Пристрій для виміру ємності

Пристрій для виміру ємності варикапів, що містить генератор високої частоти, розділовий конденсатор, до одного з виводів якого підключена перша вимірювальна клема, послідовно з'єднані підсилювач і детектор, до виходу якого підключений аналоговий вхід цифро-аналогового перетворювача, цифровий вхід якого з'єднаний із виходом лічильника імпульсів, вхід скидання якого підключений до шини "Пуск", блок вирахування, блок задання режиму, генератор імпульсів, перший і другий керовані підсилювачі, управляючі входи яких сполучені паралельно, блок затримки, два тригери, перша і друга клеми для підключення опорних напруг, який відрізняється тим, що він додатково містить конденсатор, два блоки порівняння, другий блок вирахування, третій і четвертий керовані підсилювачі, другий лічильник імпульсів, два тривходових блоки збігу, формувач імпульсу, елемент розв'язки, третю і четверту клеми для підключення опорних напруг, при цьому вихід генератора високої частоти через конденсатор з'єднаний із другим виводом розділового конденсатора і входом підсилювача, вихід цифро-аналогового перетворювача підключений до входу першого керованого підсилювача і першого входу першого блока порівняння, другий вхід якого підк А (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРУ ЄМНОСТІ 40457 ретворювача і через другий елемент розв'язки для підключення об'єкту виміру - зі затискачем, а вхід цифроаналогового перетворювача з'єднаний із виходом регістра зсуву, інформаційний вхід якого з'єднаний із четвертим виходом блока сполучення й інформаційним входом вихідного регістра, а інший вхід регістра зсуву з'єднаний із виходом другого блока І, один вхід якого з'єднаний із третім виходом блока сполучення, а інший вхід - із другим виходом блока сполучення і входом першого блока І, вихід якого з'єднаний із другим входом вихідного регістра, а інший вхід першого блока І з'єднаний із першим виходом блока сполучення, вихід вимірювача періоду з'єднаний з інформаційним входом блока сполучення, шостий вихід якого з'єднаний із запускаючим входом вимірювача періоду, крім того, блок сполучення з'єднаний через канал колективного користування з електронною обчислювальною машиною і постійним запам’ятовуючим блоком, один вхід тригера з'єднаний із п'ятим виходом блока сполучення, а інший його вхід - із шиною сигналу «Пуск». До недоліків пристрою варто віднести складність - пристрій вимірює ємність на основі частотного методу, що потребує спеціалізованих перетворювача ємність-частота і обчислювального пристрою з високою дозволяючою спроможністю, оскільки в обмірюваній частоті міститься інформація про власну ємність перетворювача, виділити яку вдасться тільки при математичній обробці обмірюваного сигналу. Це створює складності особливо при виміру малих (нижче 10 пФ) рівнях ємності. Наявність ЕОМ і спеціалізованого програмного забезпечення істотно ускладнили побудову розглянутого вимірювача ємності. Найбільш близьким по своїй технічній суті до даного пристрою є пристрій для розбраковування варикапів по ємнісних параметрах і добротності (А.с. СРСР 1367700 G01R 27/26 - прототип), що містить множно-ділильний блок, вимірювальний контур, вхід якого з'єднаний із виходом блока завдання режиму і генератора високої частоти, керуючий вхід з'єднаний із виходом джерела напруги, що змінюється, а вихід через підсилювач високої частоти з входом детектора, перетворювач ємності в напругу, цифроаналоговий перетворювач, лічильник імпульсів, регістр зсуву, два керованих підсилювачі, аналоговий суматор, чотири граничних блоки, п'ять тригерів, блок вирахування, два елементи затримки, два елементи І, при цьому вихід перетворювача ємності в напругу з'єднаний з аналоговим входом цифроаналогового перетворювача і входом другого граничного блока, цифровий вхід цифроаналогового перетворювача з'єднаний із виходом лічильника імпульсів і входом регістра зсуву, вхід лічильника імпульсів через елемент І з'єднаний із виходом генератора імпульсів, а вихід регістра зсуву