Пристрій для вимірювання ємності

Пристрій для вимірювання ємності, що містить генератор високої частоти, який через розділювальний конденсатор приєднаний до першого виводу вимірюваного конденсатора і через елемент розв'язки - до виходу блока задання режиму, другий вивід вимірюваного конденсатора через резистор ємнісно-омічного дільника з'єднаний із загальною шиною, а через послідовно з'єднані підсилювач і детектор - із входом цифро-аналогового перетворювача, цифровий вхід якого приєднаний до виходу першого лічильника, а вихід - до першого входу першого блока порівняння, другий вхід якого приєднаний до першої клеми опорної напруги, а вихід через перший формувач імпульсів - до скидного входу першого тригера, установний вхід якого з'єднаний із шиною "Пуск" і скидним входом першого і другого лічильників, два послідовно з'єднані перший і другий керовані підсилювачі, цифрові входи яких з'єднані паралельно, вихід другого керованого підсилювача з'єднаний із першим входом блока вирахування, другий вхід якого приєднаний до другої клеми опорної напруги, а вихід - до нормально відкритого контакту ключа, нормально закритий контакт якого з'єднаний із третьою клемою опорної напруги, а перекидний контакт через послідовно з'єднані третій і четвертий керовані підсилювачі - з першим входом другого блока порівнян C2 2 (19) 1 3 97292 4 Відомий пристрій для виміру ємності (А.с. струмознімному резисторі повинно бути на поряСРСР 1367700 G01R27/26), що містить множильдок менше (див. вимоги ДЕРЖСТАНДАРТ 18986. но-ділильний блок, вимірювальний контур, вхід 4-73. Діоди напівпровідникові. Методи виміру ємякого з'єднаний із виходом блока задання режиму і ності.), через що вимірюваний сигнал потребу знагенератора високої частоти, керуючий вхід з'єдначного (біля 1000 разів) посилення, що призводить ний із виходом джерела напруги, що змінюється, а до нестабільності сигналу і появі в ньому значної вихід через підсилювач високої частоти з входом шумової складової. Спроба збільшити значення детектора, перетворювач ємності в напругу, цифсигналу, що знімається з дільника, за рахунок збіро-аналоговий перетворювач, регістр зсуву, два льшення струмознімного резистора призводить до керованих підсилювачі, аналоговий суматор, чотизбільшення методичної погрішності виміру. ри граничних блоки, п'ять тригерів, блок вирахуНайбільш близьким по своїй технічній суті до вання, два елементи затримки, два елементи І, запропонованого пристрою є пристрій для виміру при цьому вихід перетворювача ємності в напругу ємності (патент України 66151А - прототип), що з'єднаний з аналоговим входом цифромістить генератор високої частоти, який через роаналогового перетворювача і входом другого гразділовий конденсатор приєднаний до першого виничного блока, цифровий вхід цифро-аналогового воду вимірюваного конденсатора, другий вивід перетворювача з'єднаний із виходом лічильника якого через резистор ємнісно-омічного дільника імпульсів і входом регістра зсуву, вхід лічильника приєднаний до загальної шини і через послідовно імпульсів через елемент І з'єднаний із виходом з'єднані підсилювач і детектор до аналогового генератора імпульсів, а вихід регістра зсуву з'єдвходу цифро-аналогового перетворювача, цифронаний із керуючими входами двох керованих підвий вхід якого з'єднаний із виходом лічильника силювачів, вхід першого керованого підсилювача імпульсів, скидний вхід якого з'єднаний із шиною з'єднаний із клемою опорного сигналу, а його вихід "Пуск", блок задання режиму, два тригери, генераз'єднаний з одним із входів аналогового суматора, тор імпульсів, блок затримки, дві клеми для підкдругий вхід якого з'єднаний із клемою другого ополючення опорних напруг, блок вирахування, два рного сигналу, а вихід суматора з'єднаний із вхокерованих підсилювачі, цифрові входи яких сполудом блока вирахування і другого керованого підчені паралельно, елемент розв'язки, два керовасилювача, вихід якого з'єднаний із входом них підсилювачі, ключ, другий лічильник імпульсів, множильно-ділильного блока, другий вхід якого два тривходові блоки збігу, два блоки порівняння, з'єднаний із виходом блока вирахування, а третій дві клеми для підключення опорних напруг, форвхід - із виходом детектора