ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ

August 28, 2014 by admin Комментировать »

Я. ХИАН (ЧССР)

Цифровые микросхемы, получившие в настоящее время широкое распространение, в корне изменили многие измерительные приборы. Они позволили, например, заметно упростить аппаратуру, использующую традиционные методы измерения параметров радиоэлектронных компонентов, повысить точность измерений. Кроме того, естественно, появился и совершенно новый класс приборов с цифровой обработкой информации. Оба эти направления проиллюстрированы в этой статье на приборах для измерения емкости конденсаторов.

Принципиальная схема простого измерителя емкости показана на рис 1, а. На двух элементах ИЛИ – НЕ микросхемы D1 (D1.1 и D1.2) собран мультивибратор, период колебаний которого определяется емкостью конденсатора С1 и сопротивлением одного из резисторов R1-R3 (в зависимости от поддиапазона измерений). С мультивибратора импульсы через дифференцирующую цепь С2 R4 поступают иа однибратор, который выполнен на элементах D1.3 и D1.4. Длительность импульсов на выходе одновибратора зависит от емкости измеряемого конденсатора С (его подключают к зажимам XI и Х2) и от сопротивления одного из резисторов – RS или R6 (в зависимости от поддиапазона измерений). Поскольку на выходе одновибратора на каждом из поддиапазонов мы получаем импульсы с фиксированной частотой повторения и длительностью прямопропорциональной измеряемой емкости, то среднее значение тока или напряжения в точке Я будет пропорционально величине емкости С . Это напряжение измеряет простейший вольтметр на транзисторе VI. Калибровку прибора осуществляют на одном из поддиапазонов подстроечным резистором R8. Интегрирующий конденсатор С4 устраняет дрожание стрелки миллиамперметра РА1, которое может быть особенно заметно при измерении больших емкостей.

Рис. 1

Узел ка микросхеме D.1 можно использовать как приставку для измерения емкостей к цифровому вольтметру постоянного тока. Его подключают в точку А через делитель с интегрирующим конденсатором (рис. 1, б). Вольтметр постоянного тока должен иметь предел измерения 1 В. Калибровку приставки производят в этом случае подстроечным резистором R12.

Прибор позволяет измерять емкости конденсаторов от 100 пФ до 1 мкФ на четырех поддиапазонах с верхними пределами 1000 пф, 0,01, 0,1 и 1 мкФ. Точность измерений определяется в первую очередь разбросом сопротивлений резисторов R1-R3 и R3-R6. Если имеется такая возможность, то их желательно подобрать так, чтобы отношение сопротивлений было кратно 10 с минимальной погрешностью (не хуже 5%). Тогда калибровка прибора на одном из поддиапазонов подстроечным резистором R8 автоматически обеспечит указанную точность измерений на всех остальных поддиапазонах. Шкалу миллиамперметра РА1 градуируют непосредственно в единицах емкости. Она линейна за исключением начальной нерабочей области. Ток полного отклонения миллиамперметра РА1 1 мА. Поскольку ток, потребляемый прибором, крайне мал, то питать его можно от батареи.

Избежать необходимости подбора резисторов в подобном измерителе емкости можно введением цифровых делителей частоты. Принципиальная схема же такого варианта прибора для измерения емкости приведена на рис. 2. Генератор на микросхеме D1 вырабатывает импульсы с частотой повторения 1 МГц. На выходе четырех последовательно включенных делителей D2-D5 выходные импульсы будут иметь частоты повторения соответственно 100, 10,1 и 0,1 кГц. Эти импульсы (с какого

