Пристрій для виміру ємності

Пристрій для виміру ємності, який містить високочастотний генератор, що через роздільний конденсатор приєднаний до першого виводу вимірюваного конденсатора, другий вивід якого через резистор з'єднаний із загальною шиною і через підсилювач із входом детектора, блок завдання режиму через елемент розв'язки приєднаний до першого виводу вимірюваного конденсатора, послідовно з'єднані перший і другий керовані підсилювачі, цифрові входи яких приєднані до виходу першого лічильника, скидний вхід якого з'єднаний із шиною «Пуск» і встановлювальним входом першого тригера і скидним входом другого лічильника імпульсів, вихід якого приєднаний до керуючих входів послідовно з'єднаних третього і четвертого керованих підсилювачів, блок порівняння, перший вхід якого приєднаний до першої клеми опорної напруги, а вихід через формувач імпульсу - до скидного входу першого тригера і встановлювального входу другого тригера, вихід другого керованого підсилювача з'єднаний із першим входом блока вирахування, вихід четвертого керованого підсилювача з'єднаний із першим входом другого блока порівняння, генератор імпульсів, ключ, нормально закритий контакт якого залучений до другої клеми опорної напруги, який відрізняється тим, що він додатково містить три блоки збігу, другий ключ, другий підсилювач, два блоки додавання, третій лічильник імпульсів, п'ятий керований 2 (19) 1 3 78160 Гаданий винахід відноситься до контрольновимірювальної техніки і може бути використаний для контролю параметрів напівпровідникових приладів. Відомо пристрій для виміру ємності [А.с. №1465821, G01R27/26], що містить генератор, в частотно-залежний ланцюг котрого послідовно включені ключ і затискачі для підключення об'єкта виміру, а ви хід генератора через формувач імпульсів з'єднаний із входом вимірювача періоду, перший і другий елементи І, електронна обчислювальна машина, блок сполучення, постійний запам'ятовуючий блок, 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 рухли вий 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 і 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 спеціалізованого перетворювача ємність-частота і обчислювального пристрою з високими дозволяючими спроможностями, оскільки в обмірюваній частоті міститься інформація про власну ємність перетворювача, виділити яку можна тільки при математичній обробці обмірюваного сигналу. Це створює складності особливо при виміру малих (нижче 10пФ) 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 виміру ємності [Патент України №66151А - прототип], що містить високочастотний генератор, що через роздільний конденсатор приєднаний до першого виводу вимірюваного конденсатора, другий вивід 4 якого через резистор ємкісно-омічного дільника приєднаний до загальної шини і через послідовно з'єднані підсилювач і детектор - до аналогового входу ци фроаналогового перетворювача, цифровий вхід якого з'єднаний із виходом лічильника імпульсів, скидний вхід якого з'єднаний із шиною ”Пуск”, блок завдання режиму, два тригери, генератор імпульсів, блок затримки, дві клеми для підключення опорних напруг, блок вирахування, два керованих підсилювачі, цифрові входи яких з'єднані паралельно, елемент розв'язки, два керованих підсилювачі, ключ, другий лічильник імпульсів, два тривходові блоки збігу, два блоки порівняння, дві клеми для підключення опорних напруг, формувач імпульсів, при цьому ви хід блока завдання режиму через елемент розв'язки приєднаний до першого виводу вимірюваного конденсатора, перший вхід першого блока порівняння - до першої клеми опорної напруги, ви хід цифроаналогового перетворювача - до другого входу першого блока порівняння і через послідовно з'єднані перший і другий керовані підсилювачі - до першого входу блока вирахування, другий вхід якого з'єднаний