Пристрій для виміру ємності

Пристрій для виміру ємності, що містить генератор високої частоти, вихід якого через конденсатор з'єднаний з першим виводом роздільного конденсатора і через послідовно з'єднані підсилювач і детектор - з аналоговим входом цифроаналогового перетворювача, цифровий вхід якого з'єднаний із виходом першого лічильника імпульсів, а вихід - із першим входом першого блока порівняння, другий вхід якого сполучений з першою клемою опорної напруги, а вихід через формувач імпульсів - із скидним входом першого тригера і установним входом другого тригера, установний вхід першого тригера спільно зі скидними входами першого і другого ЛІЧИЛЬНИКІВ сполучений з шиною «Пуск», другий вивід роздільного конденсатора через елемент розв'язки сполучений із блоком задания режиму і через послідовно з'єднані першу вимірювальну клему, випробуваний прилад, другу вимірювальну клему з'єднаний із загальною шиною, другий блок порівняння, генератор імпульсів, послідовно з'єднані перший і другий керовані підсилювачі, цифрові входи яких з'єднані паралельно, вихід другого керованого підсилювача з'єднаний із першим входом першого блока вирахування, другий вхід якого сполучений з другою клемою опорної напруги, послідовно з'єднані третій і четвертий керовані підсилювачі, цифрові входи яких з'єднані паралельно, вхід третього керованого підсилювача сполучений з третьою клемою опорної напруги, а вихід - з першим входом другого блока вирахування, вихід яко го є виходом пристрою, а другий вхід з єднаний із четвертою клемою для підключення опорної напруги, який відрізняється тим, що він додатково містить ключ, три двовходових блоки збігу, третій лічильник імпульсів, третій блок порівняння, другий формувач імпульсів, клему для підключення опорної напруги, третій тригер, при цьому ключ своїми контактами сполучений паралельно конденсатору, а керуючим входом - з інверсним виходом першого тригера, прямий вихід якого з'єднаний із першим входом першого блока збігу, вихід якого з'єднаний із тактовим входом першого лічильника, а другий вхід разом із першими входами другого і третього блоків збігу сполучений з виходом генератора імпульсів, перший вхід першого блока порівняння сполучений із першим входом другого блока порівняння, другий вхід якого сполучений з виходом першого керованого підсилювача, вхід якого сполучений із п'ятою клемою для підключення опорної напруги, вихід другого блока порівняння через другий формувач імпульсів з'єднаний із установним входом третього тригера і скидним входом другого тригера, вихід якого сполучений із другим входом другого блока збігу, вихід якого з'єднаний із тактовим входом другого лічильника, вихід якого з'єднаний із керуючими входами першого і другого керованих підсилювачів, а скидний вхід з'єднаний із скидним входом третього лічильника, вихід якого сполучений з керуючими входами третього і четвертого керованих підсилювачів, вихід першого блока вирахування з'єднаний із першим входом третього блока порівняння, другий вхід якого сполучений із виходом четвертого керованого підсилювача, а вихід - із скидним входом третього тригера, вихід якого сполучений із другим входом третього блока збігу, вихід якого сполучений із тактовим входом третього лічильника Гаданий винахід відноситься до контрольновимірювальної техніки і може бути використаний для контролю параметрів напівпровідникових приладів Відомо пристрій для виміру ємності [патент України 36344А Пристрій для контролю параметрів варикапів], що містить генератор високої частоти, джерело зсуву, ємність, резистор, ключ, дру (О 49699 гий резистор, схему з керованим коефіцієнтом передачі, клеми для підключення випробуваного приладу, підсилювач високої частоти, детектор, генератор імпульсів, ємність дільника, блок збігу, двоїчний лічильник, граничний елемент, блок, що вичитає, шину для підключення опорної напруги, пускову шину, причому генератор високочастотної напруги через ємність залучений до першого резистора, другий вивід якого з'єднаний із загальною шиною, до ємності дільника і першого контакту ключа, другий контакт якого з'єднаний із першою клемою для підключення випробуваного варикапа, другим виводом ємності дільника, входом підсилювача високої частоти і через другий резистор із джерелом зсуву, вихід підсилювача через детектор з'єднаний з аналоговим входом схеми з керованим коефіцієнтом передачі, вихід якої з'єднаний із входами граничного елемента і блока, що вичитає, вихід якого є виходом пристрою, а другий вхід з'єднаний із шиною для