Рис. 2 именно выхода зависит от положения переключателя пределов измерения S1) запускают одновнбратор на микросхеме DD6. Длительность вырабатываемых им импульсов определяется емкостью измеряемого конденсатора Сх> который подключают к зажимам XI и Х2. Среднее значение выходного напряжения одновибратора, которое, как и в предыдущем варианте прибора, пропорционально емкости измеряемого конденсатора, регистрирует стрелочный вольтметр (ток полного отклонения микроамперметра РА1 – 100 мкА). Подстроечные резисторы R3 и R4 предназначены для установки нулевых показаний прибора в отсутствие конденсатора Οχ. Дело в том, что и в этом случае одновибратор вырабатывает короткие (длительностью примерно 50 нс) импульсы из-за наличия паразитных емкостей. Это вызывает отклонение стрелки микроамперметра РА1. Наибольшая погрешность при этом вносится на первом поддиапазоне (измерение емкости до 100 пФ), поэтому для него введен отдельный подстроечный резистор R4. На всех остальных поддиапазонах для установки нулевых показаний микроамперметра РА1 использован общий резистор R3, которым балансируют мостовую схему вольтметра на втором поддиапазоне (измерение емкости до 1000 пФ). При этом на всех остальных поддиапазонах баланс моста будет сохраняться. Калибровку прибора осуществляют подстроечным резистором R5 на первом поддиапазоне, подключив к зажимам XI и Х2 конденсатор емкостью 100 пФ.

В данном варианте прибора точность измерений заметно выше, чем в предыдущем, и зависит, по существу, лишь от точности его калибровки и от временной стабильности частоты генератора на микросхеме D1. Для ее повышения конденсаторы С1 и С2 необходимо использовать с малыми значениями температурного коэффициента емкости. На точность измерений влияет также и напряжение питания, поэтому здесь целесообразно применить стабилизированный источник питания. Ток, потребляемый прибором, не превышает 200 мА.

Оба эти прибора для измерения емкости иллюстрируют, по существу, применение цифровых микросхем в аналоговых измерительных приборах. Прибор, упрощенная функциональная схема которого показана на рис. 3, а принципиальная — на рис. 4 и 5, представляет собой устройство иного класса — прямопоназывающий цифровой измеритель емкости. Метод измерения емкости в этом приборе основан на генерации последовательности импульсов, число которых пропорционально емкости измеряемого конденсатора. Регистрация этих импульсов осуществляется счетчиком с соответствующим дисплеем.

От прецизионного генератора тактовых импульсов 1 (рис. 3) импульсы поступают через узел управления 2 в одновибратор 3, который будет находиться в квазтабильном состоянии на протяжении интервала времени т = RC In 2. В течение этого

Рис. 3

интервала времени счетные импульсы могут проходить через логический элемент 2И — НЕ (4) на счетчик импульсов (на рис. 3 не показан). Как только одновибратор вернется в исходное состояние, то закончится прохождение счетных импульсов через элемент 4, а узел управления выработает импульс управления памятью (для переписи в нее текущего значения содержания счетчика) и затем импульс установки счетчика в нуле-

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6 вое состояние. После этого цикл измерения повторяется.

Прибор конструктивно разделен на два функционально законченных узла. В одном находятся все каскады за исключением генератора тактовых импульсов, который вместе с соответствующими делителями частоты образует второй функциональный узел прибора.

Однозибратор собран на микросхеме D1. Измеряемый конденсатор подключают к зажимам XI и Х2. Длительность генерируемого импульса определяется емкостью этого конденсатора и либо сопротивлением резисторов R1+R2, либо суммарным сопротивлением резисторов R1-R4 (когда замкнуты контакты переключателя S2). Расчетное сопротивление хронометрирующего резистора в первом случае 15 кОм (его устанавливают подстроечным резистором R2), во втором случае — 1,5 кОм (устанавливают подстроечным резистором R4). Изменение на порядок хронометрирующего резистора одновибратора позволяет на порядок сдвигать поддиапазоны измерений прибора, расширяя тем самым его возможности. С выхода одновибратора импульс поступает на логический элемент D5.4, на второй вход которого поступают счетные импульсы с частотой повторения /р (из второго узла прибора). Эти импульсы подсчитываются четырехразрядным счетчиком на микросхемах D7-D10. Кроме того, импульс с выхода одновибратора на микросхеме D1 поступает на одновибратор на микросхеме D2 и своим спадом запускает его. Таким образом, в момент прекращения счетных импульсов генерируется короткий импульс, который изменяет состояние триггера D6 и разрешает тем самым прохождение импульсов с частотой повторения 10 Гц (из второго узла прибора) на подпрограммный счетчик, выполненный на микросхеме D3. Он формирует задержку в 0,9 с и инициализирует начало следующего цикла измерений установкой триггера D6 в исходное состояние и запуском одновибратора на микросхеме D1. Дешифрируя промежуточные состояния счетчика элементы D4, D5.1 и D5.2 формируют в пределах интервала 0,9 с два импульса – переписи содержимого счетчиков D7-D10 в память (с выхода элемента D5.1 он поступает на соответствующие входы микросхем D11—D14) и с некоторой задержкой импульс установки счетчиков D7-D10 в нулевое состояние (он формируется на выходе элемента D5.2). Триггер на микросхеме D15 регистрирует переполнение счетчика. При этом начинает светиться светодиод VI.

