Технические
науки
Электротехника
и радиоэлектроника
В.С. Тверезовский,
Р.В. Бараненко
Херсонский национальный технический университет
ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ЦИФРОВОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ЕМКОСТИ
Постоянное развитие средств измерений и
контроля различных параметров изделий и процессов является неотъемлемой частью
научно-технического прогресса [1]. Одной из основных задач при разработке
измерительных систем является повышение точности, быстродействия и увеличение
диапазона измеряемых величин.
Существующие измерители емкости [2, 3]
имеют недостатки: невозможность проведения измерений на одной фиксированной
частоте и не позволяют измерять емкости, значения которых превышают емкость
управляющего варикапа.
Целью
изобретения является увеличение точности цифрового измерения емкости.
Это достигается тем, что в цифровой измеритель емкости, содержащий
преобразователь емкости в напряжение постоянного тока, к двум входам которого
подключена цепочка из последовательно соединенных разделительного конденсатора
и клемм для подключения испытуемого объекта и источник напряжения смещения с
целью увеличения точности измерения емкости введены блок памяти, блок сравнения, блок
управления, цифроаналоговый преобразователь, блок постоянной памяти,
регистратор, счетчик, генератор импульсов и ключ. Функциональная схема
цифрового измерителя емкости приведена на рис. 1.
Рис. 1 Функциональная
схема устройства
Цифровой
измеритель емкости содержит [4]: преобразователь 1 емкости в напряжение, блок 2 памяти, блок 3 сравнения, блок 4 управления, источник 5 напряжения смещения, цифроаналоговый
преобразователь 6, счетчик 7 импульсов, блок 8 постоянной памяти, регистратор 9, генератор 10 импульсов, ключ 11, разделительный конденсатор 12, клеммы 13 для подключения испытуемого объекта. Клеммы 13 для подключения испытуемого объекта через
разделительный конденсатор 12 соединены с соответствующими входами
преобразователя 1 емкости в
напряжение, выход которого соединен с входом блока 2 памяти и первым входом блока 3 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 2 памяти, а выход – с входом блока 4 управления, выход генератора 10 импульсов через последовательно
включенные ключ 11, счетчик 7, цифроаналоговый преобразователь 6 соединен с управляющим входом
преобразователя 1 емкости в
напряжение. Кроме того выход счетчика 7
импульсов через блок 8 соединен
с входом регистратора 9, а
управляющие входы источника 5
напряжения смещения и блока 2
памяти соединены с первым выходом блока 4 управления, выход источника 5 напряжения смещения соединен с точкой соединения одной из клемм 13 для подключения исследуемого объекта
и разделительного конденсатора 12,
управляющий вход ключа 11
соединен с вторым выходом блока 4
управления, управляющие входы блока 8
памяти и счетчика 7 импульсов
соединены с третьим и четвертым выходами блока 4 управления.
Преобразователь 1 емкости в напряжение (рис. 2)
содержит высокочастотный генератор 14,
усилитель 15, детектор 16, разделительный конденсатор 17, варикап 18, резистор 19.
Рис. 2 Функциональная схема
преобразователя емкости в напряжение
Входы
преобразователя 1 емкости
соединены через последовательно включенные разделительный конденсатор 17 и варикап 18, точка соединения которых является управляющим входом
преобразователя емкости, один вход преобразователя емкости, соединенный с
разделительным конденсатором 17,
соединен с выходом высокочастотного генератора 14, а другой вход через последовательно включенные усилитель 15 и детектор 16 соединен с выходом преобразователя
емкости в напряжение, а также через образцовый регистр 19 – с общей шиной.
Блок 4 управления (рис. 3) содержит ключи 20 и 21,
триггер 22, элементы 23 и 24
задержки, источник 25 питания.
Рис. 3 Функциональная схема
блока управления
Вход блока 4 управления соединен с входом сброса
триггера 22 и через последовательно
включенные элементы 23, 24 задержки –
с четвертым выходом блока управления, ключ 20 соединяет установочный вход триггера 22 и выход источника 25
питания, который через ключ 21
соединен с первым выходом блока 4
управления. Выход триггера 22 и
выход элемента 23 задержки
соединены с вторым и третьим выходами блока 4 управления соответственно.
