Устройство для измерения емкости конденсаторов

О Р И С А Н И Е ( ) в 1 ввввИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических РеспубликК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1) Дополнительное к авт. свид-ву -2) Заяв 1.03.76 21) 2329777/18-24ием заявки51) М, Кл 501 К 1 рисо сударственный комитетсвета Министров СССРоо делам изаоретенийи открытий.(088,8) 2) Авторы изобретени аспов и Г. Ф, Гордиенко 3,ыи,71) Заявитель 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРОВУстройство относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборах для измерения емкости и отношения емкостей, в частности для измерения емкости и коэффициента перекрытия по емкости варикапов,Известно устройство для измерения емкости, содержащее генератор прямоугольных импульсов, дифференцирующие КС-цепи с испытуемой и эталонной емкостями, диодные ограничители и электронный измерительный мост. Эталонная емкость включена между выходом генератора прямоугольных импульсов и измерительным мостом параллельно основной дифференцирующей цепи 1.Известно устройство для измерения емкости конденсаторов, содержащее измерите.льный генератор, один из входов которого через переключатели подключен к эталонному и измеряемому конденсаторам, выходы измерительного генератора подключены к управляющим входам ключа, другой вход которого соединен с выходом кварцевого генератора, блок управления, счетчик импульсов и сумм аторы 2 .Однако это устройство сложно, содержит много схемных элементов, а для получения выходных данных требуется дополнительно электронно-счетный частотомер. Кроме того, устройство не позволяет измерять параметры варикапов, например коэффициент перекрытия по емкости.Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и упрощение устройства,Эта цель достигается тем, что в предложенное устройство введены источник опорного напряжения, дополнительные переключатели, элемент И, блоки элементов ИЛИ, блоки совпадения, блок выделения нуля и элемент задержки, вход которого соединен со входом блока управления, с сигнальными входами младших разрядов первого и второго блоков совпадения и с выходом ключа. Выход элемента задержки соединен с одним из входов счетчика, прямые выходы которого соединены с сигнальными входами третьего блока совпадения, а инверсные выходы - с сигнальными входами четвертого блока совпадения. Выходы третьего и четвертого блоков совпадения через первый блок элемента ИЛИ соединены с сигнальными входами первого и второго блоков совпаде ния. Выход первого блока совпадения соединен с сигнальными входами второго блоСкбС Сй =О С а С2 э ка элементов ИЛИ, выходы которого черезпоследовательно соединенные первый сумматор и блок выделения нуля подключены кдругому входу блока управления, выходы которого соединены с управляющими входами первого, второго, третьего и четвертогоблоков совпадения и с одним из входов элемента И, с другим входом которого соединен выход кварцевого генератора,. авыход элемента И соединен с другим входом счетчика, с входом младшего разрядавторого блока элементов ИЛИ и входамипятого блока совпадения. Выходы второгоблока совпадения соединены с входами второго сумматора, инверсные выходы которогочерез пятый блок совпадения соединены сдругими сигнальными входами второго блока элементов ИЛИ. Один выход источникаопорного напряжения через первый дополнительный переключатель соединен с измерительным генератором, а другой выход через второй дополнительный переключатель -с параллельно соединенными измеряемым иэталонным конденсаторами.На чертеже приведена структурная схема устройства для измерения емкости конденсаторов,Устройство содержит блок управления 1,измерительный генератор 2, кварцевый генератор 3, источник опорного напряжения 4,дополнительные переключатели 5, 6 и переключатели 7, 8, управляемые блоком управления (связь не показана), эталонную емкость 9, измеряемую емкость 10, ключ 11,элемент задержки 12, счетчик импульсов 13,блоки совпадения 14 - 18, блоки элементовИЛИ 19, 20, сумматоры 21, 22, блок выделения нуля 23 и элемент И 24.Блоки совпадения представляют собойнабор элементов И, одни входы которыхсоединены вместе (управляющий вход блокаи другие входы элементов И являются сигнальными входами блока совпадения).