Цифровой преобразователь электрической емкости

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения емкостей с большими активными потерями, расположенных на функциональной плате. Целью изобретения является повышение точности, увеличение быстродействия и расширение диапазона преобразователя в область больших значений. Цифровой преобразователь электрической емкости содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, интегратор 2, запоминающий блок 3, схемы 4 и 5 для подключения объекта измерения, ключевой элемент 6, преобразователь 7 аналог-код, блок 8 управления, формирователь 9 импульсов. 7 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСИИХ

РЕСЛУБЛИН

А1 (51) 5 G 01 R 27/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

СР

Ю

К>

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

fl0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ CHHT СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4335229/24-21 (22) 27. 11. 87 (46) 30.03.90. Бюл. К 12 (72) В.Л.Пахомов и А.Е.Малафеев (53) 621.317.73 (088.8) (56) Авторское свидетельотво СССР

У 620912, кл. G 01 R 27/26, 1976.

Авторское свидетельство СССР

У 1051459, кл. С 01 R 27/26, 1982. (54) ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ (52) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения емкостей с боль„„SU„„1Я, 3922

2 шими активными потерями, расположен.» ных на функциональной плате. Целью изобретения является повышение точности, увеличение быстродействия и расширение диапазона преобразования в область больших значений. Цифровой преобразователь электрической емкости содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, интегратор 2, запоминающий . блок 3, схемы 4 и 5 для подключения объекта измерения, ключевой элемент

6, преобразователь 7 аналог-код, блок

8 управления, формирователь 9 импульсов. 7 ил 2 табл

1 55 qq. 2

Изобретение относится к измерительНой технике и может быть использовано для измерения емкостей с большими активными потерями, расположенных на функциональной плате.

Цель изобретения — повышЕние точНости, увеличение быстродействия и расширение диапазона преобразования в область больших значений.

На фиг. 1 приведена структурная хема устройства для измерения элекрической емкости; на фиг. 2 — принтпиальная схема генератора прямоугольныхх импульсов, интегратора и ключе- 1 ого элемента; на фиг. 3 — принципиальная схема заПоминаюшего блока, на иг. 4 — принципиальная схема блока равления; на фиг. 5 и б — принципильная схема формирователя импульсов; а фиг. 7 — временные диаграммы.

Цифровой преобразователь электриеской емкости содержит генератор 1 рямоугольных импульсов, интегратор запоминающий блок 3, первую и вто- 25

1 ую клеммы для подключения объекта измерения, ключевой элемент б, преобразователь 7 аналог-код, блок 8 управления и формирователь 9 импульсов.

Выход генератора 1 прямоугольных т мпульсов соединен с входом интегратоа 2, выход которого соединен с входом апоминающего блока 3. Вход и выход нтегратора 2 соответственно саедит ены с клеммами 4 и 5 для подключения

35 бъекта измерения и соответственно первым и вторым выводами ключевого элемента 6. Выход запоминающего блока 3 соединен с входом преобразователя 7 ана тог-код, выход которого является выхоДом циФрового преобразователя. Первый

И второй выходы блока 8 соответственно соединены с первым и вторым входами формирователя 9 ттмпульсов, первый выход которого соединен с управляющим входом генератора 1 прямоугольных импульсов и первым управляющим входом запоминающего блока 3, второй вьтход— с управляющим входом ключевого элемента б, а третий выход — с вторым управляющим входом запоминающего блока

S0

3 и входом блока 8 управления, адресные выходы которого соединены с адресными входами формирователя 9 импульсов.

Генератор 1 прямоугольных импульсов (фиг. 2) предназначен для задания тестового 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

1б, резисторы 17-19, реле 20 (фиг. 4) с замыкающими контактами 21, 22, и усилитель мощности, который состоит нз транзисторов 23-26, диодов 27 и 28 н резисторов 29-30.

Ключевой элемент б предназначен для разряда емкости С „ перед началом измерения и содержит диод 40, реле 4 1 и замыкающий контакт 42 °

Запоминающий блок 3 содержит два ключа 43 и 44 (электронных), конденсатор 45, резисторы 46-48, операционньпт усилитель 49, замыкающий контакт

50 реле 20 (фиг. 4). Запоминающий блок

3 предназначен для выборки и хранения величины U „ 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 В7-35А.

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

D-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 комтутатор, 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 ВИ1, 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 8284 и 0-триггере 85 (фиг. 6) формироЦо

I о о где I, — зарядный ток емкости; — напряжение на стабилитроне с

13;

5 155392 натель задержки и конца измерения (фиг. 6), который содержит элемент

И 86, два одновибратора 87 и 88, конденсаторы 89 и 90 и резисторй 91 и

92.

