Цифровой преобразователь электрической емкости

(51) 5 С О 1 К 27/ Е ИЗОБРЕТЕНИЯВИДЕТЕЛЬСТВ У ИОАН К АВТОРСКОМ ложен ельюточно- и рася в об й пре- сти ССР 76. 82.ЛЕКТ ния ент ери к спол с бо ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНЯТПРИ ПЮТ СССР(54) ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ(57) Изобретение относится ктельной технике и может бытьзовано для измерения емкостей 2шими активными потерями, распоных на функциональной плате,Цизобретения является повышениести, увеличение быстродействияширение диапазона преобразованиласть больших значений. Цифровообразователь электрической емкосодержит генератор 1 прямоугольимпульсов, интегратор 2, запомиИ- . блок 3, схемы 4 и 5 для подключобъекта измереМЙя, ключевой эле6, преобразователь 7 аналог-код8 управления, формирователь 9 импусов. 7 ил, 2 табл.1553922 тавитель В.СлепцовХРей Л, Сердюкова: К Редактор Л.Пчолинская ректор Н,Ревская 4 Тираж 55 ОПодписноеосударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, 3 Ьсква, 3-35, Раушская наб., д, 45 водственно-иэдательский,комбинат Патент11 арина, 1 город,Изобретение относится к измерительНой технике и может быть использованодля измерения емкостей с большими активными потерями, расположенных нафункциональной плате.Цель изобретения - повышение точНости, увеличение быстродействия ирасширение диапазона преобразования вобласть больших значений.На фиг. 1 приведена структурнаяхема устройства для измерения элекрической емкости, на фиг. 2 - принпиальная схема генератора прямоугольныхх импульсов, интегратора и ключеого элемента; на Фиг, 3 - принципиальная схема заПоминаюшего блока, наиг. 4 - принципиальная схема блокаравления; на фиг. 5 и б - принципильная схема Формирователя импульсов,а Фиг. 7 - временные диаграммы,Цифровой преобразователь электри еской емкости содержит генератор 1рямоугольных импульсов, интеграторзапоминающий блок 3, первую и вторую клеммы для подключения объекта измерения, ключевой элемент б, преобраЗователь 7 аналог-код, блок 8 управления и формирователь 9 импульсов,Выход генератора 1 прямоугольныхимпульсов соединен с входом интегратоа 2, выход которого соединен с входом.апоминающего блока 3. Вход и выходнтегратора 2 соответственно саеди ены с клеммами 4 и 5 для подключения35бъекта измерения и соответственнопервым и вторым выводами ключевоголемента 6. Выход запоминающего блока 3соединен с входом преобразователя 7 аналог-код, выход которого является выходом циФрового преобразователя, ПервыйИ второй выходы блока 8 соответственносоединены с первым и вторым входамиФормирователя 9 импульсов, первый выход которого соединен с управляющимвходом генератора 1 прямоугольных импульсов и первым управляющим входомзапоминающего блока 3, второй выход -с управляющим входом ключевого элемента б, а третий выход - с вторым управляющим входом запоминающего блока503 и входом блока 8 управления, адресные выходы которого соединены с адресными входами формирователя 9 импульсов,(Фи тов нератор 1 прямоугольных импульсов 2) предназначен для задания тесо измерительного сигнала и содержит ключ 10 (электронный), резисторы 11 и 12 и стабилитрон 13.Интегратор 2 (Фиг. 2) предназначен для преобразования тестового сигнала в зарядный ток, которым заряжается измеряемая емкость (С ), и содержит операционный усилитель 14, диоды 15 и 1 б, резисторы 17-19, реле 20 (Фиг. 4) с замыкающими контактами 21, 22, и усилитель мощности, который состоит нз транзисторов 23-26, диодов 7 и 28 н резисторов 29-30.