Например, Бобцов

ПРИМЕНЕНИЕ ЧАСТОТНО-НЕЗАВИСИМЫХ ЦЕПЕЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБОБЩЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ RLC-ДВУХПОЛЮСНИКОВ

УДК 681.586.76

В. И. ИВАНОВ, А. Л. КЛЮЕВ
ПРИМЕНЕНИЕ ЧАСТОТНО-НЕЗАВИСИМЫХ ЦЕПЕЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБОБЩЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ RLC-ДВУХПОЛЮСНИКОВ

Рассмотрены способы и устройства определения обобщенных параметров многоэлементных двухполюсников с включением в измерительную схему частотно-независимого двухполюсника. На измерительную схему воздействуют импульсы напряжения, изменяющегося по закону степенной функции времени.

Ключевые слова: частотно-независимые двухполюсники, обобщенные параметры.

Применение импульсов напряжения или тока, имеющих форму степенной функции
времени x(t) = X mtn tиnмп (Xm — амплитуда, tимп — длительность, n — целочисленный пока-
затель степени), для возбуждения измерительной схемы (ИС) обеспечивает раздельное уравновешивание измерителя параметров многоэлементных двухполюсников (МДП). Отклик, установившийся после окончания переходного процесса, содержит импульсы, имеющие форму степенных функций с показателями степени от n до нуля [1]:

v(t)

=

F0 X mtn tиnмп

+

n!F1X mtn−1
(n −1)!tиnмп

+ ... +

n!Fn−1X mt 1!tиnмп

+

n!Fn X m 0!tиnмп

,

(1)

где F0, F1,…, Fn — обобщенные параметры системной функции ИС, имеющей операторное изображение следующего вида

F

(

p

)

=

b0 a0

+ +

b1 p a1 p

+ +

b2 p2 a2 p2

+ ... + ...

.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 6

82 В. И. Иванов, А. Л. Клюев

При ненулевых значениях a0 и b0 обобщенные параметры МДП определяются значениями электрических параметров элементов двухполюсника:

F0

=

b0 a0

;

F1

=

b1 − a1F0 a0

;

F2

=

b2



a2 F0 a0



a1F1

;

F3

=

b3



a3F0

− a2F1 a0



a1F2

;…

(2)

В качестве системной функции могут использоваться операторные изображения ком-

плексного сопротивления двухполюсника (Z-параметры) и комплексной проводимости

(Y-параметры), а также передаточная функция делителя напряжения, одно из плеч которого

представлено измеряемым двухполюсником (H-параметры). Использование унифицирован-

ного набора обобщенных параметров позволяет создавать многофункциональные устройства,

пригодные для идентификации электрических параметров широкого класса пассивных двух-

полюсников.

Для расширения функциональных возможностей измерителя требуются такие схемы

двухполюсников с настраиваемыми элементами, которые обеспечивают возможность регули-

рования значений обобщенных Z- или Y-параметров в области как положительных, так и от-

рицательных значений, включая нулевое. Такие возможности могут обеспечить многоэле-

ментные двухполюсники, которые относятся к частотно-независимым (ЧНДП). При опреде-

ленных параметрах элементов схемы сопротивление (проводимость) такого двухполюсника

становится вещественной величиной, не зависящей от частоты.

Рассмотрим условия частотной независимости сопротивления двухполюсника. Если в

операторном изображении сопротивления двухполюсника Z(p) выполнить подстановку

p = jω, можно получить выражение комплексной частотной характеристики сопротивления

Z

(

jω)

=

b0 a0

+ +

b1 a1

( (

jω) jω)

+ +

b2 a2

( (

jω)2 jω)2

+ b3 ( + a3 (

jω)3 + ... jω)3 + ...

.

При b1 b0 = a1 a0 , b2 b0 = a2 a0 , b3 b0 = a3 a0 , …

сопротивление Z(jω) становит-

ся вещественным и не зависящим от частоты Z0 = b0 a0 . Приведенные выше выражения

можно представить в виде

b1 − a1

b0 a0

=0;

b2

− a2

b0 a0

= 0;

b3

− a3

b0 a0

= 0 ;…

(3)

Из формул (2) следует, что при условиях (3) все обобщенные Z-параметры двухполюс-

ника, кроме Z0, равны нулю: Z1 = 0 , Z2 = 0 , Z3 = 0 ,… Изменяя значения ai и bj, можно регу-

лировать Z-параметры, в том числе и меняя их знак.

