC2050) и высокоскоростные биполярные операционные усилители (LT6200).Результаты были некогерентными, предположительно из-за артефактов переключения в операционном усилителе с нулевым дрейфом и чрезмерных токовых шумов в высокоскоростном биполярном операционном усилителе.

Заключение

C DM – несложное измерение. Одно предостережение заключается в том, что HP4192A сообщает импеданс по величине и углу. Считывание емкости предполагает простую серию RC или параллельных RC, тогда как входное сопротивление операционного усилителя может быть намного сложнее. Значение емкости не обязательно следует принимать за чистую монету.Каждый операционный усилитель также является уникальным. Диапазон частот, в котором емкостное реактивное сопротивление преобладает над входным импедансом, может варьироваться от конструкции к конструкции. Конструкция входного каскада, используемые устройства и процессы, эффекты Миллера и упаковка могут внести свой вклад в совокупность дифференциального входного импеданса и его измерения. Были измерены входной операционный усилитель с полевым транзистором и биполярный входной операционный усилитель, что показало как C DM , так и в случае операционного усилителя с биполярным входом R DM .

использованная литература

1 Густав Суториус. «Проблемы и решения для измерения импеданса». Keysight Technologies, март 2014 г.

Благодарности

Глен Брисебуа благодарит Брайана Гамильтона за этот вызов, Аарона Шульца и Пола Хеннёза за их поддержку, а также Генри Суртихади, Каунга Вина, Барри Харви и Раджа Рамчандани за их вклад.

Артур Роксас благодарит Пола Бланшара, Мэтта Даффа, Джесса Эспириту и Кристину Фортунадо за возможность работать над этим проектом с Гленом.

Базовые аналоговые схемы – NI

  • Сопротивление: Сопротивление можно определить как характеристику среды, которая препятствует прохождению тока через себя. Единица сопротивления – Ом, , что обозначается греческой буквой Ω (Омега). Значение мощности, связанное с сопротивлением, количественно определяется как количество мощности, которое резистор может рассеивать в виде тепла без перегрева.


Ток (I) через резистор (R) определяется как:


Для сопротивления 1 МОм ток, возникающий при приложении 10 В, будет 10 микроампер.


Рис. 1. Простое представление закона Ома


Закон Ома – это фундаментальное уравнение, которое описывает указанную выше взаимосвязь между потенциалом напряжения, током, протекающим в цепи, и сопротивлением цепи. Мощность, рассеиваемая на сопротивлении нагрузки (R), определяется как произведение тока и напряжения.Из этого можно легко вывести другие соотношения для мощности, применив закон Ома с помощью подстановки.

Мощность (P), рассеиваемая в (R), определяется как:


Чтобы рассчитать значение сопротивления, которое даст 10 Вт при приложенном к нему 10 В, запомним, что P = V 2 / R. Транспонирование, R = V 2 / P. Сопротивление 100/10 или 10 Ом. Таким образом, 10 В, приложенное к 10 Ом, даст 10 Вт. Каждый раз, когда два параметра (V, R или P) численно совпадают, третий будет таким же.Обычный способ измерения сопротивления – использование цифрового мультиметра (DMM).

Примечание: Рассеиваемая мощность (P) – это то, что устанавливает предел того, какое напряжение может быть приложено к 50-омному входу дигитайзера. Из уравнений мы видим, что 10 В на 50 Ом потребуют, чтобы входная нагрузка дигитайзера рассеивала 2 Вт. Если вы используете 2 канала, это 4 Вт. Такое количество рассеиваемой мощности, безусловно, нельзя игнорировать. Также обратите внимание, что из-за эффекта квадратичного закона, если вы удвоите это напряжение на дигитайзере, мощность, которую он должен рассеять, будет ЧЕТВЕРТОЧНОЙ.

Расчет делителя напряжения:

Когда два резистора соединены последовательно, они должны разделять приложенное напряжение, и через оба них протекает одинаковый ток.


Рисунок 2. Пример схемы делителя напряжения


Формула, используемая для расчета приложенного напряжения:


(E1 = падение напряжения на R1)


(E2 = падение напряжения на R2)




Для расчета напряжения на R2:

Примечание: Делитель напряжения описывается приведенным выше уравнением.

Расчет делителя тока:

Когда два резистора подключены параллельно, на каждом из них будет одинаковое напряжение. Сила тока, протекающего через них, зависит от величины сопротивлений.


Рисунок 3. Пример схемы делителя тока


На рисунке выше показаны два резистора в параллельной конфигурации.


Примечание. Цифровые мультиметры (DMM) являются наиболее распространенными измерительными устройствами в автоматизированных испытательных системах.Цифровые мультиметры обычно просты в использовании и часто являются недорогими приборами. Как правило, цифровые мультиметры имеют встроенную систему кондиционирования, которая обеспечивает:
a) высокое разрешение (обычно измеряется цифрами)
b) множественные измерения (вольт, ток, сопротивление и т. Д.)
c) изоляцию и возможности высокого напряжения.

О разработке нового имитируемого индуктора на примере системы бесконтактной электротомографии

Датчики

(Базель). 2019 июн; 19 (11): 2463.

Поступила 07.05.2019; Принята в печать 24 мая 2019 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Эта статья цитировалась другими статьями в PMC. .

Abstract

В этой работе описывается новая смоделированная катушка индуктивности, которая подходит для системы бесконтактной электрической томографии (БЭТ) и может эффективно преодолевать неблагоприятное влияние емкости связи на результаты измерений.Путем подробного анализа и сравнения было обнаружено, что заземленная имитируемая катушка индуктивности имеет простую конструкцию схемы, но ее выходной ток не равен ее входному току, в то время как имитируемая свободная катушка индуктивности может использоваться в качестве независимого модуля индуктивности, но ее схемная структура относительно сложный. Новая смоделированная катушка индуктивности разработана путем компенсации токов от общего узла введенного независимого источника питания к главной цепи. Новый имитационный индуктор сочетает в себе преимущества имитированного заземленного индуктора и плавающего имитационного индуктора.Он имеет простую конструкцию, аналогичную конструкции заземленного имитатора индуктивности, а его входной ток равен выходному току, что означает, что он может использоваться как независимый модуль. Были проведены эксперименты по измерению импеданса и практической реконструкции изображения, чтобы проверить эффективность новой моделируемой катушки индуктивности. Результаты экспериментов показывают, что конструкция новой моделируемой катушки индуктивности является успешной, а характеристики измерения импеданса являются удовлетворительными. Отношение сигнал / шум системы CET улучшено.Между тем, исследовательская работа также показывает, что в случае, когда независимый источник питания недоступен, новая имитация индуктивности также является эффективным альтернативным методом. Но разность фаз между входным и выходным сигналами составляет примерно 90 °, когда реализуется принцип исключения.

Ключевые слова: метод моделирования индуктивности, технологическая томография, бесконтактная электрическая томография

1. Введение

В качестве основных электромагнитных устройств индукторы широко используются в схемотехнике и обработке сигналов [1,2,3].Индуктивность – это параметр схемы, используемый для описания катушки индуктивности, которая связывает индуцированное напряжение с током. Однако обычные практические индукторы обычно состоят из катушек и магнитных сердечников. Всегда сложно реализовать на практике катушку индуктивности с большим значением индуктивности и небольшими физическими размерами. Кроме того, значение индуктивности практического индуктора нелегко отрегулировать. Даже для практичного регулируемого индуктора диапазон его регулировки обычно составляет менее 15%.

Метод моделирования индуктора был разработан и изучен для эффективной замены практического индуктора в области исследований интегральных схем [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14].Смоделированная катушка индуктивности – это активная цепь для создания эквивалентного индуктивного реактивного сопротивления, которая реализована с помощью активных и пассивных компонентов (таких как резисторы, конденсаторы и операционные усилители) [6]. По сравнению с практической катушкой индуктивности смоделированная катушка индуктивности имеет сопоставимые функциональные характеристики. Он также имеет преимущества, заключающиеся в простом увеличении значения индуктивности и получении более широкого регулируемого диапазона индуктивности. Между тем, поскольку миниатюризацию компонентов (резисторов, конденсаторов и операционных усилителей), используемых в моделируемых катушках индуктивности, легко реализовать на современном уровне техники, легко добиться миниатюризации моделируемых катушек индуктивности.

Стоит отметить, что моделируемая катушка индуктивности предъявляет высокие требования к квалификации схемы, хотя она имеет значительные преимущества по сравнению с практическими катушками индуктивности [4]. Моделируемые катушки индуктивности можно условно разделить на два типа: имитируемые с заземлением катушки индуктивности и плавающие моделируемые катушки индуктивности [10,11,12,13,14,15]. Заземленная имитирующая катушка индуктивности имеет преимущество простой структуры схемы, но один из ее выводов должен быть заземлен напрямую. Плавающий имитирующий катушку индуктивности не нужно заземлять напрямую, и его можно рассматривать как независимый модуль и подключать к требуемому положению прикладной цепи, но он имеет недостатки, связанные со сложной структурой схемы и высокими требованиями к согласованию компонентов.Эти требования к конструкции двух смоделированных катушек индуктивности более или менее ограничивают практические применения метода моделирования индукторов. На сегодняшний день метод имитации индуктивности в основном изучается и используется в составе активных фильтров в области электронной связи. Сообщается о небольшом количестве исследований по применению метода моделирования индуктора в других областях исследований. Следовательно, будет иметь большое значение, если мы сможем найти эффективный подход к разработке нового типа моделируемой катушки индуктивности, которая сочетает в себе преимущества двух обычных моделируемых катушек индуктивности, упомянутых выше, и преодолевает существующие недостатки каждого типа.Это расширит области применения метода моделирования индуктивности и удовлетворит широкие требования к индуктору (или модулю индуктивности) с большим значением индуктивности, широким регулируемым диапазоном значений индуктивности и небольшими размерами.

В настоящее время бесконтактная электрическая томография (БЭТ) привлекает все большее внимание в области технологической томографии [16,17]. Последние достижения в исследованиях показали потенциал и широкую перспективу методов бесконтактной электрической томографии (БЭТ) [18,19,20,21,22,23,24,25,26,27].Однако существующие системы CET все еще имеют недостаток, то есть наличие емкостей связи (образованных двумя электродами, изолирующей трубкой и измеряемой жидкостью) препятствует обнаружению полезного измерительного сигнала (подробности будут обсуждаться ниже). в разделе 5). Исследовательские работы подтвердили, что принцип устранения импеданса может обеспечить эффективный подход [28,29,30,31,32], т. Е. Путем введения модуля индуктивности, использующего индуктивное реактивное сопротивление модуля индуктивности для устранения емкостного реактивного сопротивления связи. емкости.Однако для этого нужны регулируемые независимые индукторы большой стоимости. Появление метода моделирования индуктора обеспечивает эффективный подход к решению этой проблемы. К сожалению, на данном этапе наши знания и опыт по применению метода моделирования индуктора в области технологической томографии ограничены. Требуются дополнительные исследовательские работы.

Целью данной работы является создание новой модели катушки индуктивности, которая подходит для систем CET. Новый смоделированный дроссель, разработанный на основе классической схемы Риордана, имеет простую схемную структуру и может рассматриваться как независимый модуль.Исследовательская работа в основном включает следующие четыре части:

  • (1)

    Анализ и обсуждение характеристик смоделированных катушек индуктивности Riordan.

  • (2)

    Требования к индукторному модулю в системе CET.

  • (3)

    Конструкция нового имитационного модуля индуктивности.

  • (4)

    Результаты экспериментов с новой смоделированной катушкой индуктивности.

