Резонансний вимірювач ємності

1 Резонансний вимірювач ємності, що містить високочастотний генератор, вихід якого з'єднаний з контуром вимірювання, що включає індуктивність, конденсатор змінної ємності і контакти для досліджуваного конденсатора, який відрізняється тим, що додатково містить джерело напруги зсуву, підсилювач змінної напруги, детектор, блок виділення екстремуму, генератор імпульсів, лічильник імпульсів, програмований запам'ятовуючий пристрій, цифро-аналоговий перетворювач, суматор напруг, схеми затримки, при цьому вихід джерела напруги зсуву з'єднаний через відокремлювальний резистор з індуктивністю контуру, вхід підсилювача змінної напруги з'єднаний з виходом контуру, 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 програмованого запам'ятовуючого пристрою, вихід якого з'єднаний із входом цифро-аналогового перетворювача, а вихід перетворювача з'єднаний з першим входом суматора напруг, другий вхід якого з'єднаний з клемою напруги Uo, а вихід суматора напруг з'єднаний через другий відокремлювальний резистор з управляючим варикапом контуру вимірювання, а клема "пуск" з'єднана зі входом лічильника імпульсів і через схему затримки із входом генератора імпульсів, другий вхід якого з'єднаний з виходом блока виділення екстремуму 2 Вимірювач по п 1 , який відрізняється тим, що блок виділення екстремуму містить схему вибірки і запам'ятовування, схему порівняння, формувач рівня напруги, схему затримки та логічну схему "І", при цьому вхід схеми вибірки і запам'ятовування з'єднаний із входом блока виділення екстремуму, з входом формувача напруги, з першим входом схеми порівняння, вихід формувача з'єднаний з входом схеми "І", а другий вхід блока виділення екстремуму з'єднаний з входом схеми затримки і з другим входом схеми "І", вихід якої з'єднаний зі стробувальним входом схеми порівняння, другий вхід схеми порівняння з'єднаний з виходом схеми вибірки і запам'ятовування, другий вхід якої з'єднаний з виходом схеми затримки, а вихід схеми порівняння з'єднаний з виходом блока виділення екстремуму Винахід відноситься до контрольновимірювальної техніки і призначений для вимірювання ємностей конденсаторів та варикапів Відомий вимірювач ємності конденсаторів (див Цифровые приборы и системы для измерения параметров конденсаторов Под редакцией ЭпштейнаСЛ М , "Советское радио" 1978 С 21, рис 2 1 а), 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 генера торів 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 частотах, на яких вони працюють в схемах Найбільш близьким до запропонованого вимірювача є вимірювач ємності, описаний в книзі Винокуров В И , Каплин С И , Петелин Н Г Электрорадиоизмерения М , "Высшая школа" 1986 с 350 с 263, рис 13 9 а, б До складу вимірювача входять високочастот (21)2002010226 ю 00 00 48854 ний генератор, вихід якого звязании з контуром вимірювання, і контур вимірювання, створений індуктивністю і конденсатором змінної ємності, контакти для досліджуваного конденсатора, вимірювач високочастотної напруги, вхід якого з'єднаний з виходом контуру вимірювання До недоліків відомого вимірювача необхідно віднести неможливість автоматичного виміру в цифровому вигляді та виміру ємності варикапів Задачею винаходу є створення резонансного вимірювача ємності, схемні особливості якого забезпечили б можливість цифрового автоматичного виміру ємності конденсаторів та варикапів Рішення поставленої задачі досягається тим, що резонансний вимірювач ємності містить високочастотний генератор, вихід якого з'єднаний з контуром вимірювання, що включає індуктивність, конденсатор змінної ємності і контакти для досліджуваного конденсатора, згідно з винаходом, вимірювач додатково містить джерело напруги зсуву, підсилювач змінної напруги, детектор, блок виділення екстремуму, генератор імпульсів, лічильник імпульсів, програмований запам'ятовуючий пристрій, цифро-аналоговий перетворювач, суматор напруг, три схеми затримки, при цьому вихід джерела напруги зсуву з'єднаний через відокремлювальний резистор з індуктивністю контуру, вхід підсилювача змінної напруги з'єднаний з виходом контуру, 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 програмованого запам'ятовуючого пристрою, вихід якого з'єднаний із входом цифро-аналогового перетворювача, а вихід перетворювача з'єднаний з першим входом суматора напруг, другий вхід якого з'єднаний з клемою Uo, а вихід суматора напруг з'єднаний через другий відокремлювальний резистор з управляючим варикапом, а клема "пуск" з'єднана зі входом лічильника імпульсів і через третю схему затримки