Ключевой элемент б предназначен для разряда емкости Сперед началом измерения и содержит диод 40, реле 4 1 и замыкающий контакт 42Запоминающий блок 3 содержит два ключа 43 и 44 (электронных), конденсатор 45, резисторы 46-48, операционньп усилитель 49, замыкающий контакт 50 реле 20 (Фиг, 4). Запоминающий блок 3 предназначен для выборки и хранения величины Ус на измеряемой емкости.Преобразователь 7 аналог-код преобразует аналоговый сигнал в цифровой код, В качестве преобразователя 7 может быть использован любой известный цифровой вольтметр, например В 7-35 А.Блок 8 управления (фиг. 4) предназначен для задания диапазонов измерения, Формирования импульсов запуска и сброса устройства и содержит дешифратор диапазонов измерения, который выполнен на регистре памяти 51 и кнопках 52- 55, формирователь запуска содержит два 0-триггера 56 и 57, элемент И 58, кнопку 59 запуска и Формирователь сброса, который содержит элемент И 60, конденсатор 61, резисторы 62 и 63, кнопку 64 сброса и коммутатор, которьп" выполнен на элементе НЕ 65, диоде 66 и реле 20.Формирователь 9 импульсов (фиг.5) предназначен для формирования измерительной последовательности и содержит генератор тактовых импульсов, который выполнен на таймере 67 типа 1066 ВИ 1, конденсатор 68 и 69 и резисторах 70 и 71, счетчик-делитель частоты, который выполнен на счетчиках 72-74, формирователь импульсов емкости, который содержит элементы ИЛИ 75-77 и элементы ИСКЛЮЧйОЩЕЕ ИЛИ 78 и 79, Формирователь длительности зарядного импульса, который содержит мультиплексор 80 и элемент И 81 Формирователь паузы, который выполнен на элементах И 82- 84 и 0-триггере 85 (фиг. 6) формиро(фиг. 6), который содержит элементИ 86, два одновибратора 87 и 88, конденсаторы 89 и 90 и резисторй 91 и92.5Устройство работает следующим образом.При включении питающего напряженияв момент времени(Фиг. 7 а) начинается заряд конденсатора 61 блока 8управления (фиг. 4).Длительность импульса сброса рассчитывают из величиныр = 0,37 сДлительность переходных процессовЮ при включении питания (фиг. 7 а)не превышает 0,001 сек. т.е, дс ето ее величиной с достаточной степеньюточности можно пренебречьПо истечении времени с,= 0,37 с на выходе 20элемента И 60 (фиг, 4), а значит наК-входах регистра 51 и триггера. 57 ина Я-входе триггера 57 устанавливается уровень " 1" (фиг. 7 б). На выходеЯ триггера 56 (фиг.4) и выходах 25Я 1, , ЯЗ регистра 51 установитсяуровень "0", а на выходе Я триггера56 уровень "1" (фиг.7 г). Счетчики 7274 (фиг.5) формирователя 9 импульсовзаблокированы уровнем "1", поступающим с выхода триггера 57 (фиг.4).Нулевой уровень с выхода элементаИ 60 (фиг. 4) через элемент И 86(фиг, 6) поступает на Р-вход 0-триггера 85 (фиг. 6) Формирователя 9 им 35пульсов, устанавливая выход Я этоготриггера в "0".Цикл измерения начинается с подачи сигнала "Запуск" кнопкой 59 (фиг.4)блока 8 управления, На выходетриггера 56 блока 8 управления (Фиг. 4)устанавливается уровень "1", которыйвключает реле 20, подключающее своимиконтактами 21 и 22 (фиг. 2) измеряемуюемкость (С,) к интегратору .2 и выход 45запоминающего блока 3 через замыкающий контакт 50 (фиг. 3) к входу преобразователя 7 аналог-код. Измеряемаяемкость (С) разряжается через подключаемый параллельно ее клеммам замыкающий контакт 42 (фиг. 2) ключевого элемента 6. На одном входе элемента И 58 (фиг. 4) блока 8 управления устанавливается уровень "1",который разрешает прохождение сигнате фэ55ла Измерение , поступающего на другой вход элемента И 58 с кнопки 55,В зависимости от величины измеряемойемкости, кнопками 52-55 блока 8 уп 2 6равления выбирается диапазон иэмере" ния (табл. 1).После подачи сигнала Иэмерение" кнопкой 55 в момент времени (фиг. 7 в) код диапазона измерения после записи в регистр 51 блока 8 управления поступает на адресные входы мультиплексора 80 формирователя 9 импульсов (фиг, 5 а), определяя длительность зарядного импульса.