Пристрій для виміру ємності

Пристрій для виміру ємності, що містить високочастотний генератор, розділювальний конденсатор, один вивід якого з'єднаний з першою вимірювальною клемою і виходом елемента розв'язки, вхід якого з'єднаний з виходом блока задання режиму, друга вимірювальна клема з'єднана з резистором ємнісно-омічного подільника, другий вивід якого з'єднаний із загальною шиною, і через підсилювач - зі входом детектора; блок вирахування, один вхід якого з'єднаний з клемою опорної напруги, др угий з ви ходом керованого підсилювача, а вихід - з нормально відкритим контактом ключа, нормально закритий контакт якого з'єднаний з клемою другої опорної напруги, а перекидний контакт через послідовно з'єднані другий і третій керовані підсилювачі - з першим входом блока порівняння, другий вхід якого приєднаний до третьої клеми опорної напруги, а вихід - до скидного входу першого тригера і першого входу першого блока збігу, др угий вхід якого приєднаний до виходу першого тригера і керуючого входу ключа, а третій вхід - до ви ходу генератора імпульсів і першого входу другого блока збігу, др угий вхід якого з'єднаний із виходом блока затримки, а третій вхід - із C2 2 (11) 1 3 78068 4 вихід тригера з'єднаний із входом блока сполученклеми опорної напруги, ви хід цифро-аналогового ня і керуючими входами першого і другого ключів, перетворювача - до другого входу першого блока при цьому рухливий контакт другого ключа через порівняння і через послідовно з'єднані перший і елемент розв'язки з'єднаний із зразковим варикадругий керовані підсилювачі до першого входу пом, який включений у частотно-задаючий один блока вирахування, другий вхід якого з'єднаний із нерухомий контакт другого ключа з'єднаний із видругою клемою опорної напруги, а вихід - із норходом джерела напруги зсуву, а інший - із виходом мально розімкненим контактом ключа, нормально цифро-аналогового перетворювача і через другий замкнений контакт якого залучений до третьої елемент розв'язки для підключення об'єкта виміру клеми опорної напруги, а перекидний контакт че- із затискачем, а вхід цифро-аналогового перерез послідовно з'єднані третій і четвертий керовані творювача з'єднаний із виходом регістра зсуву, підсилювачі - до першого входу другого блока поінформаційний вхід якого з'єднаний із четвертим рівняння, другий вхід якого залучений до четвертої виходом блока сполучення й інформаційним вхоклеми опорної напруги, а вихід - до скидного входу дом вихідного регістра, а інший вхід регістра зсуву першого тригера і першого входу першого блока з'єднаний із виходом другого блока І, один вхід збігу, другий вхід якого залучений до виходу перякого з'єднаний із третім виходом блока сполученшого тригера і керуючого входу ключа, а вихід - до ня, а інший вхід - із другим виходом блока сполутактового входу др угого лічильника, скидний вхід чення і входом першого блока І, вихід якого з'єдкотрого з'єднаний із шиною "Пуск" і настановним наний із другим входом вихідного регістра, а інший входом другого тригера, а ви хід - із цифровими вхід першого блока І з'єднаний із першим виходом входами третього і четвертого керованих підсилюблока сполучення, вихід вимірювача періоду з'єдвачів; настановний вхід першого тригера сполученаний з інформаційним входом блока сполучення, ний із скидним входом другого тригера і з виходом шостий вихід якого з'єднаний із запускаючим вхоформувача імпульсів, вхід якого з'єднаний із виходом вимірювача періоду, крім того, блок сполучендом першого блока порівняння і першим входом ня з'єднаний через канал колективного користудругого блока збігу, другий вхід якого разом із тревання з електронною обчислювальною машиною і тім входом першого блока збігу залучений до випостійним блоком, що запам'ятовує, один вхід триходу генератора імпульсів, а вихід - до тактового гера з'єднаний із п'ятим виходом блока сполученвходу першого лічильника, вихід другого