Пристрій для виміру ємності

Пристрій для виміру ємності варикапів, що містить генератор високої частоти, розділовий конденсатор, до одного з виводів якого залучена перша вимірювальна клема, послідовно з'єднані підсилювач і детектор, цифроаналоговий перетворювач, цифровий вхід якого з'єднаний із виходом лічильника імпульсів, вхід скиду якого залучений до шини «Пуск», блок вирахування, блок завдання режиму, генератор імпульсів, вихід якого залучений до входу блока збігу, другий вхід якого з'єднаний із виходом тригера, перший другий керовані підсилювачі, управляючі входи яких з'єднані паралельно, а аналоговий вхід першого керованого підсилювача з'єднаний із першою клемою для підключення опорної напруги, блок затримки, другий тригер, другу клему для підключення опорної напруги, який відрізняється тим, що він додатково містить конденсатор, другий підсилювач і другий детектор, третій і четвертий керовані підсилювачі, три блоки порівняння, елемент розв'язки, другий блок вирахування, другий лічильник імпульсів, трьох входовий блок збігу, формувач імпульсу, при цьому вихід генератора високої частоти з'єднаний із входом третього керованого підсилювача, керуючий вхід якого з'єднаний із виходом першого блока порівняння, один із входів якого з'єднаний із третьою клемою для підключення опорної напруги, а другий вхід - із виходом другого детектора, вхід якого залучений до виходу другого підсилювача, вхід якого з'єднаний із другим виводом розділового конденсатора і першим виводом конденсатора, другий Гаданий винахід відноситься до контрольновимірювальної техніки і може бути використаний вивід якого з єднаний із виходом третього керованого підсилювача і входом першого підсилювача, вихід першого детектора залучений до аналогового входу четвертого керованого підсилювача і першого входу другого блока порівняння, другий вивід якого залучений до виходу цифроаналогового перетворювача, аналоговий вхід якого з'єднаний із другою клемою для підключення опорної напруги, керуючий вхід четвертого керованого підсилювача залучений до виходу першого лічильника імпульсів, а вихід - до першого входу першого блока вирахування, другий вхід якого з'єднаний із четвертою клемою для підключення опорної напруги, а вихід - із першим входом третього блока порівняння, другий вхід якого з'єднаний із виходом другого керованого підсилювача, а вихід - із скидним входом першого тригера, настановний вхід якого залучений до скидного входу другого тригера і виходу формувача імпульсу, вхід якого з'єднаний із виходом другого блока порівняння і першим входом трьох входового блока збігу, другий вхід якого залучений до генератора імпульсів, вихід - до тактового входу першого лічильника, а третій вхід - до виходу блока затримки, вхід якого з'єднаний із виходом другого тригера, вихід блока збігу залучений до тактового входу другого лічильника імпульсів, скидний вхід якого з'єднаний із шиною "Пуск" і настановним входом другого тригера, а вихід - із керуючими входами першого і другого керованих підсилювачів, вихід першого керованого підсилювача з'єднаний із входом другого керованого підсилювача і з першим входом другого блока вирахування, другий вхід якого сполучений із п'ятою клемою для підключення опорної напруги, а вихід є виходом пристрою, блок завдання режиму через елемент розв'язки з'єднаний із першою вимірювальною клемою, друга вимірювальна клема сполучена з загальною шиною для контролю параметрів напівпровідникових приладів Відомо пристрій для виміру ємності (А с СРСР 00 ^00 00 48848 № 1465821, G01R 27/26), що містить генератор, у частотно-залежний ланцюг якого послідовно включені ключ і затискачі для підключення об'єкта виміру, а вихід генератора через формувач імпульсів з'єднаний із входом вимірювача періоду, перший і другий елементи І, електронна обчислювальна машина, блок сполучення, постійний блок, що