PL164794B1 - Układ do pomiarów r~apięć kontalłowtych metodą kondensatora cfynamicznego - Google Patents

Abstract

Układ do pomiarów napięć kontaktowych metodą kondensatora dynamicznego,składający się z generatora 57) periodycznie zmieniającego się sygnału elektrycznego połączonego poprzez wzmacniacz mocy z wibratorem sprzężonym z okładką kondensatora dynamicznego o jednej z okładek połączonej poprzez rezystor ze źródłem siły elektromotorycznej kompensacji oraz ze wzmacniaczem selektywnym o wyjściu połączonym z detektorem fazy, także połączonym bezpośrednio ze źródłem tej siły elektromotorycznej i z tym generatorem poprzez przesuwnik fazowy, znamienny tym, że ma dodatkowo połączone ze sobą programowany wzmacniacz (2) i blok kontrolno-sterujący(1), korzystnie zawierający prostownik (13) równolegle połączony z wejściem nieodwracającym napięciowego komparatora (14) i z wejściem odwracającym napięciowego komparatora (15), a pozostałe wejścia tych komparatorów są odpowiednio połączone ze źródłami(16,17) napięcia referencyjnego, a ich wyjścia odpowiednio są połączone z wejściami dwuwejściowych bramek (18,19) typu AND lub NAND i pozostałe wejścia generatora (20), a wyjścia bramek odrębnie są połączone z wejściem zliczającym do przodu i wejściem zliczającym wstecz licznika (21) o wyjściu połączonym z wyjściem (22) tego bloku oraz z wejściem konwertera (23) cyfrowoanalogowego o wyjściu osobno połączonym z wyjściem (22), przy czym wejście (12) bloku kontrolno-sterującego (1)jest włączone między połączenie selektywnego wzmacniacza (9) i detektora (5) fazy, a wzmacniacz (2) jest włączony między wzmacniacz (6) mocy i generator (3) oraz przesuwnik (4) fazy

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiarów napięć kontaktowych metodą kondensatora dynamicznego, mający zastosowanie w technice pomiarowej stosowanej w fizyce, elektrochemii oraz w przemyśle mikroelektronicznym.

Znane do tego celu układy są przykładowo opisane przez N. A. Surplice i R. J. D' Arcy w pracy monograficznej, poświęconej technice pomiarowej napięć kontaktowych metodą kondensatora dynamicznego (metoda Kelvina), p.t. „A critique of the Kelvin method of measuring work function zamieszczonej w angielskim czasopiśmie Journal of Physics E: Scientific Instruments - tom 3 z 1970 r.

Znany układ zawiera generator, periodycznie zmieniającego się sygnału elektrycznego, połączony poprzez wzmacniacz mocy z wibratorem sprzężonym z okładką kondensatora dynamicznego. Jedna z okładek kondensatora dynamicznego jest uziemiona, natomiast druga okładka jest połączona z wzmacniaczem selektywnym oraz poprzez rezystor ze źródłem siły elektromotorycznej kompensacji. Wyjście wzmacniacza selektywnego jest połączone z detektorem fazy. Detektor jest także połączony bezpośrednio ze źródłem tej siły elektromotorycznej, oraz z generatorem poprzez przesuwnik fazowy.

Działanie znanego układu polega na tym, że między okładkami kondensatora dynamicznego wytwarza się napięcie kontaktowe wywołane różnicą prac wyjścia elektronu z powierzchni tych okładek. Sumaryczne napięcie na okładkach jest równe sumie napięcia kontaktowego i wartości napięcia podawanego z źródła siły elektromotorycznej kompensacji. Ruch jednej z okładek, wywołany za pomocą wibratora sterowanego poprzez wzmacniacz mocy z generatorem, wywołuje periodyczne zmiany pojemności kondensatora powodujące z kolei w rezystorze przepływ prądu ładującego lub rozładowującego kondensator. Prąd płynący w rezystorze powoduje powstanie na tym rezystorze sygnału napięciowego podawanego po odpowiednim jego wzmocnieniu w wzmacniaczu selektywnym do detektora fazy. W detektorze fazy następuje porównanie fazy sygnału z kondensatora dynamicznego z fazą sygnału z przesuwnika fazowego generującego sygnał skorelowany z sygnałem generatora sterującego kondensatorem dynamicznym. Detektor fazy steruje tak źródłem siły elektromotorycznej kompensacji by wartość napięcia wyjściowego z tego źródła była równa co do wartości, a przeciwna co do znaku, mierzonemu napięciu kontaktowemu. Gdy stan ten

164 794 zostanie osiągnięty, to sygnał podawany do detektora fazy stanowi tylko tzw. sygnał szumowy, to jest nieskorelowany w fazie z sygnałem z generatora sterującego wibratorem pobudzającym do drgań okładkę kondensatora dynamicznego. Tak więc w stanie tym, napięcie generowane w źródle siły elektromotorycznej jednoznacznie określa wartość napięcia kontaktowego.