тригера ня, а інший його вхід - із шиною сигналу "П уск". через блок затримки з'єднаний із третім входом До недоліків пристрою варто віднести складдругого блока збігу, цифрові входи цифроність - пристрій вимірює ємність на основі частотаналогового перетворювача, першого і другого ного методу, що потребує спеціалізованого перекерованих підсилювачів з'єднані паралельно, витворювача ємність-частота і обчислювального ходом пристрою є вихід третього керованого підпристрою з високою дозволяючою спроможністю, силювача. оскільки в обмірюваній частоті міститься інформаДо недоліків пристрою варто віднести невисоція про власнуємність перетворювача, виділити ку стабільність виміру, оскільки вихідний сигнал яку вдасться тільки при математичному опрацюпристрою залежить від напруги генератора і коеванні обмірюваного сигналу. Це створює складнофіцієнта підсилення підсилювача високої частоти сті особливо при виміру малих (нижче 10пФ) рівосновних джерела нестабільності схеми. У зв'язку нях ємності. Наявність ЕОМ і спеціалізованого з нелінійностью об'єкта виміру, величина високопрограмного забезпечення істотно ускладнили частотної напруги на ньому обмежується десяткапобудову розглянутого вимірювача ємності. ми мілівольт. Схема використовує метод ємнісноНайбільш близьким по своїй технічній суті до омічного дільника, утвореного вимірювальним запропонованого пристрою є пристрій для виміру конденсатором і струмознімним резистором. І хоча ємності [патент України 6651А – прототип], що опір струмознімного резистора в прототипі вибрамістить генератор високої частоти, який через но щодо великим, вихідний сигнал дільника потрерозділювальний конденсатор залучений до першобує значного посилення на частоті виміру, що пого виводу вимірюваного конденсатора, другий вироджує нестабільність вихідного сигналу пристрою від якого через резистор ємнісно-омічного дільнив цілому. ка залучений до загальної шини і через послідовно Задачею винаходу є створення пристрою для з'єднані підсилювач і детектор до аналогового виміру ємності варикапів, у якому за рахунок консвходу цифро-аналогового перетворювача, цифротруктивних особливостей можливо було б одержавий вхід якого з'єднаний із виходом лічильника ти збільшення точності при виміру ємності. імпульсів, скидний вхід якого з'єднаний із шиною Поставлена задача досягається тим, що при"Пуск", блок завдання режиму, два тригери, генестрій для виміру ємності містить генератор високої ратор імпульсів, блок затримки, дві клеми для підчастоти, розділювальний конденсатор, один вивід ключення опорних напруг, блок вирахування, два якого з'єднаний з першою вимірювальною клемою керованих підсилювачі, цифрові входи яких з'єді виходом елемента розв'язки, вхід якого з'єднаний нані паралельно, елемент розв'язки, два кероваз виходом блока завдання режиму, друга вимірюних підсилювачі, ключ, другий лічильник імпульсів, вальна клема з'єднана з резистором ємніснодва трихвходові блоки збігу, два блоки порівняння, омічного дільника, другий вивід якого з'єднаний із дві клеми для підключення опорних напруг, форзагальною шиною, і через підсилювач зі входом мувач імпульсів, при цьому ви хід блока завдання детектора; блок вирахування, один вхід якого з'єдрежиму через елемент розв'язки залучений до наний з клемою опорної напруги, другий з виходу першого виводу що вимірювального конденсатора, керованого підсилювача, а вихід - з нормально перший вхід першого блока порівняння - до першої відкритим контактом ключа, нормально закритий 5 78068 6 контакт якого з'єднаний з клемою другої опорної два трихвходові блоки 24 і 30 збігу, блок 29 затринапруги, а перекидний контакт через послідовно мки, формувач 32 імпульсів, тригера 33 і 34. з'єднані другий і третій керовані підсилювачі з пеЗначення резистора ємкісно-омічного дільника ршим входом блока порівняння, другий вхід якого так само, як і в прототипі, вибирають таким, щоб залучений до третьої клеми опорної напруги, а напруга на ньому було сумірна з напругою на ємвихід до скидного входу першого тригера і першоності, що вимірюється. Керований підсилювач 2 го входу першого блока збігу, другий вхід якого повинен формувати коефіцієнт підсилення, пропозалучений до виходу першого тригера і керуючого рційний напрузі на керуючому вході. Керовані підвходу ключа, а третій вхід - до ви ходу генератора силювачі 15, 25 і 26 можуть бути зібрані на основі імпульсів і першого входу др угого блока збігу, друмножачих цифро-аналогових перетворювачів, когий вхід якого з'єднаний із виходом блока затримефіцієнти передачі яких визначаються кодами, що ки, а третій вхід - із входом формувача імпульсів і знаходяться в лічильниках 20 і 31 відповідно. При виходом другого блока порівняння; вихід формуцьому повинна дотримуватися неодмінна умова: вача імпульсів з'єднаний із настановним входом коефіцієнти передачі підсилювачів 25 і 26 повинні першого тригера і скидним входом другого тригебути рівні між собою. ра, вихід якого з'єднаний із входом блока затримРозділювальний конденсатор 3 одним вивоки, настановний вхід - із шиною "Пуск" і скидними дом залучений до першої вимірювальної клеми 4 і входами першого і другого лічильників імпульсів, виходу елемента 10 розв'язки, вхід якого залучетактовий вхід першого лічильника залучений до ний до виходу блока 19 завдання режиму, друга виходу другого блока збігу, а вихід - до цифрового вимірювальна клема залучена до резистора 5 ємвходу першого керованого підсилювача, тактовий нісно-омічного дільника, другий вивід якого з'єднавхід другого лічильника імпульсів залучений до ний із загальною шиною, і через підсилювач 6 до виходу першого блока збігу, а вихід - до цифрових входу детектора 7. Блок 18 вирахування одним входів др угого і третього керованих підсилювачів, входом залучений до клеми 17 опорної напруги, виходом пристрою є вихід др угого керованого піддругим до ви ходу керованого підсилювача 15, а силювача, підсилювач, детектор, другий ключ, виходом - до нормально відкритого контакту ключа третій блок порівняння, четвертий керований під22, нормально закритий контакт якого залучений силювач, четверту і п'яту клеми опорної напруги, до клеми 21 другої опорної напруги, а перекидний при цьому генератор високої частоти залучений до контакт через послідовно з'єднані другий 25 і тревходу че твертого керованого підсилювача, вихід тій 26 керовані підсилювачі до першого входу блоякого з'єднаний із другим виводом розділювальнока 28 порівняння. Другий вхід блока 28 порівняння го конденсатора, а керуючий вхід - із виходом трезалучений до третьої клеми 27 опорної напруги, а тього блока порівняння, перший вхід якого з'єднавихід до скидного входу першого тригера 34 і перний із четвертою клемою опорної напруги, а шого входа першого блока 30 збігу, другий вхід другий вхід - із виходом першого детектора, перша якого залучений до виходу першого тригера 34 і вимірювальна клема через послідовно з'єднані керуючого входу ключа 22. Третій вхід блока 30 другий підсилювач і другий детектор з'єднана із збігу залучений до виходу генератора 23 імпульсів першим входом другого блока порівняння і з норі першого входу др угого блока 24 збігу, другий вхід мально закритим контактом другого ключа, нормаякого з'єднаний із виходом блока 29 затримки, а льно відкритий контакт якого з'єднаний із п'ятою третій вхід - із входом формувача 32 імпульсів і клемою опорної напруги, перекидний контакт - із виходом другого блока 24 порівняння. Вихід форвходом першого керованого підсилювача, а керумувача 32 імпульсів з'єднаний із настановним вхоючий вхід - із виходом другого тригера, другий вхід дом першого тригера 34 і скидним входом другого другого блока порівняння з'єднаний із виходом тригера 33, вихід якого з'єднаний із входом блока першого керованого підсилювача. 