із другою клемою опорної напруги, а вихід - із нормально розімкненим контактом ключа, нормально замкнений контакт якого приєднаний до третьої клеми опорної напруги, а перекидний контакт через послідовно з'єднані третій і четвертий керовані підсилювачі - до першого входу другого блока порівняння, другий вхід якого приєднаний до четвертої 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 вихід - до тактового входу друго го лічильника, скидний вхід якого з'єднаний із шиною “Пуск” і установлювальним входом другого тригера, а вихід - із цифровими входами третього і четвертого керованих підсилювачів; установлювальний вхід першого тригера з'єднаний із скидним входом другого тригера і з виходом формувача імпульсів, вхід якого з'єднаний із виходом першого блока порівняння і першим входом другого блока збігу, другий вхід якого разом із третім входом першого блока збігу приєднаний до виходу генератора імпульсів, а вихід - до тактового входу першого лічильника, вихід др угого тригера через блок затримки з'єднаний із третім входом другою блока збігу, цифрові входи цифроаналогового перетворювача і першого і другого керованих підсилювачів з'єднані паралельно, виходом пристрою є вихід третього керованого підсилювача. До недоліків пристрою варто віднести невисоку точність при вимірі ємностей низького рівня, оскільки схема не враховує вплив вхідної ємності високочастотного підсилювача, що може бути сумірна (і навіть перевершувати) із ємністю, що вимірюється. 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 в пристрій для виміру ємності, що містить високочастотний генератор, що через роздільний конден 5 78160 сатор приєднаний до першого виводу вимірюваного конденсатора, другий вивід якого через резистор з'єднаний із загальною шиною і через підсилювач із входом детектора, блок задания режима через элемент развязки підключен до першого виводу вимірюваного конденсатора, послідовно з’єднані перший і другий керовані підсилювачі, цифрові входи яких приєднані до виходу першого лічильника імпульсів, скидний вхід якого з'єднаний із шиною “Пуск”, установлювальним входом першого тригера і скидним входом другого лічильника імпульсів, вихід якого приєднаний до керуючих входів послідовно з'єднаних третього і четвертого керованих підсилювачів, блок порівняння, перший вхід якого приєднаний до першої клеми опорної напруги, а ви хід через формувач імпульсу - до скидного входу першого тригера і установлювального входу др угого тригера, вихід другого керованого підсилювача з'єднаний із першим входом блока вирахування, вихід четвертого керованого підсилювача з'єднаний із першим входом другого блока порівняння, генератор імпульсів, ключ, нормально закритий контакт якого приєднаний до другої клеми опорної напруги, додатково введені три блоки збігу, др угий ключ, др угий підсилювач, два блоки додавання, третій лічильник імпульсів, п'я тий керований підсилювач, третій блок порівняння, другий формувач імпульсів, третій тригер, при цьому перші входи блоків збігу приєднані до виходу генератора імпульсів, вихід першого блока збігу з'єднаний із тактовим входом першого лічильника імпульсів, а другий вхід - із керуючим входом другого ключа і виходом першого тригера, вихід другого блока збігу з'єднаний із тактовим входом другого лічильника імпульсів, а другий вхід - із виходом другого тригера, скидний вхід якого з’єднаний із установлюваним входом третього тригера і виходом другого формувача імпульсів, вхід якого з'єднаний із виходом другого блока порівняння, другий вхід якого приєднаний до виходу першого блока додавання, один вхід якого приєднаний до третьої клеми опорної напруги, а другий вхід - до ви ходу др угого підсилювача, вхід якого з’єднаний із виходом блока вирахування і нормально відкритим контактом першого ключа, перекидний