Цифровой преобразователь электрической емкости Советский патент 1990 года по МПК G01R27/26 

(Л

С

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.

ел

СП

СО

со ю к

Изобретение относится к измеритель Ной 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 устройства для измерения электрической емкостиj на фиг. 2 - принципиальная схема генератора прямоугольных импульсов, интегратора и ключе- дого элемента; на фиг. 3 - принципи-- 4льная схема запоминающего блокад на фиг. 4 - принципиальная схема блока управления; на фиг. 5 и 6 - принципиальная схема формирователя импульсов; на фиг. 7 - временные диаграммы.

Цифровой преобразователь электрической емкости содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, интегратор 2, запоминающий блок 3, первую и вто- $ую клеммы для подключения объекта измерения, ключевой элемент 6, преобразователь 7 аналог-код, блок 8 управления и формирователь 9 импульсов.

Выход генератора 1 прямоугольных ijn-шульсов соединен с входом интегратора 2, выход которого соединен с входо запоминающего блока 3. Вход и выход интегратора 2 соответственно соеди

цены с клеммами 4 и 5 для подключения

3

фбъекта измерения и соответственно Ј первым и вторым выводами ключевого Элемента 6. Выход запоминающего блока 3 оединен с входом преобразователя 7 ана- .лог-код, выход которого является выхо- Дом цифрового преобразователя. Первый и второй выходы блока 8 соответственно Соединены с первым и вторым входами формирователя 9 импульсов, первый выход которого соединен с управляющим входом генератора 1 прямоугольных импульсов и первым управляющим входом запоминающего блока 3, второй выход - с управляющим входом ключевого элемента 6, а третий выход - с вторым управляющим входом запоминающего блока 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 со5

o

5

д

0

5

,

0

держит 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 16, резисторы 17-19, реле 20 (фиг. 4) с замыкающими контактами 21, 22, и усилитель мощности, который состоит из транзисторов 23-26, диодов 27 и 28 и резисторов 29-30.

Ключевой элемент 6 предназначен для разряда емкости С перед началом измерения и содержит диод 40, реле 41 и замыкающий контакт 42.

Запоминающий блок 3 содержит два ключа 43 и 44 (электронных), конденсатор 45, резисторы 46-48, операционный усилитель 49, замыкающий контакт 50 реле 20 (фиг. 4). Запоминающий блок 3 предназначен для выборки и хранения величины UCx 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 запускай 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 коммутатор, которы 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 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ 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 D-триггере 85 (фиг. 6) формирователь задержки и конца измерения (фиг. 6), который содержит элемент И 86, два одновибратора 87 и 88, конденсаторы 89 и 90 и резисторы 91 и 92.

Устройство работает следующим образом.

При включении питающего напряжения в момент времени t0 (фиг. 7а) начинается заряд конденсатора 61 блока 8 управления (фиг. 4).

Длительность импульса сброса рассчитывают из величины 0,37 с.

Длительность переходных процессов &t при включении питания (фиг. 7а) не превышает 0,001 сек. т.е. ut tcffp то ее величиной с достаточной степень точности можно пренебречь. По истечении времени tc sp 0,37 с на выходе 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. 76). На выходе Q триггера 56 (фиг.4) и выходах Q1, ..., Q3 регистра 51 установится уровень О, а на выходе Q триггера 56 уровень 1 (фиг.7г). Счетчики 72- 74 (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 D-триг- гера 85 (фиг. 6) формирователя 9 импульсов, устанавливая выход Q этого триггера в О.

Цикл измерения начинается с подачи сигнала Запуск кнопкой 59 (фиг.4) блока 8 управления. На выходе Q триггера 56 блока 8 управления (фиг. 4) устанавливается уровень 1, который включает реле 20, подключающее своими контактами 21 и 22 (фиг. 2) измеряему емкость (С ) к интегратору .2 и выход запоминающего блока 3 через замыкающий контакт 50 (фиг. 3) к входу преобразователя 7 аналог-код. Измеряемая емкость (Сх) 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 сигнала Измерение, поступающего на другой вход элемента И 58 с кнопки 55. В зависимости от величины измеряемой емкости, кнопками 52-55 блока 8 уп

5

0

5

0

5

0

5

0

равления выбирается диапазон измерения (табл. 1).

После подачи сигнала Измерение кнопкой 55 в момент времени tf (фиг. 7в) код диапазона измерения после записи в регистр 51 блока 8 управления поступает на адресные входы мультиплексора 80 формирователя 9 импульсов (фиг, 5а), определяя длительность зарядного импульса.