Я-выход 0-триггера 57 блока 8 управления (фиг. 4) принимает уровень "0" (фиг. 7 г), разрешая работу счетчиков 72-74 (фиг,5), работающих в режиме деления частоты импульсов, поступающих с выхода таймера 67 Формирователя 9 импульсов. На выходе мультиплексора 80 формирователя 9 импульсов появятся импульсы длительностью Т (фиг, 7 е), которая определяется комбинацией кода диапазона измерения на его адресных входах, Длительность разряда емкости (С) ключевым элементом 6 определяется диапазоном измерения, Окончание разряда наступает после того, как соответствующий раз" ряд счетчика 73 формирователя 9 импульсов примет уровень "1". Реле 41 выключается и перед подачей зарядного импульса на измеряемую емкость (С ) выбирается соответствующая пауза,необходимая для надежного срабатывания замыкающего контакта 42 ключевого элемента 6 (фиг. 2). После окончания сигнала "Пауэл" в момент времени С ., (фиг. 7) выход элемента И 82 (фиг, 5) формирователя 9 импульсов устанавливается .н ".1", срабатывает триггер 85 (фиг, 6 и 7 ж) н импульс "Заряд" с выхода мультиплексора 80 (фиг. 5) через элемент И 81 (фнг, 6) формирователя 9 импульсов поступает на управляющие входи генератора 1 прямоугольных импульсов и запоминающего блока 3 и первого одновибратора 87 формирователя 9 импульсов. С выхода электронного ключа 10 генератора1 прямоугольных импульсов (фиг. 2) на вход операционного усилителя 14 интегратора 2 поступает импульс зарядного тока (Фпг. 7 э), определяемый иэ соотношенияК " сопротинление подстроечногорезистора 12,Иэ условия работы операционного усилителя следует, что1 о 1 кюгде 1- величина тока, протекающего,го через измеряемую емкость(С).Тогда величина напряжения на иэме 30 ряемой емкости (на выходе интегратора 2) определяется соотношениемс1 й - ---(2)1 1 о Тс-С о Скмгде Т =-г - длительность за-5рядного импульса.В реальных условиях на процесс из- мерения оказывает значительное влияние величина активного сопротивления 20 потерь измеряемой емкости. Напряжение на выходе интегратора 2 в момент действия зарядного импульса будет иметьвеличину:251Пс1 о о ф (3)ггде г - активное сопротинление по"терь измеряемой емкости.Для того, чтобы избежать влияния сопротивления потерь на результат измерения, необходимо проводить измерение после окончания зарядного импульса. В момент времени С 1 = ОЗ о и падение напряжения на активном сопротивлении потерь в момент начала и35 конца заряда компенсирует друг друга (фиг. 7 л), Поэтому при проведении измерения после окончания заряда емкости величина напряжения на выходе интегратора 2 соответствует напряжению, до которого зарядилась емкость:1 о То1 Р(4)СхДля получения необходимой величины зарядного тока 1 о =. 20 мА на выход операционного усилителя 14 интегратор 2 включен усилитель мощности (фиг,2),Импульс "Заряд", поступающий на управляющий вход запоминающего блока 3 (фиг, 3) открывает ключ 44, разряжая запоминающий конденсатор 45, После окончания зарядного импульса в момент времени(фиг. 7) по переднему фронту запускается первый одно вибратор 87 формирователя 9 импульсов, вырабатывающий импульс задержки длительностью 3 мкс (фиг. 7 и) необходимый для исключения влияния переходных процессов, имеющих место после окончания действия зарядного импульса. После окончания импульса задержки в момент времени с (фиг.7) по переднему фронту запускается второй одновибратор 88 формирователя 9 импульсов, который вырабатывает сигнал "Задержка" длительностью 7 мкс (фиг.7 к), который поступает на управляющий вход ключа 43 запоминающего блока 3 (фиг. 3), при этом напряжение с выхода интегратора 2 запоминается конденсатором 45 запоминающего блока 3 (фиг. 7 м). С выхода повторителя 49 (фиг,3) запоминающего блока 3 напряжение Б с поступает на вход преобразователя 7 аналог-код.