контакт якого через п'я тий керований підсилювач приєднаний до першого входу третього блока порівняння, вихід якого з'єднаний із скидним входом третього тригера, а другий вхід - із ви ходом другого блока додавання, перший вхід якого підключений до четвертої клеми опорної напруги, а другий вхід - до ви ходу третього керованого підсилювача, вхід якого сполучений із п'ятою клемою опорної напруги, ви хід третього лічильника імпульсів з'єднаний із керуючим входом п'ятого керованого підсилювача, скидний вхід - із шиною “Пуск”, тактовий вхід - із ви ходом третього блока збігу, др угий вхід якого з'єднаний із виходом третього тригера і керуючим входом першого ключа, вихід детектора приєднаний до нормально відкритого контакту другого ключа нормально закритий контакт якого приєднаний до першої клеми опорної напруги і другого входу блока вирахування, перекидний контакт - до входу першого керованого підсилювача, вихід якого приєднаний до другого 6 входу першого блока порівняння, виходом пристрою є ви хід п'ятого керованого підсилювача. Порівнянний аналіз із прототипом показує, що пристрій, що заявляється, відрізняється тим, що в схему додатково введені нові блоки: три блоки збігу, др угий ключ, др угий підсилювач, два блоки додавання, третій лічильник імпульсів, п'ятий керований підсилювач, третій блок порівняння, другий формувач імпульсів, третій тригер, що дозволило врахувати вплив вхідної ємності високочастотного підсилювача на вимірювальний сигнал, тим самим підвищити точність пристрою. На малюнку подана схема запропонованого пристрою. Вона містить елемент розв'язки 1, роздільний конденсатор 2, вимірювану ємність 3, резистор 4, підсилювач 5 високої частоти, клеми для опорної напруги 6, 16, 21, 28 і 30, детектор 7, ключі 8 і 31, керовані підсилювачі 9, 10, 22, 23 і 32, блоки порівняння 11, 18 і 33, високочастотний генератор 12, двоїчні лічильники 13, 26 і 34, блок 14 вирахування, підсилювач 15 постійного току, блоки додавання 17 і 29, блок 19 завдання режиму, двовходові блоки 20, 25 і 27 збігу, генератор 24 імпульсів, формувачі 35 і 37 імпульсів, "S-R" тригера 36, 38 і 39. Значення резистора ємкісно-омічного дільника так само, як і в прототипі, вибирають таким, щоб напруга на ньому була сумірна з напругою на вимірюваній ємності. Керовані підсилювачі 9, 10, 22, 23 і 32 можуть бути зібрані на основі множачих цифроаналогових перетворювачів, коефіцієнти передачі яких визначаються кодами, що знаходяться в лічильниках 13, 26 і 34. При цьому повинна дотримуватись неодмінна умова: коефіцієнти передачі підсилювачів 9 і 10 повинні бути рівні між собою. Аналогічна вимога подається до підсилювачів 22 і 23. Високочастотний генератор 12 через роздільний конденсатор 2 приєднаний до першого виводу вимірюваного конденсатора 3, другий вивід якого через резистор 4 з'єднаний із загальною шиною і через підсилювач 5 із входом детектора 7. Блок 19 завдання режиму через елемент 1 розв'язки приєднаний до першого виводу вимірюваного конденсатора 3. Послідовно з'єднані перший 9 і другий 10 керовані підсилювачі, цифрові входи яких приєднані до виходу першого лічильника 13 імпульсів, скидний вхід якого з'єднаний із шиною "Пуск", установлювальним входом першого тригера 36 і скидним входом другого лічильника 26 імпульсів, вихід якого приєднаний до керуючих входів послідовно з'єднаних третього 22 і четвертого 23 керованих підсилювачів. У блоці 11 порівняння перший вхід приєднаний до першої клеми 6 опорної напруги, а ви хід через формувач 35 імпульсу - до скидного входу першого тригера 36 і установлювального входу другого тригера 38. Вихід другого керованого підсилювача 10 з'єднаний із першим входом блока 14 вирахування, вихід четвертого керованого підсилювача 23 з'єднаний із першим входом друго го блока 18 порівняння. Перші входи