Устройство для измерения электри-чЕСКОй ЕМКОСТи Советский патент 1981 года по МПК G01R27/26 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в приборах для измерения емкостей конденсаторов, варикапов и др. -частотным методом. Известно устройство для измерения емкости конденсаторов, содержащее, измерительный генератор, один из вхо дов которого через переключатели под ключен к эталонному и измеряемому конденсаторам, выходы измерительного генератора подключены к управляющим входам ключа, другой вход которого соединен с выходом кварцевого генера тора, блок управления, счетчик импульсов , сумматоры D-l Это устройство в области значений измеряемой емкости, близкой к значению эталонной емкости, имеет значительную погрешность измерения. Известно также устройство для измерения емкости, содержащее измерите ключ, блок управления ный генератор. счетчик импульсов, сумматоры, источник опорного напряжения, блоки элементов ИЛИ, блоки совпадения, блок выделения нуля, элемент задержки 23 Однако это устройство также имеет в области значений измеряемой емкоети, близкой к величине эталонной емкости, большие погрешности. Целью изобретения является повышение точности измерения. Для этого в устройство для изме рения емкости, содержащее измерительный генератор, соединенный с измеряемым и эталонным конденсаторами через переключатели, ключ, блок управления, счетчик импульсов, блок совпадения, блок вьщеления нуля, кварцевый генератор, сумматоры, которые через блоки совпадения соединены со счетчиком импульсов, дополнительно введены регистр, который соединен с блоком управления умножением и со счетчиком с переменным коэффициентом пересчета, блок выбора эталонной емкости, вход которого соединен с регистром, а выход с переключателями набора эталонных емкостей, причем блок управления умножением соединен с сумматором, блок совпадения, который соедшнен со счетчиком импульсов и выходом сумматора, регистр в свою очередь соединен, со счетчиком через блок выбора предела, а счетчик с переменным коэффициентом пересчета - и блоком управления и измерительным генератором. На чертеже приведена структурная схема устройства для измерения электрической емкости. Устройство содержит блок управления 1, измерительный генератор 2, кварцевый генератор 3, счетчик с реЬу ируемым коэффициентом пересчета 4, пере.слючатели 5, 6...бп, управляемые блоком выбора эталонного конденсатора 7, набор эталонных конденсаторов 8...8п, измеряемый конден сатор 9, счетчики импульсов 10 и 11j блоки совпадения 12-18/ сумматоры 19 и 20, блок выделения нуля 21, элемен ты И 22 и 23, блок выбора предела 24, регистр 25, блок управления умножением 26. Блок совпадения предста ляет собой набор элементов И, одни входы которых соединены вместе - управлчющий вход блока, другие входы элементов И являются сигнальными вхо дами блока совпадения. Разряды счетчика 10 через сигнальные входы блока совпадения (прямые выходы счетчика через блок 12 15), обратные через 13 (16)) соединены со сдвигом на один разряд с сумматором 19 (20) так что первый разряд счетчика соединен с вторыми разрядами сумматоров, а первые разряды сумматоров (самые млсщшие). соединены постоянно с логической единицей через блоки совпадения. Блок выделения нуля 21 вырабаты вает сигнал в момент, когда содержимое сумматора 19 равно нулю. Устройство работает следующим образом. Величина измеряемой емкости определяется посредствомизмерения перио да собственных колебаний измерительного генератора и периодов колеб ний генератора с подключенным эталон ным конденсатором.и измеряемым конденсатором Тд- и Tj соответственно -К ibli k -- -J-iL-, Cii К; ,(1) К . - коэффициент, равный л - - --Э - коэффициент умножения числителя, задаваемый блоком управления умножением; T Э 0 исло импульсов при измерении TJ , Т, TQ причемМу-- 1 --П(; г. - коэффициент измере ния периода, равный коэффициенту пересчета счетчика 4; к% период колебаний кв цевого генератора 3 При измерении больших емкостей, когда Т большое, г, - уменьшается, обеспечивая при этом равномерность погрешности и более полное использо вание-сумматора при различных эталонных емкостях. В данном устройстве реализуется автоматический выбор предела. Измеения .проводятся в два этапа. Перый - измерение емкости с пониженной точностью и второй - измерение мкости с повышенной точностью. На первом этапе при одной (любой) талонной емкости величина устанавивается минимальной. В этом случае огрешность измерения большая, так как число N мало. В этом случае зна-. чение эталонной емкости определяется грубо. На втором этапе при подключеннойопределенной емкости измеряется величина емкости с повышенной точностью. Выполнение обоих этапов идентично, отличие же только в величинах времени измерения. На любом этапе имеются следущие 5 периодов работы: 3 - периода - измерения Т, четвертый - умножение на К.; пятый - деления На первом этапе блок управления 1 выдает в регистр 25 код эталонной емкости и в счетчик 4 минимальный коэффициент пересчета. Значение измеренной на первом этапе емкости запоминается в счетчике 11 и поступает на блок выбора предела 24, выбранный предел запоминается в регистре 25. От регистра управляются счетчик 4, блок выбора эталонной емкости 7, блок управления умножением 26 . На втором этапе измерения производятся при выбранной на первом этапе эталонной емкости. Значение ее выбирается блоком 24 максимально близким к емкости, измеренной на первом этапе. Известно, что N 1 + 3 + 5 +...