з'єднаний із керуючими входами двох керованих підсилювачів, вхід першого керованого підсилювача сполучений із клемою опорного сигналу, а його вихід з'єднаний з одним із входів аналогового суматора, інший вхід якого з'єднаний із клемою другого опорного сигналу, а вихід суматора з'єднаний із входом блока вирахування і другого керованого підсилювача, вихід якого з'єднаний із входом множно-ділильного блока, інший вхід якого з'єднаний із виходом блока вира хування, а третій вхід - з виходом детектора й іншим входом блока вирахування, вихід множно-ділильного блока через перший граничний блок з'єднаний із рахунковим входом першого тригера, вихід цифроаналогового перетворювача з'єднаний із входами третього і четвертого граничних блоків, виходи другого і третього граничних блоків з'єднані з інформаційними входами другого і третього тригерів відповідно, рахунковий вхід другого тригера з'єднаний з інформаційним входом першого тригера і виходом, що інвертує, четвертого тригера, і другим входом елемента І, прямий вихід четвертого тригера з'єднаний зі входом другого елемента 1, інший вхід якого з'єднаний із виходом п'ятого тригера і входом скиду четвертого тригера, а вихід другого елемента І з'єднаний із керуючим входом перетворювача ємності в напругу і зі входом елемента затримки, вихід якого з'єднаний із входом п'ятого тригера, із тактовим входом регістра зсуву і рахунковим входом третього тригера, інший вхід п'ятого тригера через другу схему затримки з'єднаний із шиною «Пуск», входами скиду лічильника імпульсів, першого, другого і третього тригерів, вихід четвертого граничного блока з'єднаний із настановним входом четвертого тригера. До недоліків пристрою варто віднести невисоку точність при виміру ємності у зв'язку з використанням методу ємнісно-омічного дільника, що припускає зняття дуже малого вимірювального сигналу з резистора послідовного ланцюга вимірювана ємність - резистор. Для роботи з цим сигналом його величину необхідно значно (біля 1000 разів) підсилити, що вносить значну шумову складову у вимірювальний сигнал і робить його нестабільним через наявність часового і температурного дрейфу підсилювача. Спроба збільшити значення сигналу, що знімається з дільника, призводить до збільшення методичної похибки виміру. Крім того, використовуваний метод припускає ізолювання обох вимірювальних клем від загальної шини, що також є певним недоліком вимірювальної схеми. Задачею винаходу є створення пристрою для виміру ємності варикапів, у якому за рахунок конструктивних особливостей можливо було б одержати збільшення точності при виміру ємності. Поставлена задача досягається тим, що пристрій містить генератор високої частоти, розділовий конденсатор, до одного з виводів якого залучена перша вимірювальна клема, послідовно з'єднані підсилювач і детектор, до виходу якого залучений аналоговий вхід цифроаналогового перетворювача, цифровий вхід якого з'єднаний із виходом лічильника імпульсів, вхід скиду якого залучений до шини «Пуск», блок вирахування, блок завдання режиму, генератор імпульсів, перший і другий керовані підсилювачі, управляючі входи яких сполучені паралельно, блок затримки, два тригери, перша і друга клеми для підключення опорних напруг, конденсатор, два блоки порівняння, другий блок вирахування, третій і четвертий керовані підсилювачі, другий лічильник імпульсів, два тривходових блоки збігу, формувач імпульсу, елемент розв'язки, третю і четверту клеми для підключення опорних напруг, при цьому вихід генератора високої частоти через конденсатор з'єднаний із другим виводом розділового конденсатора і входом підсилювача, вихід цифроаналогового перетворюва 2 40457 ча залучений до входу першого керованого підсилювача і першого входу першого блока порівняння, другий вхід якого залучений до першої клеми опорної напруги, а вихід - до одного з входів першого блока збігу і через формувач імпульсу - до скидного входу першого тригера і настановного входу другого тригера, скидний вхід якого сполучено з одним із входів другого блока