Niedogodnością znanego układu jest to, że w miarę jak wartość napięcia wyjściowego źródła siły elektromotorycznej kompensacji staje się coraz bliższa wartość mierzonego napięcia kontaktowego. to amplituda sygnału generowanego w kondensatorze dynamicznym znacząco maleje. Bardzo często, nawet przy dużej różnicy między napięciem kontaktowym a napięciem ze źródła siły elektromotorycznej kompensacji, amplituda sygnału mierzonego staje się niższa od poziomu szumów generowanych tak w kondensatorze dynamicznym jak i w elektronicznej części układu. Efekt ten uniemożliwia prawidłowy pomiar w detektorze fazy stopnia skorelowania sygnału mierzonego z sygnałem z generatora wprawiającego w drgania okładkę kondensatora dynamicznego, co staje się przyczyną powstawania niedokładności w takim wysterowaniu przez detektor fazowy źródła siły elektromotorycznej kompensacji by wartość napięcia generowanego na jego wyjściu z dużą dokładnością odpowiadała mierzonemu napięciu kontaktowemu, co jest przyczyną powstawania relatywnie dużych błędów przy pomiarach napięć kontaktowych.

Istotą rozwiązania według wynalazku jest to, że ma połączone ze sobą wzmacniacz programowany i blok kontrolno-sterujący o wejściu włączonym między połączenie wzmacniacza selektywnego i detektora fazy znanego układu i w nim wzmacniacz ten jest włączony między wzmacniacz mocy i generator periodycznie zmieniającego się sygnału. Blok kontrolno-sterujący, korzystnie zawiera prostownik równolegle połączony z wejściem nieodwracającym komparatora napięciowego i z wejściem odwracającym dodatkowego komparatora napięciowego, a pozostałe' wejścia tych komparatorów są odpowiednio połączone z dwoma źródłami napięcia referencyjnego a ich wyjścia odpowiednio są połączone z wejściami dwóch jednakowych bramek typu AND lub NAND. Pozostałe wejścia tych bramek wspólnie są połączone z wyjściem generatora zegarowego, a wyjścia tych bramek odrębnie są połączone z wejściem zliczającym do przodu i z wejściem zliczającym wstecz licznika. Wyjście licznika jest połączone z wejściem tego bloku oraz z wejściem konwertera cyfrowo-analogowego o wyjściu osobno połączonym z tym samym wyjściem bloku.

Zaletą układu według wynalazku jest to, że dzięki zastosowaniu programowanego wzmacniacza, sterowanego napięciowo, prądowo lub cyfrowo i bloku kontrolno-sterującego tym wzmacniaczemuzyskuje się wysoką dokładność pomiaru napięć kontaktowych, bowiem w miarę jak wartość napięcia wyjściowego źródła siły elektromotorycznej kompensacji staje się coraz bliższa wartości mierzonego napięcia kontaktowego, to wzrasta amplituda sygnału wprawiającego w ruch okładkę kondensatora dynamicznego, co z kolei powoduje zwiększenie amplitudy mierzonego sygnału wygenerowywanego w tym kondensatorze. Zapobiega to tym samym powstawaniu efektu spadania amplitudy mierzonego sygnału poniżej poziomu szumów przy relatywnie dużej różnicy między napięciem kontaktowym a napięciem ze źródła siły elektromotorycznej kompensacji. W ten sposób staje się możliwy prawidłowy pomiar w detektorze fazy stopnia skorelowania sygnału mierzonego z sygnałem z generatora wprawiającego w drgania okładkę kondensatora dynamicznego, co pozwala na bardzo dokładne wysterowanie przez detektor fazowy źródła siły elektromotorycznej kompensacji, tak by wartość napięcia generowanego na jego wyjściu z dużą dokładnością odpowiadała mierzonemu napięciu kontaktowemu. Układ według wynalazku pozwala więc na uzyskiwanie dużych dokładności pomiaru napięć kontaktowych poprzez eliminacje powstawania w kondensatorze dynamicznym i elektronicznej części układu niekorzystnego stosunku amplitudy właściwego sygnału mierzonego do poziomu szumów.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia blokowy schemat elektryczny układu, natomiast fig. 2 - schemat elektryczny bloku kontrolno-sterującego.

