Резонансний вимірювач ємності

Передбачуваний винахід відноситься до контрольно-вимірювальної техніки і призначений для вимірювання ємностей конденсаторів та варикапів. Відомий вимірювач ємності конденсаторів (див. Цифровые приборы и системы для измерения параметров конденсаторов. Под редакцией Эпштейна С.Л. М., "Советское радио". 1978. с.21, рис.2. 1a), до складу якого входять: контур генератора, що вимірює, до якого підключається досліджуваний конденсатор; зразковий генератор; частотний детектор, входи якого з'єднані з виходами генераторів, а вихід з'єднаний з частотним детектором, який виділяє різничну частоту генераторів. Недоліком відомого вимірювача є те, що вимірювання ємності відбувається на різних частотах, тобто не на одній фіксованій частоті. Особливо це важливо, коли необхідно заміряти ємності варикапів та конденсаторів на тих частота х, на яких вони працюють в схемах. Найбільш близьким за технічним рішенням до запропонованого вимірювача є вимірювач ємності, винахід (11) 48854 А (51) 7 G01R29/24. До складу вимірювача входять: контур вимірювання, високочастотний генератор, джерело напруги зсуву, підсилювач змінної напруги, детектор, блок виділення екстремуму, генератор імпульсів, лічильник імпульсів, три схеми затримки, програмований запам'ятовуючий пристрій (ПЗП), цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП), суматор напруг, до складу якого входять операційний підсилювач і резистори. До складу контуру вимірювання входять: управляючий варикап, два розділяючі конденсатори, індуктивність, контакти для досліджуваного конденсатора, які включені паралельно управляючому варикапу, і два розділяючі резистори. До складу блока виділення екстремуму входять: схема вибірки та запам'ятовування, схема зрівняння, формувач рівня напруги, логічна схема "І", схема затримки. При цьому вихід високочастотного генератора з'єднаний з контуром вимірювання, вихід джерела напруги зсуву з'єднаний через розділяючий резистор з індуктивністю контура, вхід підсилювача змінної напруги з'єднаний з виходом контура, а вихід підсилювача з'єднаний зі входом детектора, вихід якого з'єднаний з входом блока виділення екстремуму, генератор імпульсів своїм виходом з'єднаний з лічильником імпульсів і через схему затримки з входом програмованого запам'ятовуючого пристрою, через другу схему затримки генератор імпульсів з'єднаний із другим входом блока виділення екстремуму, цифровий вихід лічильника імпульсів з'єднаний з адресним входом ПЗП, вихід якого з'єднаний із входом ЦАП, а ви хід ЦАП з'єднаний з першим входом суматора напруг, др угий вхід якого з'єднаний з клемою Uo, вихід суматора напруг з'єднаний через другий розділяючий резистор з управляючим варикапом, а клема "пуск" з'єднана зі входом генератора імпульсів, другий вхід якого з'єднаний з виходом блоку виділення екстремуму. До недоліків відомого вимірювача необхідно віднести неможливість вимірювання ємностей значення яких перевищує ємність управляючого варикапа. Задачею винаходу є створення резонансного цифрового вимірювача ємності, схемні особливості якого забезпечили розширення діапазону вимірювання ємностей з більш великими значеннями. Рішення поставленої задачі досягається тим, що резонансний цифровий вимірювач ємності вміщує високочастотний генератор з'єднаний з контуром вимірювання, вхід підсилювача змінної напруги з'єднаний з виходом контура, а вихід підсилювача з'єднаний з входом детектора, вихід якого з'єднаний з входом блока виділення екстремуму, генератор імпульсів своїм виходом з'єднаний з лічильником імпульсів і через схему затримки з входом програмованого запам'ятовуючого пристрою і через другу схему затримки - з другим входом блока виділення екстремуму, цифровий вихід лічильника імпульсів з'єднаний з адресним входом ПЗП, вихід якого з'єднаний із входом ЦАП, а клема "пуск" з'єднана зі входом лічильника