SU1553922A1

SU1553922A1 - Цифровой преобразователь электрической емкости

Info

Publication number: SU1553922A1
Application number: SU874335229A
Authority: SU
Inventors: Валерий Леонидович Пахомов; Андрей Евгеньевич Малафеев
Original assignee: Предприятие П/Я В-8657
Priority date: 1987-11-27
Filing date: 1987-11-27
Publication date: 1990-03-30

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл измерени емкостей с большими активными потер ми, расположенных на функциональной плате. Целью изобретени вл етс повышение точности, увеличение быстродействи и расширение диапазона преобразовател в область больших значений. Цифровой преобразователь электрической емкости содержит генератор 1 пр моугольных импульсов, интегратор 2, запоминающий блок 3, схемы 4 и 5 дл подключени объекта измерени , ключевой элемент 6, преобразователь 7 аналог-код, блок 8 управлени , формирователь 9 импульсов. 7 ил.

Description

(Л

С

ел

СП

СО

со ю к

Изобретение относитс к измеритель Ной технике и может быть использовано дл измерени емкостей с большими активными потер ми, расположенных на функциональной плате.

Цель изобретени - повышение точности , увеличение быстродействи и расширение диапазона преобразовани в Область больших значений,

На фиг. 1 приведена структурна устройства дл измерени электрической емкостиj на фиг. 2 - принципиальна схема генератора пр моугольных импульсов, интегратора и ключе- дого элемента; на фиг. 3 - принципи-- 4льна схема запоминающего блокад на фиг. 4 - принципиальна схема блока управлени ; на фиг. 5 и 6 - принципиальна схема формировател импульсов; на фиг. 7 - временные диаграммы.

Цифровой преобразователь электрической емкости содержит генератор 1 пр моугольных импульсов, интегратор 2, запоминающий блок 3, первую и вто- $ую клеммы дл подключени объекта измерени , ключевой элемент 6, преобразователь 7 аналог-код, блок 8 управлени и формирователь 9 импульсов.

Выход генератора 1 пр моугольных 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 дл подключени

3

фбъекта измерени и соответственно Ј первым и вторым выводами ключевого Элемента 6. Выход запоминающего блока 3 оединен с входом преобразовател 7 ана- .лог-код, выход которого вл етс выхо- Дом цифрового преобразовател . Первый и второй выходы блока 8 соответственно Соединены с первым и вторым входами формировател 9 импульсов, первый выход которого соединен с управл ющим входом генератора 1 пр моугольных импульсов и первым управл ющим входом запоминающего блока 3, второй выход - с управл ющим входом ключевого элемента 6, а третий выход - с вторым управл ющим входом запоминающего блока 3 и входом блока 8 управлени , адресные выходы которого соединены с адресными входами формировател 9 импульсов .

Генератор 1 пр моугольных импульсов (фиг. 2) предназначен дл задани 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 дл преобразовани тестового сигнала в зар дный ток, которым зар жаетс измер ема 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 дл разр да емкости С перед началом измерени 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 дл выборки и хранени величины UCx на измер емой емкости.

Преобразователь 7 аналог-код преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. В качестве преобразовател 7 может быть использован любой известный цифровой вольтметр, например В7-35А.

Блок 8 управлени (фиг. 4) предназначен дл задани диапазонов измерени , формировани импульсов запускай сброса устройства и содержит дешифратор диапазонов измерени ., который выполнен на регистре пам ти 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 дл формировани 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 зар дного 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 измерени (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 напр жени в момент времени t0 (фиг. 7а) начинаетс зар д конденсатора 61 блока 8 управлени (фиг. 4).

Длительность импульса сброса рассчитывают из величины 0,37 с.

Длительность переходных процессов &t при включении питани (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 устанавливаетс уровень 1 (фиг. 76). На выходе Q триггера 56 (фиг.4) и выходах Q1, ..., Q3 регистра 51 установитс уровень О, а на выходе Q триггера 56 уровень 1 (фиг.7г). Счетчики 72- 74 (фиг.5) формировател 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) формировател 9 импульсов , устанавлива выход Q этого триггера в О.