Układ według wynalazku ma blok kontrolno-sterujący 1 połączony z programowanym wzmacniaczem 2, z kolei połączonym z generatorem 3 periodycznie zmieniającego się sygnału elektrycznego oraz poprzez przesuwnik 4 fazy z detektorem 5 fazy. Następnie wyjście wzmacniacza 2 jest połączone poprzez wzmacniacz 6 mocy i wibrator 7 sprzężony z okładką dynamicznego kondensatora 8. Przeciwległa okładka tego kondensatora jest połączona poprzez selektywny wzmacniacz 9 z blokiem 1 oraz z detektorem 5. Detektor 5 jest połączony także poprzez źródło 10 siły elektromotorycznej kompensacji i rezystor 11 z przeciwległą okładką kondensatora 8.

164 794

Blok kontrolno-sterujący 1, korzystnie zawiera na wejściu 12 prostownik 13 równolegle połączony z wejściem nieodwracającym napięciowego komparatora 14 i z wejściem odwracającym napięciowego komparatora 15. Pozostałe wejścia komparatorów 14,15 z osobna są odpowiednio połączone ze źródłami 16, 17 napięcia referencyjnego. Z kolei wyjścia komparatorów 14, 15 odrębnie są połączone z wejściami dwuwejściowych bramek 18, 19 typu AND lub NAND, z których pozostałe wejścia są wspólnie połączone z wyjściem zegarowego generatora 20. Wyjście bramki 18 jest połączone z wejściem zliczającym wstecz licznika 21, natomiast wyjście bramki 19 jest połączone z wejściem zliczającym do przodu licznika 21 o wyjściu połączonym z wyjściem 22 tego bloku, oraz także jest połączone z wejściem konwertera 23 cyfrowo-analogowego, przy czym wyjście tego konwertera osobno jest połączone z wyjściem 22.

Działanie układu według wynalazku polega na tym, że do wejścia sygnału mierzonego detektora 5 jest podawany sygnał napięciowy wzbudzany w rezystorze 11 przez prąd ładowania/rozładowywania kondensatora 8, którego jedna z okładek jest pobudzana do drgań przez wibrator 7, sterowany z generatora 3, poprzez wzmacniacze 2 i 6. Jednocześnie do wejścia sygnału referencyjnego detektora 5 jest podawany, poprzez przesuwnik 4 sygnał z generatora 3. W detektorze 5 dokonuje się porównanie faz sygnałów z obu wejść i w zależności od wyniku tego porównania, to jest stwierdzenia zgodności faz lub ich przesunięcia o pół okresu, na wyjściu detektora 5 pojawia się odpowiedni sygnał sterujący źródłem 10, celem zwiększenia lub zmniejszenia jego napięcia wyjściowego podawanego przez rezystor 11 do kondensatora 8 dla odpowiedniego skompensowania napięcia kontaktowego istniejącego między okładkami tego kondensatora. Przy dużej różnicy między napięciem generowanym na wyjściu źródła 10 i napięciem kontaktowym, kiedy sygnał generowany drganiami kondensatora 8 może powodować przesterowanie wzmacniacza 9, blok 1 redukuje do minimum wzmocnienie wzmacniacza 2 i w ten sposób odpowiednio zmniejsza amplitudę drgań okładki kondensatora 8 a tym samym zmniejsza też amplitudę sygnału podawanego poprzez wzmacniacz 9 do detektora 5, co umożliwia jego prawidłowe działanie.