Величина измеряемой емкости (С) определяется из формулы(5)1 схВыход триггера 85 (фиг. 6) формирователя 9 импульсов принимает уровень "0" (фиг. 6 ж), запрещая прохождение зарядного импульса,После окончания сигнала "Задержкан в момент времени й(фиг, 7) срабатывает триггер 57 блока 8 управления (фиг. 7 г), который обнуляет счетчики 72-74. После съема информации с преобразователя 7 аналог-код, кнопкой 64 блока 8 управления подается сигнал "Сброс" (фиг, 7 в) и устройстно готово к проведению следующего измерения.При работе измерителя в составе системы внутри схемного контроля вместо блока 8 управления может быть использован блок связи с ЭВМ.Проанализируем погрешность измерения емкости предлагаемым устройством при наличии шунтирующего сопротивления (Н. ). В момент окончания заряда(фиг. 7 е, л) напряжение на выходе интегратора 2 (фиг. 1):"Зар1 и ("зр ) - 1 ош(при условии К м Ггде Тр - время заряда емкости (С,).В момент окончания паузы(фиг. 7 г, м) на выходе запоминающегоблока 3 выделяется напряжение;1азб (о) "-1,е(-е ) е (7)где - нремя преобразования.9 1553922Относительная погрешность измере- Ф о р м у л а ния емкости С данного устройства Оиз обрете ния Цифровой преобразователь электрической емкости, содержащий генератор прямоугольных импульсов, выход которого через интегратор соединен с входом запоминающего блока, вход интегратора соединен с первой клеммой, а выход - с второй клеммой для подключения объекта измерения, ключевой элемент и преобразователь аналог - код, выход которого является выходом цифрового преобразователя, о т л и ч а ю - щ к, й с я тем, что, с целью повышения точности, увеличения быстродействия и расширения диапазона преобразования емкости в область больших значений, в него введены блок управления и формирователь импульсов, первый выход которого соединен с управляющим входом генератора прямоугольных импульсов и первым управляющим входом запоминающего блока, второй - с управляющим входом ключевого элемента, первый и второй выводы которого соответственно соединены,с входом и выходом интегратора, вход преобразователя аналог - код соединен с выходом запоминающего блока, второй управляющий вход которого соединен с третьим выходом формирователя .импульсов и входом блока управления, первый, второй и адресные выходы которого соответственно соединены с одноименными входами формирователя импульсов. 100 (8)Эб ("и)5Подставляя в (8) выражение (4) и"злу КюС к (1-е ) еа с - ) 10К.С(1-е "-"),Рассчитаем величину погрешностипредлагаемого устройства для К10 Ом; 100 Ом и для разных величинемкостей (табл. 2).15Предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности и быстродействия при измерении емкостей с большими утечками, а также расширение диапазона преобразования в емкости в 20область высоких значений.Изобретение позволяет создать автоматический измеритель емкостей сбольшими активными потерями, расположенных на функциональной плате в составе системы внутрисхемного контроляпечатных плат, При работе данногоустройства в составе системы внутрисхемного контроля для измерения емкостей, расположенных на функциональной 30плате, оно имеет по сравнению с прототипом точность измерения повышается в 5-153 раэ в зависимости от величины шунтирующего сопротивления идиапазона измерения, быстродействиев 3-32 раза,Т.а б. л и ц а 1 7 Диапазон, У Комбинация входного кода