і другим входом блока мувач імпульсів, при цьому вихід блока задання вирахування, вихід множильно-ділильного блока режиму через елемент розв'язки приєднаний до через перший граничний блок з'єднаний із рахунпершого виводу вимірюваного конденсатора, перковим входом першого тригера, вихід цифроший вхід першого блока порівняння - до першої аналогового перетворювача з'єднаний із входами клеми опорної напруги, вихід цифро-аналогового третього і четвертого граничних блоків, виходи перетворювача - до другого входу першого блока другого і третього граничних блоків з'єднані з інпорівняння і через послідовно з'єднані перший і формаційними входами другого і третього тригерів другий керовані підсилювачі - до першого входу відповідно, рахунковий вхід другого тригера з'єдблока вирахування, другий вхід якого з'єднаний із наний з інформаційним входом першого тригера і другою клемою опорної напруги, а вихід - із норінвертуючим виходом четвертого тригера і другим мально розімкненим контактом ключа, нормально входом елемента І, прямий вихід четвертого тризамкнений контакт якого приєднаний до третьої гера з'єднаний із входом другого елемента І, друклеми опорної напруги, а перекидний контакт чегий вхід якого з'єднаний із виходом п'ятого тригера рез послідовно сполучені третій і четвертий кероі входом скидання четвертого тригера, а вихід друвані підсилювачі - до першого входу другого блока гого елемента І з'єднаний із керуючим входом пепорівняння, другий вхід якого приєднаний до четретворювача ємності в напругу і з входом елеменвертої клеми опорної напруги, а вихід - до скиднота затримки, вихід якого з'єднаний із входом го входу першого тригера і першого входу першого п'ятого тригера, із тактовим входом регістра зсуву і блока збігу, другий вхід якого приєднаний до вихорахунковим входом третього тригера, другий вхід ду першого тригера і керуючого входу ключа, а п'ятого тригера через другу схему затримки з'єдвихід - до тактового входу другого лічильника, скинаний із шиною "Пуск", входами скидання лічильдний вхід якого з'єднаний із шиною "Пуск" і устаноника імпульсів, першого, другого і третього тригевним входом другого тригера, а вихід - із цифрорів, вихід четвертого граничного блока з'єднаний із вими входами третього і четвертого керованих установним входом четвертого тригера. підсилювачів; установний вхід першого тригера До недоліків пристрою варто віднести невисосполучений із скидним входом другого тригера і з ку точність і дозволяючу спроможність при вимірі виходом формувача імпульсів, вхід якого з'єднаємності. Схема використовує метод ємнісноний із виходом першого блока порівняння і перомічного дільника, утвореного вимірюваним коншим входом другого блока збігу, другий вхід якого денсатором і струмознімним резистором. При досразом із третім входом першого блока збігу приєдтатньо малому значенні резистора струм дільника, наний до виходу генератора імпульсів, а вихід - до а отже, і напруга на резисторі пропорційні вимірютактового входу першого лічильника, вихід другого ваній ємності. У зв'язку з нелінійністю об'єкта вимітригера через блок затримки сполучений із третім ру, величина високочастотної напруги на ньому входом другого блока збігу, цифрові входи цифрообмежується десятками мілівольт. Для обмеження аналогового перетворювача і першого і другого методичної погрішності виміру падіння напруги на керованих підсилювачів сполучені паралельно, 5 97292 6 виходом пристрою є вихід третього керованого шими входами другого і третього блока збігів, випідсилювача. хід другого блока збігу з'єднаний із тактовим вхоДо недоліків пристрою варто віднести невисодом другого лічильника, а другий вхід - із керуюку стабільність виміру, оскільки вихідний сигнал чим входом першого ключа і виходом третього пристрою залежить від напруги генератора і коетригера, скидний вхід якого з'єднаний із виходом фіцієнта підсилення підсилювача високої частоти другого блока порівняння, другий вхід якого приєосновних джерела нестабільності схеми. У зв'язку днаний до другої клеми опорної напруги і нормаз нелінійністю об'єкта виміру, величина високочасльно замкненого контакту третього ключа, норматотної напруги на ньому обмежується десятками льно відкритий