Работа
цифрового измерителя емкости заключается в следующем. В исходном состоянии
схемы на измерительных клеммах 13
испытуемый объект отсутствует. На управляемый преобразователь 1 поступает напряжение смещения,
минимальное из рабочего участка вольт-фарадной характеристики варикапа 18, соответствующее его максимальной
емкости. На выходе управляемого преобразователя 1 будет исходное значение выходного
напряжения. Это напряжение по сигналу с блока 4 управления запишется в блок 2 памяти. На выходе блока 3 сравнения сигнал отсутствует. Счетчик 7 сброшен в нулевое состояние.
На измерительные клеммы 13 поступает испытуемый объект. На выходе
управляемого преобразователя 1 увеличится напряжение постоянного тока.
Сигнал с блока управления поступает на ключ 11, и импульсы с генератора 10 импульсов начинают поступать через ключ
на вход счетчика 7. Код с выхода
счетчика поступает на входы цифроаналогового
преобразователя 6 и блока 8, Выходное напряжение цифроаналогового преобразователя поступает
на образцовый варикап 18, уменьшая его емкость. Напряжение с цифроаналогового
преобразователя 6 поступает изменяющееся
ступеньками. Вместе с этим
уменьшается напряжение на
выходе управляемого преобразователя 1. Происходит уравновешивание
схемы, при котором выходное напряжение блока 2 памяти сравнивается с выходным напряжением управляемого
преобразователя 1. Код счетчика 7, соответствующий состоянию равновесия
схемы, поступает на адресные входы блока 8 постоянной памяти. По сигналу, поступающему
с блока 4 управления, происходит считывание кода, хранящегося в блоке 8 постоянной памяти. Этот код поступает в регистратор 9.
Если значение
выходного сигнала преобразователя 1 емкости без испытуемой емкости-объекта
соответствует исходному значению емкости 
варикапа 18, то изменение емкости 
варикапа 18 (рис. 2) от 
до емкости, соответствующей
состоянию равновесия схемы с испытуемой емкостью 
, будет равно
|
|
(1) |
.Действительно,
если исходное выходное напряжение преобразователя емкости
|
|
(2) |
,где 
– коэффициент
преобразования емкости, и это же напряжение после уравновешивания
|
|
(3) |
,то
|
|
|
.Но каждому 
вольт-фарадной
характеристики соответствует свое напряжение смещения 
. Следовательно, значение 
в цифровом коде будет
определять адрес 
(и 
), который записан в блок 8 постоянной памяти.
Работает блок
управления следующим образом. При измерении емкости ключ 21 замыкается и подается напряжение
смещения на испытуемый варикап, а также сигнал поступает на управляющий вход
блока 2
памяти, после чего происходит запоминание входного напряжения. Запомненное
напряжение поступает на второй вход блока 3 сравнения. Ключ 20 замыкается на короткое время, и импульс
напряжения с амплитудой источника 
поступит на вход 
триггера 22. Триггер 22 устанавливается в положение, при котором
на втором выходе блока 4 управления будет потенциал (единица).
Этот потенциал поступает на ключ 11 и разрешает поступление импульсов
генератора 14 на вход счетчика 7. В момент уравновешивания схемы цифрового
измерителя емкости на вход блока 4
управления поступит короткий импульс, который устанавливает триггер 22 в исходное состояние, и на втором
выходе блока 4 управления будет действовать запрещающий потенциал. Кроме того,
импульс с входа блока 4 управления поступает на последовательно включенные элементы 23 и 24
задержки, где он задерживается на небольшое время, необходимое для регистрации
информации в регистраторе 9. С третьего выхода блока 4 управления задержанный импульс поступает
на вход блока 8 постоянной памяти, после чего его выходной сигнал поступает на
вход регистратора 9, а задержанный импульс с четвертого выхода блока 4 управления поступает на сбрасывающий вход
счетчика 7 и
сбрасывает его в исходное состояние после измерения.
Литература:
1. Тверезовський В.С.
Принцип здійснення гнучкого програмного керування елементами вимірювальних
систем за аналізом їх експоненціальних параметрів /В.С. Тверезовський,
Р.В. Бараненко //Вестник Херсонского
государственного технического университета. – 2003. – №2 (18). – С.297-301.
2. Цифровые приборы и системы для измерения параметров конденсаторов. Под редакцией Эпштейна С.Л. – М.: “Советское радио”, 1978. – С.21, рис.2.1а.
3. Там
же. – С.7, рис.1.1а.
4. Авторское свидетельство СССР №1321234,
«Цифровой измеритель емкости». Автор: В.С. Тверезовский. М. Кл4. G01R27/26.
Опубл.: 01.03.1987.