Согласующее устройство для измерения четырехполюсных радиоэлементов (стр. 1 из 14)

ВВЕДЕНИЕ

Создание радиоэлектронной аппаратуры - весьма сложный процесс, требующий четкой организации работ на всех этапах, начиная с творческого замысла и кончая изготовлением устройства.

В связи с этим встает вопрос об измерении параметров радиоэлементов. Особый интерес представляют автоматизированные измерения.

В данном дипломном проекте реализован способ измерения по А.С. 1317370. Измерения параметров этим способом позволяет возложить все главные аспекты на современную вычислительную технику. В нашем случае ядром комплекса является широко распространенный персональный компьютер класса IBM-PC.

Алгоритм измерения реализует разработанный пакет программ для IBM-PC на языке высокого уровня Pascal.

1. АНАЛИЗ ТЗ

Из литературных данных [8-9] следует, что выполнение п.п.3.1 ТЗ по существу, представляет развитие методики измерения и технических средств реализованных в процессе разработки в Воронежском Государственном Техническом Университете и изготовления (в НИИПХ г. Москва) тестера Д780. При этом были внедрены А.С.1084709 и 1317370 СССР. А.С.1619209 реализуют алгоритмы по способу А.С.1317370 для четырехполюсных микросхем и может быть реализована в виде съемной измерительной головки.

Использование в качестве ядра комплекса персонального компьютера совместимого с IBM-PC позволяет не только выполнить задачи связанные с измерением и обработкой предварительных результатов, но и решить широкий круг задач в области разработки аналитических макромоделей диодов, всех видов транзисторов и аналоговых микросхем.

Реализация п.п.3.2-3.4 не представляет принципиальных затруднений, но требует существенных затрат материальных и трудовых ресурсов. При этом представляется возможным применить элементную базу общего назначения. Так как стандарт скорости обмена по порту RS-232 составляет 9600 Бод, то использования микроэвм КР1816ВЕ35 позволяет отказаться от специализированных, а следовательно дорогих микросхем последовательного интерфейса.

Таким образом, настоящее ТЗ выполнимо в условиях кафедры МиЭРА.

2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ

2.1 Состав элементной базы аналоговых РЭС

Элементную базу РЭС, во первых, образуют два обширных класса

элементов: пассивные и активные.

Пассивные радиокомпоненты (ПРК) подразделяются на компоненты общего применения (КОП) и СВЧ компоненты (СВЧК).

В состав ПРК входят:

двухполюсники, в том числе резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, электронные LC фильтры последовательного или параллельного типа, одиночные кварцевые резонаторы;

четырехполюсники: электрические LC фильтры;

акустоэлектронные фильтры на объемныхили ПАВ волнах;

электрические или акустические линии задержки;

пьезоэлектрические трансформаторы и другие устройства, которые имеют одну пару контактов для подключения входного сигнала и другую для подключения нагрузки;

многополюсники: многоотводные электрические и окустоэлектронные линии задержки и фильтры электрических сигналов, многообмоточные узкополосные и широкополостные трансформаторные устройства и т.п.

Состав СВЧК более разнообразен, так как кроме компонентов, выполняющих функции аналогичные функциям ПРК, перечисленным выше, в него входят специфические для СВЧ диапазона двухполюсные и многополюсные компоненты: диоды, волноводные разветвители и ответвители.

Как ПРК так и СВЧК бывают узкополостные и широкополостные,

что накладвает определенную специфику при описании их моделей. С другой стороны, окустоэлектронные устройства, работающие в обычном диапозоне частот (от сотен кГц до десятков МГц) могут быть описанны методами СВЧ диапозона.

Большое разнообразие электронной базы РЭС неизбежно связанно с разнообразием их описаний и методов измерений параметров моделей РЭ.

2.2 Способы представления параметров элементов

2.2.1 Двухполюсники

Двухполюсные ПРК могут быть представлены или в виде эквивалентных схем со средоточенными постоянными (рис.1а,б) или в виде параметров "черного ящика" (рис.3,в).

Модели двухполюсникова) модель резистора без учета индуктивностей выводов; б) модель резистора с учетом индуктивностей выводов; в) модель резистора в виде "черного ящика"Рис.1

На повышенных частотах (больше или равно 1 МГц) необходимо учитывать частотную зависимость параметров модели рис.3а,б. Для резисторов, например, коме измерения сопротивления R из-за поверхностного эффекта могут сущестенно проявиться дополнительные потери в выводах или диэлектрическом изоляционном покрытии.Такие измерения учтены в моделях типа рис.3,в. Эти модели с целью анализа физических эффектов, поисхоящих в результате функционирования элемента, можно "просветлить", выразив сущетвенные физические эффекты в виде элементарных элементов. (рис.2).