контакт якого з'єднаний із першою мілівольт. Схема використовує метод ємнісноклемою опорної напруги, а перекидний контакт із омічного дільника, утвореного вимірюваним конвходом першого керованого підсилювача, вихід денсатором і струмознімним резистором. І хоча якого з'єднаний із першим входом третього блока опір струмознімного резистора в прототипі вибрапорівняння, другий вхід якого приєднаний до вихоно відносно великим, вихідний сигнал дільника ду цифро-аналогового перетворювача, а вихід потребує значного підсилення на частоті виміру, через другий формувач імпульсів до установного що породжує нестабільність вихідного сигналу входу третього тригера і скидного входу другого пристрою в цілому. тригера, вихід якого приєднаний до керуючого Задачею винаходу є створення пристрою для входу третього ключа і другого входу третього виміру ємності варикапів, у якому за рахунок консблока збігу, вихід якого з'єднаний із тактовим вхотруктивних особливостей можливо було б одержадом третього лічильника, скидний вхід якого з'єдти збільшення точності при вимірі ємності. наний із шиною "Пуск", а вихід - із цифровими вхоПоставлена задача вирішується тим, що придами першого і другого керованих підсилювачів. стрій для виміру ємності, що містить генератор Порівнянний аналіз із прототипом показує, що високої частоти, який через розділовий конденсапристрій, що заявляється, відрізняється тим, що в тор приєднаний до першого виводу вимірюваного схему додатково введені нові блоки: два ключі, три конденсатора, і через елемент розв'язки до виходу двовходові блоки збігу, формувач імпульсів, триблока задання режиму, другий вивід що вимірювагер, лічильник імпульсів, блок порівняння, і їхні ного конденсатора через резистор ємніснозв'язки між собою й іншими елементами схеми, що омічного дільника з'єднаний із загальною шиною, а дозволило усунути залежність вихідного сигналу через послідовно з'єднані підсилювач і детектор пристрою від напруги генератора і коефіцієнта із входом цифро-аналогового перетворювача, ципідсилення підсилювача високої частоти, зробивфровий вхід якого приєднаний до виходу першого ши його більш стабільним. лічильника, а вихід - до першого входу першого На Фіг. подана схема запропонованого приблока порівняння, другий вхід якого приєднаний до строю. першої клеми опорної напруги, а вихід через перВона містить елемент 1 розв'язки, ключі 2, 14 і ший формувач імпульсів до скидного входу першо25, вимірювальний конденсатор 3, розділовий го тригера, установний вхід якого з'єднаний із шиконденсатор 4, резистор 5 ємнісно-омічного дільною "Пуск" і скидним входом першого і другого ника, підсилювач 6, детектор 7, цифро-аналоговий лічильників; два послідовно з'єднані перший і друперетворювач 8, блоки 9, 10 і 28 порівняння, клегий керовані підсилювачі, цифрові входи яких з'єдми 11, 18 і 24 для підключення опорних напруг, нані паралельно, вихід другого керованого підсигенератор 12 високої частоти, лічильники 13, 21 і лювача з'єднаний із першим входом блока 30 імпульсів, керовані підсилювачі 15, 16, 26 і 27, вирахування, другий вхід якого приєднаний до блок 17 вирахування, блок 19 задання режиму, другої клеми опорної напруги, а вихід до нормальдвовходові блоки 20, 23 і 29 збігу, генератор 22 но відкритого контакту ключа, нормально замкнеімпульсів, формувачі 31 і 33 імпульсів, "R-S"- триний контакт якого з'єднаний із третьою клемою гери 32, 34 і 35. опорної напруги, а перекидний контакт через посЗначення резистора 5 ємнісно-омічного дільлідовно з'єднані третій і четвертий керовані підсиника так само, як і в прототипі, вибирають таким, лювачі з першим входом другого блока порівнянщоб напруга на ньому була сумірна з напругою на ня, вихід третього керованого підсилювача є вимірюваній ємності. Керовані підсилювачі 14, 15, виходом пристрою, цифрові входи третього і чет26 і 27 можуть бути зібрані на основі цифровертого керованих підсилювачів приєднані до вианалогових перетворювачів, що множить, коефіціходу другого лічильника імпульсів, другий тригер, єнти передачі яких визначаються кодами, що знаустановний вхід якого приєднаний до скидного ходяться в лічильниках 21 і 30 відповідно. При входу першого тригера, генератор імпульсів, додацьому