2.Имитация индуктивности Риордана

Имитация индуктивности на основе схемы Риордана широко признана и изучается многими учеными [3,4]. Моделируемые индукторы Riordan также можно разделить на два типа: заземленные моделируемые индукторы Riordan и плавающие моделируемые катушки индуктивности Riordan. a, b показывают типичные схемы заземленной моделируемой катушки индуктивности Riordan и плавающей моделируемой катушки индуктивности Riordan, соответственно. Для обеих смоделированных катушек индуктивности Риордана входное сопротивление Zin цепей ведет себя как эквивалентная индуктивность Leq, i.е.,:

где f – частота сигнала возбуждения, j – мнимая единица.

Применяемые схемы двух типов моделируемых индукторов Riordan: ( a ) моделируемые индукторы Riordan с заземлением; ( b ) плавающий имитирующий индуктор Riordan.

Заземленная имитирующая катушка индуктивности Riordan имеет простую схемную структуру, как показано на рис. Один из его выводов должен быть заземлен напрямую. В плавающей моделируемой катушке индуктивности Riordan используются две заземленные моделируемой катушки индуктивности Riordan, которые соединены каскадом (спина к спине), как показано на b.Он имеет симметричную структуру схемы. Его клеммы не нужно заземлять напрямую. Его можно рассматривать как независимый модуль (как практический индуктор) и свободно подключать к необходимому месту в электрической цепи.

Подробное обсуждение и анализ характеристик заземленной моделируемой катушки индуктивности Riordan и плавающей моделируемой катушки индуктивности Riordan даны в следующих разделах.

2.1. Характеристики имитированного индуктора с заземлением Riordan

Пусть uin будет входным напряжением, iin будет входным током, iout будет выходным током, iA1 и iA2 будет током, протекающим в операционный усилитель A1 и A2 соответственно.Можно получить следующие уравнения:

iin = iA2 + iR2 = iA2 + iA1 + iout

(2)

iR2 = uA2 − uinR2 = −R1R2iin

(4)

iA2 = iin − iR2 = R1 + R2 = R2R2iin

(5)

uA1 = uin − iR2R3 = uin + R1R3R2iin

(6)

iout = uA1 − uin11 / R4 + j2πfCm = R1R3R2iin11 / R4Cm + j2π (7)

iA1 = iR2 − iout = −R1 + (1 / R4 + j2πfCm) R1R3R2iin

(8)

Между тем, выходной ток iout также можно описать как:

Согласно уравнениям (7) и ( 9), входное сопротивление моделируемой индуктивности Riordan с заземлением Zin составляет:

Zin = uiniin = (1 / R4 + j2πfCm) R1R3R5R2 = R1R3R5R2R4 + j2πfCmR1R3 Заземленной моделируемой индуктивности Риордана составляет:

Требуемое эквивалентное внутреннее сопротивление заземленной моделируемой катушки индуктивности Риордана составляет:

В соответствии с уравнениями (11) и (12) эквивалентное сопротивление i Индуктивность Leq определяется сопротивлениями R1R2, R3, R5 и емкостью Cm, а эквивалентное внутреннее сопротивление req определяется сопротивлениями R1R2, R3, R4 и R5.Обычно в практических приложениях для удобной и независимой регулировки значений Leq и req значения R2, ​​R3, R5 и Cm являются фиксированными. Значение Leq в основном регулируется путем изменения значения высокоточного регулируемого резистора R1, в то время как значение req. в основном определяется величиной R4. Поскольку эквивалентное внутреннее сопротивление модуля индуктора должно быть как можно меньше, значение R4 обычно намного больше, чем у R1, R2, R3 и R5 соответственно.

Необходимо указать, что на значение Leq влияет R5. В практических приложениях ожидается, что значение Leq будет постоянным, что означает, что значение R5 также должно быть постоянным. По этой причине одна клемма цепи заземлена. В противном случае трудно гарантировать, что значение Leq будет постоянным, и значение Leq будет изменяться в зависимости от импеданса следующей цепи. Другими словами, R5 можно рассматривать как нагрузку цепи. Если выходная клемма не заземлена, нагрузка схемы изменится, и тогда Leq не удастся исправить.

Между тем, уравнение (7) также показывает, что входной ток iin не равен выходному току iout (т.е. iin ≠ iout) и существует разность фаз (приблизительно 90 °) между iin и iout. Из уравнений (2), (5) и (8) можно определить, что через выход операционных усилителей (A1 и A2) протекают токи, приводящие к разнице между iin и iout.

На основании вышеизложенного можно найти, что, хотя имитация индуктивности с заземлением Риордана имеет простую конструкцию схемы, она имеет недостаток, заключающийся в том, что она еще не может представлять собой независимый модуль, подобный практической катушке индуктивности.Причина в том, что токи через два вывода модуля индуктора не эквивалентны друг другу.

2.2. Характеристики имитируемого плавающего индуктора Riordan

Как показано на рисунке b, имитация плавающего индуктора Riordan имеет симметричную структуру цепи. Это комбинация двух идентичных смоделированных катушек индуктивности с заземлением Риордана, т. Е. Значения сопротивлений и емкостей обеих сторон равны, т. Е. R1 = R1 ′, R2 = R2 ′, R3 = R3 ′, R4 = R4 ′, Cm. = Cm ′. Согласно уравнению (7), ток через R5 равен:

iR5 = (1 / R4 + j2πfCm) R1R3R2iin

(13)

Далее:

uA3 = uout − iR511 / R4 ′ + j2πfCm = 1 / R4 + j2πfCm1 / R4 ′ + j2πfCmR1R3R2iin

(15)

iR2 ′ = uA3 − uoutR3 ′

(16)

uA4 = uout − iR2′R2 ′

uout4 (17) = −R2′R1′iR2 ′

(18)

Согласно уравнениям (13) и (14), входное сопротивление Zin плавающей моделируемой катушки индуктивности Riordan можно описать как:

Zin = uin − uoutiin = iR5R5iin = R1R3R5R2R4 + j2πfCmR1R3R5R2

(19)

Таким образом, эквивалентная индуктивность и внутреннее сопротивление req плавающей моделируемой катушки индуктивности Riordan могут быть выражены как:

Путем сравнения уравнений (11) – (12) и (20) – (21), соответственно, мы можем видеть, что заземленная смоделированная катушка индуктивности Риордана и плавающая смоделированная катушка индуктивности Риордана имеют одинаковую эквивалентную индуктивность и одинаковое эквивалентное внутреннее сопротивление. е.Однако способ регулировки значения Leq имитируемой плавающей катушки индуктивности Riordan отличается от имитированной заземленной катушки индуктивности Riordan. В практических приложениях значение Leq имитируемой плавающей катушки индуктивности Riordan в основном регулируется путем изменения значения регулируемого резистора R5. Величина req имитируемой плавающей катушки индуктивности Riordan в основном определяется значением R4.

Между тем, согласно уравнениям (15) – (19), выходной импеданс Zout плавающей моделируемой катушки индуктивности Riordan можно описать как:

Zout = uin − uoutiout = iR5R5 − R2′R1 ′ (- iR511 / R4 ′ + j2πfCmR3 ′) = R1′R3′R5R2′R4 ′ + j2πfCm′R1′R3′R5R2 ′

(22)

Потому что плавающая имитируемая катушка индуктивности Риордана образована двумя зеркально соединенными идентичными заземленными имитируемыми катушками Риордана.Согласно уравнениям (19) и (22), входное сопротивление Zin плавающей моделируемой катушки индуктивности Риордана равно выходному сопротивлению Zout, то есть

Далее, из уравнений (15), (16) и (18):

iout = −R2′R1′iR2 ′ = – R2′R1 ′ (uA3 − uoutR3 ′) = – R2′R1 ′ (- 1 / R4 + j2πfCm1 / R4 ′ + j2πfCmR1R3R2iin) 1R3 ′ = R2′R1R3R2R1′R3 ′ iin = iin

(24)

т.е. входной ток iin равен выходному току iout, и нет разницы фаз между iin и iout. Кроме того, соотношение между токами, протекающими в операционных усилителях A3 и A4, можно описать соответственно как:

Согласно уравнениям (5), (8), (14), (22) – (24), можно найти что сумма общего тока, протекающего на выходных клеммах четырех операционных усилителей, равна нулю, что означает, что ток, текущий в операционные усилители A1 и A2, может быть скомпенсирован током, протекающим в операционных усилителях A3 и A4, i.е.,

(iA1 + iA2) + (iA3 + iA4) = 0

(27)

Таким образом, исходя из приведенных выше обсуждений, плавающий имитационный индуктор Riordan можно рассматривать как независимый модуль, подобный практическому. Это удобно для практических приложений. Тем не менее, электронные компоненты в имитируемой плавающей катушке индуктивности Riordan должны быть строго идентичны компонентам их зеркал. Конструкция схемы имитируемой плавающей катушки индуктивности Riordan относительно сложна и включает четыре замкнутых контура, поэтому для ее реализации требуются компоненты более высокого качества и более высокие навыки проектирования схем.Между тем, следует серьезно подумать о стабильности плавающего имитирующего индуктора Riordan, поскольку это система с несколькими замкнутыми контурами.

На основании приведенного выше анализа и обсуждений можно обнаружить, что обе моделируемые катушки индуктивности имеют свои преимущества и некоторые ограничения или предварительные условия для практического применения. Таким образом, на сегодняшний день метод имитации индуктивности в основном изучается и применяется в области электронных коммуникаций либо для заземленной имитируемой катушки индуктивности Riordan, либо для плавающей моделируемой катушки индуктивности Riordan.

3. Требования к модулю индуктивности в системе CET

В области технологической томографии были изучены различные виды систем CET, включая систему емкостной томографии электрического сопротивления (CCERT), емкостную электрическую томографию сопротивления ( CCEIT) и систему электрической емкостной томографии (ECT) [18,19,20]. а показан эскиз 12-электродного датчика CET. Электроды датчика CET устанавливаются симметрично вокруг внешней поверхности изолирующей трубы.b показывает эквивалентную схему пары электродов в датчике CET. Он упрощен как две соединительные емкости C1 и C2 (образованные двумя электродами, изолирующей трубкой и измеряемой жидкостью) и импеданс Zx измеряемой жидкости. Для системы CCERT измеряемая жидкость эквивалентна сопротивлению Rx, то есть Zx = Rx. Для системы ECT измеряемая жидкость эквивалентна емкости Cx, то есть Zx = Cx. Для системы CCEIT измеряемая жидкость эквивалентна импедансу Zx.

Принцип измерения датчика CET.( a ) Эскиз 12-электродного датчика CET; ( b ) Эквивалентная схема пары измерительных электродов в датчике CET.

Следует отметить, что наличие двух емкостей связи C1 и C2 делает возможным бесконтактное измерение. Однако с точки зрения измерения электрического импеданса полезным сигналом является только Zx. Емкостное реактивное сопротивление C1 и C2 является фоновым сигналом, который ограничивает отношение сигнал / шум (SNR) при измерении импеданса и должен быть преодолен.

Исследования подтвердили, что принцип исключения импеданса может обеспечить эффективный подход к преодолению неблагоприятных влияний емкостей связи, т. Е. Путем введения модуля индуктивности и использования индуктивного реактивного сопротивления модуля индуктивности для устранения емкостного реактивного сопротивления связи. емкости.

показывает блок-схему принципа исключения импеданса для измерения пары электродов в датчике CET, где f – частота сигнала возбуждения, а j – мнимая единица.Общий импеданс Z измерительного тракта равен:

Z = 1j2πfC1 + Zx + 1j2πfC2 + j2πfL

(28)

Блок-схема принципа исключения импеданса в системах CET.

При применении принципа исключения импеданса мнимая часть Z должна быть равна нулю, то есть:

1j2πfC1 + 1j2πfC2 + j2πfL = 0

(29)

Таким образом, из уравнения (29), частота возбуждения f. определяется:

Уравнения (28) – (30) показывают, что если частота возбуждения задается уравнением (30), импеданс измерительного тракта состоит только из импеданса измеряемой жидкости Zx, т.е.e .:

Следовательно, емкостное реактивное сопротивление разделительных емкостей может быть успешно устранено за счет индуктивного реактивного сопротивления введенного модуля индуктивности. Таким образом, можно эффективно преодолеть негативное влияние фонового сигнала (емкости связи C1 и C2). SNR системы CET может быть улучшено.