Источник опорного напряжения 4 служит для создания напряжения смещенияпри измерении параметров варикапов. Раз-ряды счетчика 3 через сигнальные входы блоков совпадения и блоков элементов ИЛИ(прямые выходы счетчика - через блок 14,обратные - через 15) соединены со сдвигомна один разряд с сумматорами 22, 21 так,что первый разряд счетчика соединен со5вторыми разрядами сумматоров, а первыеРазРЯды сУмматоРов 1 мл 1 адшие) соединенысо входом элемента задержки через блокисовпадения.Блок выделения нуля 23 вырабатываетсигнал в момент, когда содержимое сумматора 22 равно нулю. Блоки элементов ИЛИслужат для развязки цепей.Переключатели 5 - 8, управляемые блоком управления 1, служат для коммутацииизмерительных цепей в зависимости от из 15 меряемого параметра: емкости С, коэффициента перекрытия по емкости Котношения емкостей Д, = С /Сг, С 1 = С: Сл = С(вместо эталонной ставится другая емкость) .Как известно, искомая емкость можетбыть вычислена какгде (. - величина эталонной емкости;То - период собственных колебаний изм ерительного контура,Тб - период колебаний контура при2 подключении к контуру измеряемой емкости;Т - период колебаний контура приподключении к контуру эталонной емкости.Это же выражение можно записать ввиде30 Кс Схв 7;,. - т;,где С, С - емкость варикапа при первом и втором смещениях соответственно;Т Т,. - период колебаний контурапри подключении к контуру емкости вариз капа при первом и втором смещениях соответственно.Как следует из формул (1) и (2) длявычисления по данным формулам необходимы четыре периода работы (три для измерения Т и четвертый для деления).40 Порядок срабатывания переключателейв зависимости от измеряемой величины приведен в таблицегРассмотрим работу преобразователя и риизмерении емкости С. В остальных случаяхпреобразователь работает аналогично (отличия приведены в таблице),При определении любой из указанныхвеличин необходимо вычислять множительвидаф 7 1 тА = гтрк,-с .(3)При определении емкости величину эталонной емкости необходимо взять кратнойдесяти и в конечном результате скорректировать запятую в множителе А, чтобыполучить искомое значение.При измерении К, и Р соответствующем выбором масштаба и числа разрядов,можно получить нужную точность (эталонную емкость в этом случае не используют). 15Известно, чтоТ,=1+3+5+7+ + (2 Т - 1) =;, ( .1 ) - 5.: (.20" 1)(8 -) - -(г,-1Вычисления производятся согласно этому выражению. При этом в начале работы счетчик и сумматоры; а в конце первых трех периодов работы только счетчик сорасывается в нуль (цепи сброса не показаны).В период 1 работы производится замер Т,. В этом случае к измерительному генератору ся. Блок управления в период 1 открывает постоянно первый блок совпадения 16 по 40 управляющему входу. Импульсы в счетчик 13 поступают через элемент задержки 12. При этом в сумматоре 22 накапливается сумма1+ 3+ 5 , + (2 Тх - 1) = Тк. 45 Первый импульс с ключа 11 через блок управления 1 кратковременно открывает третий блок совпадения, перенося число О из счетчика 13 в сумматор 22, начиная со второго разряда сумматора, а в первый разряд заносит 1, а через время задержки изменяет состояние счетчика 13 на 1.При подаче следующих импульсов устройство работает аналогично. При этом каж- в 50 дыи раз содержимое счетчика умножается на 2 путем сдвига, а в младший разряд добавляется 1,55 В периоде 11 открыт второй блок совпадения, кратковременно открывается третий блок совпадения 14, в сумматоре 21 накапливается аналогично описанному выше Т2 так как в этом случае к измерительному 60 2 подключается через переключатель 7 неизвестная емкость 10, измерительный генератор 2 изменяет частоту колебаний и вырабатывает импульс Пуск на ключ 11 в начале периода колебаний измерительного генератора и стоп в конце периода, При подаче импульса Пуск ключ 11 открывается и пропускает импульсы с кварцевого генератора 3, а при подаче импульса Стоп35 закрывается, производя таким образом отсчет периода Т. в цифровом виде. Импульсы поступают на счетчик 13, где суммируютгенератору 2 подключена согласно таблице через переключатель 8 эталонная емкость 9.