Цифровий вимірювач ємності

Цифровий вимірювач ємності, що вміщує високочастотний генератор, джерело напруги зміщення, підсилювач змінної напруги, вхід якого з'єднаний з виходом ємносно-омічного подільника, і вихід - з детектором, який відрізняється тим, що вимірювач вміщує блок керуючих джерел напруг, регістр послідовних наближень, запам'ятовуючий 40458 ність відповідного варикапа КЄД змінювалась з великою точністю на одну сходинку. Для цього необхідно виміряти з великою точністю вольт-фарадні характеристики декадних варикапів 15-17, що входять в склад ємносно-омічного дільника і вибрати робочі ділянки вольт-фарадних характеристик (див. фі г. 2). На фіг 2 показана вольт-фарадна характеристика варикапа і напруги U0, U1¸U3 що забезпечують ємності сходинок DС1. Регістр послідовних приближень РПП повинен мати 30 розрядів, відповідно до трьох керованих джерел, кожен з яких формує десять вихідних напруг. РПП може складатися із 3-х мікросхем К155Р17, які включені по послідовній схемі (див. фіг. 1.83, г, д. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. – Челябинск, «Металлургия», 1989. - С. 350). В склад керованого ємносно-омічного дільника входять розділяючи конденсатори 11¸14, декадні варикапи 15¸17, резистор 18, вимірювальні зажими для досліджуючого конденсатора (варикапа) 19, резистори 20¸22, які необхідні для розділення по змінній напрузі. Опір резистора 18 повинен бути набагато менше ємнісного опору дільника, щоб змінний струм в ньому обумовлювався ємнісним опором. Початкове положення схеми характеризується наступним станом складових елементів: на виходах РПП сигнали відсутні; на ви ходах БДН мінімальні, із робочого діапазону, напруги, які надходять на відповідні декадні варикапи 15¸17, при цьому варикапи мають максимальні значення ємності; з генератора 3 високочастотний сигнал надходить на КЄД, утворений паралельно включеними варикапами 15¸17 і послідовно включеним резистором 18. Необхідно відмітити, що розділюючи конденсатори 11¸14 мають ємності набагато раз більші послідовно з ними включених варикапів і досліджуючого конденсатора (варикапа) 19. Отже, параметри ємносно-омічного дільника визначаються тільки ємностями варикапів 15¸17 та досліджуючого конденсатора 19. На виході підсилювача змінного струму буде змінна напруга пропорційна сумі ємностей варикапів 15¸17 та монтажу. Після детектора сигнал постійного струму надходить на вхід ЗП. Досліджуючий конденсатор 19 на вимірювальних зажимах відсутній. З ви ходу ГИ сигнали надходять на тактовий вхід РПП, який закритий і відкривається з приходом імпульсу "пуск". Для керування блоком керованих напруг використано одинично-десятичний код, який формується в РПП. Співвідношення між сформованими ємнісними сходинками варикапів 15¸17 має вигляд: (1) DС 7=10DС2=100D3. ра Г та коефіцієнтами передачі керованого ємностно-омічного дільника - 1, підсилювача - 6, детектора – 7; Сå - суми початкових значень ємностей варикапів 15¸17; Cn - сума ємностей монтажу і вимірювальних зажимів. На вимірювальні зажими ставиться досліджуваний конденсатор (варикап). При вимірювані ємності варикапів на нього подається необхідна напруга зворотнього зміщення з джерела 2. Ця постійна напруга не впливає на результат вимірювання ємності конденсаторів. На виході детектора 7 напруга збільшується пропорційно значенню ємності конденсатора. Ця напруга поступає на входи ЗП і СЗ. Наступним етапом - на вхід 24 регістра послідовних приближень РПП надходить імпульс напруги "пуск", який приводить регістр в нульове положення та забезпечує проходження тактових імпульсів з генератора 10 на регістр. Тригери регістра керуються внутрішньою двохфазною послідовністю імпульсів, які формуються за допомогою тактових імпульсів, що надходять з ГИ. Положення розрядів регістра, починаючи з старшої декади, що відповідає сходинці DС1 (1) варикапа 15, змінюються з приходом позитивного перепаду тактових імпульсів. Залежно від одиниць та нулів, які надходять із