імпульсів і через третю схему затримки з входом генератора імпульсів, другий вхід якого з'єднаний з входом блока виділення екстремуму; відрізняється тим, що контур вимірювання містить мінімум два паралельно включені ланцюги з послідовно включених розділяючих конденсаторів та управляючих варикапів і послідовно, з паралельно включеними ланцюгами, включені контакти для досліджуючого конденсатора (варикапа), а середні точки зазначених ланцюгів з'єднані, через розділяючі резистори, з виходом ЦАП, також до складу вимірювача входить регістр вихідний, цифровий вхід якого з'єднаний з виходом лічильника імпульсів і з входом програмованого запам'ятовуючого пристрою, а управляючий вхід регістра з'єднаний з виходом блока виділення екстремуму, а джерело напруги зсуву з'єднано через розділяючий резистор з контактом для досліджуючого конденсатора і через розділяючий конденсатор з індуктивністю контура. У порівнянні з прототипом, у якому вимірювана ємність не повинна перевищувати ємності управляючого варикапа, дане технічне рішення дозволяє розширити діапазон вимірювання ємності з більш великими значеннями. На кресленні (фіг.) показано функціональну схему запропонованого резонансного цифрового вимірювача ємностей конденсаторів та варикапів. До складу вимірювача входять: контур вимірювання 1; високочастотний генератор 2; джерело напруги зсуву 3; підсилювач змінної напруги 4; детектор 5; блок виділення екстремуму 6; генератор імпульсів 7; лічильник імпульсів 8; програмований запам'ятовуючий пристрій 9; цифро-аналоговий перетворювач 10; регістр вихідний 11; схеми затримки 12, 13, 14. До складу контура вимірювання входять: управляючі варикапи 15, 16; індуктивність 17; розділяючі резистори 18, 19, 20, 21; розділяючі конденсатори 22, 23, 24; контакти для досліджуваного конденсатора (варикапа) 25; перемичка 26. Досліджуваний конденсатор (варикап) позначено 27. Для розширення діапазону вимірювальних ємностей в схемі використовуються два управляючі варикапи, для дальшого збільшення вимірювальних ємностей, кількість управляючих варикапів можна збільшувати. Значення ємностей конденсаторів 22, 23, 24 повинні бути значно більші ємностей, що вимірюються і суми ємностей управляючих варикапів 15 і 16, тобто повинні виконуватись умови (1) C p >> C x iC p >> C в1 + С в2 С де р - значення ємкостей розділяючих конденсаторів; С х - максимальне значення вимірювальних ємкостей; Cв1 і Св2 - максимальні значення ємностей управляючих варикапів 15 і 16. Значення опорів розділяючих резисторів 18, 19, 20, 21 повинні бути значно більші ємкісних опорів управляючих варикапів та ємності, що вимірюється. Тобто необхідно виконувати умови 1 1 Rp >> ; Rp >> , (2) 2ПfC x 2ПfCв R де p - значення опорів розділяючих резисторів; С х - максимальне значення ємності, що вимірюється; С в - максимальні значення ємностей управляючих варикапів; f - частота високочастотного генератора 2. При виконанні умов (1) і (2) розділяючі конденсатори та резистори не будуть впливати на резонансні характеристики контуру вимірювання. В ПЗП 9 заносяться коди, які під час роботи вимірювача, перетворюються ЦАП 10 в напруги, що подаються через розділяючі резистори 20 і 21 на управляючі варикапи 15,16. При цьому адресний код ПЗП 9, який надходить з лічильника імпульсів 8, відповідає значенню кількості сходинок, на яку змінюється сумарна ємність управляючих варикапів 15 і 16. Для цього необхідно наперед виміряти з великою точністю вольт-фарадні характеристики управляючих варикапів 15 і 16; визначити робочі ділянки вольт-фарадних характеристик; вибрати значення і кількість сходинок DCi , на яку буде змінюватись сумарна ємність варикапів при подачі на них напруги зсуву. Відповідні напругам коди заносяться в ПЗП 9. Початкове положення схеми характеризується таким станом складових елементів: контур вимірювання 1 настроєний в резонанс на частоті