Устройство работает следующим образом.

При включении питающего напряжения в момент времени (фиг. 7а) начинается заряд конденсатора 61 блока 8 управления (фиг ° 4).

Длительность импульса сброса рассчитывают из величины t ьр = 0,37 с °

Длительность переходных процессов

Ю при включении питания (фиг. 7а) не превышает 0,001 сек. т.е. дс ((а, то ее величиной с достаточной степенью точности можно пренебречь ° По истечении времени t, = 0,37 с на выходе 20 элемента И 60 (фиг. 4), а значит на

R-входах регистра 51 и триггера 57 и на S-входе триггера 57 устанавливается уровень " 1" (фиг. 7б). На выходе

0 триггера 56 (фиг.4) и выходах 25

Q1 ..., Q3 регистра 51 установится уровень "0", а на выходе Я триггера

56 уровень "1" (фиг.7г). Счетчики 7274 (фиг.5) формирователя 9 импульсов заблокированы уровнем "1", поступающим с выхода триггера 57 (фиг.4).

Нулевой уровень с выхода элемента

И 60 (фиг. 4) через элемент И 86 (фиг. 6) поступает на Р-вход 0-триггера 85 (фиг. 6) формирователя 9 им35 пульсов, устанавливая выход g этого триггера в "0".

Цикл измерения начинается с подачи сигнала "Запуск" кнопкой 59 (фиг.4) блока 8 управления. На выходе Q триг- 40 гера 56 блока 8 управления (фиг. 4) устанавливается уровень "1", который включает реле 20, подключающее своими контактами 21 и 22 (фиг. 2) измеряемую емкость (С ) к интегратору .2 и выход запоминающего блока 3 через замыкающий контакт 50 (фиг. 3) к входу преобразователя 7 аналог-код. Измеряемая емкость (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 сигна11 и

55 ла Измерение, поступающего на другой вход элемента И 58 с кнопки 55.

В зависимости от величины измеряемой емкости, кнопками 52-55 блока 8 уп2 6 равления выбирается диапазон иэмере" ния (табл. 1).

После подачи сигнала Иэмерение" кнопкой 55 в момент нремени (фиг. 7в) код диапазона измерения после записи в регистр 51 блока 8 управления поступает на адресные входы мультиплексора 80 формиронателя

9 импульсов (фиг, 5а), определяя длительность зарядного импульса.

Q-выход D-триггера 57 блока 8 управления (фиг ° 4) принимает уровень

"0" (фиг. 7r), разрешая работу счетчиков 72-74 (фиг.5), работающих в режиме деления частоты импульсов, поступающих с ныхода таймера 67 формирователя 9 импульсов. На выходе мультиплексора 80 формирователя 9 импульсон появятся импульсы длительностью

Т (фиг, 7е), которая определяется комбинацией кода диапазона измерения на его адресных входах. Длительность разряда емкости (C„) 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" н момент времени t ., (фиг. 7) выход элемента И

82 (фиг. 5) формирователя 9 импульсов устанавливается -н ".1", срабатывает триггер 85 (фиг. 6 и 7ж) н импульс

"Заряд" с выхода мультиплексора 80 (фиг. 5) через элемент И 81 (фнг. 6) формирователя 9 импульсов поступает на управляющие входы генератора 1 прямоугольных импульсов и запоминающего блока 3 и первого однонибратора

87 формирователя 9 импульсов. С выхода электронного ключа 10 генератора

1 прямоугольных импульсон (фиг. 2) на вход операционного усилителя 14 интегратора 2 поступает импульс зарядного тока (фиг. 7з), определяемый иэ соотношения

1553922

К " сопротивление подстроечного резистора 12, Иэ условия работы операционного усилителя следует, что

То Iõ где I „ — величина тока, протекающего,го через измеряемую емкость (Ск) °

Тогда величина напряжения на иэме10 ряемой емкости (на выходе интегратора 2) определяется соотношением с>

U = — 3I dt — — — (2)

1 Io Tao сх С о С

1, м где Т, = t — tz — длительность за-15 рядного 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 иметь величину: 3

1 с Ip (3) г где r — активное сопротивление потерь измеряемой емкости.