Цикл измерени начинаетс с подачи сигнала Запуск кнопкой 59 (фиг.4) блока 8 управлени . На выходе Q триггера 56 блока 8 управлени (фиг. 4) устанавливаетс уровень 1, который включает реле 20, подключающее своими контактами 21 и 22 (фиг. 2) измер ему емкость (С ) к интегратору .2 и выход запоминающего блока 3 через замыкающий контакт 50 (фиг. 3) к входу преобразовател 7 аналог-код. Измер ема емкость (Сх) разр жаетс через подключаемый параллельно ее клеммам замыкающий контакт 42 (фиг. 2) ключевого элемента 6. На одном входе элемента И 58 (фиг. 4) блока 8 управлени устанавливаетс уровень 1,- который разрешает прохождение сигнала Измерение, поступающего на другой вход элемента И 58 с кнопки 55. В зависимости от величины измер емой емкости, кнопками 52-55 блока 8 уп

5

0

5

0

5

0

5

0

равлени выбираетс диапазон измерени (табл. 1).

После подачи сигнала Измерение кнопкой 55 в момент времени tf (фиг. 7в) код диапазона измерени после записи в регистр 51 блока 8 управлени поступает на адресные входы мультиплексора 80 формировател 9 импульсов (фиг, 5а), определ длительность зар дного импульса.

Q-выход П-триггера 57 блока 8 управлени (фиг. 4) принимает уровень О (фиг. 7г), разреша работу счетчиков 72-74 (фиг.5), работающих в режиме делени частоты импульсов, поступающих с выхода таймера 67 формировател 9 импульсов. На выходе мультиплексора 80 формировател 9 импульсов по в тс импульсы длительностью Т}чр (фиг. 7е), котора определ етс комбинацией кода диапазона измерени на его адресных входах. Длительность разр да емкости (Сх) ключевым элементом 6 определ етс диапазоном измерени . Окончание разр да наступает после того, как соответствующий разр д счетчика 73 формировател 9 импульсов примет уровень 1. Реле 41 выключаетс и перед подачей зар дного импульса на измер емую емкость (С х) выбираетс соответствующа пауза , необходима дл надежного срабатывани замыкающего контакта 42 ключевого элемента 6 (фиг. 2). Поспе окончани сигнала Пауза в момент времени t 1 (фиг. 7) выход элемента И 82 (фиг. 5} формироватеч 9 импульсов устанавливаетс -п 1, срабатывает триггер 85 (фиг. 6 и 7ж) и импульс Зар д с выхода мультиплексора 80 (фиг. 5) через элемент И 81 (фиг. 6) формировател 9 импульсов поступает на управл ющие входы генератора 1 пр моугольных импульсов и запоминающего блока 3 и первого одновибратора 87 формировател 9 импульсов. С выхода электронного ключа 10 генератора 1 пр моугольных импульсов (фиг. 2) на вход операционного усилител 14 интегратора 2 поступает импульс зар дного тока (фиг. 7з), определ емый из соотношени

}5

- Ус

Ко

(1)

где 10 - зар дный ток емкости;

Uc - напр жение на стабилитроне 13;

R0 - сопротивление подстроечного резистора 12, Из услови работы операционного усилител следует, что

1с I.

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

Тогда величина напр жени на измер емой емкости (на выходе интегратора 2) определ етс соотношением з

L {

с,

и.

где Т

I0dt

(2)

Зогр

Tj}«Ј

СЯ

tl длительность за р дного импульса .