Согласно уравнению (30) можно найти, что частота f возбуждения системы связана со значением L индуктивности введенного модуля индуктивности и емкостями связи C1 и C2.

В практическом применении значение частоты возбуждения f не следует устанавливать слишком большим, чтобы избежать предъявления слишком высоких требований к конструкции схемы и сложности системы. Между тем, значения емкостей связи обычно невелики (около 30 ~ 50 пФ), поэтому ожидается, что введенный модуль индуктивности будет иметь большое значение индуктивности.

Кроме того, материалы, толщина стенок и диаметры изолирующих трубок, а также угол наклона и длина электрода и т. Д., также будет влиять на значения емкостей связи, поэтому значение индуктивности L модуля индуктивности должно быть регулируемым, и желательно, чтобы диапазон регулировки был как можно более широким. Это означает, что модуль индуктора должен иметь хорошую совместимость и адаптируемость.

Кроме того, систему CET необходимо уплотнить для миниатюризации и интеграции. Таким образом, представленный модуль индуктивности также должен иметь возможность минимизировать и легко интегрироваться в систему CET.

Исходя из приведенных выше соображений, проблемы ясно показали, что практический индуктор все еще не может удовлетворить требованиям практического применения в системе CET, даже если это простой способ использования практического индуктора для формирования модуля индуктора.

Очевидно, что метод моделирования катушки индуктивности обеспечивает привлекательный подход к разработке модуля катушки индуктивности и, следовательно, эффективно преодолевает неблагоприятное влияние емкостей связи. Однако в области исследований CET приложений и исследований смоделированного индуктора недостаточно.Необходимо провести дополнительные исследования.

4. Новый модуль имитатора индуктивности

4.1. Конструкция нового модуля имитатора индуктивности

Эта работа направлена ​​на разработку нового имитационного индуктора, который подходит для систем CET. Основываясь на обсуждениях в Разделах 2 и 3, новый имитируемый модуль индуктора должен иметь следующие характеристики:

  • (1)

    Новый имитируемый модуль индуктора должен иметь простую конструкцию схемы.

  • (2)

    Новый имитируемый модуль индуктивности следует рассматривать как независимый модуль и может гибко подключаться к цепи.

  • (3)

    Входной ток новой моделируемой катушки индуктивности должен быть равен выходному току, потому что система CET выполняет измерения импеданса путем измерения тока, протекающего через тракт обнаружения, как показано на рис.

иллюстрирует схему нового имитируемого модуля индуктивности.

Схема нового имитационного модуля индуктивности.

In, новая имитация индуктивности состоит из заземленной моделируемой катушки индуктивности Риордана с независимым источником питания и преобразователем I / V (ток в напряжение).По сравнению с типичной имитируемой катушкой индуктивности с заземлением Риордана в новой модели катушки индуктивности есть два ключевых улучшения (или отличия):

  • (1)

    Выходная клемма (обозначенная как uout) не подключена к земле напрямую. Вместо этого его выходная клемма подключена к инвертирующей входной клемме операционного усилителя преобразователя I / V.

  • (2)

    Операционные усилители в заземленной моделируемой катушке индуктивности Riordan питаются от независимого источника питания, в то время как другие операционные усилители получают питание от источника питания системы.Между тем, общий узел (ucom) независимого источника питания подключен к выходному терминалу.

Согласно разделу 2, выходной терминал заземленной моделируемой катушки индуктивности Riordan должен быть заземлен, чтобы гарантировать, что моделируемый модуль катушки индуктивности имеет фиксированное эквивалентное значение индуктивности Leq (как описано в Разделе 2.1, предварительное условие для получения фиксированным значением Leq является то, что нагрузка схемы фиксирована). Однако в практических приложениях изменения в следующей цепи не должны влиять на значение индуктивности Leq независимого модуля индуктивности.Поэтому, как показано на, вводится эквивалентный заземленный метод для удовлетворения предварительных условий применения заземленной моделируемой катушки индуктивности Риордана, т. Е. Подключения выходной клеммы к инвертирующей входной клемме операционного усилителя и неинвертирующей клеммы операционного усилителя. напрямую связан с землей. Между тем, как показано на фиг.3, сигнал iout тока детектирования, который протекает через новую смоделированную катушку индуктивности, передается в сигнал uf выходного напряжения посредством I / V-преобразователя.

Кроме того, согласно обсуждению в Разделе 2.1, поскольку токи протекают в операционные усилители (A1 и A2) в a, выходной ток имитируемой индуктивности с заземлением Риордана отличается от входного тока, поэтому имитируемый дроссель Риордана с заземлением не может использоваться как независимый индуктор. Чтобы решить эту проблему, мы должны найти эффективный способ сделать входной ток равным выходному току. Наш метод заключается в компенсации токов, протекающих в операционных усилителях, в главной цепи.

показывает рабочие характеристики типичного операционного усилителя [1,33,34]. В, ucom – это общий узел независимого источника питания. in – ток на инвертирующей входной клемме. ip – ток на неинвертирующей входной клемме. io – ток на выходе. ic + – это ток, протекающий от положительных выводов источника питания к общему узлу. ic− – ток, протекающий от отрицательной клеммы источника питания к общему узлу. ic – ток, полученный от общего узла.

Рабочие характеристики типового операционного усилителя.

Сумма токов, поступающих на операционный усилитель, должна быть равна нулю:

ip + in + io− (ic ++ ic -) = 0.

(32)

При этом ток не течет ни на одну из входных клемм (т. Е. Ip = in = 0). Ток io, протекающий на выходной клемме, равен сумме токов ic + и ic−. Ток, полученный от общего узла ucom, также является суммой токов ic + и ic−.Таким образом, может быть получено следующее уравнение:

Уравнение (33) указывает, что ток, протекающий на выходной контакт операционного усилителя, равен току, который получается из общего узла независимого источника питания. Очевидно, он не зависит от источников питания других операционных усилителей.

В случае этой работы, два операционных усилителя A1 и A2 используются в заземленной моделируемой катушке индуктивности, как показано на. iA1 – ток на выходе A1.iA2 – это ток на выходе A2. Как упоминалось в разделе 2.1, входной ток заземленной моделируемой катушки индуктивности не равен выходному току. Существуют некоторые различия, и разница между входным током и выходным током составляет iA1 и iA2 (как показано на рисунке). В другом отношении, основываясь на приведенном выше обсуждении в этом разделе, ток, который течет на выходную клемму операционного усилителя, может быть получен из общего узла независимого источника питания.Следовательно, приравнивание входного тока к выходному току может быть реализовано путем подачи тока из общего узла независимого источника питания в основную цепь.

В новом имитируемом модуле индуктивности есть два тока (iA1 и iA2), которые необходимо компенсировать. Проще говоря, мы можем использовать два независимых источника питания и вводить токи из двух общих узлов двух независимых источников питания. Это прямое лечение. Но для этого нужны два независимых источника питания.Фактически, в этой работе нет необходимости использовать два независимых источника питания, только один независимый источник питания также может соответствовать требованиям, потому что токи (iA1 и iA2) могут течь только из общего узла независимого источника питания. Другого пути нет. Итак, в этой работе два операционных усилителя используют один независимый источник питания, который не зависит от источников питания других операционных усилителей. Таким образом, наш способ сделать входной ток равным выходному току реализуется путем введения тока из общего узла в основную цепь.Как показано на, iA1 и iA2 могут быть получены из одного общего узла ucom:

Далее текущий iout равен:

iout = iR5 + icom = iR5 + (iA1 + iA2) = iin

(35)

Из выше обсуждений, можно найти, что:

  • (1)

    При подключении выходной клеммы к инвертирующей входной клемме операционного усилителя реализуется эквивалентное заземление, что соответствует предварительному условию заземленной имитируемой катушки индуктивности. Эквивалентная индуктивность L eq нового смоделированного модуля индуктивности гарантированно будет фиксированной.На него не влияет нагрузка следующей цепи.

  • (2)

    При подключении общего узла независимого источника питания к главной цепи, токи, протекающие на выходных клеммах операционных усилителей A1 и A2, компенсируются. Входной ток нового смоделированного модуля индуктивности равен выходному току (iin = iout). Кроме того, входное сопротивление Zin новой моделируемой катушки индуктивности равно ее выходному сопротивлению Zout.

Таким образом, новый имитируемый дроссель не только имеет простую конструкцию и хорошую стабильность, аналогичную заземленному имитирующему дросселю, но также может быть удобно использован в практических приложениях, таких как плавающий имитирующий дроссель.Он снижает требования к компонентам и может использоваться в качестве независимого модуля индуктивности, чтобы эффективно заменить практичный индуктор. Соответственно эквивалентная индуктивность. L eq и внутреннее сопротивление req нового смоделированного модуля индуктивности составляют:

Сравнивая уравнения (36) и (37) с уравнениями (11) и (12), можно обнаружить, что Leq и req новой моделируемой катушки индуктивности такие же, как и у заземленной моделируемой катушки индуктивности.

4.2. Принцип измерения импеданса с использованием нового модуля имитации индуктивности

показывает упрощенную принципиальную схему измерения системы CET с использованием нового модуля симулированного индуктора, где импеданс измеряемой жидкости равен Zx.

Упрощенная принципиальная схема измерения системы CET.

Общий импеданс Z измерительного тракта равен:

Z = 1j2πfC1 + Zx + 1j2πfC2 + req + j2πfLeq

(38)

Частота возбуждения f может быть определена по следующим уравнениям:

πfC1 + 1j2πfC2 + j2πfLeq = 0

(39)

На частоте возбуждения емкостное сопротивление C1 и C2 устраняется индуктивным сопротивлением Leq.Неблагоприятное влияние емкостей связи преодолевается принципом исключения импеданса. В результате общий импеданс измерительного тракта Z состоит из импеданса измеряемой жидкости Zx и внутреннего сопротивления req, то есть:

После срабатывания преобразователя I / V сигнал выходного напряжения uf составляет:

мкФ = −ioutRf = −uZx + reqRf

(42)

Из уравнения (37) можно увидеть, что если R4 выбран в качестве резистора с большим номиналом, значение req может быть очень маленьким по сравнению с импедансом измеряемая жидкость Zx.Таким образом, уравнение (40) можно дополнительно упростить следующим образом:

Уравнение (43) указывает, что разность фаз между u и uf становится 180 °, когда реализуется принцип исключения импеданса. В практическом процессе измерения нет необходимости знать точное значение C1 или C2. Частоту возбуждения можно предварительно определить с помощью осциллографа.

В случае, когда независимый источник питания недоступен, комбинация заземленной моделируемой катушки индуктивности Riordan и преобразователя напряжения / напряжения может также создать имитационный модуль индуктивности, как показано на.Смоделированный модуль индуктора также может быть работоспособным. Он имеет такую ​​же эквивалентную индуктивность L eq и внутреннее сопротивление req, что и у нового имитируемого модуля индуктивности, но есть две проблемы:

  • (1)

    Входной ток не равен выходному току (iin ≠ iout).

  • (2)

    Когда реализуется принцип исключения импеданса, разность фаз между входным током iin и выходным током iout составляет примерно 90 °, а не 180 °.

Имитация модуля индуктивности на основе заземленной моделируемой катушки индуктивности Риордана и вольт-амперного преобразователя.