W miarę jak wartość napięcia wyjściowego źródła 10 staje się coraz bliższa wartości napięcia kontaktowego w kondensatorze 8 i tym samym zmniejsza się amplituda sygnału podawanego przez wzmacniacz 9 do detektora 5, to blok 1 odpowiednio zwiększa wzmocnienie wzmacniacza 2, a więc podnosi amplitudę drgań okładki kondensatora 8, co z kolei powoduje zwiększenie amplitudy mierzonego sygnału wygenerowywanego w tym kondensatorze. Umożliwia to prawidłowe porównywanie faz sygnałów podawanych do detektora 5 aż do momentu stwierdzenia zaniku jakiejkolwiek korelacji między tymi sygnałami, co jest równoznaczne z tym, że napięcie wyjściowe źródła 10 określa wartość mierzonego napięcia kontaktowego w kondensatorze 8. Działanie bloku kontrolno-sterującego 1 ma na celu zapobieganie powstawania w układzie niekorzystnego efektu spadania amplitudy mierzonego sygnału z kondensatora 8 poniżej poziomu szumów. Sygnał podawany do wejścia sygnału mierzonego detektora 5 jest równolegle podawany poprzez wejście 12 bloku 1 do prostownika 13 i po wyprostowaniu jest porównywany poprzez komparatory 14 i 15, odpowiednio z napięciami wyjściowymi źródeł 16 i 17. Jeśli napięcie z prostownika 13 jest wyższe od napięcia ze źródła 16, co oznacza, że amplituda sygnału na wyjściu wzmacniacza 9 jest zbyt duża, to wyjście komparatora 14 przechodzi w stan aktywny i bramka 18 przepuszcza inpulsy z generatora 20 do wejścia zliczającego wstecz licznika 21 zmniejszając jego zawartość, a tym samym wielkość sygnału generowanego przez konwerter 23.

W zależności od tego czy wzmacniacz 2 jest programowany cyfrowo czy też napięciowo lub prądowo, to na jego wejście programujące jest przekazywana poprzez wyjście 22 bloku 1 informacja odpowiednio z wyjścia licznika 21 lub konwertera 23 powodująca zmniejszenie wzmocnienia wzmacniacza 2. Jeśli napięcie z prostownika 13 jest niższe od napięcia ze źródła 17, co oznacza, że amplituda sygnału na wyjściu wzmacniacza 9 jest zbyt mała, to wyjście komparatora 15 przechodzi w stan aktywny i bramka 19 przepuszcza impulsy z generatora 20 do wejścia zliczającego do przodu licznika 21 zwiększając jego zawartość a równocześnie wielkość sygnału generowanego przez konwerter 23. Powoduje to zwiększenie wzmocnienia wzmacniacza 2 aż do jego ustabilizowania się na poziomie odpowiadającym żądanemu poziomowi amplitudy sygnału na wyjściu wzmacniacza 9, co jest zadane przez napięcia wyjściowe źródeł 16 i 17.

164 794

Fig.1

Fig.2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Układ do pomiarów napięć kontaktowych metodą kondensatora dynamicznego, składający się z generatora periodycznie zmieniającego się sygnału elektrycznego połączonego poprzez wzmacniacz mocy z wibratorem sprzężonym z okładką kondensatora dynamicznego o jednej z okładek połączonej poprzez rezystor ze źródłem siły elektromotorycznej kompensacji oraz ze wzmacniaczem selektywnym o wyjściu połączonym z detektorem fazy, także połączonym bezpośrednio ze źródłem tej siły elektromotorycznej i z tym generatorem poprzez przesuwnik fazowy, znamienny tym, że ma dodatkowo połączone ze sobą programowany wzmacniacz (2) i blok kontrolno-sterujący (1), korzystnie zawierający prostownik (13) równolegle połączony z wejściem nieodwracającym napięciowego komparatora (14) i z wejściem odwracającym napięciowego komparatora (15), a pozostałe wejścia tych komparatorów są odpowiednio połączone ze źródłami (16, 17) napięcia referencyjnego, a ich wyjścia odpowiednio są połączone z wejściami dwuwejściowych bramek (18, 19) typu AND lub NAND i pozostałe wejścia generatora (20), a wyjścia bramek odrębnie są połączone z wejściem zliczającym do przodu i wejściem zliczającym wstecz licznika (21) o wyjściu połączonym z wyjściem (22) tego bloku oraz z wejściem konwertera (23) cyfrowoanalogowego o wyjściu osobno połączonym z wyjściem (22), przy czym wejście (12) bloku kontrolno-sterującego (1) jest włączone między połączenie selektywnego wzmacniacza (9) i detektora (5) fazy, a wzmacniacz (2) jest włączony między wzmacniacz (6) mocy i generator (3) oraz przesuwnik (4) fazy.

   * * *