Пристрій для вимірювання ємності

Пристрій для вимірювання ємності, що містить генератор високої' частоти, роздільний конденсатор, один вивід якого підключений до першого виводу резистора омічно-ємнісного подільника і виходу блока завдання режиму, другий вивід резистора підключений до першої вимірювальної клеми і через підсилювач до входу детектора, блок вирахування, один вхід якого підключений до першої клеми опорної' напруги, другий - до виходу першого керованого підсилювача, а вихід через послідовно з'єднані другий та третій керовані підсилювачі до першого входу блока порівняння, другий вхід якого підключений до другої клеми опорної напруги, а вихід зі скидним входом першого тригера t першим входом першого блока збігу, другий вхід якого підключений до виходу першого тригера, а третій вхід - до виходу генератора імпульсів і першого входу другого блока збігу, другий вхід якого з'єднаний з виходом блоку затримки, а третій вхід - з входом формувача імпульсів і виходом другого блоку порівняння, вихід формувача імпульсів з'єднаний з встановлюючим входом першого тригера та скидним входом другого тригера, вихід якого з'єднаний з входом блоку затримки, встано влюючий вхід - з шиною "Пуск" і скидними входами першого і другого лічильників імпульсів, тактовий вхід першого лічильника з'єднаний з виходом другого блока збігу, а вихід - з цифровим входом першого керованого підсилювача, тактовий вхід другого лічильника імпульсів підключений до виходу першого блока збігу, а вихід - до цифрових входів другого і третього керованих підсилювачів, виходом пристрою вважається вихід другого керованого підсилювача, який відрізняється тим, що він додатково містить другий підсилювач і детектор, ключ, третій блок порівняння, четвертий керований підсилювач, четверту клему опорної напруги, при цьому друга вимірювальна клема підключена до спільної шини, генератор високої частоти підключений до входу четвертого керованого підсилювача, вихід якого з'єднаний з другим виводом роздільного конденсатора, а керований вхід - з входом третього блоку порівняння, перший вхід якого з'єднаний з третьою клемою опорної напруги, і другий вхід - з виходом першого детектора, вихід блока завдання режиму через послідовно з'єднаний другий підсилювач і другий детектор з'єднаний з першим входом третього блоку порівняння І з нормально закритим контактом ключа, нормально відкритий контакт якого з'єднаний з четвертою клемою опорної напруги, перекидний контакт - з входом першого керованого підсилювача, а керований вхід - з виходом другого тригера, другий вхід третього блока порівняння з виходом першого керованого підсилювача. Корисна модель відноситься до контрольновимірювальної техніки І може бути використана для контролю параметрів напівпровідникових приладів. Відомий пристрій для виміру ємності [А. с СРСР №1465821, G01R 27/26], що містить генератор, у частотно-залежний ланцюг якого послідовно включені ключ і затиски для підключення об'єкта виміру, а вихід генератора через формувач імпульсів з'єднаний із входом вимірника періоду, перший і другий елементи І, електронна обчислюва льна 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 блоку сполучення і керуючими входами першого і другого ключів, при цьому рухливий контакт другого ключа через елемент розв'язки з'єднаний зі зразковим варикапом, включеним у частотно-задаючий ланцюг генератора, один нерухомий контакт другого (О to С7> 9616 ключа з єднаний з виходом джерела напруги зсуву, а інший - з виходом цифроаналогового перетворювача і через другий елемент розв'язки для підключення об'єкта виміру - із затискачем, а вхід цифроаналогового перетворювача з'єднаний з виходом регістра зсуву, інформаційний вхід якого з'єднаний з четвертим виходом блоку сполучення й інформаційним входом вихідного регістра, а інший вхід регістра зсуву з'єднаний з виходом другого блоку 1, один вхід якого з'єднаний із третім виходом блока сполучення, а інший вхід із другим виходом блока сполучення і входом першого блока 