із входом генератора імпульсів, другий вхід якого з'єднаний з виходом блока виділення екстремуму Блок виділення екстремуму містить схему вибірки і запам'ятовування, схему рівняння, формувач рівня напруги, схему затримки та логічну схему "І", при цьому вхід схеми вибірки і запам'ятовування з'єднаний із входом блока виділення екстремуму, з входом формувача напруги, з першим входом схеми порівняння, вихід формувача з'єднаний з входом схеми "І", а другий вхід блока виділення екстремуму з'єднаний з входом схеми затримки і з другим входом схеми "І", вихід якої з'єднаний із стробуючим входом схеми порівняння, другий вхід схеми зрівняння з'єднаний з виходом схеми вибірки і запам'ятовування, другий вхід якої з'єднаний з виходом схеми затримки, а вихід схеми порівняння з'єднаний з виходом блока видалення екстремуму У порівнянні з прототипом, у якому неможливий автоматичний вимір в цифровому вигляді ємності конденсаторів і варикапів, дане технічне рі шення дозволяє одержати пристрій з автоматичним виміром в цифровому вигляді ємностей конденсаторів та варикапів На кресленні (фіг 1) приведено функціональну схему запропонованого вимірювача ємності конденсаторів і 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, схеми затримки 7, 8, 9, генератор імпульсів 10, лічильник імпульсів 11, програмований запам'ятовуючий пристрій (ПЗП) 12, цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) 13, суматор напруг 14, до складу якого входять операційний підсилювач 15 та резистори 16, 17, 18 До складу контуру вимірювання входять управляючий варикап 19, розділяючі конденсатори 20, 21, індуктивність 22, контакти для досліджуваного конденсатора (варикапа) 23, розділяючі резистори 24, 25 До складу блока виділення екстремуму входять схема вибірки-запам'ятовування 26, схема порівняння 27, формувач рівня напруги 28, логічна схема "І" 29, схема затримки ЗО В ПЗП попередньо заносяться коди Ці коди, підчас роботи зчитуються з ПЗП, перетворюються ЦАП в напруги, подаються через суматор напруг на управляючий варикап 19 При цьому адресний код ПЗП 12, який надходить з лічильника 11, відповідає значенню КІЛЬКОСТІ сходинок, на яку змінюється ємність керуючого варикапа при надходженні на нього напруги зсуву із суматора напруг Ця напруга залежить від коду, що знаходиться в ПЗП за адресою, що відповідає заданій ємності варикапу 19 Для цього необхідно виміряти з великою точністю вольт-фарадну характеристику управляючого варикапа, визначити робочу ділянку вольтфарадної характеристики, тобто С т а х , С т і ВІДПОВІДНО Un і U m (див фіг 2), вибрати значення і КІЛЬКІСТЬ сходинок ДС, на яку буде змінюватись ємність варикапа при поданні на нього напруги зсуву (див фіг 2) ВІДПОВІДНІ напругам коди заносяться в ПЗП Початкове положення схеми характеризується таким станом складових елементів на вимірювальних контактах досліджуваний конденсатор відсутній, лічильник імпульсів 11 знаходиться в нульовому положенні, на виходах генераторів імпульсів 10 та ПЗП 12 сигнали відсутні, на виході ЦАП нульовий рівень напруги, на виході суматора напруг 14 - напруга Un (1), =-и ^ m де R-18, R17 - резистори 18 і 17, ВІДПОВІДНО, кон тур вимірювання 1 налаштований в резонанс на частоті генератора 2, яка дорівнює f І що виходить з рівняння для резонансу 1 де L - індуктивність 22 контуру, С т а х - макси48854 мальна (початкова) ємність варикапа 19 (див фіг 2), С т - ємність монтажу На вхід підсилювача 4 надходить вихідна напруга контуру, з виходу підсилювача напруга, після детектора, поступає на вхід блока виділення екстремуму 6 РОЗДІЛЯЮЧІ конденсатори С р 20, 21 вибираються, виходячи з умов С-І9 « С р » Сгз, де С-І9 і Сгз - ємності варикапа 19 і досліджуваного конденсатора (варикапа), ємність якого треба виміряти Беручи до уваги наведені умови, можна стверджувати, що розділяючі ємності не впливають на частотні характеристики контуру Робота цифрового вимірювача ємності відбувається в наступній ПОСЛІДОВНОСТІ На вимірювальні контакти встановлюється досліджуваний конденсатор (варикап) Ємність контуру С к буде дорівнювати C.KWCVC* (2) ДЄ Стах - ЄМНІСТЬ ВЭрИКЭПу 1 9 , С т - ЄМНІСТЬ МО нтажу, С х - ємність досліджуваного конденсатору Контур виходить з режиму резонансу і напруга на його виході зменшиться На вхід лічильника імпульсів подається імпульс "пуск", який приводить лічильник в нульовий стан Після затримки пристроєм 9 імпульс "пуск" надходить на вхід генератора імпульсів 10 і запускає його ВИХІДНІ імпульси з генератора поступають на вхід лічильника 1 1 , який починає їх рахувати Кожний затриманий