У двухполюсника, обладающего частотно-независимым сопротивлением, проводимость

также имеет резистивный характер: Y0 = 1 Z0 , Y1 = 0 , Y2 = 0 , Y3 = 0 ,…

а) R1

C1 R2 C2

R3 L1
L2

б) На рис. 1 приведены схемы двух частотно-

независимых двухполюсников — последователь-

C1 R2 ного (а) и параллельного (б) типа. Если последовательно с частотно-независи-

R1

C2 L1

R3 мым двухполюсником включить не ЧНДП, а на-

L2

пример, многоэлементный двухполюсник (МДП) объекта измерения, то частотная независимость

ЧНДП будет нарушена и появятся ненулевые

Рис. 1

обобщенные Z-параметры, которые можно определить, подстраивая регулируемые элементы

ЧНДП. Аналогично при параллельном ЧНДП подключении другого, не частотно-

независимого, двухполюсника частотно-независимые свойства ЧНДП нарушаются и появля-

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 6

Применение частотно-независимых цепей для определения параметров RLC-двухполюсников 83

ются отличные от нуля значения Y-параметров. Используя эти свойства ЧНДП, можно по-

строить схемы устройств для определения обобщенных параметров многоэлементных двух-

полюсников. Ниже рассматриваются примеры таких устройств.

Как показано в работе [2], при последовательном соединении двухполюсников их

Z-параметры суммируются. Поэтому ЧНДП последовательного типа должен состоять из та-

ких двухполюсников, Z-параметры которых для каждого индекса, кроме нулевого, имеют

противоположные знаки. Например, ЧНДП, представленный на рис. 1, а, состоит из рези-

стивно-емкостного (RC) R1-C1-R2-C2 и резистивно-индуктивного (RL) двухполюсника L1-R3-L2. Обобщенные параметры ЧНДП равны

Z0 = R1 ;

Z1 = L1 − R12C1 ;

Z2

=

R12C12

( R1

+

R2 ) −

L12 R3

;

Z3

=

L12

( L1 +
R32

L2 )



R12C12

⎡⎣( R1

+

R2 )2

C1

+

R22C2

⎤ ⎦

.

(4)

Схема ЧНДП, приведенная на рис. 1, б, содержит два параллельно включенных двухпо-

люсника — резистивно-емкостный C1-R1-C2 и резистивно-индуктивный R2-L1-R3-L2. Обобщенные параметры этого ЧНДП равны

Y0

=

1 R2

;

Y1

=

C1



L1 R22

;

Y2

=

L12

( R2 + R3 )
R23R3

− R1C12 ;

Y3

=

R12C12 (C1 + C2 ) −

L13 ( R2 + R3 )2
R24 R32



L12 L2 R22 R32

.

(5)

Оба ЧНДП имеют по четыре независимых степени свободы, что позволяет построить

устройства для определения параметров четырехэлементных МДП. На рис. 2 представлены

две схемы электрического моста, в которых использованы Z-параметры частотно-

независимого двухполюсника. Для питания обоих устройств используются импульсы напря-

жения с п=3. На рис. 2, а оба двухполюсника — МДП и ЧНДП — включены в плечи сравне-

ния, а в плечах отношения используются образцовые резисторы R01 и R02. Для уравновешивания моста требуется установить равенство H-параметров передаточных функций ветвей R01-

ЧНДП и R02-МДП по каждому показателю степени выходных импульсов напряжения:

H0′ = H0′′ ; H1′ = H1′′ ; H2′ = H2′′ ; H3′ = H3′′ .