повинна дотримуватися неодмінна умова: тково містить другий і третій ключі, три двовходокоефіцієнти передачі підсилювачів 15, 16 і 26, 27 вих блоки збігу, другий формувач імпульсів, третій повинні бути попарно рівні між собою. тригер, третій лічильник імпульсів, третій блок поГенератор 12 високої частоти через розділорівняння, при цьому нормально замкнений контакт вий конденсатор 4 приєднаний до першого виводу другого ключа з'єднаний із першим виводом вимівимірюваного конденсатора 3, і через елемент 1 рюваного конденсатора, перекидний контакт - із розв'язки до виходу блока 19 задання режиму. другим виводом цього конденсатора, а керуючий Другий вивід вимірюваного конденсатора 3 через вхід із виходом першого тригера і першим входом резистор 5 ємнісно-омічного дільника з'єднаний із першого блока збігу, вихід якого з'єднаний із такзагальною шиною, а через послідовно з'єднані товим входом першого лічильника імпульсів, а підсилювач 6 і детектор 7 - із входом цифродругий вхід із виходом генератора імпульсів і пераналогового перетворювача 8, цифровий вхід яко 7 97292 8 го приєднаний до виходу першого лічильника 13, а З приходом імпульсу "Пуск" обнуляються лічивихід - до першого входу першого блока 9 порівльники 13, 21 і 30, сигнал на виході ЦАП 8, підсиняння. Другий вхід блока 9 приєднаний до першої лювачів 15, 11, 21 і 22 дорівнює нулю. Одночасно клеми 11 опорної напруги, а вихід через перший встановлюється в "1" тригер 32, що дає дозвіл на формувач 31 імпульсів до скидного входу першого проходження тактових імпульсів від генератора тригера 32, установний вхід якого сполучений із імпульсів 22 через блок 20 збігу на вхід лічильника шиною "Пуск" і скидним входом першого 13 і дру13 і включає ключ 2, розмикаючи вимірювану ємгого 30 лічильників. У двох послідовно з'єднаних ність. першого 15 і другого 16 керованих підсилювачів При цьому напруга на вході підсилювача 6 у цифрові входи з'єднані паралельно, вихід другого комплексній формі запису буде дорівнює: керованого підсилювача 16 сполучений із першим Uг R U RCRC  j , UR   г входом блока 17 вирахування, другий вхід якого j R 2 2 C 2  1 приєднаний до другої клеми 18 опорної напруги, а R С вихід до нормально відкритого контакту ключа 25. де Uг - напруга високочастотного генератора, Нормально закритий контакт ключа 25 з'єднаний із R - величина струмознімного резистора, третьою клемою 24 опорної напруги, а перекидний С - вимірювана ємність, контакт через послідовно з'єднані третій 26 і чет - кругова частота виміру. вертий 27 керовані підсилювачі з першим входом Після підсилення і детектування даного сигнадругого блока 28 порівняння. Вихід третього керолу на виході амплітудного детектора 7 одержимо ваного підсилювача 26 є виходом пристрою, цифU г k y R С рові входи третього 26 і четвертого 27 керованих U  (1), підсилювачів приєднані до виходу другого лічильника 30 імпульсів. Установний вхід другого тригера R 2 2С 2  1 34 приєднаний до скидного входу першого тригера де kу - результуючий коефіцієнт підсилення пі32. Нормально замкнений контакт другого ключа 2 дсилювача 6 і детектора 7. з'єднаний із першим виводом вимірюваного конНадходження тактових імпульсів на вхід лічиденсатора 3, перекидний контакт - із другим вивольника 13 обумовлює зростання його коду, а отже, дом цього конденсатора, а керуючий вхід із вихонапруги на виході цифро-аналогового перетворюдом першого тригера 32 і першим входом першого вача 8. У момент рівності цієї напруги з опорною блока 20 збігу. Вихід блока 20 сполучений із тактонапругою, поданої на клему 11, спрацьовує блок 9 вим входом першого лічильника 13 імпульсів, а порівняння, що через формувач 31 імпульсів скидругий вхід із виходом генератора 22 імпульсів і дає тригер 32 і встановлює тригер 34. Надходженпершими входами другого 29 і третього 23 блока ня тактових імпульсів на вхід лічильника 13 припизбігу. Вихід другого блока 29 збігу сполучений із няється, У цей момент буде справедлива рівність тактовим входом другого лічильника 30, а другий (2), U  ·k1=Uoп1 вхід - із керуючим входом першого ключа 25 і виде k1 - коефіцієнт передачі цифро-аналогового ходом третього тригера 35. Скидний вхід тригера перетворювача 7, Uoп1 - величина