1, вихід якого з'єднаний із другим входом вихідного регістра, а інший вхід першого блока І з'єднаний з першим виходом блока сполучення, вихід вимірника періоду з'єднаний з інформаційним входом блока сполучення, шостий вихід якого з'єднаний із запускаючим входом вимірника 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 з п'ятим виходом блоку сполучення, а інший його вхід - із шиною сигналу «Пуск». До недоліків пристрою варто віднести складність - пристрій вимірює ємність на основі частотного методу, що вимагає спеціалізованого перетворювача ємність-частота й обчислювальний пристрій з високою дозволяючою спроможністю, оскільки в обмірюваній частоті міститься інформація про власну ємність перетворювача, виділити яку вдається тільки при математичній обробці обмірюваного сигналу. Це створює складності особливо при виміру малих (нижче Юпф) рівнях ємності. Наявність ЕОМ і спеціалізованого програмного забезпечення істотно ускладнили побудову розглянутого вимірника ємності. Найбільш близьким по своїй технологічній суті до пропонованого пристрою є пристрій для вимірювання ємності [патент України 67407А, G01R 27/26 - прототип], що містить генератор високої частоти, який через роздільний конденсатор підключений до першого виводу резистора омічноемнісного дільника, другий вивід якого через клеми і вимірювану ємність підключений до спільної1 шини і через послідовно з'єднані підсилювач і детектор до аналогового входу цифроаналогового перетворювача, цифровий вхід якого з'єднує з виходом лічильника імпульсів, скидний вхід якого з'єднаний з шиною "Пуск", блок завдання режиму, два тригера, генератор імпульсів, блок затримки, одна клема для підключення опорних напруг, блок вирахування, два керованих підсилювача, цифрові входи яких з'єднані паралельно, два керованих підсилювача, другий лічильник імпульсів, два тривходових блоки збігу, два блоки порівняння, дві клеми для підключення опорних напруг, формувач імпульсів, при цьому вхід блока завдання режиму через резистор підключений до першого виводу вимірювального конденсатора, перший вхід першого блоку порівняння - до першої клеми опорної напруги, вихід цифроанопового перетворювача до другого входу першого блоку порівняння І через послідовно з'єднані перший та другий керовані підсилювачі - до першого входу блока вирахуван 4 ня, другий вхід якою з'єднаний з другою клемою опорної напруги, а вихід через послідовно з'єднаний третій та четвертий керовані підсилювачі до першого входу блока порівняння, другий вхід якого підключений до третьої клеми опорної напруги, а вихід - до скидного входу першого тригера І першого входу першого блока порівняння, другий вхід якого підключений до виходу першого тригера, а вихід к до тактового входу другого лічильника, збройовий вхід якого з'єднаний з шиною "Пуск" і встановлюючим входом другого тригера, а вихід з цифровими входами третього і четвертого керованих підсилювачів, встановлюючий вхід першого тригера з'єднаний з скидним входом другого тригера і з виходом формувача імпульсів, вхід якого з'єднаний з виходом першого блоку порівняння і першим входом другого блока збігу, другий вхід якого разом з третім входом першого блока збігу підключений до виходу генератора імпульсів, а вихід - до тактового входу першого лічильника, вихід другого тригера через блок затримки з'єднаний з третім входом другого блоку збігу, цифрові входи цифроаналогового перетворювача і першого і другого керованих підсилювачів з'єднані паралельно, виходом пристрою вважається вихід третього керованого підсилювача. До недопіків пристрою слід віднести невисоку стабільність виміру, оскільки вихідний сигнал пристрою залежить від напруги генератора і коефіцієнта підсилення підсилювача високої частоти основних джерел нестабільності схеми. У зв'язку з не ЛІНІЙНІСТЮ об'єкта виміру, величина високочастотної напруги на ньому обмежується десятками міпівопьт. Схема використовує метод ємкістноомічного дільника, утворюваного вимірюваним конденсатором і струмоз'ємним резистором. І хоч напруга на резисторі і об'єкті виміру спів мірні, тобто напруга на об'єкті виміру достатньо велика, вихідний сигнал дільника потребує значного підсилення на частоті виміру, що породжує нестабільність вихідного сигналу у цілому. Задачею корисної моделі являється створення пристрою для виміру ємності варикапів, у якому за рахунок конструктивних особливостей можливо було б отримати підвищення стабільності виміру ємності. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для виміру ємності містить генератор високої частоти, роздільний конденсатор, один вивід якого підключений до першого виводу резистора омічноємнісного дільника І виходу блока завдання режиму, другий вивід резистора підключений до першої вимірювальної клеми, і через підсилювач до входу детектора, блок вирахування, один вхід якого підключений до першої клеми опорної напруги, другий - до виходу першого керованого підсилювача, а РИХІД через послідовно з'єднані другий та третій керовані підсилювачі до першого входу блока порівняння, другий вхід якого підключений до другої клеми опорної напруги, а вихід зі скидним входом першого тригера і першим входом першого блока збігу, другий вхід якого підключений до виходу першого тригера, а третій вхід - до виходу генератора імпульсів і першого входу другого блока збігу, другий вхід якого з'єднаний з виходом блоку за 9616 тримки, а третій вхід - з входом формувача імпульсів і виходом другого блоку порівняння, вихід формувача імпульсів з'єднаний з встановлюючим входом першого тригера та скидним входом другого тригера, вихід якого з'єднаний з входом блока затримки, встановлюючий вхід - з шиною "Пуск" і скидними входами першого І другого лічильників імпульсів, тактовий вхід першого лічильника з'єднаний з виходом другого блока збігу, а вихід з цифровим входом першого керованого підсилювача, тактовий вхід другого лічильника імпульсів підключений до виходу першого блока збігу, а вихід - до цифрових входів другого і третього керованих підсилювачів, виходом пристрою вважається вихід другого керованого підсилювача, другий підсилювач і детектор, ключ, третій блок порівняння, четвертий керований підсилювач, четверту клему опорної напруги, при цьому друга вимірювальна клема підключена до спільної шини, генератор високої частоти підключений до входу четвертого керованого підсилювача, вихід якого з'єднаний з другим виводом роздільного конденсатора, а керований вхід - з входом третього блока порівняння, перший вхід якого з'єднаний з третьою клемою опорної напруги, і другий вхід - з виходом першого детектора, вихід блока завдання режиму через послідовно з'єднаний другий підсилювач і другий детектор з'єднаний з першим входом третього блока порівняння і з нормально закритим контактом ключа, нормально відкритий контакт якого з'єднаний з четвертою клемою опорної напруги, перекидний контакт - з входом першого керованого підсилювача, а керований вхід - з виходом другого тригера, другий вхід третього блока порівняння - з виходом першого керованого підсилювача. Порівняльний аналіз з прототипом показує, що заявлений пристрій відрізняється тим, що у схему додатково введені нові блоки: підсилювач, детектор, ключ, третій блок порівняння, четвертий керований підсилювач, четверта клема опорної' напруги і їх зв'язки між собою І іншими елементами схеми, що дозволило усунути залежність вихідного сигналу пристрою від напруги генератора і коефіцієнта підсилення підсилювача високої частоти, зробивши його більш стабільним. На Фіг. представлена схема пропонованого пристрою. Вона містить генератор 1 високої частоти, керовані підсилювачі 1, 14, 22 и 23, роздільний конденсатор 18, вимірювальні клеми 4, резистор З омічно-ємнісного дільника, підсилювачі 5 і 10, детектори 6 і 11, клеми 7,12,16, 24 для підключення опорної напруги, блоки 8, 15 і 25 порівняння, ключ 13, блок 17 вирахування, блок 9 завдання режиму, лічильники 19 и 28 імпульсів, генератор 20 імпульсів, два тривходові блоки 21 і 27 збігу, блок 26 