а) б)

Рис. 2
H-параметры передаточных функций каждой из ветвей моста H ′( p) и H ′′( p) можно
выразить через Z-параметры соответствующих двухполюсников [2]:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 6

84 В. И. Иванов, А. Л. Клюев

H0

=

Z0 Z0 + R0

;

H1

=

(1



H

0

)

Z0

Z1 + R0

;

H2

=

(1



H0

)

Z2 Z0 + R0

− H1

Z1 Z0 + R0

;

H3

=

(1 −

H0 )

Z3 Z0 + R0



H1

Z2 Z0 + R0



H2

Z1 Z0 + R0

.

(6)

Однако нет необходимости находить аналитические выражения для H-параметров, дос-

таточно формул для Z-параметров. На первом этапе уравновешивают параметры H0′ = H0′′ ,

условие равновесия имеет вид:

Z0′ R01

=

Z0′′ R02

.

На

втором

этапе

для

уравновешивания

H1′ = H1′′

необходимо выполнить условие

Z1′ R01

=

Z1′′ R02

,

на

третьем

Z2′ R01

=

Z2′′ R02

и, наконец, на четвертом

этапе для уравновешивания

H3′ = H3′′

нужно выполнить условие

Z3′ R01

=

Z3′′ R02

. Равновесие моста

на каждом этапе фиксируется нуль-индикатором напряжения. Приведенные условия равнове-

сия используются для вычисления искомых параметров измеряемого двухполюсника. Видно,

что уравновешивание является раздельным, но зависимым, и его необходимо производить

именно в приведенной выше последовательности.

В другой схеме моста, изображенной на рис. 2, б, параметры двухполюсной цепи опреде-

ляются путем компенсации Z-параметров частотно-независимого двухполюсника. МДП вклю-

чен последовательно с ЧНДП, который содержит регулируемые элементы. Полученную цепь

рассматривают как объединенный двухполюсник (ОДП). Z-параметры обоих двухполюсников

суммируются, поэтому при подключении МДП условия частотной независимости ОДП в целом

оказываются нарушенными, т.е. Z1, Z2, Z3 отличаются от нуля, а именно принимают значения соответствующих Z-параметров измеряемого МДП. Их можно определить путем компенсации

значений Z1, Z2, Z3, регулируя элементы ЧНДП. В этой мостовой схеме только одно плечо является многоэлементным двухполюсником, а остальные — одноэлементные резистивные, это

существенно упрощает устройство и сокращает длительность переходного процесса.

С помощью резистора R03 или R1 (рис. 1, а) устанавливают равновесие моста для импульса старшей, в данном примере — третьей, степени. Условие равновесия имеет вид

Z0МДП + Z0ЧНДП R01

=

R03 R02

.

Для остальных составляющих выходного сигнала процесс уравновешивания моста заключается в получении нулевого значения суммы Z-параметров ЧНДП и МДП с одинаковыми индексами:
Z1МДП + Z1ЧНДП = 0 ; регулировка L1 или С1;
Z2МДП + Z2ЧНДП = 0 ; регулировка R2 или R3;
Z3МДП + Z3ЧНДП = 0 ; регулировка L2 или С2.
Найденные значения Z0МДП, Z1МДП, Z2МДП, Z3МДП используются для вычисления электрических параметров элементов МДП.
Измерители с компенсацией Z-параметров пригодны для двухполюсников не только с конечным сопротивлением, но и с коротким замыканием между полюсами на постоянном токе. Например, трехэлементный двухполюсник, схема замещения которого содержит параллельно включенные катушку индуктивности L, конденсатор С и резистор R, имеет сопротивление в операторной форме Z(p) = pRL/(R + pL + p2RLC). Обобщенные параметры двухполюсника равны: Z0 = 0; Z1 = L; Z2 = –L2/R; Z3 = L3/R2 – L2C. Параметр Z0 у таких МДП тожде-