запам'ятовує, вихідний регістр, джерело напруги зсуву, регістр зсуву, цифроаналоговий перетворювач, зразковий варикап, перший і другий елементи розв'язки, другий ключ і тригер, причому вихід тригера з'єднаний із входом блока сполучення і керуючими входами першого і другого ключів, при цьому рухливий контакт другого ключа через елемент розв'язки з'єднаний із зразковим варикапом, включеним у частотно-задаючий ланцюг генератора, один нерухомий контакт другого ключа з'єднаний із виходом джерела напруги зсуву, а інший - із виходом цифроаналогового перетворювача і через другий елемент розв'язки для підключення об'єкта виміру - із 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 блоком, що запам'ятовує, 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 високими дозволяючими спроможностями, оскільки в обмірюваній частоті міститься інформація про власну ємність перетворювача, виділити яку вдасться тільки при математичній обробці обмірюваного сигналу Це створює складності особливо при вимірі малих (нижче ЮпФ) рівнях ємності Наявність ЕОМ і спеціалізованого програмного забезпечення істотно ускладнили побудову розглянутого вимірювача ємності Найбільш близьким по своїй технічній суті до запропонованого 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 зі 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 з'єднаний 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 вирахування, а третій вхід - із виходом детектора і 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, інвертуючим виходом четвертого тригера і другим входом елемента І, прямий вихід четвертого тригера з'єднаний із входом другого елемента І, 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 з 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 в зв'язку з використанням методу ЄМКІСНО-ОМІЧНОГО дільника, що припускає зняття дуже малого вимірювального сигналу з резистора послідовного вимірювального ланцюга ємність-резистор Для роботи з цим сигналом його розмір 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 одержа 48848 ти 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 сполучені підсилювач і детектор, цифроаналоговий перетворювач, цифровий вхід якого з'єднаний із виходом лічильника імпульсів, вхід скиду якого залучений до шини "Пуск", блок вирахування, блок завдання режиму, генератор імпульсів, вихід якого залучений до входу блока збігу, другий вхід якого сполучений із виходом тригера, перший і другий керовані підсилювачі, керуючі входи яких з'єднані паралельно, а аналоговий вхід першого керованого підсилювача з'єднаний із першою клемою для підключення опорної напруги, блок затримки, другий тригер, другу клему для підключення опорної напруги, конденсатор, другий підсилювач і другий детектор, третій і четвертий керовані підсилювачі, три блоки порівняння, елемент розв'язки, другий блок вирахування, другий лічильник імпульсів, тривходовий блок збігу, формувач імпульсу, при цьому вихід генератора високої частоти з'єднаний із входом третього керованого підсилювача, керуючий вхід якого з'єднаний із виходом першого блока порівняння, один із входів якого з'єднаний із третьою клемою для підключення опорної напруги, а другий вхід - із виходом другого детектора, вхід якого залучений до виходу другого підсилювача, вхід якого з'єднаний із другим виводом розділового конденсатора і першим виводом конденсатора, другий вивід якого з'єднаний із виходом третього керованого підсилювача і входом першого підсилювача, вихід першого детектора залучений до аналогового входу четвертого керованого підсилювача і першого входу другого блока порівняння, другий вивід якого залучений до виходу цифроаналогового перетворювача, аналоговий вхід якого з'єднаний із другою клемою для підключення опорної напруги, керуючий вхід четвертого керованого підсилювача залучений до виходу першого лічильника імпульсів, а вихід - до