Для того, чтобы избежать влияния сопротивления потерь на результат измерения, необходимо проводить измерение после окончания зарядного импульса. В момент времени t I = О о и падение напряжения на активном сопротивлении потерь в момент начала и

35 конца заряда компенсирует друг друга (фиг. 7л). Поэтому при проведении измерения после окончания заряда емкости величина напряжения на выходе интегратора 2 соответствует напряжению, до которого зарядилась емкость:

Ip I 3> р

U (4)

С» . С„

Для получения необходимой величины зарядного тока I p =- 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 t (фиг. 7) по переднему фронту запускается первый одновибратор 87 формирователя 9 импульсов, вырабатывающий импульс задержки длительностью 3 мкс (фиг. 7и) необходимый для исключения влияния переходных процессов, имеющих место после окончания действия зарядного импульса. После окончания импульса задержки в момент времени t+ (фиг.7) по переднему фронту запускается второй одновибратор 88 формирователя 9 импульсов, который вырабатывает сигнал "Задержка" длительностью 7 мкс (фиг.7к), 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. 7м). С выхода повторителя 49 (фиг.3) запоминающего блока 3 напряжение Б с„ поступает на вход rrpeo6paзователя 7 аналог-код.

Величина измеряемой емкости (С„) определяется из формулы (5)

1 с»

Выход триггера 85 (фиг. 6) формирователя 9 импульсов принимает уровень "0" (фиг. 6ж), запрещая прохождение зарядного импульса.

После окончания сигнала "Задержка в момент времени С (фиг. 7) срабатывает триггер 57 блока 8 управления (фиг. 7г), который обнуляет счетчики 72-74. После съема информации с преобразователя 7 аналог-код, кнопкой

64 блока 8 управления подается сигнал "Сброс" (фиг. 7в) и устройство 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 (R ). В момент окончания заряда (фиг. 7е, л) напряжение на выходе интегратора 2 (фиг. 1):

"Зар

Uè ("з р ) - IîRø(1

GpH условии R >> t у где Т - время заряда емкости (С,) ..

В момент окончания паузы t (фиг ° 7г, м) на выходе запоминающего блока 3 выделяется напряжение:

1 а

"зв (Op) I Н (1e ) e (7) где ь„- время преобразования.

9 1553922

Относительная погрешность измере- Ф о р м у л а ния емкости С„ данного устройства

l0 и э„о б р е т е и и я

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, и 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 вьмоды которого соответственно соединены с одноименными входами формирователя импульсов.

° 1007 (8)

Э6 ("), 5

Подставляя в (8) выражение (4) и (7), получают

1вар c

%щах р

"зр RsC x (1-e ) ° е а с - ) 10

R.C„(1- "-"), =

Рассчитаем величину погрешности предлагаемого устройства для R

4I

10 Ом; 100 Ом и для разных величин емкостей (табл. 2).

Предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности и быстродействия при измерении емкостей с большими утечками, а также расширение диапазона преобразования в емкости в область высоких значений.

Изобретение позволяет создать автоматический измеритель емкостей с большими активными потерями, расположенных на функциональной плате в составе системы внутрисхемного контроля печатных плат. При работе данного устройства в составе системы внутрисхемного контроля для измерения емкостей, расположенных на функциональной 30 плате, оно имеет по сравнению с прототипом точность измерения повышается в 5-153 раэ в зависимости от величины шунтирующего сопротивления и диапазона измерения, быстродействие в 3-32 раза.

Т.а о. л и ц а 1

Диапазон, У

Комбинация входного кода

Пауза, Заряд, мс мс

Величина измеряемой емкости,мк Ф

Разряд, мс

2 3 4

?5

1600

3,2

3,2

6,4

6,4

6,4-25,6

25 6-102,4

102,4-400

400-1600

1600-6400

0 0 6,4

1,.0 6,4

0 1 25,6

0 1 256

0

I

II

III

l2

1553922

Таблица 2

1 I 1 1

gmnasoH C„, мкФ 1 в 0м "g p p MKc "pz= lg„p+ л Л л Л g

1

3

4.

4

12,5

12,5

3200

1600

161 Ãã

1610

+1,8

+19,5

+1,7

+12,6

+1,0б

+11

+1,02

+10, +0,3

+2,6

1553922

Фи. 4

1553922

ФУГ. S

1553922

1553922

Составитель В.Слепцов

Текред Л.Сердюкова: Корректор Н.Ревская

Редактор Л.Пчолинская

Закаэ 454 Тираж 55О Подписное

ВЦИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, ФЬсква, Ж-35, Раушская иаб., д, 4/5

Проиэводственио-иэдательский,комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101