УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ Российский патент 2000 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в средствах для измерения электрической емкости преобразователей неэлектрических величин.

Известно устройство, в котором измеряемый конденсатор и эталонный заряжаются попеременно от высокочастотного генератора через коммутатор и соответствующие диоды, и попеременно разряжаются через соответствующие резисторы и измерительный прибор. Процессы заряда и разряда для сравниваемых величин осуществляются в равных условиях. При изменении измеряемой величины изменяется ток разряда соответствующего конденсатора относительно тока разряда эталонного конденсатора, что отражается измерительным прибором (см. авт.св. 756315, кл. G 01 R 27/26).

Недостаток известного устройства - зависимость чувствительности от частоты генератора и свойств нелинейных элементов диодов.

Известно устройство, которое содержит первый и второй генераторы, во времязадающие цепи которых включены соответственно измеряемый и эталонный конденсаторы, выходы генераторов соединены с устройством, формирующим импульсы с частотой повторения, равной разности частот указанных генераторов, импульсы разностной частоты поступают на ключ, который управляется делителем частоты импульсов, поступающих от первого генератора, импульсы с выхода ключа поступают на счетчик для формирования двоичного кода, пропорционального измеряемой емкости (см. авт.св. 331340, кл. G 01 R 27/26).

Недостаток известного решения - относительно большое количество функциональных элементов, что усложняет схему и конструкцию устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство для измерения электрической емкости, содержащее генератор тактовых импульсов, два одновибратора, измеряемую и эталонную емкости, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, два логических элемента И, RS-триггер и блок индикации. Положительным перепадом прямоугольного импульса тактового генератора осуществляется одновременный запуск обоих одновибраторов. Длительности выходных импульсов одновибраторов пропорциональны измеряемой и эталонной емкостям конденсаторов, включенных в качестве времязадающих элементов соответственно первого и второго одновибраторов. Определение знака разности емкостей осуществляется логическим элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, двумя логическими элементами И и RS-триггером. Результат измерения емкости отражается блоком индикации в формах "Меньше" или "Больше" (см. авт. св. 1629877, кл. G 01 R 27/26).

Недостатки известного устройства - низкая чувствительность, ограниченные функциональные возможности и относительная сложность схемы. Для смены логических уровней на выходе RS-триггера необходимо, чтобы разница по длительности выходных импульсов одновибраторов превышала суммарное время задержки распространения сигнала по элементам ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, И и RS-триггера. Время задержки распространения сигнала через каждый из указанных элементов может достигать более двух десятков наносекунд. Так как сигнал проходит последовательно через каждый элемент, то суммарное время задержки распространения сигнала составит несколько десятков наносекунд. Чтобы создать разницу в длительности выходных импульсов одновибраторов, превышающую несколько десятков наносекунд, необходимо изменить, например, измеряемую емкость (согласно известному выражению t_и-KRC для определения длительности выходного импульса одновибратора, где K-постоянный коэффициент, R-активное сопротивление и C- емкость, включенные в качестве времязадающих элементов соответствующих одновибраторов) на несколько пикофарад. Таким образом, зона нечувствительности известного устройства составляет несколько пикофарад. Устройство не позволяет получить результат измерения, указывающий значение рассогласования измеряемой и эталонной величин, что ограничивает его функциональные возможности. Элементы логики и RS-триггер, входящие в состав известного устройства, несколько усложняют его схему и конструкцию.

Цель изобретения - повышение чувствительности, расширение функциональных возможностей и упрощение схемы устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения электрической емкости, содержащее первый и второй одновибраторы, включенные по схеме кольцевого автогенератора, измеряемый и эталонный конденсаторы, включенные во времязадающие RC-цепи первого и второго одновибраторов, блок индикации, введены первое и второе интегрирующие звенья, первый и второй резисторы обратной связи, причем к выходам первого и второго одновибраторов подключены входы соответственно первого и второго интегрирующих звеньев, выход первого интегрирующего звена соединен через второй резистор обратной связи с общей точкой времязадающей RC-цепи второго одновибратора, выход второго интегрирующего звена соединен через первый резистор обратной связи с общей точкой времязадающей RC-цепи первого одновибратора, блок индикации включен между выходами первого и второго интегрирующих звеньев.

Устройство для измерения электрической емкости поясняется блок-схемой (фиг.1) и временными диаграммами (фиг.2).

Предлагаемое устройство содержит одновибраторы 1 и 2 (фиг. 1), конденсаторы: измеряемый (C1) 3 и эталонный (C2) 4, резисторы (R1) 5 и (R2) 6, интегрирующие звенья, состоящие из резисторов (R3) 7, (R4) 8 и конденсаторов (C3) 9, (C4) 10, резисторы обратной связи (R5) 11 и (R6) 12, блок индикации 13, представляющий собой нуль-орган.

Выход Q1 одновибратора 1 (фиг.1) подключен к входу запуска одновибратора 2, выход Q2 которого подключен к входу запуска одновибратора 1. Во времязадающие цепи одновибратора 1 включены измеряемый конденсатор 3 и резистор 5, а во времязадающую цепь одновибратора 2 включены эталонный конденсатор 4 и резистор 6. К выходу Q1 одновибратора 1 подключено первое интегрирующее звено - резистор 7 и конденсатор 9, к выходу Q2 одновибратора 2 подключено второе интегрирующее звено - резистор 8 и конденсатор 10. Выходы первого и второго интегрирующих звеньев соединены через резисторы 12 и 11 с общими точками резисторов и конденсаторов времязадающих цепей соответственно первого и второго одновибраторов. Блок индикации 13 подключен к выходам интегрирующих звеньев.

Устройство для измерения электрической емкости работает следующим образом.