29 затримки, настановний вхід - із шиною "Пуск" і Порівнянний аналіз із прототипом показує, що скидними входами першого 20 і другого 31 лічильпристрій, що заявляється, відрізняється тим, що в ників імпульсів. Тактовий вхід першого лічильника схему додатково введені нові блоки: підсилювач, 20 залучений до виходу др угого блока 24 збігу, а детектор, другий ключ, третій блок порівняння, вихід - до ци фрового входу першого керованого четвертий керований підсилювач, четверта і п'ята підсилювача 15. Тактовий вхід другого лічильника клеми опорної напруги, і їхні зв'язки між собою й 31 імпульсів залучений до виходу першого блока іншими елементами схеми, що дозволило усунути 30 збігу, а ви хід - до ци фрових входів др угого 25 і залежність вихідного сигналу пристрою від напрутретього 26 керованих підсилювачів, виходом приги генератора і коефіцієнта підсилення підсилювастрою є ви хід др угого керованого підсилювача 25. ча високої частоти, зробивши його більш стабільГенератор 1 високої частоти залучений до входу ним. четвертого керованого підсилювача 2, вихід якого На малюнку подана схема запропонованого з'єднаний із другим виводом розділювального конпристрою. Вона містить генератор 1 високої частоденсатора 3, а керуючий вхід - із виходом третього ти; керовані підсилювачі 2, 15, 25 і 26, розділюваблока 9 порівняння, перший вхід якого з'єднаний із льний конденсатор 3, вимірювальні клеми 4, резичетвертою клемою 8 опорної напруги, а др угий стор 5 ємнісно-омічного дільника, підсилювачі 6 і вхід - із виходом першого детектора 7. Перша ви11, детектори 7 і 12, клеми 8, 13, 17, 21 і 27 для мірювальна клема через послідовно з'єднані друпідключення опорної напруги, блоки 9, 16 і 28 погий підсилювач 11 і другий детектор 12 сполучена рівняння, елемент 10 розв'язки, ключі 14 і 22, блок з першим входом другого блока 16 порівняння і з 18 вирахування, блок 19 завдання режиму, лічинормально закритим контактом другого ключа 14, льники 20 і 31 імпульсів, генератор23 імпульсів, нормально відкритий контакт якого з'єднаний із 7 78068 8 п'ятою клемою 13 опорної напруги, перекидний буде справедлива рівність: контакт - із входом першого керованого підсилюUon 2k1 = U д 2, , вача 15, а керуючий вхід - із ви ходом другого триде k 1 - коефіцієнт передачі керованого підсигера 33. Другий вхід друго го блока 16 порівняння лювача 15, з'єднаний із виходом першого керованого підсиUon2 - величина опорної напруги, поданої на лювача 15. клему 13. У вихідному стані генератор 1 виробляє напруУ момент формування забороняючого потенга частоти, при якій вимірюється ємність варикапа, ціалу формувач 32 імпульсу видає імпульс, що котра через керований підсилювач 2 надходить до скидає в "0" тригер 33 і встановлює в "1" тригер 34. ємнісно-омічного дільника, утвореного випробуваКлюч 14 виключається, встановлюючись у стан, ним варикапом 4 разом із резистором 5. Тригера показаний на малюнку і підключаючи до входу 33 і 34 знаходяться в нульовому стані. Напруга керованого підсилювача 15 вихід детектора 12. На ємкісно-омічного дільника поступає на вхід підсивиході підсилювача 15 одержуємо сигнал: лювача 6, посилена напруга випрямляється детектором 7. При цьому сигнал на вході підсилювача 6 U2 (3) у комплексній формі запису дорівнює: U15 = Uд 2k1 = д2 , Uг R U RwC(RwC + j) = г , j R2 w2C2 + 1 RwC де Uг - напруга на виході керованого підсилю UR = вача 2, R - величина струмознімного резистора 5, C - ємність 4, що вимірюється, w - кругова часто та виміру. Після підсилення і детектування даного сигналу на ви ході амплітудного детектора 7 одержимо U д1 = Uг k y1R wC 2 2 2 , (1) R w C +1 де U д1 - напруга на виході детектора 7, k y 1 - результуючий коефіцієнт підсилення підсилювача 6 і детектора 7. Оскільки система охоплена зворотним зв'язком, отримане значення напруги дорівнює опорній напрузі Uon1 , поданій на клему 8. Якщо вирішити (1) щодо Uг , одержимо значення напруги на ви ході керованого підсилювача 