+ + (2N-1) 5 (2i-l), когда выражение (1) можно записать в виде NX С-к )-ng,) г(ген)-Е(1п-) - Согласно этому выражению производится вычисление. В начале работы счетчик и сумматоры, а в конце первых трех периодов работы только счетчик сбрасывается в ноль (цепи сброса условно не показаны). В 1 периоде производится измерение Т путем счета Nj(. В этом случае к генератору 2 подключается через переключатель 5 неизвестная емкость, измерительный генератор 2 изменяет частоту колебаний и устройство управления 1 выра-. батывает импульс Пуск на счетчик 4. Счетчик при этом открывается и пропуекает импульсы с генератора 2. Счетчик 4 через г импульсов вырабатыва ет импульс Конец, производя отсче периода Т, в число - импульсном код и гасит сигнал Пуск. Одновременно с генератора 3 импульсы поступает на счетчик 11, где суммируются. Бло управления в первый период открывае первый блок совпадения 12 по управл ющему входу. Импульсы в счетчик 10 поступают после считывания числа со счетчика в сумматор. При этом в сум маторе 19 накапливается сумма .1 + 2 + 5 +.. .+ () Это происходит за счет того, что Ьервый импульс через блок управлени 1 кратковременно открывает блок сов падения 12, перенося число О плюс 1 в младшие разряды из счетчика (О в сумматор 19). На последующих импульсах работа аналогична, каждый раз число счетчика умножается на 2 путем сдвига, а в младший разряд добавляется 1. Во втором периоде открыт второй блок совпадения 15, в сумматоре 19 накапливается аналогично описанному выше сумма N, пропорциональная Т, так как в этом случае к измерительному генератору 2 подключена через переключатель 8. . .8п эталонная емкость 6 .. .6п . В третьем периоде производится измерение Тд, ни один переключатель не замкнут. При этом открыты третий и четвертый БСС-13, 16.обратный код со счетчика 10 поступает на сумматоры 19, 20, а единица добавляется, в мцадший разряд, образуя таким образом дополнительный код суммы ряда нечетных чисел. При этом аналогично описанному выше накапливаются суммы равные N в обоих сумматорах только в дополнительном коде. После окончания измерения Тд в сумматоре 19 запи шется число, равное N - NQ С, а в сумматоре 20 N - N D В четвертом периоде происходит . умножение числителя на коэффициент К. Коэффициент К целесообразно всего выбирать равным числу равному 2. В этом случае при умножении числителя на К . в двоичном коде необходимо произвести S сдвигов. Умножение производится следующим образом. Предварительно число из сумматора 19 через блок совпадения 18переносится в счетчик 10. Число К, представляется двоичным эквивал нтом. Процесс начинается со старших разрядов. Если в разряде 1, то число из счетчика 10 через блок совпадения 12 переносится в сулматор 19и суммируется с его содержимым, затем результат сложения с выхода сумматора 19 через блок совпадения/ 14 подается насумматор, число суммируется само с собой, производя сдвиг. Умножение в случае единицы в разряде числа К на этом оканчивается. Если же в разряде О, то произВОДИТСЯ,ТОЛЬКО сдвиг числа. Таким образом, в сумматоре 19 по окончанию 4 периода запишется число СК-. В конце 4. период число О из сумматора 20 через блок сравнения 17 записывается в счетчик 10. В пятом периоде работы блок управления открывает элемент И 22, импульсы с генератора поступают в счетчик 11, каждый импульс открывает через блок упрайления блок совпадения 13, добавляет единицу в младший разряд сумматора, переносит в дополнительном коде число из счетчика 10 в сумМатор 19. Так как число D поступает в дополнительном коде, то оно вычитается из числа . В момент, когда, содержимое сумматора 19 будет равно нулю, срабатывает блок 21 выделения нуля, воздействуя на блок управления, прекращая работу в 5-том периоде. В результате в счетчике 11 будет записано число вычитаний числа о из числа CK.J, т. е. результат деления или величина емкости. Формула изобретения Устройство, для измерения электрической емкости, содержащее измерительный генератор, соединенный с измеряемым и эталонным конденсаторами через переключатели, ключ, блок управление, счетчик импульсов, блоки совпадения, блок вьщеления нуля, кварцевый генератор, сумматоры, который через блоки совпадения соединены со счетчиком импульсов, отличающееся тем, что, с целью повыиения,точности, дополнительно введены регистр, который соединен с блоком управления ум- . ножением и со счетчиком с переменным коэффициентом пересчета, блек выбора эталонной емкости, вход которого соединен с регистром, а выход с переключателями набора эталонных емкостей, причем блок управления умножением соединен с сумматором совпадения, который соединен со счетчиком импульсов и выходом сумматора, регистр в свою очередь соединен со счетчиком через блок выбора предела, а счетчик спеременным коэффициентом пересчета блоком управления и измерительным генератором. Источники, информации, ринятые во внимание при экспертизе 1. Измерительная техника, №5, 1975, с. 67.. 2.Авторское свидетельство СССР 618688, кл. G 01 R 17/02, 1977 (прототип). v.-л. 1 ГТ /(онец