збігу і виходом другого блока порівняння, перший вхід якого сполучений із виходом першого блока вирахування, один із входів якого залучений до другої клеми опорної напруги, а другий вхід - до виходу другого керованого підсилювача, вхід якого залучений до виходу першого керованого підсилювача, управляючі входи першого і другого керованих підсилювачів з'єднані з виходом першого лічильника, тактовий вхід якого з'єднаний із виходом першого блока збігу, другий вхід якого залучений до виходу генератора імпульсів і другого входу другого блока збігу, третій вхід якого з'єднаний із виходом другого тригера, а вихід - із тактовим входом другого лічильника, вихід якого з'єднаний з управляючими входами третього і четвертого керованих підсилювачів, третя клема опорної напруги з'єднана з першим входом другого блока вирахування, вихід якого є виходом пристрою, а другий вхід - із виходом третього керованого підсилювача, четверта клема опорної напруги через послідовно з'єднані третій і четвертий керовані підсилювачі - з другим входом другого блока порівняння, скидний вхід другого лічильника і настановний вхід першого тригера з'єднані із шиною «Пуск», вихід першого тригера через блок затримки з'єднаний із третім входом першого блока збігу, перша вимірювальна клема через елемент розв'язки з'єднана з блоком завдання режиму, друга вимірювальна клема залучена до загальної шини. На фіг. подана схема даного пристрою. Вона містить генератор 1 високої частоти, конденсатор 2, розділовий конденсатор 3, вимірювальні клеми 4 і 5, підсилювач 6, детектор 7, цифроаналоговий перетворювач (ЦАП) 8, клеми 9, 14, 16 і 22 для підключення опорних напруг, два блоки 10 і 25 порівняння, керовані підсилювачі 11, 12, 23 і 24, блоки 13 і 17 вирахування, лічильники 15 і 28 імпульсів, елемент 18 розв'язки, блок 19 завдання режиму, генератор 20 імпульсів, два тривходових блоки 21 і 27 збігу, блок 26 затримки, формувач 29 імпульсу, два тригери 30 і 31. Цифроаналоговий перетворювач 8 і керовані підсилювачі 11, 12, 23 і 24 можуть бути зібрані на основі цифроаналогових перетворювачів, що множать, коефіцієнти передачі яких визначаються кодами, що знаходяться в лічильниках 19 і 28 відповідно. При цьому повинна дотримуватися неодмінна умова: коефіцієнти передачі цифроаналогового перетворювача 8 і підсилювачів 11 і 12 повинні бути рівні між собою. Аналогічна вимога у відношенні рівності коефіцієнтів передачі поширюється і на керовані підсилювачі 23 і 24. Генератор 1 високої частоти через конденсатор 2 залучений до розділового конденсатора 3 і до входу підсилювача 6. До другого виводу розділового конденсатора 3 залучена перша вимірювальна клема 4. Підсилювач 6 через детектор 7 з'єднаний із входом цифроаналогового перетворювача 8, цифровий вхід якого разом із керуючими вхо дами керованих підсилювачів 11 і 12 з'єднаний із виходом лічильника 15 імпульсів. Вихід цифроаналогового перетворювача 8 залучений до входу першого керованого підсилювача 11 і першого входу першого блока 10 порівняння, другий вхід якого залучений до першої клеми 9 опорної напруги, а вихід - до одного із входів першого блока 21 збігу і через формувач 29 імпульсу - до скидного входу першого тригера 30 і настановного входу другого тригера 31. Скидний вхід тригера 31 з'єднаний з одним із входів другого блока 27 збігу і виходом другого блока 25 порівняння. Перший вхід блока 25 з'єднаний із виходом першого блока 13 вирахування, один із входів якого залучений до другої клеми 14 опорної напруги, а другий вхід - до виходу другого керованого підсилювача 12, вхід якого залучений до виходу першого керованого підсилювача 11. Тактовий вхід лічильника 15 з'єднаний із виходом першого блока 21 збігу, другий вхід якого залучений до виходу генератора 20 імпульсів і другого входу другого блока 27 збігу. Третій вхід блока 27 з'єднаний із виходом другого тригера 31, а вихід - із тактовим входом другого лічильника 28. Вихід лічильника 28 з'єднаний із керуючими входами третього 23 і четвертого 24 керованих підсилювачів. Третя