Q-выход П-триггера 57 блока 8 управления (фиг. 4) принимает уровень О (фиг. 7г), 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}чр (фиг. 7е), которая определяется комбинацией кода диапазона измерения на его адресных входах. Длительность разряда емкости (Сх) ключевым элементом 6 определяется диапазоном измерения . Окончание разряда наступает после того, как соответствующий разряд счетчика 73 формирователя 9 импульсов примет уровень 1. Реле 41 выключается и перед подачей зарядного импульса на измеряемую емкость (С х) выбирается соответствующая пауза, необходимая для надежного срабатывания замыкающего контакта 42 ключевого элемента 6 (фиг. 2). Поспе окончания сигнала Пауза в момент времени t 1 (фиг. 7) выход элемента И 82 (фиг. 5} формироватечя 9 импульсов устанавливается-п 1, срабатывает триггер 85 (фиг. 6 и 7ж) и импульс Заряд с выхода мультиплексора 80 (фиг. 5) через элемент И 81 (фиг. 6) формирователя 9 импульсов поступает на управляющие входы генератора 1 прямоугольных импульсов и запоминающего блока 3 и первого одновибратора 87 формирователя 9 импульсов. С выхода электронного ключа 10 генератора 1 прямоугольных импульсов (фиг. 2) на вход операционного усилителя 14 интегратора 2 поступает импульс зарядного тока (фиг. 7з), определяемый из соотношения

}5

- Ус

Ко

(1)

где 10 - зарядный ток емкости;

Uc - напряжение на стабилитроне 13;

R0 - сопротивление подстроечного резистора 12, Из условия работы операционного усилителя следует, что

1с I.

где I х - величина тока, протекающего го через измеряемую емкость (С,).

Тогда величина напряжения на измеряемой емкости (на выходе интегратора 2) определяется соотношением з

L {

с,

и.

где Т

I0dt

(2)

Зогр

Tj}«Ј

СЯ

tl длительность за рядного импульса.

В реальных условиях на процесс из мерения оказывает значительное влияние величина активного сопротивления потерь измеряемой емкости. Напряжени на выходе интегратора 2 в момент действия зарядного импульса будет иметь величину:

t,

Uf

Ior

J. Г

r. I

T0dt,

(3)

cx

где г - активное сопротивление потерь измеряемой емкости. Для того, чтобы избежать влияния сопротивления потерь на результат измерения, необходимо проводить измрение после окончания зарядного им-

10 О

пульса. В момент времени t и падение напряжения на активном сопротивлении потерь в момент начала и 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:

45

50

V-If1- «

Для получения необходимой величины зарядного тока I0 20 мА на выход операционного усилителя 14 интегратор

2включен 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 t3 (фиг. 7) по переднему фронту запускается первый одно- 55 вибратор 87 формирователя 9 импульсов, вырабатывающий импульс задержки длительностью 3 мкс (фиг. 7и) не

5

0

обходимый 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.Ук), 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.З) запоминающего блока 3 напряжение UCx поступает на вход преобразователя 7 аналог-код.

Величина измеряемой емкости (С„) определяется из формулы

0

5

0

0

5

0

5

С

1о Т

U

2L

Сх

(5)

Выход триггера 85 (фиг. 6) формирователя 9 импульсов принимает уровень О

(фиг. 6ж), запрещая прохождение зарядного импульса.

После окончания сигнала Задержка в момент времени 1(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 сиг- 5 нал 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 (RU,) . В момент окончания заряда t, (фиг. 7е, л) напряжение на выходе

интегратора 2 (фиг. 1):

L3ap КИС,

(Сзар)г10Кш(1-е)

(6)

при условии Кш га,

где ТЗЛр - время заряда емкости (Сх).

В момент окончания паузы t5 (фиг. 7г, м) на выходе запоминающего блока 3 выделяется напряжение:

Оз«с п

КшС,

изБ(Оп)10Кш(1-е ) е

RU.C,,

(7)

где

Л

время преобразования,

Относительная погрешность измерения емкости Сх данного устройства

--йглйг 1-100 (8) (8) выражение (4) и

зе

Подставляя в (7), получаютJ Mf п

п ft ш Сх ч Ruc«

rf -1-л.((9)

шсх(1-е Ra/Cx) Рассчитаем величину погрешности предлагаемого устройства для Иш 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 плате, оно имеет по сравнению с прототипом точность измерения повышается в 5-153 раз в зависимости от величины шунтирующего сопротивления и диапазона измерения, быстродействие в 3-32 раза.

Формула

и

10

3 О

б р е т е н и я

5

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, отличаю- щ и., 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 управ5 ляющим входом ключевого элемента, первый и второй выводы которого соответственно соединены с входом и выходом интегратора, вход преобразователя аналог - код соединен с выходом запоми0 ноющего 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 фор5

мирователя импульсов.

Т -а б л и ц а 1

II

Диапазон |ся, мкФ 1 Иш, Ом J СЭо,Р , икс «я CJap+Hnf J $, %

1553922

12 Таблица 2

Г-l 01

о-, го и-LO

s

л л

на

%

I

I

Х

г

yi

/1 ЧЧЧЧ

м

i+Я

1Ю

от fffl.8

Ulll v

Л1в

в/П

5лВ

Фиг. 5

ZZ6Ј«t