Одновибраторы 1 и 2 (фиг. 1), включенные по схеме кольцевого автогенератора (см. Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП. Справочник. -М.: Издательство "Ягуар", 1993. -64 с. , ил.), вырабатывают последовательность прямоугольных импульсов напряжения (фиг.2) соответственно на выходах Q1 и Q2. Длительность прямоугольных импульсов одновибраторов определяется времязадающими элементами соответственно: для одновибратора 1 t_и1=kR1C1; для одновибратора 2 t_и2=kR2C2, где k - постоянный коэффициент, определяемый свойствами конкретной интегральной микросхемы, для обоих одновибраторов, выполненных на одном кристалле, он одинаков и равен, например, для микросхемы К555 АГЗ k=0,45. Период следования прямоугольных импульсов для каждого одновибратора одинаков и определяется как Т12= t_и1+t_и2. На временных диаграммах (фиг.2) показано изменение напряжений U_с1 и U_с2 соответственно на конденсаторах 9 и 10 (фиг. 1).

Допустим R1C1>R2C2 (интервал времени t0...t1), тогда длительность импульса одновибратора 1 будет больше длительности импульса одновибратора 2, т. е. t_и1>t_и2, следовательно, среднее напряжение U_ср1 на конденсаторе 9 будет больше среднего напряжения U_ср2 на конденсаторе 10 на величину U_ср1-U_ср2= Δ U_ср.

Если R1C1 = R2C2 (интервал времени t1...t2), тогда t_и1=t_и2, а следовательно, U_ср1 = U_ср2, или U_ср1-U_ср2=0.

Допустим R1C1 < R2C2 (интервал времени t2...t3), тогда t_и1 < t_и2 и, следовательно, U_ср1 < U_ср2 на значение U_ср1 - U_ср2 = - Δ U_ср.

Таким образом, в зависимости от соотношения сравниваемых величин, а точнее произведений R1C1 и R2C2, на входе измерительного прибора образуется соответствующее приращение U_ср в виде постоянной составляющей.

Резисторы 11 и 12 позволяют увеличить разницу напряжений на выходе интегрирующих звеньев без изменения измеряемых и эталонных величин, а следовательно. повысить чувствительность устройства.

Допустим возросла величина R1C1, при этом увеличится длительность t_и1 прямоугольного импульса первого одновибратора, что приведет к повышению среднего напряжения U_ср1 на выходе первого интегрирующего звена. Возрастет ток через резистор 12 обратной связи, а следовательно, и скорость заряда конденсатора 4 времязадающей цепи второго одновибратора. Так как время заряда конденсатора 4 уменьшится, уменьшится и длительность t_и2 прямоугольного импульса второго одновибратора, что приведет к понижению среднего напряжения U_ср2 на выходе второго интегрирующего звена. Таким образом, повышение U_ср1 (согласно исходному условию) и понижение U_ср2 вызывают возрастание Δ U_ср, что равнозначно повышению чувствительности устройства.

При проведении исследований опытного образца устройства, выполненного на интегральной микросхеме КР1533АГЗ (сдвоенный одновибратор с перезапуском), были получены следующие результаты.

При значениях сопротивлений R1=R2=56 кОм; R3=R4=620 Ом; R5=R6=15 кОм; емкости конденсаторов C3=C4=5 мкФ и начальной емкости C1=C2=180 пФ цифровой милливольтметр показывает U_ср=0 мВ. При изменении, например, емкости C2 на 1 пФ милливольтметр показывает приращение ΔU_ср=20 мВ.

При отсутствии резисторов 11 и 12 и прежних условиях милливольтметр показывает приращение ΔU_ср=7 мВ, т.е. чувствительность устройства при введении резисторов обратной связи 11 и 12 возрастает почти в три раза.

При значениях R1=R2=112 кОм; R5=R6=47 кОм чувствительность возрастает в 14 раз.

Аналогичное повышение чувствительности устройства наблюдается и при изменении сопротивления одного из резисторов 5 или 6, включенного во времязадающую цепь в качестве, например, терморезистора.

Зависимость выходного сигнала от изменения входных величин R1, R2 C1, C2 - линейна при рассогласовании выходного сигнала до ± ΔU_ср = 1 В, что является высоким метрологическим показателем.

Предлагаемое устройство можно сопрягать с микропроцессорными системами через аналогоцифровой преобразователь, что позволяет применять его в цифровых устройствах автоматического контроля и управления.

Изобретение может быть использовано в средствах для измерения электрической емкости преобразователей неэлектрических величин. Технический результат - повышение чувствительности, расширение функциональных возможностей и упрощение схемы устройства. Устройство содержит первый и второй одновибраторы, включенные по схеме кольцевого автогенератора, измеряемый и эталонный конденсаторы, включенные во времязадающие RC-цепи первого и второго одновибраторов, первое и второе интегрирующие звенья, первый и второй резисторы обратной связи, блок индикации. 2 ил.

Устройство для измерения электрической емкости, содержащее первый и второй одновибраторы, измеряемый и эталонный конденсаторы, включенные во времязадающие RС-цепи первого и второго одновибраторов, блок индикации, отличающееся тем, что одновибраторы включены по схеме кольцевого автогенератора, введены интегрирующие звенья, первый и второй резисторы обратной связи, причем к выходам первого и второго одновибраторов подключены входы, соответственно, первого и второго интегрирующих звеньев, выход первого интегрирующего звена соединен через второй резистор обратной связи с общей точкой резистора и конденсатора времязадающей RС-цепи второго одновибратора, выход второго интегрирующего звена соединен через первый резистор обратной связи с общей точкой резистора и конденсатора времязадающей RС-цепи первого одновибратора, блок индикации включен между выходами первого и второго интегрирующих звеньев.