клема 16 опорної напруги з'єднана з першим входом другого блока 17 вирахування, вихід якого є виходом пристрою, а другий вхід - із виходом третього керованого підсилювача 23, четверта клема 22 опорної напруги через послідовно сполучені третій 23 і четвертий 24 керовані підсилювачі - із другим входом другого блока 25 порівняння. Скидні входи лічильників 15 і 28 і настановний вхід першого тригера 30 з'єднані із шиною «Пуск». Вихід першого тригера 30 через блок 26 затримки з'єднаний із третім входом першого блока 21 збігу, перша вимірювальна клема 4 через елемент 18 розв'язки з'єднана з блоком 19 завдання режиму, друга вимірювальна клема 5 залучена до загальної шини. Порівняний аналіз із прототипом показує, що даний пристрій, відрізняється тим, що в схему додатково введені нові блоки: конденсатор, два блоки порівняння, другий блок вирахування, третій і четвертий керовані підсилювачі, другий лічильник імпульсів, два тривходові блоки збігу, формувач імпульсу, елемент розв'язки, третя і четверта клеми для підключення опорних напруг і їх зв'язки між собою й іншими елементами схеми, що дозволило вилучити вплив нестабільності підсилювача на метрологічні характеристики пристрою, поліпшити співвідношення сигнал-шум у вимірювальному сигналі і виключити методичну похибку виміру ємності, тим самим підвищити точність пристрою. У початковому стані генератор 1 виробляє напругу частоти, при якій вимірюється ємність варикапа, тригера 30 і 31 знаходяться в нульовому стані. Конденсатор 2 разом із випробуваним варикапом утворюють ємнісний дільник, напруга з виходу якого поступає навхід підсилювача 6. Посилена напруга випрямляється детектором 7. При цьому напруга на вході підсилювача 6 у комплексній формі запису дорівнює: 3 40457 U вх = U г z вх z вх - jx c Uг = 1 де: Uг - напруга генератора 1; x c = jx c зволяють проходження тактових імпульсів від генератора 20 імпульсів через блоки 21 і 27 збігу. З затримкою, необхідною для формування зазначених сигналів, і здійснюваною блоком 26 затримки, дозволяється проходження тактових імпульсів від генератора 20 на тактовий вхід лічильника 15. Код у лічильнику 15 росте. Напруга на виході ЦАП 8 збільшується доти, поки не досягне значення опорної напруги, поданої на клему 9. При цьому на виході блока 10 порівняння формується потенціал, що забороняє надходження тактових імпульсів на лічильник 15. У цей момент буде справедлива рівність: , z вх 1 - ємнісний wC опір конденсатора 2; w - кругова частота виміру; С - величина ємності конденсатора 2; 1 z вх = - опір дільника відносно входу 1 + jwC вх r0 підсилювача 6; Свх - еквівалентна ємність між входом підсилювача 6 і загальною шиною, що враховує вхідну ємність підсилювача С01, ємність вимірювальних контактів С02 і ємність Сх, що вимірюється; r0 - активна складова дільника, що враховує вхідний опір підсилювача 6 і активний опір елемента розв'язки 18. Необхідність урахування активної складової r0 викликана тим, що з метою забезпечення високих метрологічних характеристик значення ємності розділового конденсатора 3 необхідно вибирати можливо більшим. Це, у свою чергу, викликає зниження швидкодії пристрою, що обумовлено малою швидкістю перезаряда конденсатора 3. Для одночасного забезпечення високої швидкодії необхідно значення резистора елемента розв'язки вибирати, по можливості, невеликим, щоб прискорити перезаряд конденсатора 3 у випадку зміни режиму виміру варикапа. Все це диктує необхідність урахування активної складової вимірювального ланцюга. Використання індуктивних елементів у ланцюгах розв'язки не допускається через небезпеку виникнення резонансу з ємнісними елементами схеми. З огляду на викладене: 1 = U вх = U г C j 1+ вх wCr С 0 (1) w 2 Сr 2 (C + Cвх ) + jwCr 0 0. = Uг w 2 r 2 (C + Cвх ) + 1 0 З огляду на (1), вихідний сигнал на виході детектора 6 буде дорівнювати: 2 4 2 4 2 2 4 w C r0 C + C вх + w С r0 = U д = U г kn 2 2 2 w r0 C + C вх +1 (2), wCr0 = U г kn 2 2 2 w r0 C + C вх +1 ( (3) де: k1 - коефіцієнт передачі цифроаналогового