В этом случае, как описано в разделе 2.1, входной ток iin не равен выходному току iout. Сигнал выходного напряжения uf равен:

Между тем, согласно обсуждениям в разделе 2.1, могут быть получены следующие уравнения:

iin = u − uin1j2πfC1 + Zx + 1j2πfC2

(45)

iout = (1 / R4 + j2πfCm) R1R3R2iin = uinR5

(46)

iout = (1 / R4 + j2πfCm) R1R3R2 · u1j2πfC1 + Zx + 1j2πfC2 + (1 / R4 + j2π3000R9000 R5000 (9000R) 9000 R7000 (9000R) 9000 R1000) + j2πfLeqR5 · u1j2πfC1 + Zx + 1j2πfC2 + req + j2πfLeq

(48)

Когда реализуется принцип исключения импеданса, уравнение (48) упрощается следующим образом:

iout = req + j2π4 9 uZeq )

Таким образом:

uf = −req + j2πfLeqR5 · uZx + reqRf

(50)

Кроме того, когда значение req относительно мало по сравнению с импедансом измеряемой жидкости Zx, уравнение (50) может быть дополнительно упрощено. как:

uf≈ − j2πfLeqR5 · uZxRf

(51)

Следовательно, в этом случае из уравнения (51) разность фаз между сигналом возбуждения u и сигнал uf выходного напряжения составляет приблизительно 90 °, когда реализуется принцип устранения импеданса.

На основании вышеизложенного, новый имитируемый модуль индуктивности также работает в случае, когда независимый источник питания недоступен. Это также эффективный альтернативный метод. Однако необходимо указать, что в этом случае входной ток моделируемого модуля индуктивности не равен выходному току (iin ≠ iout), а разность фаз между входным сигналом и выходным сигналом составляет приблизительно 90 °. Это более или менее повлияет на результаты измерений.

5. Экспериментальные результаты и обсуждение

Чтобы проверить эффективность и оценить производительность нового смоделированного индуктора с независимым источником питания в системе CET, были проведены две серии экспериментов: эксперименты по измерению импеданса, моделирующие характеристики измеряемой жидкости. (далее именуемые экспериментами по моделированию) и эксперименты по реконструкции изображений на основе системы CET с использованием классического алгоритма линейной обратной проекции (LBP). Более подробную информацию о построении системы CET можно найти в [32] ([32] посвящен аппаратному усовершенствованию системы CCERT, в которой используется метод моделирования катушки индуктивности.Но подробная информация о моделируемом индукторном модуле не обсуждается и не приводится в [32]).

Информация о компонентах новых смоделированных катушек индуктивности () была следующей: значение регулируемого резистора R1 варьировалось от 0 до 10,0 кОм, R2 = R3 = 3,30 кОм, R4 = 1,00 МОм, R5 = 5,10 кОм и Cm = 2,20 нФ. . Операционные усилители (A1 и A2) – AD817 (Analog Devices, Inc., Норвуд, Массачусетс, США). Операционный усилитель (A3) преобразователя I / V был LM6172 (Texas Instruments, Inc., Даллас, Техас, США).Резистор обратной связи R f составил 200 Ом.

5.1. Эксперименты по моделированию

В экспериментах по моделированию эквивалентные емкости связи системы CET были представлены двумя конденсаторами C1s и C2s с подходящими фиксированными значениями. Практически измеряемая жидкость была представлена ​​комбинациями серии RC Zx с различными значениями импеданса.

Имитационная экспериментальная установка показана на.

Имитационная экспериментальная установка.

В смоделированном измерительном тракте истинные значения конденсаторов C1s и C2s равнялись 9.97 пФ и 9,99 пФ соответственно. Соответственно, эквивалентное значение индуктивности нового смоделированного модуля индуктивности было отрегулировано до 81,23 мГн. Были измерены три группы резисторов, конденсаторов и их комбинаций:

  • (1)

    Группа 1 использовала несколько разных резисторов для моделирования системы ERT, истинные значения резисторов были 10,06 кОм, 20,16 кОм, 30,42 кОм, 39,64 кОм, 47,58 кОм, 57,73 кОм, 76,65 кОм, 83,30 кОм и 100,36 кОм.

  • (2)

    Группа 2 использовала несколько разных конденсаторов для моделирования системы ECT, истинные значения конденсаторов равнялись 2.12 пФ, 5,52 пФ, 9,97 пФ, 15,32 пФ и 33,87 пФ.

  • (3)

    Группа 3 использовала некоторые комбинации серий RC для моделирования системы EIT, шесть видов комбинаций серии RC были сформированы резисторами 20,16 кОм, 47,58 кОм, 76,65 кОм и конденсаторами 5,52 пФ, 15,32 пФ.

Истинные значения резисторов и конденсаторов были откалиброваны коммерческим анализатором импеданса (Keysight 4294A, Санта-Роза, Калифорния, США, от 40 Гц до 110 МГц) на частоте 250 кГц. Сигнал возбуждения переменного тока генерировался цифровым генератором сигналов.Сигнал возбуждения переменного тока имел амплитуду 1,52 В и частоту 250 кГц. Информация о полном импедансе была измерена модулем обработки сигналов.

Для проверки эффективности измерения выбраны четыре индекса производительности, включая eR, eC, σR и σC. ER и eC – это относительные ошибки (%) измерения сопротивления и измерения емкости. σR и σC – стандартные отклонения измерения сопротивления и измерения емкости соответственно.Четыре индекса производительности определены следующим образом:

σR = 1K − 1∑k = 1K (Rk − 1K∑k = 1KRk) 2

(54)

σC = 1K − 1∑k = 1K (Ck − 1K ∑k = 1KCk) 2

(55)

где Rm и Cm – средние значения результатов измерения сопротивления и емкости импеданса, Rm = 1K∑k = 1KRk и Cm = 1K∑k = 1KCk. Rr и Cr – истинные значения сопротивления и емкости. Rk и Ck – результаты измерения сопротивления и емкости k -го. K – общее количество повторных измерений (в данной работе K = 100).

a, b показывает результаты измерений для группы 1 и группы 2 соответственно. Максимальная относительная погрешность измерения сопротивления eR составила 2,15%. Максимальная относительная погрешность измерения емкости eC составила 2,99%. Максимальное стандартное отклонение измерения сопротивления составило 0,50 кОм. Стандартное отклонение измерения емкости составило 0,05 пФ.

Результаты измерений в имитационных экспериментах. ( a ) относительные погрешности измерения сопротивления; ( b ) относительные погрешности измерения емкости.

показывает экспериментальные результаты экспериментов по измерению импеданса (Группа 3). Из этого можно видеть, что система CET, основанная на новом имитированном модуле индуктивности, может эффективно получать информацию об общем импедансе. Максимальная относительная погрешность измерения импеданса комбинации RC-серии составила 4,77%. Максимальное стандартное отклонение измерения сопротивления составило 0,27 кОм. Максимальное стандартное отклонение измерения емкости составило 0,07 пФ.

Таблица 1

Результаты измерения импеданса системы CET с независимым источником питания (250 кГц).

e125000 %) 5,63 0,04
R r (кОм) C r (пФ) R (кОм) C (pF) e C (%) σ R (кОм) σ C (pF)
20.162 20.162 4,74 2.01 0,44 0,01
20,16 15,32 20,33 15,70 0,89 2,51 0,03 0,03 0,03 0,03 2,20 0,20 0,02
47,58 15,32 46,98 15,74 -1,25 2,78 0.09 0,06
76,65 5,52 74,35 5,39 −2,99 −2,21 0,27 0,02
0,02
0,02
76302 −4,77 0,14 0,07

Соответственно, в случае отсутствия независимого источника питания нового имитируемого модуля индуктивности, также были проведены эксперименты по измерению импеданса.Результаты измерений для Группы 1, Группы 2 и Группы 3 показаны соответственно на a, b и. При этом максимальная относительная погрешность измерения сопротивления eR составила 2,66%. Максимальная относительная погрешность измерения емкости eC составила 3,13%. Максимальная относительная погрешность измерения импеданса комбинации серии RC составила 4,84%. Максимальное стандартное отклонение измерения сопротивления составило 0,43 кОм. Максимальное стандартное отклонение измерения емкости составило 0,08 пФ.

Результаты измерений в имитационных экспериментах без автономного источника питания.( a ) относительные погрешности измерения сопротивления; ( b ) относительные погрешности измерения емкости.

Таблица 2

Результаты измерения импеданса системы CET без независимого источника питания (250 кГц).

e1259 %) 0,01
R r (кОм) C r (пФ) R (кОм) C (pF) e C (%) σ R (кОм) σ C (pF)
20.16 5,52 20,81 5,60 3,26 1,47 0,43 0,01
20,16 15,32 20,83 15,32 20,83 20,83
47,58 5,52 47,43 5,61 −0,31 1,66 0,21 0,02
47,58 15.32 47,18 15,78 −0,83 3,04 0,08 0,07
76,65 5,52 74,47 −5,52 74,47 −5,52 74,47 −5,45 74,47 −5,45
76,65 15,32 75,52 14,57 −1,47 −4,84 0,14 0,08

Эффективный смоделированный модуль индуктора продемонстрировал, что конструкция модуля индуктора он может заменить практичный индуктор для устранения импеданса в измерительном тракте системы CET, и его характеристики были удовлетворительными.Неблагоприятное влияние емкостей связи можно успешно преодолеть с помощью новых смоделированных модулей индуктивности, а отношение сигнал / шум системы CET улучшено.

Между тем, также обнаружено, что характеристики нового смоделированного индуктора без независимого источника питания сравнимы с характеристиками нового смоделированного индуктора с независимым источником питания. Существует лишь небольшое различие между экспериментальными результатами в этих двух случаях. Таким образом, в случае, когда независимый источник питания недоступен, новая смоделированная катушка индуктивности также является эффективным альтернативным методом, но разность фаз между входным и выходным сигналами составляет примерно 90 °, когда реализуется принцип исключения.

5.2. Практические эксперименты по восстановлению изображения

Для проверки качества восстановления изображения системы CET с использованием новых смоделированных модулей индуктивности были проведены практические эксперименты по восстановлению изображения. Материалом изоляционной трубы датчика CET был поливинилхлорид (ПВХ). Внешний диаметр и толщина трубы из ПВХ составляли 110 мм и 2 мм соответственно. Длина электрода и угла электрода составляла 150 мм и 26 ° соответственно. это фотография прототипа системы CET.

Фотография прототипа системы CET.

В качестве непрерывной фазы использовалась водопроводная вода с проводимостью 160 мкСм / см. В качестве дискретной фазы использовались стержни из непроводящего пластика (полиэтилена) разного диаметра (20 мм и 35 мм). Во время экспериментов пластиковые стержни помещали в разные места в трубе, наполненной водопроводной водой. Затем можно обнаружить изменения проводимости в трубе. Для восстановления изображения использовался классический алгоритм LBP.и g соответственно. N – номер пикселя восстановленного изображения, в данной работе N = 856.

– экспериментальные результаты восстановления изображения. перечисляет информацию о трех индексах качества изображения.

Практические распределения электропроводности и результаты реконструкции изображений систем CET.

Таблица 3

Три показателя качества изображения результатов восстановления изображения.

практическое качество реконструкции изображения восстановления изображения прототипа системы CET с использованием новых смоделированных модулей индукторов удовлетворительно. По сравнению с системой CET без модуля индуктивности, MSE и RIE системы CET, использующей новый смоделированный модуль индуктора, меньше.Качество восстановления изображения в системе CET улучшено за счет введения нового имитационного модуля индуктивности. Эффективно применение метода имитации индуктора в области исследования технологической томографии.

6. Выводы

В данной работе подробно анализируются характеристики моделируемой катушки индуктивности на основе схемы Риордана. Путем сравнения и анализа было обнаружено, что имитация индуктивности с заземлением имеет простую конструкцию схемы, но одна клемма должна быть заземлена.Плавающая имитирующая катушка индуктивности может использоваться в качестве независимого модуля индуктивности, хотя ее схемная структура является относительно сложной. Между тем, также указывается, что причина, по которой заземленный имитирующий индуктор не может использоваться в качестве независимого модуля, заключается в том, что выходной ток заземленного имитированного индуктора отличается от входного тока (iin ≠ iout).