В реальных услови х на процесс из мерени оказывает значительное вли ние величина активного сопротивлени потерь измер емой емкости. Напр жени на выходе интегратора 2 в момент действи зар дного импульса будет иметь величину:

t,

Uf

Ior

J. Г

r. I

T0dt,

(3)

cx

где г - активное сопротивление потерь измер емой емкости. Дл того, чтобы избежать вли ни сопротивлени потерь на результат измерени , необходимо проводить измрение после окончани зар дного им-

10 О

пульса. В момент времени t и падение напр жени на активном сопротивлении потерь в момент начала и конца зар да компенсирует друг друга (фиг. 7л). Поэтому при проведении измерени после окончани зар да емкости величина напр жени на выходе интегратора 2 соответствует напр жению , до которого зар дилась емкость:

45

50

V-If1- «

Дл получени необходимой величины зар дного тока I0 20 мА на выход операционного усилител 14 интегратор

2включен усилитель мощности (фиг.2).

Импульс Зар д, поступающий на управл ющий вход запоминающего блока

3(фиг, 3) открывает ключ 44, разр жа запоминающий конденсатор 45. После окончани зар дного импульса в момент времени t3 (фиг. 7) по переднему фронту запускаетс первый одно- 55 вибратор 87 формировател 9 импульсов , вырабатывающий импульс задержки длительностью 3 мкс (фиг. 7и) не

5

0

обходимый дл исключени вли ни переходных процессов, имеющих место после окончани действи зар дного импульса. После окончани импульса задержки в момент времени t (фиг.7) по переднему фронту запускаетс второй одновибратор 88 формировател 9 импульсов, который вырабатывает сигнал Задержка длительностью 7 мкс (фиг.Ук), который поступает на управл ющий вход ключа 43 запоминающего блока 3 (фиг. 3), при этом напр жение с выхода интегратора 2 запоминаетс конденсатором 45 запоминающего блока 3 (фиг. 7м). С выхода повторител 49 (фиг.З) запоминающего блока 3 напр жение UCx поступает на вход преобразовател 7 аналог-код.

Величина измер емой емкости (С„) определ етс из формулы

0

5

0

5

0

5

С

1о Т

U

2L

Сх

(5)

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

(фиг. 6ж), запреща прохождение зар дного импульса.

После окончани сигнала Задержка в момент времени 1(фиг. 7) срабатывает триггер 57 блока 8 управлени (фиг. 7г), который обнул ет счетчики 72-74. После съема информации с преобразовател 7 аналог-код, кнопкой 64 блока 8 управлени подаетс сиг- 5 нал Сброс (фиг. 7в) и устройство готово к проведению следующего измерени .

При работе измерител в составе системы внутри схемного контрол вместо блока 8 управлени может быть использован блок св зи с ЭВМ.

Проанализируем погрешность измерени емкости предлагаемым устройством при наличии шунтирующего сопротивлени (RU,) . В момент окончани зар да t, (фиг. 7е, л) напр жение на выходе

интегратора 2 (фиг. 1):

L3ap КИС,

(Сзар)г10Кш(1-е)

(6)

при условии Кш га,

где ТЗЛр - врем зар да емкости (Сх).

В момент окончани паузы t5 (фиг. 7г, м) на выходе запоминающего блока 3 выдел етс напр жение:

Оз«с п

КшС,

изБ(Оп)10Кш(1-е ) е

RU.C,,

(7)

где

Л

врем преобразовани ,

Относительна погрешность измерени емкости Сх данного устройства

--йглйг 1-100 (8) (8) выражение (4) и

зе

Подставл 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 дл Иш 10 Ом; 100 Ом и дл разных величин емкостей (табл. 2).

Предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности и быстродействи при измерении емкостей с большими утечками, а также расширение диапазона преобразовани в емкости в область высоких значений.

Изобретение позвол ет создать автоматический измеритель емкостей с большими активными потер ми, расположенных на функциональной плате в составе системы внутрисхемного контрол печатных плат. При работе данного устройства в составе системы внутрисхемного контрол дл измерени емкостей , расположенных на функциональной плате, оно имеет по сравнению с прототипом точность измерени повышаетс в 5-153 раз в зависимости от величины шунтирующего сопротивлени и диапазона измерени , быстродействие в 3-32 раза.