підключення опорної напруги, вихід граничного елемента з'єднаний із керуючим входом ключа й одним із входів блока збігу, до другого входу якого залучений генератор імпульсів, вихід блока збігу сполучений із тактовим входом двоїчного лічильника, R-вхід якого залучений до пускової шини, а вихід - до керуючого входу схеми з керованим коефіцієнтом передачі, друга клема для підключення випробуваного приладу сполучена з загальною шиною До недоліків пристрою варто віднести його відносно невисоку точність при виміру малих величин ємності (нижче ЮпФ), оскільки в розрахунковій формулі пристрою не враховуються активна складова вимірювального ланцюгу, обумовлена ланцюгом розв'язки по напрузі зсуву і вхідним опором підсилювача високої частоти, паразитні ємності вимірювальних контактів і вхідна ємність підсилювача Все це робить придатною схему для виміру з прийнятною точністю тільки ємностей щодо високого рівня - сотень пФ і вище - і з обмеженою швидкістю (через невраховану активну складову ланцюгу и значення необхідно приймати дуже значним, що негативно позначається на динамічних характеристиках пристрою в цілому) Найбільш близьким по своїй технічній суті до запропонованого пристрою є пристрій для виміру ємності варикапів [патент України 40457А Пристрій для виміру ємності - прототип], що містить генератор високої частоти, розділювальний конденсатор, до одному з виводів якого залучена перша вимірювальна клема, послідовно сполучені підсилювач і детектор, до виходу якого залучений аналоговий вхід цифроаналогового перетворювача, цифровий вхід якого з'єднаний із виходом лічильника імпульсів, вхід скидання якого залучений до шини «Пуск», блок вирахування, блок завдання режиму, генератор імпульсів, перший і другий керовані підсилювачі, управляючі входи яких з'єднані 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 розділювального конденсатора і входом підсилювача, вихід цифроаналогового перетворювача 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 із входів першого блока збігу і через формувач імпульсу до скидного входу першого тригера і настановного входу другого тригера, скидний вхід якого сполучений з одним із входів другого блока збігу і виходом другого блока порівняння, перший вхід якого з'єднаний 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, керуючі 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 сполучений із керуючими 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 До недоліків пристрою варто віднести залежність вихідного вимірювального сигналу пристрою від параметрів високочастотного тракту -напруги генератора і підсилювача І, якщо амплітуду високочастотної напруги генератора можна застабілізувати, застосувавши ВІДПОВІДНІ схемні рішення, нестабільність коефіцієнта підсилення підсилювача в пристроях подібного типу домінує в сумарній погрішності виміру Зменшення коефіцієнта підсилення у зв'язку з використанням схеми ємнісного дільника в порівнянні зі схемою на ємкісноомічному дільнику не знімають проблеми часового і температурного дрейфу вимірювального сигналу Це випливає з таких розумінь Уявимо підсилювач У у виді двох однакових послідовно сполучених підсилювачів У і У з коефіцієнтами підсилення к'У І к" У ВІДПОВІДНО При цьому У У ЯКЩО величина дрейфу підсилювача Дк, то для підсилювача У з урахуванням дрейфу буде справедливий вираз 49699 блоків збігу залучений до виходу генератора імпульсів, перший вхід першого блока порівняння з'єднаний із першим входом другого блока порівняння, другий вхід якого залучений до виходу першого керованого підсилювача, вхід якого з'єднаний із к')2±2Ак, п'ятою клемою для підключення опорної напруги, вихід другого блока порівняння через другий формувач імпульсів з'єднаний із настановним входом тобто зменшення ку в V У раз веде до зментретього тригера і скидним входом другого тригешення нестабільності підсилювача приблизно ра, вихід якого залучений до другого входу другого ВДВІЧІ, або зниження коефіцієнта підсилення з блока збігу, вихід якого з'єднаний із тактовим вхо1000 до ЗО разів зменшить нестабільність підсидом другого лічильника, вихід якого з'єднаний із лювача тільки в 2 рази керуючими входами першого і другого керованих Крім того, у постійних вирахування Uon2 і Uon4 підсилювачів, а скидний вхід з'єднаний із скидним також присутня залежність від коефіцієнта підсивходом третього лічильника, вихід якого залучений лення (а в иОП2 навіть у квадраті), що через часодо керуючих входів третього і четвертого керовавий і температурний дрейф параметрів