Методи вимірювання імітансних параметрів потенційно-нестійких чотириполюсників

Класифікація чотириполюсників, їх параметри. Схема узагальненого перетворювача імітансу. Сутність методу "плаваючих" навантажень. Схема чотириполюсника, навантаженого на вході, виході. Вхідне імітансне коло потенційно-нестійкого лінійного чотириполюсника.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра метрології, стандартизації та сертифікації

Курсова робота

з дисципліни «Перспективи розвитку електротехнічних засобів контролю якості»

на тему «Методи вимірювання імітансних параметрів потенційно-нестійких чотириполюсників»

Львів - 2011

Перелік умовних позначень

ВП - вимірювальний пристрій

КЗ ? коротке замикання

НВЧ - надвисокі частоти

ПНЧ - потенційно-нестійких чотириполюсників

ПТШ - польовий тразистор Шотткі

ПТШ1 - однозатворний ПТШ

ПТШ2 - двозатворний ПТШ

УПІ - узагальнений перетворювач iмiтансу

ХХ ? холостий хід

Вступ

У сучасному проектуванні електротехнічної апаратури широке застосування отримало використання імітансних та хвилевих параметрів чотириполюсників. Перші, як правило, використовуються в діапазоні низьких та високих частот, а другі - в діапазоні надвисоких частот. Недоліком стандартних методів вимірювання перших та других параметрів є те, що вони вимірюються при фіксованих імітансах навантаження та генератора, при яких потенційно-нестійкий чотириполюсник може зайти в область нестійкості, що призводить до значної похибки вимірювання. Сучасні наукові досягнення в області радіоелектроніки призвели до появи великої кількості компонентів, що призначені для роботи в діапазоні надвисоких частот. Більшість чотириполюсників в цьому діапазоні володіють потенційною нестійкістю. Існуючі методи та побудована на їх основі вимірювальна апаратура, взагалі не пристосована до вимірювання параметрів таких чотириполюсників, або потребує вдосконалення з метою розширення функціональних можливостей і поліпшення метрологічних характеристик.

На сьогоднішній день актуальною є задача розробки таких методів та засобів вимірювань, які б в процесі вимірювань забезпечували стійкість вимірювальної установки, навіть в випадках, коли самі компоненти та пристрої є потенційно-нестійкими.

Тому об'єктом дослідження є процес вимірювання імітансних параметрів потенційно-нестійких лінійних чотириполюсників.

1. Класифікація чотириполюсників та їх параметрів

Найпоширенішою з згаданих безструктурних моделей, що узагальнює характерні властивості лінійних електричних схем, є чотириполюсник. Електричне коло будь-якої складності може бути представлене у вигляді об'єкта, що описується співвідношенням сигналів на певній кількості пар вхідних (вихідних) контактів. Так, в якості чотириполюсника можуть бути представлені довга лінія, транзистор, електричний фільтр, трансформатор, підсилювач та взагалі будь-який інший пристрій з двома парами виводів, включений між джерелом і споживачем електричної енергії, коли предметом дослідження є струми і напруги поза самим чотириполюсником. Внутрішня структура кола не враховується при аналізі, в цьому випадку об'єкт являє собою «чорний ящик».

Чотириполюсником називається пристрій, що має чотири затискачі (полюси). Передбачається, що полюси розділені на дві групи - вхідну і вихідну, і струми в затискачах чотириполюсника попарно рівні і протилежні за напрямом. Аналогом чотириполюсника в НВЧ діапазоні є так званий двоплечний пристрій. Цим терміном позначається замкнутий металевий об'єм, що має вхід і вихід у вигляді відрізків регулярної передавальної лінії; передбачається, що в них може поширюватися лише один тип хвилі.

Чотириполюсники можна класифікувати за багатьма ознаками. Основні з них представлені на рис. 1.1.



Рис. 1.1 - Класифікація чотириполюсників

Чотириполюсники також розділяють на симетричні та несиметричні. Симетричним чотириполюсник називається тоді, коли зміна місць його вхідних та вихідних виводів не змінить величин струмів і напруг в колі, з яким з'єднаний чотириполюсник. У іншому разі чотириполюсник є несиметричним.