першого входу першого блока вирахування, другий вхід якого з'єднаний із четвертою клемою для підключення опорної напруги, а вихід - із першим входом третього блока порівняння, другий вхід якого з'єднаний із виходом другого керованого підсилювача, а вихід - із скидним входом першого тригера, настановний вхід якого залучений до скидного входу другого тригера і виходу формувача імпульсу, вхід якого з'єднаний із виходом другого блока порівняння і першим входом тривходового блока збігу, другий вхід якого залучений до генератора імпульсів, вихід - до тактового входу першого лічильника, а третій вхід - до виходу блока затримки, вхід якого з'єднаний із виходом другого тригера, вихід блока збігу залучений до тактового входу другого лічильника імпульсів, скидний вхід якого з'єднаний із шиною "Пуск" і настановним входом другого тригера, а вихід - із керуючими входами першого і другого керованих підсилювачів, вихід першого керованого підсилювача з'єднаний із входом другого керованого підсилювача і з першим входом другого блока вирахування, другий вхід якого сполучений із п'ятою клемою для підключення опорної напруги, а вихід є виходом пристрою, блок за вдання режиму через елемент розв язки з єднаний із першою вимірювальною клемою, друга вимірювальна клема сполучена з загальною шиною На фігурі подана схема запропонованого пристрою Вона містить генератор 1 високої частоти, керовані підсилювачі 2, 18, 27 і 28, конденсатор З, розділовий конденсатор 4, вимірювальні клеми 5 і 6, підсилювачі 7 і 9, детектори 8 і 10, клеми 11, 16, 19, 22 і 26 для підключення опорних напруг, блоки 12, 13 і 29 порівняння, елемент 14 розв'язки, блок 15 завдання режиму, цифроаналоговий перетворювач (ЦАП) 17, блоки 20 і 23 вирахування, лічильники 21 і 32 імпульсів, генератор 24 імпульсів, тривходовий 25 і двовходовий 31 блоки збігу, блок ЗО затримки, формувач 33 імпульсу, два тригери 34 і 35 Коефіцієнт підсилення керованого підсилювача 2 залежить від величини аналогового керуючого сигналу, одержуваного з виходу блока 12 Коефіцієнт підсилення керованих підсилювачів 18, 27 і 28 визначається величиною коду, що міститься у лічильниках 21 і 32 Цифроаналоговий перетворювач 17 і керовані підсилювачі 18, 27 і 28 можуть бути зібрані на основі множачих цифроаналогових перетворювачів, коефіцієнти передачі яких визначаються кодами, що знаходяться в зазначених лічильниках При цьому повинна дотримуватися неодмінна умова коефіцієнти передачі цифроаналогового перетворювача 17 і підсилювача 18 повинні бути рівні між собою Аналогічна вимога у відношенні рівності коефіцієнтів передачі поширюється і на керовані підсилювачі 27 і 28 Генератор 1 високої частоти з'єднаний із входом керованого підсилювача 2, керуючий вхід якого з'єднаний із виходом блока 12 порівняння Один із входів блока 12 з'єднаний із клемою 11 для підключення опорної напруги, а другий вхід - із виходом детектора 10, вхід якого залучений до виходу підсилювача 9 Вхід підсилювача 9 сполучений з одним із виводів розділового конденсатора 4 і з першим виводом конденсатора 3, другий вивід якого з'єднаний із виходом керованого підсилювача 2 і входом детектора 8 через підсилювач 7 Вихід детектора 8 залучений до аналогового входу керованого підсилювача 18 і першого входу блока 13 порівняння Другий вивід блока 13 залучений до виходу цифроаналогового перетворювача 17, аналоговий вхід якого з'єднаний із клемою 16 для підключення опорної напруги Керуючий вхід керованого підсилювача 18 разом із цифровим входом цифроаналогового перетворювача 17 залучений до виходу лічильника 21 імпульсів Вихід підсилювача 18 залучений до першого входу блока 20 вирахування, другий вхід якого з'єднаний із клемою 19 для підключення опорної напруги Вихід блока 20 з'єднаний із першим входом блока 29 порівняння, другий вхід якого з'єднаний із виходом керованого підсилювача 28, а вихід - із