підсилюних підсилювачів, вихід першого блока вирахуванвача веде до невідповідності дійсних і необхідних ня з'єднаний із першим входом третього блока констант вирахування і негативно позначається на порівняння, другий вхід якого залучений до виходу точності пристрою в цілому четвертого керованого підсилювача, а вихід до Задачею винаходу є створення пристрою для скидного входу третього тригера, вихід якого з'єдвиміру ємності варикапів, у якому за рахунок конснаний із другим входом третього блока збігу, вихід труктивних особливостей можливо було б одержаякого залучений до тактового входу третього лічити збільшення точності при виміру ємності льника Поставлена задача досягається тим, що приНа фігурі подана схема запропонованого пристрій містить генератор високої частоти, вихід якострою Вона містить генератор 1 високої частоти, го через конденсатор залучений до першого вивоключ 2, конденсатор 3, розділювальний конденсаду розділ ювального конденсатора і через тор 4, вимірювальні клеми 5 і 6, підсилювач 7, депослідовно з'єднані підсилювач і детектор до анатектор 8, цифроаналоговий перетворювач (ЦАП) логового входу цифроаналогового перетворювача, 9, клеми 10, 17, 20, 24 і 26 для підключення опорцифровий вхід якого з'єднаний із виходом першого них напруг, три блоки 11, 14 і 29 порівняння, керолічильника імпульсів, а вихід із першим входом вані підсилювачі 18, 19, 27 і 28, блоки 21 і 25 вирапершого блока порівняння, другий вхід якого залухування, лічильники 13, 23 і 32 імпульсів, елемент чений до першої клеми опорної напруги, а вихід 15 розв'язки, блок 16 завдання режиму, генератор через формувач імпульсів до скидного входу перЗО імпульсів, три двовходові блоки 12, 22 і 31 збігу, шого тригера і настановного входу другого тригеформувач 33 і 36 імпульсів, три тригери 34, 35 і 37 ра, настановний вхід першого тригера спільно зі скидними входами першого і другого ЛІЧИЛЬНИКІВ Цифроаналоговий перетворювач 9 і керовані залучений до шини «Пуск», другий вивід розділюпідсилювачі 18, 19, 27 і 28 можуть бути зібрані на вального конденсатора через елемент розв'язки основі цифроаналогових перетворювачів, що залучений до блока завдання режиму і через помножать, коефіцієнти передачі яких визначаються слідовно з'єднані першу вимірювальну клему, викодами, які знаходяться в лічильниках 13, 23 і 32 пробуваний прилад, другу вимірювальну клему ВІДПОВІДНО При цьому повинне дотримуватися з'єднаний із загальною шиною, другий блок порівнеодмінна умова коефіцієнти передачі підсилюняння, генератор імпульсів, послідовно з'єднані вачів 18, 19 і 27, 28 повинні бути попарно рівні між перший і другий керовані підсилювачі, цифрові собою входи яких з'єднані паралельно, вихід другого кеГенератор 1 високої частоти, через конденсарованого підсилювача з'єднаний із першим входом тор 3 залучений до першого виводу розділювальпершого блока вирахування, другий вхід якого заного конденсатора 4 і через послідовно сполучені лучений до другої клеми опорної напруги, послідопідсилювач 7 і детектор 8 до аналогового входу вно з'єднані третій і четвертий керовані підсилюЦАП 9 Цифровий вхід ЦАП 9 з'єднаний із виходом вачі, цифрові входи яких з'єднані паралельно, вхід першого лічильника 13 імпульсів, а вихід із пертретього керованого підсилювача залучений до шим входом блока 11 порівняння, другий вхід якотретьої клеми опорної напруги, а вихід до першого го залучений до першої клеми 10 опорної напруги, входу другого блока вирахування, вихід якого є а вихід через формувач 33 імпульсів до скидного виходом пристрою, а другий вхід з'єднаний із четвходу тригера 34 і настановного входу тригера 35 вертою клемою для підключення опорної напруги, Настановний вхід тригера 34 спільно зі скидними ключ, три двовходових блоки збігу, третій лічильвходами ЛІЧИЛЬНИКІВ 13 і 23 залучений до шини ник імпульсів, третій блок порівняння, другий фор«Пуск» Другий вивід розділювального конденсамувач імпульсів, клему для підключення опорної тора 4 через елемент 15 розв'язки залучений до напруги, третій тригер, при цьому ключ своїми конблока 16 завдання режиму і через послідовно тактами залучений паралельно конденсатору, а з'єднані вимірювальну клему 5, випробуваний керуючим входом - до інверсного виходу першого прилад, вимірювальну клему 6 сполучений із загатригера, прямий вихід якого з'єднаний із першим льною шиною Керовані підсилювачі 18 і 19 з'єдвходом першого блока збігу, вихід якого з'єднаний нані послідовно, а їхні цифрові входи - паралельіз тактовим входом першого лічильника, а другий но