Возможные способы представления моделейа,б- при емкостном характере двухполюсника; в,г- при индуктивномРис.2

Для элементов, работающих в ограниченном, вплодь до единственной частоты, диапозоне частот на параметры могут быть выражены единственными значениями L,R,C эквивалентных элементов, представленных схемами рис.4. Аттестация элемента с помощью схем рис.3а,б расширяет частотный диапозон модели. Описание с помощью "черного ящика" (рис.3в) позволяет получить точное значение параметров при заданных частотах. С другой стороны модели типа рис.1 могут быть представленны в виде

, (1)

или

, (2)

Такие же выражения могут быть использованны для полного сопротивления (Z(w)).

3. Методы измерения параметров радиоэлементов

3.1 Классификация методов измерения

Для измерения параметров радиоэлементов используются следующие принципы, учитывающие особенности подключения объекта и сигналов:

разделение напряжения и тока (для двухполюсников);

сравнение двухполюсника с образцовым в мостовых схемах;

определение резонансной частоты или ее изменения;

изменение напряжений и (или) токов на выходе и входе;

разделение падающих и отраженных волн;

выделение падающих и отраженных волн на входе и выходе;

анализ картины стоячей волны;

сравнение двухполюсника с образцовой мерой в схеме с конечными нагрузками;

сравнение многополюсника с образцовыми мерами в схемах с конечными нагрузками.

Структуры измерителей определяют три основные группы.

В состав первой группы входят измерители параметров элементов со сосредоточенными постоянными :

сопротивлений (отношений напряжения к току);

индуктивности и емкости по комплексным сопротивлениям на известной частоте;

двухполюсников в мостовых схемах переменного и постоянного токов;

резонансной частоты (Q-метры).

Вторую группу образуют измерители СВЧ элементов с распределенными параметрами:

приборы, основанные на анализе стоячей волны в измерительной линии с подвижным зондом или набором фиксированных зондов;

приборы, основанные на разделении и измерении комплексных амплитуд сигналов падающих и отраженных волн направленными ответвителями.

Третью группу составляют устройства реализующие способы сравнения многополюсников с активными или комплексными образцовыми мерами путем анализа векторных отношений комплексных напряжений:

устройства с активными образцовыми нагрузками;

устройства с комплексными образцовыми мерами и конечными, в общем случае, комплексными нагрузками.

Устройства третьей группы просты по структуре и могут использоваться для измерения как элементов со сосредоточенными так и с распределенными постоянными. Отсутствие каких-либо подстроечных операций позволяет реализовать комплексную автоматизацию на основе ПК. Это машинно-ориентированные устройства. Это практически универсальные устройства, которые позволяют на одной технологической установке реализовать измерение широкой номенклатуры элементов (пассивные двухполюсники, активные двухполюсники, диоды, стабилитроны, варикапы и т.п.; транзисторы любой структуры, операционные усилители; СВЧ двух и многополюсные устройства).

Большинство приборов всех групп состоит из источника сигнала, схемы подключения образца-измерительной головки (ИГ) и разделения сигналов. При измерении полных характеристик объекта (полное сопротивление или комплексные матрицы) применяется измеритель векторных отношений.

3.2 Методы измерения параметров моделей элементов на основе эквивалентных схем

Измерения производятся на постоянном токе или в рабочем диапазоне частот. Простейшим методом для измерения двухполюсников

является схема омметра (рис.3а).

Схемы измерения полного сопротивления по измеренным напряжениям и току

Рис.3

В режиме короткого замыкания контактов 1 и 2 регулировкой резистора R устанавливают максимальное калиброванное значение тока

. (3)

Значения измеряемого сопротивления Rx расчитывают по уменьшению тока

, (4)

где I - уменьшение тока, отсчитываемое от уровня Imax kal.

Шкала амперметра градуируется в омах. Источники напряжения и индикатор могут работать на постоянном и переменном токе.

При использовании источника напряжения (рис.3б) измеряемый ток обратно-пропорционален модулю полного сопротивления объекта. В этом случае представляется возможным определить индуктивность или емкость элемента по формулам