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 6

Применение частотно-независимых цепей для определения параметров RLC-двухполюсников 85
ственно равен нулю, вследствие чего количество измеряемых обобщенных параметров уменьшается на единицу. При необходимости можно расширить число параметров, добавив элементы в RC- и RL-двухполюсники, входящие в состав ЧНДП, и повысив показатель степени питающих импульсов.
На рис. 3 представлены схемы двух устройств для определения обобщенных параметров МДП с использованием Y-параметров частотно-независимого двухполюсника параллельного типа. В схеме рис. 3, а токи двухполюсников МДП и ЧНДП поступают на входы дифференциального нуль-индикатора токов (НИТ). Нуль-индикатор имеет низкоомные входы и обеспечивает нулевой потенциал для одного из полюсов каждого двухполюсника. Поэтому токи МДП и ЧНДП определются только их проводимостью. Кроме того, на входах НИТ отсутствует синфазное напряжение, которое в схемах рис. 2 является дополнительным источником погрешности измерений.
Уравновешивание токов осуществляется поэтапно, начиная с импульса старшей степени. Так, при использовании ЧНДП, приведенного на рис. 1, б, параметр Y0 регулируется резистором R2, Y1 — конденсатором С1 или индуктивностью L1, Y2 — резистором R1 или R3, Y3 — конденсатором С2 или индуктивностью L2. Условия равновесия имеют вид
Y0МДП = Y0ЧНДП , Y1МДП = Y1ЧНДП , Y2МДП = Y2ЧНДП , Y3МДП = Y3ЧНДП .
Из этих выражений можно вычислить электрические параметры двухполюсника объекта измерений.
В схеме рис. 3, б двухполюсники МДП и ЧНДП включены параллельно и образуют ОДП. Принцип работы устройства основан на приведении к нулю всех, кроме Y0, параметров проводимости ОДП. Параметр Y0 уравновешивается дополнительным резистором R0. Таким образом, в результате уравновешивания токов будут выполнены условия баланса:
Y0МДП + Y0ЧНДП = 1 R0 ; Y1МДП + Y1ЧНДП = 0 ; Y2МДП + Y2ЧНДП = 0 ; Y3МДП + Y3ЧНДП = 0 .
Следовательно, Y-параметры МДП равны
Y0МДП = −Y0ЧНДП +1 R0 ; Y1МДП = −Y1ЧНДП ; Y2МДП = −Y2ЧНДП ; Y3МДП = −Y3ЧНДП .
а) б)

МДП iМДП

ЧНДП iЧНДП

МДП iМДП

ЧНДП iЧНДП

НИТ

НИТ

Рис. 3
Измерители с компенсацией Y-параметров пригодны для двухполюсников как с конечным сопротивлением, так и с разрывом цепи между полюсами на постоянном токе. Например, трехэлементный двухполюсник, схема замещения которого содержит последовательно включенные конденсатор С, резистор R и катушку индуктивности L, имеет проводимость в операторной форме Y(p) = pC/(1 + pRC + p2LC). Обобщенные параметры двухполюсника равны: Y0 = 0; Y1 = C; Y2 = –RC2; Y3 = R2C3 – LC2. Так как параметр Y0 у таких МДП тождественно равен нулю, число измеряемых обобщенных параметров уменьшается на единицу. Если необходимо расширить количество параметров, следует добавить элементы в RC- и RL-двухполюсники, входящие в состав ЧНДП, и повысить показатель степени питающих импульсов.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 6

86 В. И. Иванов, А. Л. Клюев
Заключение. Применение частотно-независимых двухполюсных цепей позволяет создавать устройства для определения обобщенных параметров широкого класса многоэлементных двухполюсников. В алгоритмах измерений используются простые аналитические выражения. Рассмотренные примеры схем могут найти применение при создании универсальных измерителей параметров RLC-двухполюсников.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванов В. И., Титов В. С., Голубов Д. А. Применение обобщенных параметров измерительной цепи для идентификации многоэлементных двухполюсников // Датчики и системы. 2010. № 8. С. 43—45.

2. Иванов В. И., Титов В. С. Эквивалентные преобразования обобщенных параметров двухполюсников при идентификации сложных измерительных цепей // Датчики и системы. 2012. № 5. С. 11—16.

Владимир Ильич Иванов Алексей Леонидович Клюев

Сведения об авторах — канд. техн. наук, доцент; Юго-Западный государственный университет,
кафедра вычислительной техники, Курск; E-mail: viva37@mail.ru — аспирант; Юго-Западный государственный университет, кафедра вычисли-
тельной техники, Курск; E-mail: mertan2@yandex.ru

Рекомендована Юго-Западным государственным университетом

Поступила в редакцию 18.02.13 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 6