Вихід керованого підсилювача 19 з'єднаний із вхід разом із першими входами другого і третього першим входом блока 21 вирахування, другий вхід Оскільки В реальних підсилювачах Д к « к у , то, зневажаючи членами вищого порядку малості, одержимо 49699 якого залучений до клеми 20 опорної напруги Керовані підсилювачі 27 і 28 також сполучені послідовно, а їхні цифрові входи - паралельно Вхід керованого підсилювача 27 залучений до клеми опорної напруги 26, а вихід -до першого входу блока 25 вирахування, вихід якого є виходом пристрою, а другий вхід з'єднаний із клемою 24 для підключення опорної напруги Ключ 2 своїми контактами залучений паралельно конденсатору 3, а керуючим входом - до інверсного виходу тригера 34, прямий вихід якого з'єднаний із першим входом блока 12 збігу Вихід блока 12 з'єднаний із тактовим входом лічильника 13, а другий вхід разом із першими входами блоків 22 і 31 збігу залучений до виходу генератора ЗО імпульсів Перший вхід блока 11 порівняння з'єднаний із першим входом блока 14 порівняння, другий вхід якого залучений до виходу керованого підсилювача 18, вхід якого з'єднаний із клемою 17 для підключення опорної напруги Вихід блока 14 порівняння через другий формувач 36 імпульсів з'єднаний із настановним входом тригера 37 і скидним входом тригера 35, вихід якого залучений до другого входу блока 22 збігу Вихід блока 22 з'єднаний із тактовим входом лічильника 23, вихід якого з'єднаний із керуючими входами керованих підсилювачів 18 і 19, а скидний вхід сполучений із скидним входом лічильника 32 Вихід лічильника 32 залучений до 8 керуючих входів керованих підсилювачів 27 і 28 Вихід блока 21 вирахування з'єднаний із першим входом блока 29 порівняння, другий вхід якого залучений до виходу керованого підсилювача 28, а вихід - до скидного входу тригера 37 Вихід тригера 37 сполучений із другим входом блока 31 збігу, вихід якого залучений до тактового входу лічильника 32 Порівнянний аналіз із прототипом показує, що пристрій, який заявляється, відрізняється тим, що в схему додатково введені нові блоки ключ, три двовходові блоки збігу, третій лічильник імпульсів, третій блок порівняння, другий формувач імпульсів, клема для підключення опорної напруги, третій тригер, що дозволило усунути часовий і температурний дрейф вимірювального сигналу, тим самим підвищити точність пристрою У вихідному стані генератор 1 виробляє напругу частоти, при якій вимірюється ємність варикапа, тригера 34, 35 і 37 знаходяться в нульовому стані, ключ 2 замкнений З приходом імпульсу «Пуск» встановлюється в «1» тригер 34, розмикається ключ 2 і обнуляються лічильники 13, 23 і 32 Сигнал на виході ЦАП 9, підсилювачів 18, 19, 27 і 28 дорівнює нулю, на виході блока 25 вирахування формується напруга негативної полярності, що не повинна прийматися до уваги На виході детектора 8 напруга дорівнює соСг, — 1T lr (1) — и ,/с„ де U, - напруга генератора 1, k n - коефіцієнт передачі підсилювача 7 і детектора 8, ш - кругова частота виміру, С - величина ємності конденсатора З, Свх - еквівалентна ємність між входом підсилювача 7 і загальною шиною, що враховує вхідну ємність підсилювача Сої, ємність вимірювальних контактів Со21 ємність С х , що вимірюється го - активна складова дільника, що враховує вхідний опір підсилювача 7 і активний опір елемента 15 розв'язки На виході блока 12 збігу формується потенціал, що дозволяє проходження тактових імпульсів від генератора ЗО до лічильника 13 Код у лічильнику, а, отже, напруга на виході ЦАП 9 збільшується доти, доки не досягне опорної напруги, поданої на клему 10 При цьому на виході блока 11 порівняння формується потенціал, що через формувач 33 імпульсу скидає в «0» тригер 34 і встановлює в «1» тригер 35 У цей момент будет справедливо равенство З обнулениям тригера 43 замикається ключ 2 і на виході детектора 8 формується напруга На виході ЦАП 9 з урахуванням (1) і (2) виникне напруга "ЦАП - "я 0Сгп З вмиканням у «1» тригера 35 виникає дозвіл на проходження тактових імпульсів від генератора ЗО до лічильника 23 Код у зазначеному лічильнику і, ВІДПОВІДНО, коефіцієнт підсилення керованих підсилювачів 18 і 19 росте доти, доки напруга на виході підсилювача 18 не досягне напруги на виході ЦАП У цей момент будет справедливо равенство ЦАП' де иОП2 - опорна напруга, подана на клему 17, к 2 - коефіцієнт підсилення підсилювача 18 Оскільки коефіцієнти підсилення підсилювачів 18 і 19 рівні, на виході підсилювача 19 одержуємо де кі - коефіцієнт передачі ЦАП 9, и о п і - опорна напруга, подана на клему 10 1] и