В этой работе сообщается о новом смоделированном модуле индуктивности, который подходит для системы CET. Путем компенсации токов от общего узла введенного независимого источника питания к главной цепи разработан новый моделируемый индуктор.Новый имитируемый дроссель не только имеет простую конструкцию, аналогичную заземленному имитирующему дросселю, но также может использоваться в качестве независимого модуля, такого как плавающий имитирующий дроссель. Это снижает требования к компонентам и может быть удобно использовано в практических приложениях, как практический индуктор. Новый смоделированный модуль индуктивности гарантирует эквивалентность входного и выходного тока. Эти два преимущества делают привлекательным подход к применению метода моделирования индуктора в исследовательских областях технологической томографии.

Для проверки эффективности и оценки характеристик смоделированного индуктора новой конструкции были проведены две серии экспериментов. Результаты экспериментов показывают, что конструкция новой моделируемой катушки индуктивности является успешной, а характеристики новой моделируемой катушки индуктивности являются удовлетворительными. Максимальная относительная погрешность измерения сопротивлений – 2,15%, максимальная относительная погрешность измерения емкостей – 2,99%, максимальная относительная погрешность измерения импеданса – 4.77%. Результаты практической реконструкции изображений, полученные с помощью системы CET, показывают, что качество реконструкции изображения является удовлетворительным, а применение метода моделирования индуктора в области исследования технологической томографии является эффективным. SNR системы CET может быть улучшено.

Кроме того, экспериментальные результаты также показывают, что в случае, когда независимый источник питания недоступен, характеристики нового смоделированного индуктора сравнимы с характеристиками нового смоделированного индуктора с независимым источником питания.Таким образом, в этом случае новая смоделированная катушка индуктивности также является эффективным альтернативным методом, но разность фаз между входным и выходным сигналами составляет примерно 90 °, когда реализуется принцип исключения (входной ток не равен выходному току). Это может более или менее повлиять на результаты измерений и практическое применение.

Эта работа предоставляет подробную информацию о смоделированных индукторах на основе схемы Риордана, включая подробные схемы измерения и соответствующий анализ, технические параметры компонентов смоделированной индуктивности, полученный опыт / знания и последние достижения, а также разработка новой модели индуктора.Согласно техническому содержанию статьи, читатели могут дублировать измерительную схему новой моделируемой катушки индуктивности. Мы надеемся, что эта статья может предоставить полезные справочные материалы / опыт для работы других исследователей и расширить области применения метода моделирования индуктора.

Вклад авторов

Концептуализация, Z.H .; методология, Z.H., B.W. и H.J .; программное обеспечение, X.Y. и Y.W .; проверка, X.Y., Y.W. и X.-Y.T .; формальный анализ, X.Y., Y.W. и X.-Y.T .; расследование, X.Ю., Ю.В. и X.-Y.T .; ресурсы, З.Х .; курирование данных, X.Y., Y.W. и X.-Y.T .; письменность – подготовка оригинального черновика, X.Y. и Y.W .; написание – просмотр и редактирование, B.W., H.J. и X.-Y.T .; визуализация, X.Y. и Y.W .; наблюдение, З.Х .; администрация проекта, H.J .; финансирование, HJ

Финансирование

Эта работа поддержана Национальным фондом естественных наук Китая № 61573312 и проектом Государственной ключевой лаборатории технологии промышленного управления (Университет Чжэцзян) ICT1909.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Джеймс У., Сьюзан А. Электрические цепи. 9 изд. Pearson Education; Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси, США: 2011 г. [Google Scholar] 2. Уильям Х., Джек Э., Стивен М. Анализ технических схем. 7-е изд. McGraw Hill Companies; Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: 2007. [Google Scholar] 3. Кристиансен Д., Александр К., Юрген Р. Стандартный справочник по электронной инженерии. 5-е изд. McGraw Hill Professional; Бостон, Массачусетс, США: 2004.[Google Scholar] 4. Кумар Ю., Шукла С.К. Аналитическое исследование схем моделирования индукторов. Действовать. Пассивный электрон. Компон. 1989; 13: 211–227. DOI: 10,1155 / 1989/39762. [CrossRef] [Google Scholar] 5. Риордан Р.Х.С. Смоделированные катушки индуктивности с использованием дифференциальных усилителей. Электрон. Lett. 1967; 3: 50–51. DOI: 10,1049 / Эль: 19670039. [CrossRef] [Google Scholar] 6. Антониу А. Реализация гираторов с использованием операционных усилителей и их использование в синтезе RC-активных сетей. Proc. Inst. Электр. Англ. 1969; 116: 1838–1850.DOI: 10.1049 / piee.1969.0339. [CrossRef] [Google Scholar] 7. Датта Рой С.С. Схема для моделирования плавающей индуктивности. Proc. IEEE. 1974; 62: 521–523. DOI: 10.1109 / PROC.1974.9458. [CrossRef] [Google Scholar] 8. Сьюзан Д., Джаялалита С. Аналоговые фильтры с имитацией катушки индуктивности; Материалы Международной конференции по механическим и электрическим технологиям 2010 г .; Сингапур. 10–12 сентября 2010 г. [Google Scholar] 9. Фахфах М., Пьержала М., Родански Б. О конструкции активных катушек индуктивности с источниками напряжения, регулируемыми по току.Аналоговая цифра. Сигнальный процесс. 2012; 73: 89–98. DOI: 10.1007 / s10470-011-9798-z. [CrossRef] [Google Scholar] 10. Abuelma’atti M.T. Новые симуляторы заземленной иммиттансной функции с использованием одиночного операционного усилителя с обратной связью по току. Аналоговый интегр. Цепи сигнального процесса. 2012; 71: 95–100. DOI: 10.1007 / s10470-011-9742-2. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Джаялалита Д.С., Сьюзан Д. Заземленный имитационный индуктор – обзор. Ближний Восток J. Sci. Res. 2013. 15: 278–286. [Google Scholar] 12. Yuce E., Minaei S., Cicekoglu O.Новая реализация заземленного индуктора с минимальным количеством активных и пассивных компонентов. Этри Дж. 2005; 27: 427–432. DOI: 10.4218 / etrij.05.0104.0149. [CrossRef] [Google Scholar] 13. Солиман А.М. О реализации плавающих индукторов. Nat. Sci. 2010. 8: 167–180. [Google Scholar] 14. Редди М.А.Некоторые новые схемы операционных усилителей для реализации потерь плавающей индуктивности. IEEE Trans. Circuits Syst. 1976; 23: 171–173. DOI: 10.1109 / TCS.1976.1084186. [CrossRef] [Google Scholar] 15. Сингх В.О симуляции плавающего импеданса. IEEE Trans. Circuits Syst. 1989; 36: 161–162. DOI: 10.1109 / 31.16590. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Кроу К. Справочник по многофазным потокам. CRC Press; Бока-Ратон, Флорида, США: 2006. [Google Scholar] 17. Фальконе Г., Хьюитт Г.Ф., Алимонти Г.Ф. Измерение многофазного потока. Elsevier Press; Оксфорд, Великобритания: 2010. [Google Scholar] 18. Ван Б.Л., Чжан В.Б., Хуан З.Й., Цзи Х.Ф., Ли Х.К. Моделирование и оптимальная конструкция сенсора для системы томографии электрического сопротивления с емкостной связью.Flow Meas. Instrum. 2013; 31: 3–9. DOI: 10.1016 / j.flowmeasinst.2012.10.009. [CrossRef] [Google Scholar] 19. Вахаб Ю.А., Рахим Р.А., Рахиман М.Х.Ф. Неинвазивная технологическая томография в химических смесях – обзор. Sens. Actuators B. 2015; 210: 602–617. DOI: 10.1016 / j.snb.2014.12.103. [CrossRef] [Google Scholar] 20. Холдер Д.С. Электроимпедансная томография: методы, история и применение. Издательский Институт Физики; Бристоль, Великобритания: 2005. [Google Scholar] 21. Рымарчик Т., Клосовский Г., Козловский Э., Чуржевский П. Сравнение выбранных алгоритмов машинного обучения для промышленной электротомографии. Датчики. 2019; 19: 1521. DOI: 10,3390 / s1

21. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 22. Рымарчик Т., Клосовский Г., Козловский Э. Неразрушающая система на основе электрической томографии и машинного обучения для анализа влажности зданий. Датчики. 2018; 18: 2285. DOI: 10,3390 / s18072285. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Стефани Ф., Гундрам Т., Гербет Г.Бесконтактная индукционная проточная томография. Phys. Ред. E. 2004; 70: 056306. DOI: 10.1103 / PhysRevE.70.056306. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 24. Стефани Ф., Рюдигер Г., Шклярски Дж., Гундрам Т., Гербет Г., Холлербах Р. Эксперименты по магнитовращательной неустойчивости в винтовых магнитных полях. New J. Phys. 2007; 9: 10949. DOI: 10,1088 / 1367-2630 / 9/8/295. [CrossRef] [Google Scholar] 25. Циолковски М., Гратковски С., Живица А.Р. Аналитические и численные модели магнитоакустической томографии с магнитной индукцией.COMPEL Int. J. Comput. Математика. Электр. 2018; 37: 538–548. DOI: 10.1108 / COMPEL-12-2016-0530. [CrossRef] [Google Scholar] 26. Ставицки К., Гратковски С., Коморовски М., Пьетрусевич Т. Новый преобразователь для магнитно-индукционной томографии. IEEE Trans. Magn. 2009; 45: 1832–1835. DOI: 10.1109 / TMAG.2009.2012799. [CrossRef] [Google Scholar] 27. Се К.Г., Хуанг С.М., Хойл Б.С. Электроемкостная томография для визуализации потока: модель системы для разработки алгоритмов восстановления изображений и проектирования первичных датчиков.IEE Proc. G. 1992; 139: 89–98. DOI: 10.1049 / IP-G-2.1992.0015. [CrossRef] [Google Scholar] 28. Хуан З.Й., Цзян В.В., Чжоу X.М., Ван Б.Л., Цзи Х.Ф., Ли Х.К. Новый метод определения проводимости с емкостной связью и бесконтактным методом, основанный на последовательном резонансе. Приводы Sens. B Chem. 2009. 143: 239–245. DOI: 10.1016 / j.snb.2009.08.032. [CrossRef] [Google Scholar] 29. Лю Ю.К., Хуанг Дж.С., Хуан З.Й., Цзи Х.Ф., Ван Б.Л., Ли Х.К. Исследование применения метода моделирования индуктора к конструкции датчика C4D.Sens. Actuators A. 2017; 264: 195–204. DOI: 10.1016 / j.sna.2017.06.037. [CrossRef] [Google Scholar] 31. Ван Ю.Х., Цзи Х.Ф., Хуан З.Й., Ван Б.Л., Ли Х.К. Онлайн-измерение проводимости / диэлектрической проницаемости жидкости с помощью нового бесконтактного датчика импеданса. Rev. Sci. Instrum. 2017; 88: 055111. DOI: 10.1063 / 1.4983208. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 32. Ван Ю.Х., Ван Б.Л., Хуанг З.Й., Цзи Х.Ф., Ли Х.К. Новая система томографии электрического сопротивления с емкостной связью (CCERT). Измер. Sci. Technol. 2018; 29: 104007.DOI: 10.1088 / 1361-6501 / aadb1c. [CrossRef] [Google Scholar] 33. Huijsing J.H. Устройство и применение операционного плавающего усилителя (OFA): Самый универсальный операционный усилитель. Аналоговый интегр. Цепи сигнального процесса. 1993. 4: 115–129. DOI: 10.1007 / BF01254863. [CrossRef] [Google Scholar] 34. Huijsing J.H., Veelenturf C.J. Монолитный операционный зеркальный усилитель класса AB. Электрон. Lett. 2007. 17: 119–120. DOI: 10,1049 / Эль: 19810085. [CrossRef] [Google Scholar]

Тестер индуктивности Эмери

Тестер индуктивности Эмери

Измеритель индуктивности

Емкость Метр

Быстро Прецизионный выпрямитель

Простой регенеративный приемник

Пробник с высоким сопротивлением

Генератор высокого напряжения


Создание собственных инструментов для измерения электрические величины и параметры различных компонентов могут быть приятным и стоящим времяпрепровождением.Измеритель индуктивности, Например.
В сети опубликовано большое количество схем, некоторые из них замечательно простой, но, возможно, далеко не идеальный. Они не могут, например, учитывать сопротивление катушки или собственную емкость. У каждого подхода есть свои плюсы и минусы. Экспериментатор будет поэкспериментируйте … Это то, к чему я вас приглашаю:

Как это работает:
-Неизвестный индуктор вставлен в цепь генератора который затем самонастраивается для получения точного стабилизированного амплитудная синусоида.Для этого амплитуда осциллятора равна обратная связь для контроля отрицательного сопротивления в резервуаре схема.
-Выход интегрируется дважды подряд.
– Результирующая форма волны демодулируется и усредняется для получения показание пропорционально измеряемой индуктивности.