Чотириполюсники називаються оборотними, якщо виконується теорема оберненості, тобто відношення напруги на вході до струму на виході не залежить від того, яка з двох пар виводів є вхідною і яка вихідною. Якщо ж ця умова не виконується, чотириполюсник називається необоротним. Симетричні чотириполюсники завжди оборотні. Чотириполюсники можуть бути активними і пасивними. Якщо чотириполюсник містить всередині джерела (джерело) електричної енергії, то він називається активним. При цьому, якщо ці джерела є незалежними, то у випадку лінійного чотириполюсника обов'язковою додатковою умовою активності є наявність на одній або обох парах його розімкнених виводів напруги, зумовленої джерелами електричної енергії, що знаходяться всередині, тобто необхідно, щоб дія цих джерел не компенсувалася всередині чотириполюсника. Якщо ж джерела всередині чотириполюсника є залежними, то від'єднання його від іншої частини кола призводить до того, що напруги на розімкнених виводах немає. Пасивним називається чотириполюсник, який не містить джерел електричної енергії. Пасивний лінійний чотириполюсник може містити джерела електричної енергії, які взаємно компенсуються таким чином, що напруги на обох парах розімкнених виводів дорівнюють нулю.

Чотириполюсники можна також розглядати у якості узагальнених перетворювачів імітансу (УПІ). Узагальненим перетворювачем імітансу називається чотириполюсник (рис. 1.3), імітанс між однією парою клем якого Wвх (Wвих) є функцією імітансу WН (WГ) , підключеного до другої пари його клем:

Рис. 1.2 - Структурна схема узагальненого перетворювача імітансу

Всі види УПІ можна поділити на дві групи - ті, що використовують схемо-технічні розв'язки для одержання необхідного коефіцієнта перетворення імітансу, і ті, що використовують для цієї мети фізичні ефекти в твердому тілі, в частоті, в транзисторних структурах.

Всі типи чотириполюсників в якості УПІ можна розділити на конвертори та інвертори імітансу. Під імітансом W розуміється опір Z (імпеданс) або провідність Y (адмітанс), які у загальному випадку є комплексними. Конвертором імітансу (KI) називається чотириполюсник, імітанс між однією парою виводів якого прямо пропорційно залежить від імітансу, під'єднаного до іншої пари виводів. Наприклад, в випадку перетворення конвертором імітансу повного опору Zн (пряме перетворення) його вхідний повний опір Zвх = (Б/Д)ЖН де A і D -елементи [ABCD] матриці чотириполюсника (в загальному випадку комплексні), що пов'язують струми та напруги на його затискачах (рис. 1.2).

2. Методи вимірювання стандартної системи імітансних параметрів потенційно-нестійких чотириполюсників

2.1 Класичні методи вимірювання імітансних параметрів чотириполюсників

Параметри чотириполюсників можна розбити на дві групи: власні (двополюсникові) параметри (провідності, імпеданси) (наприклад W11, W22) і взаємні параметри (W12, W21).

Параметри першої групи вимірюють, або спеціально для цього сконструйованою вимірювальною апаратурою, або стандартною апаратурою, призначеною для вимірювання імпедансу двополюсників.

Для розрахунку більшості електронних схем достатньо мати нестандартну систему w-параметрів чотириполюсника, а саме: W11, W22, |W12|, |W21|, Re(W12W21), Im(W12W21) [2, 3]. Але в ряді випадків для розрахунку потрібна повна система w-параметрів, яка включає в себе і взаємні параметри.

Усі методи вимірювання параметрів безструктурних моделей чотириполюсників можна розділити на стандартні методи вимірювання параметрів у режимі короткого замикання (КЗ) і холостого ходу (ХХ), стандартні методи вимірювання параметрів при фіксованому навантаженні Z0 і нестандартні методи вимірювання параметрів (рис. 2.1).

Під імітансними параметрами, як зазначалося вище, зазвичай розуміють одну з чотирьох матриць параметрів: Z-, Y-, g- або h- параметри. Для опису чотириполюсника можна вибрати будь-яку з цих матриць, кожна з яких володіє своїми перевагами і недоліками у порівнянні з іншими, але на практиці зазвичай використовують Z- або Y-параметри.

Властивості електричних кіл як лінійних чотириполюсників на низьких частотах і малих сигналах можуть бути описані за допомогою лінійних рівнянь:



Рис. 2.1 - Класифікація методів вимірювання параметрів безструктурних моделей чотириполюсників

Комплексні опори Z11, Z12, Z21, Z22 є параметрами Z-матриці. Класичні методи вимірювання цих параметрів полягають в тому, що змінні сигнали низької частоти і малої амплітуди підключають почергово до обох пар затискачів чотириполюсника і проводять вимірювання змінних струмів та напруг в колах. Пара затискачів, на яку не подається сигнал, залишається розімкнутою для змінної складової (режим ХХ). Застосовуючи систему Z-параметрів, одержують еквівалентну схему, у якій кожний з параметрів на низьких частотах добре узгоджується з фізичними і конструктивними елементами, наприклад транзистора. Система Z-параметрів використовується для розрахунку й аналізу як підсилювальних, так і імпульсних пристроїв.

Якщо до досліджуваного електричного кола відповідним чином підвести змінний сигнал з такою малою амплітудою, щоб його можна було вважати лінійни...