блоків 20, 25 і 27 збігу приєднані до виходу генератора 24 імпульсів. Вихід першого блока 20 збігу з'єднаний із тактовим входом першого лічильника 13 імпульсів, а другий вхід - із керуючим входом 7 78160 другого ключа 8 і виходом першого тригера 36. Вихід другого блока 25 збігу з'єднаний із тактовим входом другого лічильника 26 імпульсів, а другий вхід - із виходом другого тригера 38, скидний вхід якого з'єднаний із установлювальним входом третього тригера 39 і виходом другого формувача 37 імпульсів. Вхід формувача 37 з'єднаний із виходом другого блока 18 порівняння, другий вхід якого приєднаний до виходу першого блока 17 додавання, один вхід якого приєднаний до третьої клеми 16 опорної напруги, а другий вхід - до ви ходу другого підсилювача 15. Вхід підсилювача 15 з'єднаний із виходом блока 14 вирахування і нормально відкритим контактом першого ключа 31, перекидний контакт якого через п'я тий керований підсилювач 32 приєднаний до першого входу третього блока порівняння 33. Вихід блока 33 з'єднаний із скидним входом третього тригера 39, а другий вхід - із виходом другого блока 29 додавання. Перший вхід блока 29 приєднаний до четвертої клеми 28 опорної напруги, а другий вхід - до ви ходу третього керованого підсилювача 22. вхід якого з'єднаний із п'ятою клемою 21 опорної напруги. Вихід третього лічильника 34 імпульсів з'єднаний із керуючим входом п'ятого керованого підсилювача 32, скидний вхід - із шиною "Пуск", тактовий вхід - із ви ходом третього блока 27 збігу. Др угий вхід блока 27 з'єднаний із виходом третього тригера 39 і керуючим входом першого ключа 31. Вихід детектора 7 приєднаний до нормально відкритого контакту другого ключа 8, нормально закритий контакт якого приєднаний до першої клеми 6 опорної напруги і другого входу блока 14 вирахування, перекидний контакт - до входу першого керованого підсилювача 9, ви хід якого приєднаний до другого входу першого блока 11 порівняння. Виходом пристрою є ви хід п'ятого керованого підсилювача 32. У вихідному стані генератор 12 виробляє напруга частоти, при якій вимірюється ємність варикапа, тригера 36, 38 і 39 знаходяться в нульовому стані. Випробуваний варикап разом із резистором 4 утворюють ємкісно-омічний дільник, напруга з виходу якого поступає на вхід підсилювача 5. Посилена напруга випрямляється детектором 7. При цьому напруга на вході підсилювача 5 у комплексній формі запису дорівнює UR = Uг 1 U wCR [w R( C + C0 ) + J] × = г J 1 1 w2R2 (C + C 0 )2 + 1 + + J wC0 w C 1 + JwC R 0 R де: Uг - напруга високочастотного генератора; R - величина резистора; C - вимірювана ємність; w - кругова частота виміру; C0 - вхідна ємність підсилювача, включена паралельно R. Після підсилення і детектування даного сигналу на ви ході амплітудного детектора 7 одержимо Uгk уR wC Uд = , (1) 2 2 2 R w ( C + C0 ) + 1 8 де: k у - результуючий коефіцієнт підсилення підсилювача 5 і детектора 7. Вирішуючи (1) відносно вимірюваної ємності C , одержимо (U2R 2w2 - B2R 2w2)C 2 + 2U2R2w2C0C + U2 (R2w2C2 + 1) = 0 , д д д 0 де: B = Uг k у . Рішення наведеного рівняння відносно C дає: æ 2 2 2 ç U2 Uд B - Uд д С1,2 = C0 ç ± 1+ A 2 - U2 B 2 - U2 2 çB Uд д д è ö ÷ ÷ ÷ ø , (2) 1 2 2 R wC 0 Можна показати, що знак "-" дає від'ємні значення C , що позбавлено фізичного змісту. З огляду на це, одержимо рішення для вимірюваної ємності у відносних одиницях від вхідної ємності C0 у вигляді де: A = 1 + æ æ 2 öö 1 ç çB ÷÷ *= C = C ç1 + 1+ A ç - 1÷ ÷ . (3) 2 2 C0 ç ç Uд ÷÷ ÷ B ç è øø - 1è U2 д Реалізація обчислень по виразу (3) у приведеному пристрої здійснюється в такий спосіб. З приходом імпульсу "Пуск" встановлюється в "1" тригер 36 і обнуляються лічильники 13, 26 і 34, сигнал на виході підсилювачів 9, 10, 22, 23 і 32 дорівнює нулю. З включенням тригера спрацьовує ключ 8, підключаючи вихід