опорної напруги, 35 з'єднаний із виходом другого блока 28 порівподаної на клему 11. Одночасно зі скиданням триняння, другий вхід якого приєднаний до другої гера 32 ключ 2 приходить у вихідний стан, закороклеми 18 опорної напруги і нормально замкненого чуючи вимірювану ємність. На виході блока 8 з контакту третього ключа 14. Нормально відкритий урахуванням (1) і (2) сформується сигнал контакт ключа 14 сполучений із першою клемою 11 опорної напруги, а перекидний контакт із входом першого керованого підсилювача 15, вихід якого з'єднаний із першим входом третього блока 10 порівняння, другий вхід якого приєднаний до виходу цифро-аналогового перетворювача 8, а вихід через другий формувач 33 імпульсів до установного входу третього тригера 35 і скидного входу другого тригера 34. Вихід тригера 34 приєднаний до керуючого входу третього ключа 14 і другого входу третього блока 23 збігу, вихід якого з'єднаний із тактовим входом третього лічильника 21, скидний вхід якого з'єднаний із шиною "Пуск", а вихід - із цифровими входами першого 15 і другого 16 керованих підсилювачів. У вихідному стані генератор 12 виробляє напругу частоти, при якій вимірюється ємність варикапа, тригери 32, 34 і 35 знаходяться в нульовому стані. Ключі 2, 14 і 25 знаходяться в стані, показаному на рисунку. При включеному ключі 2 випробуваний варикап 3 разом із резистором 5 утворять ємнісно-омічний дільник, напруга з виходу якого надходить на вхід підсилювача 5. Посилена напруга випрямляється детектором 7. U8  Uг  k y  k1  Uоп1 R22C2  1 RC (3). Установившись у "1", тригер 34 дає дозвіл на проходження тактових імпульсів від генератора 22 імпульсів через блок 23 збігу на вхід лічильника 21 і включає ключ 14, підключаючи до входу керованого підсилювача 15 джерело опорної напруги, поданої на клему 11. Код у лічильнику 21 росте доти, доки напруга на виході керованого підсилювача 15 не досягне рівня напруги на виході цифроаналогового перетворювача 8, тобто Uoп1·k2=U8 (4). У цей момент спрацьовує блок 10 порівняння, що через формувач 33 імпульсів скидає тригер 34 і встановлює тригер 35. Подача тактових імпульсів на вхід лічильника 21 припиняється, ключ 14 приходить у вихідний стан, підключаючи до входу керованого підсилювача 15 джерело опорної напруги, поданої на клему 18. Оскільки керовані підсилювачі 15 і 16 сполучені послідовно, на виході підсилювача 16 з урахуванням (3) і (4) одержимо 9 97292 10 ключ 25 відключається, підключаючи опорну наUоп2 , U16  Uоп2  k2  Uоп2  пругу, подану на клему 24, до входу керованого 2 R22C2 підсилювача 26, на виході якого одержуємо з ураде Uоп2 - опорна напруга, подана на клему 18, хуванням (5) і (6) сигнал k2 - коефіцієнт передачі керованого підсилюUвих=Uоп3·k3=Uоп3RC, вача 15. - пропорційний вимірюваній ємності С, оскільТоді на виході блока 17 вирахування маємо ки всі інші члени, що входять у вираз, - постійні Uоп2 величини. U17  (5). Аналіз отриманого виразу показує, що вихід2 2 C 2 R ний сигнал пристрою не залежить від параметрів З установкою тригера 35 дозволяється проховисокочастотного тракту. дження тактових імпульсів на вхід лічильника 30 і Таким чином, застосувавши спеціалізований спрацьовує ключ 25, підключаючи до входу керообчислювач, побудований на цифрових керованих ваного підсилювача 26 вихід блока 17 вирахуванпідсилювачах, одержимо на виході пристрою сигня. Код у лічильнику 30 росте доти, доки сигнал на нал, пропорційний вимірюваній ємності. Викорисвиході керованого підсилювача 27 не досягне рівтання подібного обчислювача на цифроня опорної напруги, поданої на клему 18, тобто аналогових пристроях дає відносну простоту в порівнянні з чисто цифровими пристроями і високу (6), U17  k2  Uоп2 3 точність в порівнянні з аналоговими обчислюваде k3 - коефіцієнт передачі керованого підсичами. Відсутність залежності вихідного сигналу від лювача 26. напруги високочастотного генератора і коефіцієнта У момент рівності напруг на входах блока 25 підсилення підсилювача забезпечує часову і темпорівняння останній скидає тригер 35. Подача такпературну стабільність пристрою в цілому. тових імпульсів на лічильник 30 припиняється, Комп’ютерна верстка Л. Купенко Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601