Дополнительная информация:
L1 – измеряемая индуктивность.
R13 устанавливает выходную амплитуду генератора, которая должна быть на уровне 400 мв пик.
В схеме используется “самодельная” светодиодно-кадмиевая сульфидная оптопара. состоит из одного светодиода, освещающего два отдельных фотоэлемента. Одна из ячеек используется для линеаризации ответа, другая для управления генератором.
Компоненты низкочастотного шума имеют тенденцию к значительному усилению. в процессе интеграции, поэтому фильтр высоких частот абсолютная необходимость перед демодуляцией.
Фильтры верхних частот 1 и 2 идентичны, за исключением смещения. регулировка в фильтре 1.Фильтр 1 предназначен для устранения шума, в то время как фильтр 2 гарантирует, что фазовые условия для демодуляция правильная.
Потенциометр R33 демодулятора предназначен для смещения U6 выход, его следует отрегулировать для получения чистой полуволны выпрямленный сигнал. Выход U6 должен быть такой же большой амплитуды насколько это возможно, не доводя LM318 до насыщения. Его насыщение приведет к нежелательным фазовым сдвигам.
Наконец, цифровой вольтметр подключается к усредненному демодулированный сигнал.
Схема ниже будет измерять индуктивность примерно до 20 milihenries. Значимые показания могут быть сняты даже в уровень милливольт. Здесь использовались все операционные усилители TL072, кроме операционного усилителя. amp U6, который является LM318. Интеграторы можно масштабировать до любых желаемый настраиваемый диапазон. Схемы здесь способны точно показания до 10 микрогенри.
Я также включаю клип, показывающий фактический демодулированный выход и уровни управляющего напряжения.Измерение последовательно отображает выходы для индукторов 10, 20 и 100 мкг. Последнее измерение затем повторили с резистором 200 Ом, включенным последовательно с индуктор. Обратите внимание, что результат остается неизменным, пока элемент управления напряжение устанавливается на гораздо более высокое значение.


Счетчик основан на идее заряда передача с непрерывным режимом работы, исключающим диэлектрическое поглощение и проблемы с шумом переменного тока.

Изготовлено и протестировано устройство:


Использовался генератор прямоугольных импульсов на операционном усилителе с частотой примерно 1 кГц. частота. Период или симметрия не обязательно должны быть точными, только амплитуда. Дополнительный драйвер МОП-транзистора предназначен для исправить вывод
амплитуда точно к хорошо отрегулированной шине питания + -10 вольт. Этот точный квадратный сигнал амплитуды затем применяется к измеренная емкость C3.Периодически переносимая плата интегрирован операционным усилителем U1A и стандартной емкостью C2. Результирующая прямоугольная форма волны затем масштабируется операционным усилителем U5A и дискретизируется дифференциально с помощью двух транзисторных цепей на полевых транзисторах. Окончательный результат отображается на цифровом напряжении с высоким импедансом. метр. (вход 10 МОм, буферы потребуются для более низких измерители импеданса)
-Отбор проб производится в центре (см. Схему моделирования), дает достаточно времени для полной передачи заряда, а также с дополнительным преимуществом компенсации верха и эффект изменения наклона нижней кромки за счет сопротивления 20M поперек C2.Выборка также является дифференциальной, что исключает поля переменного тока. вмешательство.


C2 = 10nf и R6 = 49k даст диапазон измерения до 100 pf-s, на дисплее будет 10 вольт при этом значении. 1/100 тыс. Фунтов покажет до 1 мв. Выходные значения выше 12 вольт не поддерживаются. из-за ограничений амплитуд дискретизации.
C2 = 100nf и R6 = 4k даст диапазон до 100nf. (можно попробовать здесь любое количество комбинаций)


Наблюдения:
Я пробовал эту схему до 250 нФ.Для значений емкости больше 250 нФ, необходимо увеличить период генератора или текущая мощность операционного усилителя U1A. Низкая емкость измерения были стабильными и воспроизводимыми, с точностью до 1/100 пф. Линейность тоже отличная.


Выпрямители на операционных усилителях не особо быстрые.


– Возьмем, к примеру, TL072CP с полосой пропускания 15 МГц с базовым диодным выпрямителем. конфигурация, как в схеме, показанной внизу.На входе 100мв Сигнал 100 кГц на выходе не будет показывать никакого выпрямления.
-Более стандартная схема (посередине) использует дополнительный диод и конфигурация, которая не позволит операционному усилителю насыщаться за полупериод. В результаты заметно лучше, но все еще довольно слабые при низкой амплитуде и высокой частота, используемая здесь.
-Посмотрите на верхнюю схему. Добавленные дополнительные компоненты будут в дальнейшем уменьшить колебания выходного сигнала операционного усилителя, чтобы он мог реагировать намного быстрее во время нулевые переходы.Полученное изображение прицела говорит само за себя. В этой настройке диоды также дадут полную температурную компенсацию.
-выходы 8,17 и 30 являются выходами усреднения сигнала. Для любого типа формы сигнала, они будут создавать уровни постоянного тока, пропорциональные входной амплитуде. В резисторы в этих RC-элементах нижних частот должны иметь высокое значение, чтобы они не будут мешать выпрямленному сигналу. Эта часть схемы могла также при необходимости быть разделенными буфером операционного усилителя.


Трудно устоять перед простотой этих приемников. как их потенциал. Чарльз Китчин, среди прочих, опубликовал прекрасную работу модели, на которые стоит посмотреть.
Построив некоторые из них за долгие годы, я остановился на списке того, что я требуется в регенеративном приемнике:

1-Не должно быть никаких внешних индукторов связи, будь то сигнал антенны или регенерация. Только одна катушка малого диаметра.
2-Чтобы иметь возможность настраиваться по диапазонам, не подключая различные индукторы.
3-Близость объектов не должна сильно расстраивать приемник.
4-Антенна относительно короткой длины, не более 1,5 метра, но все же достаточно, чтобы соперничать по чувствительности с коммерческими супергероями с одинарным транспонированием. Во всем частотном диапазоне приема.
5-Регенерация должна быть плавной, без гистерезиса.
6. Ширина полосы приема должна быть достаточно узкой даже на более высоких частотах.
7-Простота сборки.

Конструкция, представленная ниже, направлена ​​на достижение всего вышеперечисленного.

– Самая важная особенность, определяющая производительность этой схемы, – это отдельный демодулятор. Демодуляция не выполняется в каскаде генератора, так как встречается чаще всего. Шунтирующий конденсатор большого истокового резистора, используемый для получения демодулированный сигнал в большинстве регенеративных приемников обязательно будет вызывают нелинейность тока стока. Это ограничивает достижимый Q.Сравнение общих показателей гармонических искажений в токе стока (при 100 мВ амплитуда синусоидального стробирующего сигнала) даст 0,06% без и 3% с 1 нФ шунтирующий резистор источника. Приводит к увеличению минимальной пропускной способности в 4 раза цифры! В этом заключается проблема, а также решение, основанное на добавлении отдельный каскад FET-демодулятора, который не ухудшает пропускную способность. Этот демодулятор смещен на очень низкие токи, что обеспечивает большую чувствительность.
-Заземленный базовый антенный согласователь является стандартным, его другая функция – минимизировать влияние близости антенны и энергетического излучения.Что отличается емкостная связь.
-Дроссельный конденсатор подключается к подаче тока непосредственно в емкость заземления индуктора бака. Это сделано на стороне индуктивности, чтобы инвертировать фаза. Параллельный дроссель обеспечивает путь постоянного тока. (просто заземление ворот с резистором большого номинала вместо использования дросселя – не лучшая идея, оставляет ворота уязвимыми для полей переменного тока)
-Банок настроен на высокочастотный ферритовый стержень диаметром 10 мм и Длина 7 см.Максимальная индуктивность катушки около 7uh, диаметр 12 мм, 11 витков, длина 30 мм для моей конкретной удочки. Я смог получить на частоты от 5,5 до 20 МГц или около того. Точная настройка с переменной 25pf конденсатор.

Небольшая помощь для сборки:

– Шунтирующая емкость C3 резистора источника компенсации частоты есть, чтобы включить колебания в более высоких частотных диапазонах.
-Заземляющий конденсатор емкости индуктивности С5 следует выбирать так, чтобы обратная связь была в правильном диапазоне, до значения, которое просто начало бы колебания с Емкость дроссельной заслонки при среднем значении и настроечный стержень полностью вставлен.
-Все 3 RF дросселя идентичны, 3мх на малых диаметром 16 мм. тороидальные сердечники.
-Если необходимо прикрепить более длинную антенну, рекомендуется использовать аттенюатор. я обнаружил, что длина 1,5 метра более чем достаточно, чтобы соответствовать чувствительности моего Реалистичный цифровой ресивер DX-370.



Я использовал экранированный наконечник зонда (на фото выше). от коаксиального кабеля 50 Ом и некоторого материала жестяной банки, в котором размещены указанные компоненты на принципиальной схеме.Остальные компоненты зонда были накорячены, не критично для производительности.
-измерения показывают входную емкость 0,02 пФ до 100 кГц, при этом сохраняется 0,07 пф при 1 МГц. Наконечник зонда имеет такой высокий импеданс, что простая близость до точки измерения достаточно для получения большей части сигнала. (Думаю что входная емкость 0,02 пФ может быть уменьшена за счет уменьшения коаксиального кабеля. диаметра и уменьшающейся длины удлинения наконечника, моделирование говорит, что это возможно) Что касается передачи амплитуды, с точностью примерно до 1/10 одного процента ниже 100 кГц и менее 1% при 1 МГц.(для очень низких частот значения блокирующего конденсатора становятся коэффициентом)


(отказ от ответственности: высокое напряжение убивает !, любой, кто экспериментирует с это устройство должно уметь обращаться с такими устройствами. Это устройство, если построен, обладает достаточной энергией, чтобы убить человека, требуется особая осторожность)

Это немного нестандартно, но кажется выполнимым и может генерировать значительная мощность. Пока это только моделирование…

Принцип:
Переменный конденсатор с приводом от двигателя генерирует постоянный ток высокого напряжения при большой мощности. уровни. Электродвигатель приводит в движение круглый диск диаметром примерно 10-15 см. Мотор вращается со скоростью 50-60 циклов / сек. Вращающийся диск образует один полюс конденсатора. Он разделен на 10 симметричных секторов проводящих «пирожков», равномерно распределены, чередуя проводящие и непроводящие области. В неподвижный диск точно такой же компоновки, как и вращающийся.Эти два диска вместе образуют переменный высоковольтный конденсатор емкостью примерно 20 пФ. (в зависимости от расстояния и изоляции)

Функция:
Комбинация из 3 высоковольтных диодных стеков и двух высоковольтных конденсаторов. направить заряд в нагрузку и в то же время вернуть потенциал необходимо для работы устройства. Пусковой потенциал аккумулятора используется для инициировать наращивание.