високочастотного генератора 2, при цьому на контактах для досліджуваного конденсатора стоїть перемичка 26; в лічильнику імпульсів 8, в меншому розряді, записана одиниця; на виході ПЗП 9 буде код, який перетворюється ЦАП 10 в напругу, що поступає на управляючі варикапи 15, 16, значення суми ємностей варикапів відповідає початковому значенню ємності С 1 (3); на ви ході генератора імпульсів 7 імпульси відсутні. Резонансна частота контуру вимірювання 1 fo = (3) 2П LC1 де L - індуктивність контуру 17; C1 - мінімальне значення суми ємностей управляючих варикапів 15 і 16. Робота резонансного цифрового вимірювача ємності відбувається в такій послідовності. На контакти 25, замість перемички, ставлять досліджуваний конденсатор (варикап) C x . Контур вимірювання 1 виходить з режиму резонансу і напруга на його виході зменшується. На вхід лічильника імпульсів 8 подається імпульс "пуск", який підтверджує початкове положення лічильника. Після затримки схемою 12 імпульс "пуск" надходить на вхід генератора імпульсів 7 і запускає його. Вихідні імпульси з генератора 7 поступають на вхід лічильника імпульсів 8, який починає їх рахувати. Кожний затриманий імпульс, з допомогою схеми затримки 13, надходить на вхід ПЗП9 і зчитує з нього код за адресою, що надходить з лічильника 8. Цей код надходить на вхід ЦАП 10, який перетворює код в пропорційне значення напруги, яка надходить на управляючі варикапи 15 і 16, збільшуючи їх ємність. При наближенні резонансної частоти контуру вимірювання 1 до частоти високочастотного генератора 2, на виході контуру буде збільшуватись напруга, яка після підсилювача 4 і детектора 5, надходить на вхід блока виділення екстремуму 6. Кожен імпульс з виходу генератора 7, через схему затримки 14, надходить на керуючий вхід блока виділення екстремуму, запитуючи наявність екстремуму. Коли резонансна частота контура буде дорівнювати частоті генератора 2, на виході контура буде максимальна напруга. В цей момент з виходу блока виділення екстремуму 6 надійде імпульс напруги на входи генератора імпульсів 7 та регістра вихідного 11. При цьому генератор 7 перестає виробляти імпульси, а в регістр ви хідний 11 заноситься код адреса з лічильника 8. Значення цього коду Nx відповідає значенню вимірювальної ємності C x . Резонансна частота контуру при цьому буде дорівнювати fo . 1 fo = (4) C × C2 2П L × x Cx + C 2 де C 2 - сумарна ємність варикапів 15,16 при цьому резонансі, N C 2 = C1 + å DC 2i i=1 , DC2i - значення сходинок, на які змінюється ємність С . З рівнянь (3) і (4) одержимо де 2 C1 × C2 (5) Cx = C2 - C1 де C1 - стала величина. З (5) маємо C2 = C1 × Cx C x - C1 (6) Задавшись однаковими сходинками D C , на які повинна ємність C x при зміні C 2 з рівняння (6) знаходимо значення C2i і по вольт-фарадним характеристикам управляючих варикапів 15 і 16 знаходимо значення напруг зсуву Ui , що відповідають значенням C2i . Коди напруг Ui заносяться в ПЗП9 при виготовленні вимірювача. Таким чином забезпечується лінійність шкали вимірювача. Дійсно, з рівняння (6) маємо C × N × DC C2 = 1 x N x × DC - C 1 , або C C1 × C2 C × C2 Nx = x = = 1 ×K D C (C 2 - C1 ) × DC C 2 - C 1 , де K= 1 - Const DC , Nx - числове значення вимірювальної ємності, тобто код, що знаходиться в лічильнику імпульсів 8. Із приведеного опису роботи запропонованого вимірювача ємності видно, що розширення діапазону вимірювальних ємностей вимірювача досягається за рахунок використання паралельно включених, управляючих варикапів і, також, за рахунок послідовного включення з управляючими варикапами досліджуючої ємності та інших схемних особливостей. Тобто пропонується працездатний резонансний цифровий вимірювач ємності на фіксованій високій частоті і з розширеним діапазоном вимірювальних ємностей, який суттєво відрізняється від відомого вимірювача, взятого за прототип, що визначає його промислове застосування.