перетворювача 8; Uon1 величина опорної напруги, поданої на клему 9. Оскільки коефіцієнти передачі цифроаналогового перетворювача 8 і керованих підсилювачів 11 і 12 рівні між собою, на виході підсилювача 12 одержимо сигнал: 3 U 12 = U д k1 , де: U12 - напруга на виході керованого підсилювача 12. З урахуванням (2) і (3) одержуємо: 2 3 3 2 2 +1 U on1 U on1 w r0 C + C вх = = U 12 = U д 3 2 2 2 2 2 w С r0 U г k n Uд (4) 3 3 U on1 U on1 2 = + . C + C вх 2 2 2 2 2 2 2 2 w C r0 U г k n C U г kn У виразі (4) другий доданок - постійна величина, оскільки всі члени, що входять у цей доданок постійні величини. Приймаючи другу опорну напругу, подану на клему 14, рівну: 3 U on1 , U on 2 = 2 2 2 2 2 w C r0 U г k n на виході блока 13 вирахування одержуємо: U3 on1 C + C 2 . U = (5) 13 вх C 2U 2 k 2 г n У момент формування забороняючого потенціалу, формувач 29 імпульсу видає імпульс, що скидає в “0” тригер 30 і встановлює в “1” тригер 31, який дає дозвіл на проходження тактових імпульсів від генератора 20 через блок 27 збігу на тактовий вхід лічильника 28. При цьому в якості опорної напруги в системі лічильник 28, керовані підсилювачі 23 і 24, блок 25 порівняння використовується напруга U13 із виходу блока 13. У момент рівності напруг на виході керованого підсилювача 24 і вихідної напруги блока 13 на виході блока 25 порівняння формується сигнал, що забороняє проходження тактових імпульсів від генератора 20 до лічильника 28 і скидає в “0” тригер 31. Схема приходить у вихідний стан. З огляду на те, що коефіцієнти передачі керованих підсилювачів 23 і 24 рівні, у цей момент буде справедлива рівність: [ ( ( ) ) де: kn - коефіцієнт передачі підсилювача 6 і детектора 7. З приходом імпульса «Пуск» встановлюється в “1” тригер 30 і обнуляються лічильники 15 і 28, сигнал на виході ЦАП 8, підсилювачів 11, 12, 23 і 24 дорівнює нулю, на виході блока 17 вирахування формується напруга негативної полярності, що не повинна прийматися до уваги. На виході блоків 10 і 25 порівняння формуються потенціали, що до 4 ) ) ( ) ( ( U д k1 = U on1 , ) ] 40457 2 (6) =U , 2 13 де: Uon3 - напруга, подана на клему 22; k2 - коефіцієнт передачі керованого підсилювача 23. На виході керованого підсилювача 23 одержимо сигнал: U on3 k U = U on 3 k . 23 2 Або з урахуванням (6) і (5) одержимо: U 23 = U on3U 13 = CU г k n U (C + C вх ) (7) C вх » C x + С 01 + С 02 . З урахуванням цього: = + U on1 U on1U on 3 CU г k n U on1 U on1U on 3 CU г k n U on1 U on1U on3 CU г k n (C + C x + C 01 + C 02 ) = Cx + CU г k n (C + C01 + C 02 ). вих = U on1 U on1U on3 CU г k n C x - вихідний сигнал, пропорційний ємності Сx, оскільки всі інші члени, що входять у вираз - постійні величини. Таким чином, застосувавши спеціалізований обчислювач, побудований на цифроаналоговому перетворювачі і 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 у порівнянні з аналоговими обчислювачами. Застосування у даному пристрої метода ємнісного дільника дозволяє зняти значно більший вимірювальний сигнал, ніж при застосуванні метода ємкісноомічного дільника при відсутності методичної похибки. Це дає можливість використовувати підсилювач із значно меншим і, отже, більш стабільним коефіцієнтом підсилення а також поліпшити співвідношення сигнал-шум у вихідному вимірювальному сигналі, тим самим підвищивши точність пристрою. Певні переваги запропонованій схемі дає те, що одна з вимірювальних клем сполучена з загальною шиною. З огляду на те, що Ср>>Сx, Ср>>С01, Ср>>С02, де: Ср - ємність розділового конденсатора 3; Сx ємність, що вимірюється: U 23 = U on1 U on1U on3 де: Uon4 - величина напруги, поданої на клему 22, то на виході блока 17 вирахування одержимо: U U on1 U on1U on3 on 4 = (8) (C + C 01 + C02 ). У виразі (8) другий доданок - постійна величина, оскільки всі члени, що входять до нього - постійні величини. Якщо прийняти: 5 40457 Фіг. __________________________________________________________ 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 ___________________________________________________________ 6