імпульс з допомогою пристрою 7 надходить на вхід, що зчитує з ПЗП 12 і відбувається зчитування коду за адресою, що знаходиться в лічильнику 11 Цей код поступає на вхід ЦАП 13, який перетворює код в пропорційну величину напруги, що надходить на вхід суматора напруг 14, на резистор 16 Беручи до уваги рівняння (1), можна отримати формулу для вихідної напруги U'n суматора напруг при надходженні на вхід лічильника 11 N імпульсів, що відповідає такій же КІЛЬКОСТІ сходинок напруг ДІД, що надходять з виходу ЦАП (див фіг 2) и: 1 В «17 X-J і-І ' Л З? І І6 У " В У. л і? 1 Л В w ІЙ 1-І ' } де AU, - сходинки напруг, що надходять з виходу ЦАП, N - КІЛЬКІСТЬ сходинок напруг, що дорівнює КІЛЬКОСТІ імпульсів, що надійшли на вхід лічильника 11,і = 1,2, , N В ПЗП 12 записана множина кодів, які, після перетворення ЦАП і підсилювачем 14, змінюють ємність управляючого варикапа 19 на однакові сходинки АС (див фіг 2) При цьому буде змінюватись резонансна частота вимірювального контуру При наближенні резонансної частоти вимірювального контуру до частоти генератору на виході контуру буде збільшуватись напруга Коли резонансна частота контуру буде дорівнювати частоті генератору, на виході контуру буде максимальна напруга Цей момент фіксує блок виділення екстремуму Сигнал із схеми порівняння 27, блоку виділення екстремуму 6 надходить на другий вхід генератора імпульсів 10 і перешкоджає проходженню імпульсів на вхід генератора При цьому на вхід лічильника надійшло N ім пульсів, і ємність варикапа 19 змінилась на велиN -SAC, |=1 чину Беручи до уваги (2), можна записати рівняння N С 4 — С V А Ґ ж — max ~~ Z.J " ^ і і-1 1 4 Ґ j. ґ ' *-*ju ^ i s J. Так як ДСі = ДСг = (3) випливає СХ\ \^/ = = ДС, із рівняння ЗВІДКИ С -к АС ДС - const. Таким чином, КІЛЬКІСТЬ імпульсів, що надійшли на вхід лічильника 13, і його код, прямо пропорційні вимірюваній ємності С х Необхідно відзначити, що при вимірюванні ємності варикапів на варикап подається напруга зсуву із джерела напруги зсуву 3, через розділяючий (по високій частоті) резистор 24 і індуктивність 22 При вимірюванні ємності конденсаторів напруга зсуву на вимірювання не впливає Схеми затримки призначені схема 9 необхідна для затримки імпульсу, що поступає на вхід генератора імпульсів, на час, необхідний для установки лічильника імпульсів 11 в початковий стан сигналом "пуск", схема затримки 7 необхідна для затримки імпульсу на час, необхідний для проходження перехідних процесів лічильника імпульсів після надходження вхідного імпульсу, схема затримки 8 необхідна для затримки кожного вхідного імпульсу на час, необхідний для перехідних процесів лічильника імпульсів 1 1 , ПЗП 13, суматора напруг 14, контуру вимірювання 1, підсилювача змінної напруги 4 і детектора 5 Робота блоку виділення екстремуму відбувається в такій ПОСЛІДОВНОСТІ При наближенні резонансу в контурі 1, за рахунок зміни ємності варикапа 19, на його виході збільшується напруга Ця напруга через підсилювач 4 та детектор 5 надходить на входи схеми вибірки і запам'ятовування 26, схеми порівняння 27, формувача рівня напруги 28, які входять до складу блока виділення екстремуму 6 При перевищенні вхідною напругою встановленого граничного значення, формувач формує рівень напруги, необхідний для проходження імпульсів, що надходять із схеми затримки 8, через схему " І " 29 на стробуючий вхід схеми порівнянь 27 При вхідних сигналах схеми зрівнянь, що відповідають умові и д = UC3, де и д і U C3 - напруги на виході детектора імпульсів 5 і схеми вибірки і запам'ятання, ВІДПОВІДНО, схема порівняння 27 формує імпульс напруги, який надходить на вхід генератора імпульсів 10 і перешкоджає проходженню імпульсів на вихід генератора Якщо наведені умови не виконуються, схема зрівняння не виробляє вихідного імпульсу і при надходженні імпульсу із схеми затримки 8, через схему затримки ЗО, імпульс надходить на управляючий вхід схеми вибірки 26, проходить запам'ятовування вхідної напруги схеми вибірки 26 48854 Процес повторюється до тих пір, поки не буде виконуватись умова ІІ Д = UC3 Тоді схема порівнянь 27 виробить вихідний імпульс, який надходить на другий вхід генератора імпульсів 10 Із приведеного опису вимірювача ємності випливає, що за рахунок схемних особливостей про 8 понується працездатний автоматичний цифровий вимірювач електричної ємності конденсаторів і варикапів на фіксованій високій частоті, який суттєво відрізняється від відомого вимірювача, взятого за прототип, що визначає його промислове застосування Фіг. І U Фіг.2 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71