затримки, формувач 29 імпульсів, тригери ЗО і 31. Резистор 3 разом з досліджуваним конденсатором утворюють омічно-емнісний дільник. Значення резистору вибирають таке, щоб напруга на ньому і випробуваному конденсаторі були порівнянні, з напругою на вимірювальній ємності, тобто так само, як і в прототипі. Керований підсилювач 2 повинен формувати коефіцієнт підсилення, пропорційний напрузі на керованому вході. Керовані підсилювачі 14, 22 і 23 можна зібрати на основі перемножуючих цифроаналогових перетворювачів, коефіцієнти передачі яких визначаються кодами, що знаходяться у лічильниках 29 і 28. При цьому повинно дотримуватися неодмінна вимога: коефіцієнти передачі підсилювачів 22 і 23 повинні бути рівні між собою. Роздільний конденсатор 18 одним виводом підключений до виходу блока завдання режиму 19, і через резистор 3 до першої вимірювальної клеми 4. Друга клема з'єднана зі спільною шиною. Перша вимірювальна клема через підсилювач 5 підключена до входу детектора 6. Блок 17 вирахування одним входом підключений до клеми 16 опорної напруги, другим до виходу керованого підсилювача 14, а виходом через послідовно з'єднані другий 22 і третій 23 керовані підсилювачі - до першого входу блока 25 порівняння. Другий вхід блока 25 порівняння підключений до другої клеми 24 опорної напруги, а вихід до скидного входу першого тригера 31 і першого входу першого блока 27 збігу, другий вхід якого підключений до виходу першого тригера 31. Третій вхід блоку 27 збігу підключений до виходу генератора 20 імпульсів і першому входу другого блока 21 збігу, другий вхід якого з'єднаний з виходом блока 26 затримки, а третій вхід - з входом формувача 29 імпульсів і виходом другого блока 21 порівняння. Вихід формувача 29 імпульсів з'єднаний з установочним входом першого тригера 31 і скидним входом другого тригера ЗО, вихід якого з'єднаний з входом блока 26 затримки, встановлюючий вхід - з шиною "Пуск" і скидовими входами першого 19 та другого 28 лічильників імпульсів. Тактовий вхід першого лічильника 19 підключений до виходу другого блоку 21 збігу, а вихід до цифрового входу першого керованого підсилювача 14. Тактовий вхід другого лічильника 28 імпульсів підключений до виходу першого блоку 27 збігу, а вихід - до цифрових входів другого 22 І третього 23 керованих підсилювачів, виходом пристрою вважається вихід другого керованого підсилювача 22. Генератор 1 високої частоти підключений до входу четвертого керованого підсилювача 1, вихід якого з'єднаний з другим виводом роздільного конденсатора 18, а керований вхід з виходом третього блока 8 порівняння, перший вхід якого з'єднаний з третьою клемою 7 опорної напруги, а другий вхід - з виходом першого детектора 6. Блок завдання режиму через послідовно з'єднаний другий підсилювач 10 і другий детектор 11 з'єднаний з с першим входом другого блока 15 порівняння і з нормально закритим контактом ключа 13, нормально відкритий контакт якого з'єднаний з четвертою клемою 12 опорної напруги, перекидний контакт - зі входом першого керованого підсилювача 14, а керуючий вхід - з виходом другого тригера ЗО. Другий вхід другого блока 15 порівняння з'єднаний з виходом першого керованого підсилювача 14. У вихідному стані генератор 1 виробляє напругу частоти, при якій вимірюється ємність варікапа, що через керований підсилювач 2 надходить на омічно-ємнісний дільник, утворений досліджуваним варікапом 4 спільно з резистором 3. Тригери ЗО і 31 знаходяться в нульовому стані. Напруга 8 9616 омічно-ємнісного дільника надходить на вхід підсилювача 5 підсилена напруга випрямляється детектором 6 „ U r (-j) Ur-j R, toe При цьому напруга на вході підсилювача 5 у комплексній формі запису буде дорівнювати: де Ur - напруга високочастотного генератора, R - величина резистора, С - вимірювана ємність, а - кругова частота вимірювання Після підсилення і детектування даного сигналу на виході амплітудного детектора 6 отримаємо Urkv На виході підсилювача 14 отримуємо сигнал: (ОС І де и д - напруга на виході детектора 6, к у 1 - результуючий коефіцієнт підсилення підсилювача 5 і детектора 6 Оскільки система охоплена зворотним зв'язком, отримане значення напруги буде дорівнювати опірній напрузі Uoni, поданій на клему 7 Якщо розв'язати (1) відносно Ur, отримаємо значення напруги на виході керованого підсилювача 2, яке потім підсилюється підсилювачем 10 і випрямляється детектором 11 Тоді Г Ky-J 1 + RVc 2 «С и л = - _ и _ , (1) ид2=и0Л| Ur(1-jRcoC) ••(2) де иД2 - напруга на виході детектора 11, ку 2 - результуючий коефіцієнт підсилення підсилювача 10 і детектора 11 З приходом імпульса «Пуск» встановлюється в «1» тригер ЗО і обнуляються лічильники 19 і 28 сигнал на виході підсилювачів 14, 22 і 23 дорівнює нулю, спрацьовує ключ 13, підключаючи вхід керованого підсилювача 14 до джерела опорної напруги, поданої на клему 12 Па виході блоків 17 і 25 порівняння формуються потенціали, що дозволяють проходження тактових імпульсів від генератора 20 імпульсів через блоки 21 і 27 збігу Із затримкою, необхідною для формування вказаних сигналів, яка здійснюється блоком 26 затримки, дозволяється проходження тактових імпульсів від генератора 20 імпульсів на тактовий вхід лічильника 19 Код у лічильнику 19 зростає Напруга на виході керованого підсилювача 14 збільшується доти, поки не досягне значення напруження Ufl2 на виході детектора 11 При цьому на виході блока 15 порівняння формується потенціал, що забороняє надходження тактових імпульсів на лічильник 19, В цей момент буде справедлива рівність де кі - коефіцієнт передачі керованого підсилювача 14, UOn2 - величина опорної напруги, поданої на клему 12 У момент формування забороняючого потенціалу формувач 29 імпульса видає імпульс, який скидає в «0» тригер ЗО і встановлює в «1» тригер 31. Ключ 13 виключається, встановлюючись у стан, показаний на малюнку і підключаючи до входу керованого підсилювача 14 вихід детектора 11 U 1 4 = U d 2 k 1 = -^ , (3) и 0Л2 де Ui 4 - напруга на виході керованого підсилювача 14 З урахуванням (2) і (3) отримуємо U14 = Ur UOn2 кіл (4) Приймаючи третю опорну напругу, подану на клему 16, рівною U o n 3 - •U on2 на виході блока 17 віднімання отримуємо ,2 *у2 г С2 (5) Встановлений у «1» тригер 31 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 22 і 23, блок 25 порівняння використовує напругу иОП4, подану на клему 24 У момент рівності напруг на виході керованого підсилювача 23 і опорної напруги иОП4 на виході блока 25 порівняння формується сигнал, •що забороняє проходження тактових імпульсів від генератора 20 до лічильника 27 і скидає в «0» тригер 31 Схема приходить у вихідний стан Враховуючи, що коефіцієнти передачі керованих підсилювачів 22 і 23 рівні, в цей момент буде справедливою рівність II 1(2 — І І (R\ и 1 7 к 2 — u on4- V°) де иОП4 - напруга, подана на клему 24, кг - коефіцієнт передачі керованого підсилювача 22 На виході керованого підсилювача 22 отримаємо сигнал U 2 2 = U 17 k 2 Чи з урахуванням (5) і (6) отримаємо Іп - сигнал, пропорційний вимірюваній ємності С, оскільки всі ІНШІ члени, що входять у вираз - ПОСТІЙНІ величини Таким чином, застосувавши спеціалізований обчислювач, побудований на цифрових керованих підсилювачах, отримаємо на виході пристрою сигнал, пропорційний вимірюваній ємності Використання подібного обчислювача на цифрових керованих підсилювачах дає відносну простоту порівняно з чисто цифровими пристроями і високу точність порівняно з аналоговими обчислювачами. 10 9616 Зробивши підсилювачі 5 і 10 та детектори 6 і 11 ідентичними отримаємо к у 1 = к у 2 у всіх режи. е мах роботи, однаковий температурний і часовий дрейф вказаних параметрів, а звідси більш стабі льну роботу пропонованого пристрою порівняно з прототипом, що забезпечує його широке промислове застосування, * * У/ іи-і 1 г ї з *° 3 її ' 6 ' т ¥ ФІГ. Комп ютерна верстка А Крупевський Підписне Тираж 26 прим Міністерство освгги і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, Україна ДП'Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1,м К и і в - 4 2 , 01601