детектора 7 до входу керованого підсилювача 9, одночасно дозволяється проходження тактових імпульсів від генератора 24 на вхід лічильника 13 через блок збігу 20. Код у лічильнику 13 зростає. Напруга на виході керованого підсилювача 9 зростає доти, поки не досягне значення опорної напруги, поданої на клему 6. При цьому на виході блока 11 порівняння формується потенціал, що через формувач 35 імпульсу скидає тригер 36, подача тактових імпульсів у лічильник 13 припиняється, керований підсилювач 9 підключається до опорної напруги, поданої на клему 6. У цей момент буде справедлива рівність U дk1 = Uоп1 , де k д - коефіцієнт передачі керованого підсилювача 9; Uоп1 - опорна напруга, подана на клему 6. Оскільки коефіцієнти передачі керованих підсилювачів 9 і 10 рівні між собою, після скиду тригера 36 на виході підсилювача 10 з урахуванням (2) одержимо: 3 2 = Uоп1 . U10 = Uоп1k1 U2 д На виході блока 14 вирахування маємо: æ D2 ö ÷ U14 = U10 - Uоп1 = Dç (4) ç 2 - 1÷ , ç Uд ÷ è ø при D = Uоп1. 9 78160 При проходженні через блок 15 отриманий сигнал умножається на постійну величину, рівну 1 1+ 2w2C2 R A 0 . = D Uоп1 З ура хуванням цього вихідний сигнал підсилювача 15 буде дорівнювати æ D2 ö A ÷ U15 = U14 = A ç ç 2 - 1÷ , D ç Uд ÷ è ø а на виході блока 17 додавання æ D2 ö U17 = Uоп 2 + U15 = 1+ Aç - 1÷ ç 2 ÷ ç Uд ÷ è ø при Uоп2 = 1 . При установці в "1" тригера 38 дозволяється проходження тактових імпульсів від генератора 24 на лічильник 26 через блок 25 збігу. У момент, коли напруга на виході керованого підсилювача 23 стане рівною напрузі на виході блока 17, спрацює блок порівняння 18, через формувач імпульсу 37 обнулиться тригер 38 і установиться в "1" тригер 39, подача тактових імпульсів у лічильник 26 припиниться. У цей момент буде справедливо Uоп3k 2 = U17 , 2 де Uоп3 - опорна напруга, подана на клему 21. Тоді на виході керованого підсилювача 22 одержуємо æ D2 ö ç ÷ Uоп3 × 1+ A ç - 1÷ . 2 ç Uд ÷ è ø Отриманий сигнал складається в блоці 29 з опорною напругою U22 = Uоп3k 2 = Uоп4 = Uоп3 , поданою на клему 28, тобто сигнал на виході блока 29 буде дорівнювати æ æ 2 öö ç ÷ D U29 = Uоп3 ç 1+ 1+ A ç - 1÷ ÷ . (5) ç 2 ÷ ç Uд ÷÷ ç ç ÷ è øø è З установкою в "1" тригера 39 спрацьовує ключ 31 і до входу керованого підсилювача 32 підключається вихідна напруга блока 14. Одночасно дозволяється проходження тактових імпульсів від 10 генератора 24 на вхід лічильника 32 через блок збігу 27. У момент, коли напруга на виході керованого підсилювача 32 досягне значення напруги на виході блока 29, спрацює блок порівняння 33, скинеться в "0" тригер 39, припиниться подача тактових імпульсів на вхід лічильника 34, вхід керованого підсилювача 32 підключиться до клеми 30, на яку подана опорна напруга Uоп5 . У цей момент до відключення ключа 31 буде справедливо U14k 3 = U29 , де: k3 - коефіцієнт підсилення керованого підсилювача 32. Після відключення ключа сигнал на виході блока 32, він же вихідний сигнал усього пристрою буде дорівнювати U Uвих = U32 = Uоп5 29 . U14 Або з урахуванням (4) і (5) æ æ 2 öö ç ÷ D Uоп5 Uоп3 ç 1 + 1+ Aç - 1÷ ÷ ç 2 ÷ ç Uд ÷ ÷ ç è øø è Uвих = . æ 2 ö D ÷ Dç ç 2 - 1÷ ç Uд ÷ è ø Співставляючи отриманий вираз із (3), одержимо, що при D = B або Uоп1 = Uг k у і Uоп5 Uоп3 = k 4 - постійна величина, D вихідний сигнал пропорційний вимірюваній ємності у відносних одиницях від вхідної ємності С0 . 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. Урахування вхідної ємності високочастотного підсилювача забезпечує більш високу точність пристрою в порівнянні з відомими технічними рішеннями, що особливо відчутно при виміру ємностей низького рівня. Все це зумовлює широку промислову застосовність пристрою, що заявляється. 11 Комп’ютерна в ерстка В. Сердюк 78160 Підписне 12 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