Формула

и

10

3 О

б р е т е н и

5

Цифровой преобразователь электрической емкости, содержащий генератор пр моугольных импульсов, выход которого через интегратор соединен с входом запоминающего блока, вход интегратора соединен с первой клеммой, а выход - с второй клеммой дл подключени объекта измерени , ключевой элемент и преобразователь аналог - код, выход которого вл етс выходом цифрового преобразовател , отличаю- щ и., и с тем, что, с целью повышени точности, увеличени быстродействи и расширени диапазона преобразовани емкости в область больших значений , в него введены блок управлени

и формирователь импульсов, первый выход которого соединен с управл ющим входом генератора пр моугольных импульсов и первым управл ющим входом запоминающего блока, второй - с управ5 л ющим входом ключевого элемента, первый и второй выводы которого соответственно соединены с входом и выходом интегратора, вход преобразовател аналог - код соединен с выходом запоми0 ноющего блока, второй управл ющий вход которого соединен с третьим выходом формировател импульсов и входом блока управлени , первый, второй и адресные выходы которого соответственно соединены с одноименными входами фор5

мировател импульсов.

Т -а б л и ц а 1

II

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

1553922

12 Таблица 2

Г-l 01

о-, го и-LO

s

л л

на

%

I

Х

г

yi

/1 ЧЧЧЧ

м

i+Я

1Ю

от fffl.8

Ulll v

Л1в

в/П

5лВ

Фиг. 5

ZZ6Ј«t

Claims

Формула изобретения

Цифровой преобразователь электрической емкости, содержащий генератор ³ 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 элеРассчитаем величину погрешности предлагаемого устройства для = 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 2 область высоких значений.

Изобретение позволяет создать автоматический измеритель емкостей с большими активными потерями, расположенных на функциональной плате в сос- 2 таве системы внутрисхемного контроля печатных плат. При работе данного устройства в составе системы внутрисхемного контроля для измерения емкостей, расположенных на функциональной 2 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.

мент и преобразователь аналог - код, выход которого является выходом цифрового преобразователя, отличаю — щ н, й 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 управляющим входом ключевого элемента, первый и второй выводы которого соответственно соединены с входом и выходом интегратора, вход преобразователя аналог - код соединен с выходом запоминающего 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 формирователя импульсов.

Диапазон, Ж Величина измеряемой емкости,мк ♦ I 6,4-25,6 II 25,6-102,4 III 102,4-400 IV 400-1600 1600-6400

---------- -г Комбинация входного 2 кода ~Г“ ⁴ 1 0 0 0 1 ,0 0 0 1 1 0 1

т -а б . л и ц а 1 Разряд, Пауза, Заряд, мс мс мс 6,4 3,2 25 6,4 3,2 100 25,6 6,4 400 25,6 6,4 1600

I I '12

Диапазоиу С_я

Таблица 2

, мкФ И_ш, Ом | ^эар 9 МКС j “С ^v34p⁺ ^П9 5, % 12,5 100 25 35 + 1,8 12,5 10 25 35 + 19,5 50 100 100 110 + 1Л 50 10 100 110 + 12,6 200 100 400 410 + 1,06 200 10 400 410 + 11 800 100 1600 1610 + 1,02 800 10 1600 1610 + 10,5 3200 100 · 1600 1610 +0,3 3200 10 1600 1610 +2,6

Фиг. 2

Фог. 4

Фиг. 5 )553922 *55

Rf * Ί1⁹⁹ _{σί со}

П т 6 Ί Г Задержка__τ' ΰ2 де о й

Заряд ЪГ

-------->

к бл.1 бл.З

Сброс ofndij ^Измерение Д.

7~~~^

: S р D 35 Q = R

Фиг. 6