В периоде 111 проводится замер То и переключатели не замкнуты. При этом постоянно открыты первый и второй блоки совпадений 16, 17 и кратковременно на каждом импульсе открывается четвертый блок совпадения 15. Обратный код со счетчика 13 поступает на сумматоры 21, 22, а 1 в младший разряд добавляется по цепи: выход ключа 11, блоков совпадений 16, 17. Таким образом, образуется обратный дополнительный код суммы ряда нечетных чисел. При этом накапливаются суммы, равные ТР в обоих сумматорах, но в обратном дополнительном коде, По окончании замера Т, в сумматоре 22 записано числоТ - Т, =С,а в сумматоре 21 - числоT2 - Т 2 = ДВ периоде 1 Ч работы блок управления открывает элемент И 24, импульсы с генератора через элемент И 24 поступают в счетчик 13 и каждый импульс открывает пятый блок совпадения 18, добавляет 1 в м ладший разряд сумматора через второй блок элементов ИЛИ 20 (младший разряд), открывает пятый блок совпадения 18 и переносит в обратном дополнительном коде число из сумматора 21 в сумматор 22. Так как число Д поступает в обратном дополнительном коде, то оно вычитается из числа С, В момент, когда содержимое сумматора 22 будет равно нулю, срабатывает блок выделения нуля 23 и воздействует на блок управления, прекращая работу в периоде 1 К В результате в счетчике 13 записано число вычитаний числа Д и числа С, т. е, результат деления С и Д или величина емкости, или (при измерении Кс или Д,) соответствующая величина в цифровом виде.Экономический эффект от применения уст ройства измерения емкости конденсаторов, коэффициента перекрытия по емкости, отношения емкостей с высокой точностью в трудных условиях, например при измерении емкости на пластине при планарной технологии, когда выводы изменяют свою форму, изменяя емкость входной цепи, обуславливается достаточной простотой. Формула изобретенияУстройство для измерения емкости конденсаторов, содержащее измерительный генератор, один из входов которого через переключатели подключен к эталонному и измеряемому конденсаторам, выходы измерительного генератора подключены к управляющим входам ключа, другой вход которого соединен с выходом кварцевого генератора, блок управления, счетчик импульсов и сумматоры, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и упрощения устройства, в него введены источник спорного напряжения, дополнительные переключатели, элемент И, блоки элементов ИЛИ, блоки совпадения, блок618688 ставитель И. Назаркинаред О. ЛуговаяКорраж 112 Подомитета Совета Министров СССРетений и открытий5, Раушская наб., д, 4/5г. Ужгород, ул. Проектная, 4 едактор Л. Утехинаказ 4253/38 ектор Е, Папписное И ПИ Государственного кпо делам изобр113035, Моеква, Ж.З филиал ППП Патент,выделения нуля и элемент задержки, вход которого соединен со входом блока управления, с сигнальными входами младших разрядов первого и второго блока совпадения и подключен к выходу ключа; выход элемента задержки соединен с одним из входов счетчика, прямые выходы которого соединеньг С сигнальными входами третьего блока совпадения, а инверсные выходы - с сигнальными входами четвертого блока совпадения, выходы третьего и четвертого блоков совпадения через первый блок элементов ИЛИ соединены с сигнальными входами первого и второго блоков совпадения; выход первого блока совпадения соединен с сигнальными входами второго блока элементов ИЛИ, выходы которого через последовательно соединенные первый сумматор и блок выделения нуля подключены к другому входу блока управления, выходы которого соединены с управляюшими входами первого, второго, третьего и четвертого блоков совпадения и с одним из входов элемен О та И, с другим входом которого соединен выход кварцевого генератора, а выход элемента И соединен с другим входом счетчика, с входом младшего разряда второго блока элементов ИЛИ и входами пятого блока совпадения; выходы второго блока совпадения соединены со входами второго сумматора, инверсные выходы которого через пятый блок совпадения соединены с другими сигнальными входами второго блока элементов ИЛИ; один выход источника опорного напряжения через первый дополнительный переключатель соединен с измерительным генератором, а другой выход через второй дои олнительный переключатель - с параллельно соединенными измеряемым и эталонным конденсаторами,Источники информации, принятые во вни -мание при экспертизе:1. Авторское свидетельство СССР222530, кл. Сг 01 К 27/26, 05.04,67.2. Линейный преобразователь емкостьчастота, Журнал Измерительная техника,5, 1975.