СЗ, кожним парним тактовим імпульсом відповідний тригер регістра змінює положення на "0" або залишається в положенні "1". З приходом першого тактового імпульсу перший розряд регістра РПП приводиться в положення "1". Цей сигнал надходить на вхід старшої декади блока керуючих джерел напруги, який збільшує ви хідну напругу декади, щоб ємність відповідного варикапа змінилася (зменшилася) на одну сходинку DС1. При цьому, напруга що надходить з ємнісно-омічного дільника, зменшиться пропорційно DС1. Після підсилення і випрямлення детектором ця напруга надходить на вхід схеми зрівняння СЗ. СЗ виробляє сигнал "1" або "0", залежно від умов: при UЗП>Uд - буде "1", при UЗП£Uд - буде "0", де: UЗП - вихідна напруга ЗП; Uд - ви хідна напруга детектора. При надходженні з СЗ "1" на від РПП, його перший розряд залишається в положенні "1". При надходженні "0" - перший розряд РПП змінює положення на "0". З приходом третього тактового імпульсу на вхід РПП в положення "1" установиться другий розряд. При цьому, все повторюється знову, як і при першому розряді. Всі три декади обробляються в неперервному циклі. Розглянемо приклад. Нехай необхідно виміряти Сх. Використовуючи (2), запишемо рівняння для Uд: ( Робота цифрового вимірювача ємності відбувається в наступній послідовності. На вхід 23 ЗП надходить імпульс напруги. В ЗП запам'ятовується вхідна напруга Uд прапорційна сумі початкових значень ємностей варикапів 15¸17, ємності монтажу і вимірювальних зажимів: (2) U д = К СS + Сn , ( ) U д = К СS + Сn + C . x (3) Після зрівноваження схеми, взявши до уваги (1), будемо мати рівняння: ( ) U д = К СS + Сn + C x ) ( - K DC × i + DC × e + DC × m 1 2 3 де: К - коефіцієнт перетворення ємності в напругу, який забезпечується вихідною напругою генерато 2 ), (4) 40458 де: і, е та m - кількість “1” регістра РПП, відповідно старшої, середньої та молодшої декад, після зрівноваження схеми. Із рівняння (4) випливає: C x = DC1 × i + DC 2 × e + D C3 × m з точністю ±DС3. Рівняння (5) можна переписати: C x = 100 DC × i + 10 DC 3 × e + DC 3 × m = 3 ( = DC 100 × i + 10 × e + m 3 або Cx DC 3 ) Із приведеного описання роботи схеми випливає, що вона має високу точність, так як відбувається компенсація паразитної ємності вимірювальних ланцюгів. Крім того, на точність вимірювання не впливають нестабільності параметрів - елементів що входять в схему, це ви хідна напруга високочастотного генератора, коефіцієнтів перетворення підсилювача 6, детектора 7 і їх нелінійності. Стабільність цих елементів повинна забезпечуватись тільки на час виміру, який має значення мілісекунди. Крім того, робота запам'ятовуючого пристрою, схеми зрівняння, підсилювача і детектора при закінченні зрівноваження, завжди відбувається при однакових вхідних значеннях напруги, чим забезпечується висока точність їх роботи. Точність даного вимірювача залежить тільки від точності заданих сходинок DС1, DС2 і DС3, які забезпечуються точністю і стабільністю напруг зміщення. Але даний блок керованих джерел напруг забезпечує високу точність вихідних напруг. Даний вимірювач ємності особливо ефективний при вимірах малих ємностей, наприклад, ємностей варикапів. Дана схема відрізняється також простотою (особливо при порівнянні з серійними цифровими вимірювачами Е7-12, Е7-14). (5) , = 100 × i + 10 × e + m . Припустимо DС1=10 пф, DС2=1 пф и DС3=0,1 пф, при і=3, е=4, m=6. Результат вимірювання: Nx = Cx D C3 ( ) = 34,6 пф , тут кома визначається діапазоном вимірювання. Код, що надходить на регістр вихідний, буде мати вигляд 1110000000 1111000000 1111110000. По закінченні зрівноваження, з виходу РПП на вхід регістра вихідного надходить сигнал "кінець перетворення", при цьому, відбувається запис вихідного коду РПП в ви хідний регістр. Фіг. 1 3 40458 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП “Український інститут промислової власності (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид.арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4