скидним входом тригера 35 Настановний вхід цього тригера залучений до скидного входу тригера 34 і виходу формувача 33 імпульсу, вхід якого з'єднаний із виходом блока 13 порівняння і першим входом тривходового блока 25 збігу Другий вхід блока 25 залучений до генератора 24 імпульсів і першого входу блока 31 збігу, вихід - до тактового входу лічильника 21, а третій вхід - до виходу блока ЗО 48848 8 пруга на вході підсилювача 9 у комплексній формі затримки, вхід якого з єднаний із виходом тригера запису дорівнює 34, вихід блока 31 збігу залучений до тактового входу лічильника 32 імпульсів, скидний вхід якого спільно зі скидним входом лічильника 21 і настаZBX-JXC JXC 1 новним входом тригера 34 з'єднаний із шиною Z BX "Пуск", а вихід - із керуючими входами керованих де U r - напруга на виході керованого підсилюпідсилювачів 27 і 28 Вихід керованого підсилювавача 2, ча 27 з'єднаний із входом керованого підсилювача 28 і з першим входом блока 23 вирахування, друх с =—~ гий вхід якого з'єднаний із клемою 22 для підклюю ^ - ємнісний опір конденсатора З, чення опорної напруги, а вихід є виходом прис - кругова частота виміру, о строю Вихід тригера 35 з'єднаний із другим С - величина ємності конденсатора З, входом блока 31 збігу Аналоговий вхід керованого 1 підсилювача 27 з'єднаний із клемою 26 для підключення опорної напруги Блок 15 завдання ре+ jcoCE жиму через елемент 14 розв'язки сполучений із и - опір ємнісного дільника відносно вимірювальною клемою 5 і другим виводом роздівходу підсилювача 9, лового конденсатора 4, вимірювальна клема 6 Свх - еквівалентна ємність між входом підсисполучена з загальною шиною лювача 9 і загальною шиною, що враховує вхідну Порівнянний аналіз із прототипом показує, що ємність підсилювача Сої, ємність вимірювальних пристрій, що заявляється, відрізняється тим, що в контактів Со21 вимірювальну ємність Сх схему додатково введені нові блоки конденсатор, го - активна складового дільника, що враховує другий підсилювач і другий детектор, три блоки вхідний опір підсилювача 6 і активний опір елемепорівняння, другий блок вирахування, третій і четнта розв'язки 14 вертий керовані підсилювачі, другий лічильник Необхідність урахування активної складової го імпульсів, тривходовий блок збігу, формувач імпувикликана тим, що з метою забезпечення високих льсу, елемент розв'язки, три клеми для підклюметрологічних характеристик значення ємності чення опорних напруг і їхні зв'язки між собою й розділового конденсатора 4 необхідно вибирати іншими елементами схеми, що дозволило поліпможливо великим Це, у свою чергу, викликає знишити співвідношення сигнал-шум і виключити меження швидкодії пристрою, що обумовлено малою тодичну похибку виміру ємності, тим самим підвишвидкістю перезаряда конденсатора 4 Для однощити точність пристрою часного забезпечення високої швидкодії необхідно У силу нелінійності об'єкта виміру величина значення резистора елемента розв'язки вибирати, високочастотної напруги на ньому повинна бути по можливості, невеликим, щоб прискорити переневеликою ДЕРЖСТАНДАРТ 18986 4-73 обмежує заряд конденсатора 4 у випадку зміни режиму вице значення на рівні міру варикапа Крім того, при виміру малих (нижче ЮпФ) рівнів ємності позначається кінцеве значен+U)\, ня вхідного опору підсилювача 9 Все це диктує необхідність урахування активної складової виміде U - постійна напруга зсуву, рювального ланцюга Використання індуктивних Фк - величина контактної різниці потенціалів елементів у ланцюгах розв'язки неприпустимо чедля напівпровідникового матеріалу, із якого вигорез небезпеку виникнення резонансу з ємнісними товлений варикап елементами схеми Особливістю приведеної схеми є використанЗ огляду на викладене ня методу ємнісного дільника і те, що вона дозволяє встановити максимально можливу задану на/ •=ut (1) U, пругу високої частоти на випробуваному об'єкті, 1величина якого