Спецификации:
Эта конструкция будет генерировать 20 киловольт при мощности 7 Вт.Три высоких стеки диодов напряжения и два конденсатора по 500 пФ рассчитаны на 25 кВ. В Общая емкость вращающегося диска – 20 пФ, номинальная мощность – 40 киловольт. (возможно с использованием стеклянной изоляции между дисками)

Примечание. Это генератор «беглого» типа, требуется регулятор, чтобы избежать самопроизвольного разрушить.

Построение измерителя LCR – Блог – Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом

В последнее время наблюдается большой интерес к эквивалентному последовательному сопротивлению конденсатора (ESR) и многим другим темам, связанным с конденсаторами (например.грамм. см. «Глубокое погружение в ESR», «Введение», «Эксперименты с утечкой конденсаторов и эксперименты с полимерными конденсаторами»). В этом сообщении блога кратко обсуждается, как создать инструмент, который можно подключить к ПК, чтобы измерить импеданс компонентов. Для краткого обзора импеданса и того, почему это может быть важно, см. Измерение характеристик конденсатора

Обычный мультиметр может измерять сопротивление, которое связано с приложенным напряжением, и постоянный ток через тестируемый компонент, используя формула R = V / I.

Измеритель импеданса, также известный как измеритель LCR, делает то же самое, но вместо этого использует переменный ток. Это полезно, потому что большинство компонентов также имеют реактивное сопротивление, которое приводит к разности фаз между синусоидальной волной приложенного переменного напряжения и результирующей синусоидальной волной переменного тока, проходящей через компонент. Измеряя разность фаз, вы можете определить емкость (или индуктивность) компонента на этой частоте, а также любое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) конденсаторов.

Хотя некоторые мультиметры могут измерять емкость или индуктивность, они обычно делают это только на одной частоте. Измеритель LCR позволит вам изменять частоту.

Этот проект возник, потому что я создавал аудиоусилитель и хотел подключить его к ПК с помощью звуковой карты. В поисках программного обеспечения я нашел приложение под названием Visual Analyzer (это только для Windows и с закрытым исходным кодом, но его можно бесплатно загрузить). Запустив его, я заметил, что он поддерживает LCR, и после дальнейшего расследования заметил, что автор опубликовал подробную информацию (PDF) о схеме с двумя операционными усилителями, которую можно подключить к звуковой карте, чтобы преобразовать ее в измеритель LCR! Итак, я решил взять две свои (моно) монтажные платы аудиоусилителя и построить схему, чтобы опробовать ее.Результаты кажутся очень хорошими.

Ниже показана высокоуровневая диаграмма системы. Под управлением программного обеспечения ПК звуковая карта генерирует синусоидальную волну. Это применяется к последовательной цепи, состоящей из известного сопротивления и неизвестного импеданса. Эти два последовательно соединенных компонента действуют как потенциальный делитель. Как описано в разделе «Измерение характеристик конденсатора», измеряя напряжение (и фазу) в верхней и средней части делителя потенциала, программное обеспечение ПК может определить неизвестный импеданс.

В программном обеспечении больше сложностей (например, требуется выполнить процедуру калибровки), но на высоком уровне это все.

Для практической реализации известное сопротивление фактически представляет собой набор точных резисторов, включаемых с помощью поворотного переключателя. Это позволяет использовать схему в широком диапазоне неизвестного импеданса.

На приведенной ниже принципиальной схеме показана возможная реализация.Это схема, которую я построил, но ее можно было улучшить. Схема содержит множество «неподходящих» компонентов, так что в будущем ее можно будет изменить.

В схеме используется поворотный переключатель для выбора известного сопротивления в диапазоне от 10 Ом до 100 кОм. Было бы неплохо иметь более низкое сопротивление, но для этого потребуется буфер, иначе выход звуковой карты будет загружен слишком сильно.

Поворотный переключатель имеет два полюса, и второй полюс может использоваться для включения светодиодов, указывающих диапазон.Возможно, в этом нет необходимости, так как поворотный переключатель можно просто пометить.

Для аудиоразъемов обычные звуковые карты имеют разъемы для стереоразъемов 3,5 мм или монофонические разъемы (RCA) (два из них, для левого и правого), но для звуковых карт типа «домашняя музыка» используются моно разъемы 6,35 мм. . Лично я считаю, что больший диаметр 6,35 мм – хороший вариант, потому что он позволяет упростить конструкцию кабеля (кабели нуждаются в хорошей экранирующей оплетке, поэтому они имеют тенденцию быть толстыми) и разделить два канала.

Для поворотного переключателя, чтобы упростить соединения, одним из вариантов может быть отдельная печатная плата (или отрезанная область печатной платы), которая припаивается к контактам поворотного переключателя и имеет известные сопротивления. припаян на этой плате тоже. Таким образом, необходимо использовать только два провода для соединения между этой отдельной платой и основной платой. Некоторые отверстия на печатной плате для крепления L-образного кронштейна для поворотного переключателя также могут быть вариантом.

Еще одна идея могла бы заключаться в том, чтобы аудиовход / выход также выводился на разъем заголовка, на случай, если в будущем будет использоваться дополнительная плата для (скажем) подключения через I2S к Pi или BBB для будущего пользовательского программного обеспечения .Это будет иметь преимущество, заключающееся в устранении различий между звуковыми картами USB и любых манипуляций, которые могут выполнять драйверы Windows или звуковая система (кстати, если вы покупаете звуковую карту, карта с поддержкой ‘ASIO input’ и ‘ASIO output’ устранит такие манипуляции. насколько я понимаю (я не очень разбираюсь в звуковых картах).

Как уже упоминалось, я работал над микрофонным усилителем, поэтому у меня было много запасных печатных плат, на каждой из которых можно было разместить по одному операционному усилителю. Для прототипа я использовал две доски (одна была разрезана пополам).Кабели для звуковой карты были проложены напрямую, без разъемов. Держатели батарей (два элемента AA используются для шин + 1,5 В и -1,5 В) были приклеены к плате. Будем надеяться, что вся конструкция должна поместиться в корпус, предназначенный для печатных плат шириной 160 мм (корпуса у меня пока нет).

Для подключения тестируемого устройства (DUT) я использовал самодельный набор кабелей: Тестовые провода Building Kelvin (4-Wire)

Файлы Gerber прикреплены к этому сообщению в блоге, но не очень полезно для этого проекта – лучше построить специальную печатную плату.Вот крупный план области операционного усилителя:

Чтобы использовать его, загрузите программное обеспечение Visual Analyzer и установите его. Я использовал VA64, и вроде работает нормально.

Подключите цепь измерителя LCR к звуковой карте. Я использовал линейный вход и линейные выходы. Моя звуковая карта (Scarlett 2i2 2nd Gen) имеет регулятор усиления для левого и правого входов, поэтому я увеличил их до максимума. Если ваша звуковая карта искажает на максимальном уровне, возможно, вы не захотите этого делать. Я не знаю, к чему это приведет, так как я не знаю точно, какой алгоритм используется в программе.Предположительно, он автоматически регулирует амплитуду выходного канала, чтобы входные каналы не сильно искажались.

Затем запустите VA64, и в правом нижнем углу дисплея появится флажок с надписью ZRLC meter. Нажмите на нее, чтобы запустить LCR!

Следующим шагом является выполнение калибровки. Это действительно просто. Во-первых, убедитесь, что тестируемое устройство не подключено. Затем выберите желаемый диапазон с помощью поворотного переключателя на основе приблизительно ожидаемого импеданса на желаемой частоте.

Затем выберите желаемую частоту в программном обеспечении (я выбрал 120 Гц на скриншоте ниже) и используйте раскрывающийся список, чтобы выбрать правильный диапазон. Нажмите кнопку «Измерить», и калибровка будет выполняться с этой частотой.

Теперь вы можете присоединить неизвестное сопротивление к ИУ (не забудьте сначала замкнуть любую заряженную емкость!), И результаты должны отображаться! На скриншоте ниже показано значение ESR для конденсатора 1,297 Ом.

Если вы хотите изменить частоту или диапазон, вам нужно для этого нажать кнопку «Стоп», а затем отсоединить тестируемое устройство и повторить калибровку.

Исходя из моих начальных минимальных тестов, результаты кажутся хорошими. Я подтвердил это с помощью измерителя LCR, который должен соответствовать требованиям. Хотя я еще не много тестировал. Я проверил резистор (он имел 8,8 Ом на обоих приборах) и конденсатор 22 мкФ, который измерял ESR 1,28 Ом на обоих приборах.

В этом проекте используются стандартные ПК и звуковая карта в сочетании с программным обеспечением Visual Analyzer для реализации недорогого измерителя LCR.Первоначальные результаты кажутся хорошими, хотя необходимо провести дополнительные тесты.

Спасибо за чтение!

Измеритель индуктивности с прямым считыванием

использует генератор треугольных волн – Deeptronic

Рис. 1. Собранная схема измерителя индуктивности Hamuro

Индуктивность и единица измерения

Индуктивность – это свойство электрического проводника, которое выражает характеристику генерирования электродвижущей силы или напряжения при изменении величины электрического тока внутри него.Это похоже на концепцию инерции массы в механической области, когда она генерирует силу при изменении скорости ее движения. Единица измерения индуктивности называется генри (H) и описывается следующим образом: Один генри – это индуктивность, которая генерирует электродвижущую силу в один вольт, когда скорость изменения тока составляет один ампер в секунду.

Исследование методов измерения

Самыми основными измерениями будут приложение напряжения к катушке индуктивности и измерение изменения напряжения и тока в ней.Это может быть сложно, потому что мы должны использовать быстрый и точный инструмент для измерения с помощью этого основного метода.

Один из популярных методов – это включение катушки индуктивности в цепь генератора, затем мы измеряем частоту на выходе генератора, чтобы вычислить индуктивность катушки индуктивности. Это работает, потому что генератор LC (индуктор-конденсатор) будет генерировать частоту колебаний, которая обратно пропорциональна его индуктивности. Мы можем использовать частотомер преобразователя частота-напряжение для измерения частоты колебаний.Прямое считывание этого метода должно иметь микрокомпьютер или микроконтроллер для вычисления деления, что сложно сделать в аналоговой схеме. Работа в аналоговом режиме деления будет дорогостоящей, так как схема будет чувствительна к температурному дрейфу. Одним из простых решений для аналоговой схемы является ограничение измерения в небольшом диапазоне и замена операции деления дополнением сигнала с помощью инвертирующего усилителя.

Другой популярный метод заключается в подключении катушки индуктивности к делителю напряжения, на который подается сигнал переменного тока.Измеренное напряжение будет пропорционально реактивному сопротивлению катушки индуктивности, которое пропорционально индуктивности и частоте сигнала.

Методы измерения индуктивности при сохранении простоты схемы и низкой стоимости всегда будут интересной задачей для многих проектировщиков схем. Я видел другой метод, использующий прямоугольный сигнал, подаваемый на катушку индуктивности, который генерирует скачок напряжения на каждом положительном фронте прямоугольного сигнала. Этот импульс будет иметь переменную ширину, пропорциональную его индуктивности, затем этот выброс подается на компаратор (или простой логический вентиль) для генерации сигнала с широтно-импульсной модуляцией.