2, яка потім посилюється підсилювачем 11 і випрямляється детектором 12. Тоді U д2 = Uon1 k y2 k y1 R 2 w2C 2 + 1 R wC , (2) де U д2 - напруга на виході детектора 12, k y 2 - результуючий коефіцієнт підсилення підсилювача 11 і детектора 12. З приходом імпульсу "Пуск" встановлюється в "1" тригер 33 і обнуляються лічильники 20 і 31, сигнал на виході підсилювачів 15, 25 і 26 дорівнює нулю, спрацьовує ключ 14, підключаючи вхід керованого підсилювача 15 до джерела опорної напруги, поданої на клему 13. На виході блоків 18 і 28 порівняння формуються потенціали, що дозволяють проходження тактових імпульсів від генератора 23 імпульсів через блоки 24 і 30 збігу. З затримкою, необхідною для формування зазначених сигналів, і здійснюваною блоком 29 затримки, дозволяється проходження тактових імпульсів від генератора 23 на тактовий вхід лічильника 20. Код у лічильнику 20 росте. Напруга на виході керованого підсилювача 15 збільшується доти, поки не досягне значення напруги U д2 на виході детектора 12. При цьому на виході блока 16 порівняння формується потенціал, що забороняє надходження тактових імпульсів на лічильник 20. У цей момент Uon2 де U15 - напруга на виході керованого підсилювача 15. З урахуванням (2) і (3) одержуємо: U15 = U2 1 on k 22 y 1 Uon2 R2w2 C2 k 2 y1 + 2 U2 1 k y2 on . Uon2 k 2 (4) y1 Приймаючи третю опорну напругу, подану на клему 17, що дорівнює Uon 3 = 2 U2 1 k y2 on Uon2 k 2 y1 , на виході блока 18 вирахування одержуємо: U18 = 2 U2 1 k y2 1 on . Uon2 k 2 R2w 2C2 y1 (5) Установившись у "1", тригер 34 дає дозвіл на проходження тактових імпульсів від генератора 23 імпульсів через блок 30 збігу на вхід лічильника 31 і включає ключ 22, підключаючи до входу керованого підсилювача 25 вихідний сигнал блока 18. У момент рівності напруг на виході керованого підсилювача 26 і опорної напруги Uon4 , поданої на клему 27, на виході блока 28 порівняння формується сигнал, що забороняє проходження тактових імпульсів від генератора 23 до лічильника 31 і скидає у "0" тригер 34. У момент формування забороняючого сигналу формувач 32 імпульсу видає імпульс, що скидає в "0" тригер 33 і встановлює в "1" тригер 34, що дає дозвіл на проходження тактових імпульсів від генератора 23 через блок 30 збігу на тактовий вхід лічильника 31. Схема приходить у вихідний стан, до входу підсилювача 25 підключається опорна напруга Uon5 , подана на клему 21. З огляду на те, що коефіцієнти передачі керованих підсилювачів 25 і 26 рівні, у момент спрацьовування блока 28 буде справедлива рівність: (6) U18k 2 = Uon 4, 2 де Uon4 - напруга, що подана на клему 27, k 2 - коефіцієнт передачі керованого підсилювача 25. При вимиканні ключа 22 на виході керованого підсилювача 25 одержимо: U25 = Uon5k 2. 9 Або з урахуванням (5) і (6): 78068 Uon 4 Uon 5 Uon 4Uon2 k y1 (7) = RwC U18 Uon1 k y2 - сигнал, пропорційний ємності C , що вимірю U25 = Uon 5 ється. Аналіз отриманого виразу показує, що ви хідний сигнал пристрою пропорційний не коефіцієнту підсилення високочастотного тракту, а відношенню коефіцієнтів підсилення підсилювачів 6 і 11. Якщо підсилювачі 6 і 11 виготовити ідентичними і помістити в однакові умови, це забезпечить їх однаковий часовий і температурний дрейф і рівність k y1 = k y2 в усі х режимах роботи. Комп’ютерна в ерстка Т.Чепелева 10 Таким чином, застосувавши спеціалізований обчислювач, побудований на цифрових керованих підсилювачах, одержимо на виході пристрою сигнал, пропорційний ємності, що вимірюється. Використання подібного обчислювача на цифроаналогових пристроях дає відносну простоту в порівнянні з чисто цифровими пристроями і високу точність в порівнянні з аналоговими обчислювачами. Відсутність залежності вихідного сигналу від напруги високочастотного генератора і коефіцієнта підсилення підсилювача забезпечує часову і температурну стабільність пристрою в цілому. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601