може регулюватися від точки до &Оа С точки його вольтфарадної характеристики (ВФХ) З урахуванням (1), сигнал на виході детектора При незмінній високочастотній напрузі, подаваній 10 буде дорівнювати на ємнісної дільник, величина сигналу, що знімається з дільника, у силу технологічного розкиду (2) ємностей для даного типу варикапів у заданій точці ВФХ змінюється в 2 - 3 раза Якщо при виміру де kni - коефіцієнт передачі підсилювача 9 і мінімального значення ємності встановити граничдетектора 10 но припустимий рівень високочастотної напруги, Цей сигнал потрапляє на вхід блока 12 порівто при виміру максимального значення ємності няння, на другий вхід якого залучений сигнал із сигнал, що знімається, буде зменшений у зазначеклеми 11 и о п і При відхиленні напруги на виході ну КІЛЬКІСТЬ разів детектора 10 від розміру Uoni на виході блока 12 Схема працює таким чином відбудеться зміна керуючого сигналу і відповідна У вихідному стані генератор 1 виробляє напрузміна коефіцієнта підсилення підсилювача 2 Тагу частоти, при якій вимірюється ємність варикапа, ким чином, описаний фрагмент схеми підтримує тригера 34 і 35 знаходяться в нульовому стані постійною напругу на виході детектора 10, а отже, Конденсатор 3 разом із випробуваним варикапом і напругу, що знімається з ємнісного дільника неутворює ємнісної дільник, напруга з виходу якого залежно від рівня вимірюваної ємності надходить на вхід підсилювача 9 Посилена напруЗбільшуючи значення Uoni із збільшенням нага випрямляється детектором 10 При цьому на 48848 пруги зсуву, можна забезпечити роботу схеми в режимі максимального можливого (із погляду наведеного Держстандарту) вимірювального сигналу, який знімається з дільника, в області всієї вимірюваної ВФХ випробуваного варикапа Сигнал із виходу керованого підсилювача 2 посилюється підсилювачем 7 і детектується детектором 8 Прирівнюючи (2) значенню Uoni і вирішуючи щодо вихідної напруги підсилювача 2, одержимо напругу на виході детектора 8 10 вхід лічильника 32 При рівності напруг на виході керованого підсилювача 28 і вихідної напруги блока 20 на виході блока 29 порівняння формується сигнал, що скидає в "0" тригер 35 Подача тактових імпульсів на вхід лічильника 32 припиняється, схема приходить у вихідний стан 3 огляду на те, що коефіцієнти передачі керованих підсилювачів 27 і 28 рівні, у цей момент буде справедлива рівність к2 =U?n, U V\ = (3) де кП2 - коефіцієнт передачі підсилювача 7 і детектора 8 З приходом імпульсу "Пуск" встановлюється в " 1 " тригер 34 і обнуляються лічильники 21 і 32, сигнал на виході ЦАП 17, підсилювачів 18, 27 і 28 дорівнює нулю, на виході блока 23 вирахування формується напруга негативної полярності, що не повинна прийматися до уваги На виході блока 13 порівняння формується потенціал, що дозволяє проходження тактових імпульсів від генератора 24 імпульсів через блок 25 збігу 3 затримкою, необхідною для формування зазначених сигналів, і здійснюваною блоком ЗО затримки, дозволяється проходження тактових імпульсів від генератора 24 на тактовий вхід лічильника 21 Код у лічильнику 21 росте Напруга на виході ЦАП 17 збільшується доти, поки не досягне значення вихідної напруги детектора 8 При цьому на виході блока 13 порівняння формується потенціал, що забороняє надходження тактових імпульсів на лічильник 21 У цей момент буде справедлива рівність 27 І о * *• U (5) да'Сг, У виразі (5) другий доданок - постійна величина, оскільки всі члени, що входять у цей доданок ПОСТІЙНІ величини Приймаючи опорну напругу, подану на клему 19, рівну 77 и опі Uon2 к2п1 Ф2С2Г* на виході блока 20 вирахування одержуємо -(c+cj (6) оп2 У момент формування забороняючого потенціалу формувач 33 імпульсу видає імпульс, що скидає в "0" тригер 34 і встановлює в " 1 " тригер 35, що дає дозвіл на проходження тактових імпульсів від генератора 24 через блок 31 збігу на тактовий С k "- " -'' •