Выбранный метод: вернуться к основному

Для обеспечения возможности калибровки с использованием доступного стандартного прибора (осциллографа, мультиметра) мы приближаемся к базовому методу, чтобы не использовать стандартные индукторы для калибровки нашего измерителя. Нам нужна хорошая точность без предоставления точных катушек индуктивности в качестве эталона для калибровки, поскольку мы не знаем, как получить катушку индуктивности с точным значением индуктивности 1 мГн или 100 мкГн. Обратите внимание, что мы не изобретаем никаких новых методов, так как измерение индуктивности с использованием треугольной волны широко используется в лабораторных экспериментах по изучению катушки индуктивности.Обычно они используют функциональный генератор для генерации треугольного волнового сигнала и подключают индуктивность последовательно с резистором для преобразования сигнала напряжения в сигнал тока. Здесь мы должны выбрать резистор с высоким значением сопротивления относительно ожидаемого реактивного сопротивления катушки индуктивности, чтобы система вела себя как идеальный сигнал тока. Пытаясь улучшить характеристики, мы используем активную схему для создания треугольного сигнала тока, чтобы улучшить линейность в более широком диапазоне измерений.

Разработка электронных схем

Рисунок 2.Принципиальная схема измерителя индуктивности Hamuro

Принципиальная схема схемы показана на рисунке 2. Система состоит из генератора треугольных сигналов (операционный усилитель A1, A2), преобразователя напряжения в ток (операционный усилитель A3), регулятора нуля (операционный усилитель B1, B2) и активный выпрямитель (ОУ В3, В4). Генератор использует стандартную треугольную волну, в которой используются интегратор и триггер Шмидта, но мы добавляем регулятор смещения R1, чтобы убедиться, что выход симметричен относительно земли. Операционный усилитель может генерировать асимметричный сигнал, поскольку триггер Шмидта может иметь асимметричный размах высокого и низкого выходного напряжения.Генератор установлен на 100 кГц, чтобы обеспечить один диапазон измерения (от 2uH до 200uH). Амплитуда треугольной волны установлена ​​на 5Vpp (от пика до пика), что дает + 2,5 В на высоком пике и -2,5 В на низком пике. Операционный усилитель A3 преобразует этот сигнал в скорость изменения тока 50 мА / 0,05 мс. Используя базовую формулу индуктора, это изменение тока должно давать напряжение 2 В для 200 мкГн.

Поскольку выход операционного усилителя A3 представляет собой сумму напряжения на резисторе 100 Ом и напряжения катушки индуктивности, нам нужно извлечь только напряжение катушки индуктивности, чтобы измерить и считать его как значение индуктивности.Если мы посмотрим подробнее на напряжение катушки индуктивности, мы поймем, что напряжение вызвано не только индуктивностью, но и ее внутренним сопротивлением, поскольку фактическая индуктивность всегда имеет одинаковое последовательное сопротивление (ESR). Для облегчения анализа предполагается, что выходное напряжение операционного усилителя A3 состоит из напряжения индуктивности и напряжения сопротивления. Напряжение индуктивности представляет собой чисто прямоугольную волну, а напряжение сопротивления – чисто треугольную волну. Если ESR = 0, тогда напряжение сопротивления будет иметь точно такую ​​же форму и амплитуду с входной треугольной волной, а когда ESR> 0, тогда напряжение сопротивления будет иметь такую ​​же форму, но с большей амплитудой.Чтобы снять напряжение сопротивления, исходная волна инвертируется операционным усилителем B1, масштабируется по амплитуде с помощью потенциометра R4, а затем добавляется к выходному сигналу операционного усилителя A3. После сложения с инвертирующей треугольной волной на операционном усилителе B2 мы получаем извлеченное напряжение индуктивности на выходе B2. Затем сигнал выпрямляется с помощью активного двухполупериодного выпрямителя (операционный усилитель B3, B4) для получения показаний напряжения постоянного тока.

На принципиальной схеме это четко не показано, но напряжение питания для операционного усилителя составляет ± 12 В симметричного источника питания.Для этой схемы мы используем популярные микросхемы стабилизаторов напряжения 7812 и 7912, и мы можем ожидать, что не более 50 мА будет потребляться как от положительного, так и от отрицательного источника питания.

Калибровка

Чтобы откалибровать эту схему измерителя индуктивности, сначала мы должны замкнуть клемму для тестирования индуктивности с помощью кабеля 0 Ом и подключить выход к вольтметру с диапазоном 2 В. Затем убедитесь, что сигнал треугольной волны на выходе A2 симметрично колеблется. Это можно сделать, регулируя R1 при измерении выходного напряжения с помощью вольтметра постоянного тока.Установите это напряжение на 0 В, поскольку симметричная треугольная волна будет давать нулевое напряжение для показаний вольтметра постоянного тока. Следующим шагом является установка амплитуды треугольного волнового сигнала на выходе A2 равной 5Vpp (от -2,5 до +2,5 В), это можно сделать, отрегулировав R2 при измерении выхода с помощью осциллографа или вольтметра переменного тока. Убедитесь, что форма треугольной волны идеальна. Последним шагом является настройка генератора на выдачу треугольной волны 100 кГц, и это делается с помощью подстроечного потенциометра R3. Для этого воспользуйтесь осциллографом или частотомером.После этого шага калибровки мы можем отключить испытательный терминал, и теперь наш измеритель индуктивности готов к использованию.

Рис. 3. Выход A3, напряжение индуктивности плюс напряжение сопротивления, проверка индуктивности 47 мкГн

Рис. 4. Выход B2, напряжение чистой индуктивности, проверка индуктивности 47uH

Процедура измерения

Чтобы измерить неизвестную индуктивность, подключите ее к испытательной клемме, поверните переключатель S в верхнее положение (для подключения к источнику опорного напряжения).Отрегулируйте потенциометр R4, чтобы он давал показание 0 вольт, или настройте его на получение минимально возможного значения, если он не может обнулить выход. Теперь поверните переключатель S в нижнее положение (для подключения к выходу генератора), и значение индуктивности можно будет прочитать на вольтметре со скоростью преобразования 2 В на 200 мкГн или 10 мВ на 1 мкГн.

(Хамуро, Джокьякарта, октябрь 2013 г.)

Обновление (январь 2014 г.): собранная схема измерителя индуктивности в действии

Смотрите собранную схему на нашем канале Youtube ниже:

Гиратор

Гиратор

Гиратор

Индуктивность без магнетизма


Гиратор представляет собой 2-портовую сеть, содержащую два источника тока, управляемых напряжениями на клеммах и противоположно направленных, как показано внутри прямоугольного контура на рисунке.Два его параметра g 1 , g 2 – это крутизны, единицы A / V. На рисунке показано, что он питается от источника напряжения v и нагружается конденсатором C. Схема легко решается, давая i 1 = (g 1 g 2 / jωC) v, или Z = jω (C / g 1 g 2 ) = jωL, поэтому емкостное реактивное сопротивление преобразуется в индуктивное реактивное сопротивление. Схема эффективно инвертирует свое полное сопротивление нагрузки, изменяя 1 / jωC на jωC.

Никакая пассивная сеть не может работать как гиратор, но с помощью операционных усилителей ее построить несложно.На рисунке показана схема, которую иногда называют преобразователем обобщенного импеданса (GIC). Схема показана со значениями компонентов, которые заставляют ее моделировать индуктивность 1 Гн. Анализировать эту схему несложно. Напряжения в узлах a, c и d равны, если обратная связь работает, и равны приложенному напряжению. Теперь все напряжения можно найти, начав с самого низкого резистора и вычислив токи, направленные вверх, помня, что входные токи операционного усилителя равны нулю.Наконец, импеданс, который цепь представляет источнику, представляет собой просто приложенное напряжение, деленное на ток. Выражение показано на рисунке. Ничто в цепи не связано с землей, кроме самого низкого импеданса, поэтому заземление не является важным.

Схема была испытана путем подачи синусоидального напряжения различной частоты, при этом измерялось напряжение в цепи и ток через нее с помощью шкалы переменного тока двух цифровых мультиметров. Сигналы имеют синусоидальную форму, поэтому счетчики показывают правильные показания.В диапазоне от 500 Гц до 7000 Гц схема достаточно хорошо имитировала индуктивность 1 Н. На более низких частотах реактивное сопротивление конденсатора становится большим, и выходы операционного усилителя имеют тенденцию к насыщению. На более высоких частотах емкостное реактивное сопротивление становится небольшим и приводит к перегрузке операционных усилителей. В обоих случаях обратная связь становится неточной, и кажущаяся индуктивность увеличивается. Конденсатор должен быть правильно выбран для желаемого диапазона частот. Обратите внимание, что конденсатор также может находиться в положении Z 2 .Я использовал сдвоенные операционные усилители LM833 и LM385 с практически одинаковыми результатами для обоих.

Чтобы наблюдать за поведением во временной области, подайте на схему прямоугольную волну через резистор 10 кОм. Используйте буфер с единичным усилением, чтобы избежать нагрузки на генератор сигналов, чтобы прямоугольная волна не спадала. Наблюдайте за приложенным напряжением, а также за напряжением в цепи с помощью осциллографа. Напряжение в цепи экспоненциально уменьшилось до нуля с ожидаемой постоянной времени L / R = 0,0001 с, очень красивый результат.В отличие от обычного дросселя, ток, который может поглотить эта цепь, ограничен. Чтобы снизить входное напряжение до нуля, нижнее выходное напряжение операционного усилителя должно упасть в 10k раз по сравнению с входным током. В противном случае выход будет насыщенным, и обратная связь не будет работать. Это произошло бы, если бы мы использовали резистор 1 кОм вместо резистора 10 кОм в качестве R в нашей схеме RL, пытаясь получить постоянную времени 1 мс. При применении этой схемы необходимо внимательно следить за этим ограничением и тщательно выбирать значения компонентов, чтобы его устранить.Это действительно замечательная схема, которая представляет индуктивность без магнитных полей.

С гиратором связан преобразователь отрицательного импеданса , показанный справа. Несложный анализ показывает, что он преобразует полное сопротивление Z в отрицательное, -Z. Это преобразует емкостное реактивное сопротивление 1 / jωC в индуктивное реактивное сопротивление j (1 / ωC). Это не настоящая индуктивность, поскольку реактивное сопротивление уменьшается с увеличением частоты, а не увеличивается. Индуктивность – это функция частоты, а не константа.Если вы протестируете показанную схему, напряжение V, приложенное к входу, заставит ток V / 10 кОм течь из входной клеммы, а не в нее, как это произошло бы с нормальным сопротивлением.

Операционный усилитель 411 работает должным образом с резистивным Z, но если вы замените сопротивление конденсатором 0,01 мкФ, цепь будет колебаться (я измерил 26,4 кГц), при этом выход операционного усилителя будет насыщаться в обоих направлениях поочередно. Когда операционный усилитель был заменен на LM748 с (очень большим) компенсационным конденсатором 0.001 мкФ, схема вела себя несколько лучше. Используя вольтметр переменного тока и миллиамперметр, реактивное сопротивление изменялось от 16 кОм при 1 кГц до 32 кГц при 500 Гц, показывая, что оно действительно уменьшается с увеличением частоты. Исследование с помощью осциллографа подтвердит, что реактивное сопротивление было индуктивным, а напряжение опережало ток. Форма волны быстро становится треугольной на более высоких частотах (из-за большой компенсационной емкости). Понятно, что эта схема непрактична для преобразования емкости в индуктивность, даже если принять странную частотную зависимость.

Список литературы

А. С. Седра и К. С. Смит, Микроэлектронные схемы , 2-е изд. (Нью-Йорк: Холт, Райнхарт и Уинстон, 1987), стр. 40, 79, 111–113.

П. Горовиц и В. Хилл, Искусство электроники , 2-е изд. (Кембридж: Cambridge Univ. Press, 1989, стр. 266, 281.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Результаты реконструкции изображения (1) (2) (3)
MSE 0.0142 0,0138 0,0138
RIE 0,4805 0,4376 0,4408
ICC 0,5389 0,5514 0,5389 0,5514