Устройство для измерения емкости конденсаторов Советский патент 1978 года по МПК G01R17/02 

Устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборах для измерения емкости и -отношения емкостей, в частности для из.-мерения емкости и коэффициента перекрытия по емкости варикапов.

Известно устройство для измерения емкости, содержащее генератор прямоугольных импульсов, дифференцирующие RC-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 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 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 расщирение 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 младщих 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 блока элементов ИЛИ, выходы которого через последовательно соединенные первый сумматор и блок выделения нуля подключены к другому входу блока управления, выходы которого соединены с управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого блоков совпадения и с одним из входов эле мента И, с другим входом которого соединен выход кварцевого генератора,, а выход элемента И соединен с другим входом счетчика, с входом младшего р,азряда второго блока элементов ИЛИ и входами пятого блока совпадения. Выходы второго блока совпадения соединены с 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 дополнительный переключатель с параллельно соединенными измеряемым и эталонны.м 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 элементов ИЛИ 19, 20, сумматоры 21, 22, блок выделения нуля 23 и элемент И 24. Блоки совпадения представляют собой набор элементов И, одни входы которых соединены вместе (управляющий вход блока и другие входы элементов И являются сигнальными входами блока совпадения). Источник опорного напряжения 4 служит для создания напряжения смешения при измерении параметров варикапов. Разряды счетчика 13 через сигнальные входы

Измеряемая вепичина

Переключатели блоков совпадения и блоков элементов ИЛИ (прямые выходы счетчика - через блок 14, обратные - через 15) соединены со сдвигом на один разряд с сумматорами 22, 21 так, что первый разряд счетчика соединен со вторыми разрядами сумматоров, а первые разряды сумматоров (м тадшие) соединены со входом элемента задержки через блоки совпадения. Блок выделения нуля 23 вырабатывает сигнал в момент, когда содержимое сумматора 22 равно нулю. Блоки элементов ИЛИ служат для развязки цепей. Переключатели 5-8, управляемые блоко.м управления 1, служат для коммутации измерительных цепей в зависимости от измеряемого параметра: емкости Су,.коэффициента перекрытия по емкости /С, отношения емкостей Д, С i/Cz, Ci С,: С С, (в.место эталонной ставится другая емкость). Как известно, искомая емкость может быть вычислена как t г - Г h -х - bj rj, г . i) где Cj - величина эталонной емкости; Го - период собственных колебаний измерительного контура; Гл - период колебаний контура при подключении к контуру измеряемой емкости;Гэ - период колебаний контура при подключении к контуру эталонной емкости. Это же выражение можно записать в виде(; Т -Т & - о,f, - СХг. 7, То ( где Сл,, Сл5 - емкость варикапа при первом и втором смешениях соответственно; 1 2 - период колебаний контура при подключении к контуру емкости варикапа при первом и втором смещениях соответственно. Как следует из формул (1) и (2) для вычисления по данным формулам необходимы четыре периода работы (три для измерения Т и четвертый для деления). Порядок срабатывания переключателей в зависимости от измеряемой величины приведен в таблице Рассмотрим работу преобразователя при измерении емкости С. В остальных случаях преобразователь работает аналогично (отличия приведены в таблице). При определении любой из указанных величин необходимо вычислять множитель вида-Тл -То ,„ А г/ -То -w При определении емкости величину эта лонной емкости необходимо взять кратной десяти и в конечном результате скорректировать запятую в множителе А, чтобы получить искомое значение. При измерении /Со и D, соответствующем выбором масштаба и числа разрядов можно получить нужную точность (эталонную емкост-ь в этом случае не используют), Известно, что 1 +3 + 5 + 7.-- .... + .(2Г-1) E(2i-l), тогда величи.ну А можно записать в виде: д. (Zi-i) - :Z C2L-f) ... ()- |: (2c-:/j Вычисления 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 I работы производится замер Тх. В этом случае к измерительному генератору 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 «Стоп закрывается, производя таким образом отсчет периода Г в цифровом виде. Импульсы поступают на счетчик 13, где суммируются. Блок управления в период I открывает постоянно первый блок совпадения 16 по управляющему входу. Импульсы в счетчик 13 поступают через элемент задержки 12. При этом в сумматоре 22 накапливается сумм,а Г+ 3-1-5 ... + (2Гх-1) Г/. Первый импульс с ключа 11 через блок управления 1 кратковременно открывает тре тий 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 каждый раз содержимое счетчика умножается на «2 путем сдвига, а в младщий разряд добавляется «1. В периоде II открыт второй блок совпадения, кратковременно открывается третий блок совпадения 14, в сумматоре 21 накапливается аналогично описанному выше Г, так как в этом случае к измерительному генератору 2 подключена согласно таблице через переключатель 8 эталонная емкость 9. В периоде III проводится замер Го 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 поступа-ет 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 Ti в обоих сумматорах, но в обратном дополнительном коде. По окончании замеpa Го в сумматоре 22 записано число 7;2 Г,2 С, а в сумматоре 21 - число Г/ - Г Д В периоде IV 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 младший 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 IV. 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 KQ 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 изобретения Устройство для измерения емкости конденсаторов, содержашее измерительный генератор, один из входов которого через переключатели подключен к эталонному и измеряемому конденсаторам, выходы измерительного генератора подключены к управляюшим входам ключа, другой вход которого соединен с выходом кварцевого генератора, блок управления, счетчик импульсов и сумматоры, отличающееся те.м, что, с целью расширения функциональных возможностей и упрощения устройства, в него 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 блока совпадения и подключен к выходу ключа; выход элемента задержки соединен с одним из входов сче,тчика, прямые выходы которого соединены fc 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 управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого блоков совпадения и с одним из входов элемента 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 дополнительный переключатель - с параллельно соединенными измеряемым и эталонным конденсаторами.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Авторское свидетельство СССР № 222530, кл. G 01 R 27/26, 05.04.67.

2.Линейный преобразователь емкостьчастота. Журнал «Измерительная техника

№ 5, 1975.