Временное диаграммы импульсов в отдельных точках прибора приведены на рис. 6.

Генератор тактовых импульсов собран на микросхеме D1 (рис. 5). Точное значение генерируемой частоты – 10 МГц устанавливают подстроечным конденсатором С1. Семь декадных делителей на микросхемах D2-D8 формируют на выходах b-h этого узла импульсы с частотами 1 МГц – 1 Гц (на выход а поступает сигнал непосредственно с тактового генератора — 10 МГц). Выбор требуемой частоты повторения счетных импульсов /_ производят переключателем S1. При измерении емкости до 999,9 нФ она долЯога быть 1 МГц, до 999,9 мкФ – 1 кГц, до 999,9 мФ – 1 Гц. Полное время измерения (один цикл) зависит от предела измерений. Оно изменяется от примерно 1 с при измерении малых емкостей до минут при измерении конденсаторов емкостью в несколько тысяч микрофарад. Минимальное значение измеряемой емкости (разрешающая способность прибора) -100пФ.

Следует учесть, что использование множителя снижает точность измерений из-за сокращения измерительного цикла и поэтому им целесообразно пользоваться только при измерении очень больших емкостей. В общем случае пределы измерений можно изменять переключателем S1 (рис. 5), выбирая необходимую частоту повторения счетных импульсов. Технические характеристики прибора для различных частот повторения счетных импульсов и сопротивлений хронирующих резисторов приведены в таблице.

Диод VI (рис. 5) мигает с частотой повторения 1 Гц и указывает на нормальную работу этого узла прибора.

На рис. 4 не показаны дешифраторы и индикаторы. Здесь можно использовать любые стандартные схемные решения.

Таблица

Частота повторения счетных импульсов

Верхний предел измерений

Разрешающая способность

Сопротивление хронометрирующего резистора, кОм

1 МГц

999,9 нФ

100 пф

15

100 кГц

9,999 мкФ

1 Иф

15

10 кГц

99,99 мкФ

10 нФ

15

1 кГц

999,9 мкФ

0,1 мкФ

15

100 Гц

9,9 мФ

1 мкФ

15

100 Гц

99,99 мФ

10 мкФ

1,5

10 Гц

99,99 мФ

10 мкФ

15

10 Гц

999,9 мФ

100 мкФ

1,5

Цифровой измеритель емкости выполнен на двух печатных платах, из двустороннего фольгированного материала. Разводка печатных проводников на платах и размещение на них деталей показаны на рис. 7-8.

При налаживании прибора первоначально проверяют наличие на выходах a-h импульсов с соответствующими частотами повторения н устанавливают подстройкой С1 частоту тактового генератора 10 МГц. Затем, подключив образцовый конденсатор к клеммам XI н Х2, подстроечными резисторами R2 и R4 устанавливают (выбрав, разумеется, предварительно требуемый предел измерений) на дисплее значение его емкости.

Рис. 7

Аналогами примененных в приборах микросхем являются: МН7490 — К155ИЕ2, МЙ7400 – К155ЛАЗ, 74121 – К155АГ1, МН7472 – К155ТВ1, МН7410 – К155ЛА4, МН7475 — К155ТМ7, CD4001 — К176ЛА7. Функциональным аналогом микросхемы 4М1С74124 является К531ГГ1. Диод КА501 можно заменить на любой высокочастотный кремниевый диод (КД503 и т. н.), светодиод LQ100 – на АЛ307А (Б), транзистор KSY462 — на КТ315, КТ3102 с любым буквенным индексом.

Источник: Конструкции советских и чехословацких радиолюбителей: Сб. статей. – Кн. 3. – М.: Радио и связь, 1987. — 144 с.: ил. – (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1113)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты