Я. ХІАН (ЧССР)

Цифрові мікросхеми, які отримали в даний час широке поширення, докорінно змінили багато вимірювальні прилади. Вони дозволили, наприклад, помітно спростити апаратуру, що використовує традиційні методи вимірювання параметрів радіоелектронних компонентів, підвищити точність вимірювань. Крім того, природно, з’явився і зовсім новий клас приладів з цифровою обробкою інформації. Обидва ці напрямки проілюстровані в цій статті на приладах для вимірювання ємності конденсаторів.

Принципова схема простого вимірювача ємності показана на рис 1, а. На двох елементах АБО – НЕ мікросхеми D1 (D1.1 і D1.2) зібраний мультивібратор, період коливань якого визначається ємністю конденсатора С1 і опором одного з резисторів R1-R3 (залежно від піддіапазону вимірювань). З мультивибратора імпульси через диференціюються ланцюг С2 R4 надходять иа однібратор, який виконаний на елементах D1.3 і D1.4. Тривалість імпульсів на виході одновібратора залежить від ємності вимірюваного конденсатора С (його підключають до затискачів XI і Х2) і від опору одного з резисторів – RS або R6 (залежно від піддіапазону вимірювань). Оскільки на виході одновібратора на кожному з піддіапазонів ми отримуємо імпульси з фіксованою частотою повторення і тривалістю прямопропорційної вимірюваної ємності, то середнє значення струму або напруги в точці Я буде пропорційно величині ємності С. Ця напруга вимірює найпростіший вольтметр на транзисторі VI. Калібрування приладу здійснюють на одному з поддиапазонов підлаштування резистором R8. Інтегруючий конденсатор С4 усуває тремтіння стрілки міліамперметра РА1, яке може бути особливо помітно при вимірюванні великих ємностей.

Рис. 1

Вузол ка мікросхемі D.1 можна використовувати як приставку для вимірювання ємностей до цифрового вольтметру постійного струму. Його підключають в точку А через дільник з інтегруючим конденсатором (рис. 1, б). Вольтметр постійного струму повинен мати межу виміру 1 В. Калібрування приставки виробляють в цьому випадку підлаштування резистором R12.

Прилад дозволяє вимірювати ємності конденсаторів від 100 пФ до 1 мкФ на чотирьох піддіапазонах з верхніми межами 1000 ПФ, 0,01, 0,1 і 1 мкФ. Точність вимірювань визначається в першу чергу розкидом опорів резисторів R1-R3 і R3-R6. Якщо є така можливість, то їх бажано підібрати так, щоб відношення опорів було кратно 10 з мінімальною похибкою (не гірше 5%). Тоді калібрування приладу на одному з піддіапазонів підлаштування резистором R8 автоматично забезпечить зазначену точність вимірювань на всіх інших піддіапазонах. Шкалу миллиамперметра РА1 градуіруют безпосередньо в одиницях ємності. Вона линейна за винятком початкової неробочий області. Струм повного відхилення міліамперметра РА1 1 мА. Оскільки струм, споживаний приладом, вкрай малий, то живити його можна від батареї.

Уникнути необхідності підбору резисторів в подібному вимірнику ємності можна введенням цифрових подільників частоти. Принципова схема же такого варіанту приладу для вимірювання ємності приведена на рис. 2. Генератор на мікросхемі D1 виробляє імпульси з частотою повторення 1 МГц. На виході чотирьох послідовно включених дільників D2-D5 вихідні імпульси будуть мати частоти повторення відповідно 100, 10,1 і 0,1 кГц. Ці імпульси (з якого

Рис. 2 саме виходу залежить від положення перемикача меж вимірювання S1) запускають одновнбратор на мікросхемі DD6. Тривалість вироблюваних їм імпульсів визначається ємністю вимірюваного конденсатора Зх> який підключають до затискачів XI і Х2. Середнє значення вихідної напруги одновібратора, яке, як і в попередньому варіанті приладу, пропорційно ємності вимірюваного конденсатора, реєструє стрілочний вольтметр (струм повного відхилення мікроамперметра РА1 – 100 мкА). Підлаштування резистори R3 і R4 призначені для установки нульових показань приладу за відсутності конденсатора Οχ. Справа в тому, що і в цьому випадку одновібратор виробляє короткі (тривалістю приблизно 50 нс) імпульси через наявність паразитних ємностей. Це викликає відхилення стрілки мікроамперметра РА1. Найбільша похибка при цьому вноситься на першому піддіапазоні (вимірювання ємності до 100 пФ), тому для нього запроваджено окремий підлаштування резистор R4. На всіх інших піддіапазонах для установки нульових показань микроамперметра РА1 використаний загальний резистор R3, яким балансують бруківку схему вольтметра на другому піддіапазоні (вимірювання ємності до 1000 пФ). При цьому на всіх інших піддіапазонах баланс моста буде зберігатися. Калібрування приладу здійснюють підлаштування резистором R5 на першому піддіапазоні, підключивши до затискачів XI і Х2 конденсатор ємністю 100 пФ.

У даному варіанті приладу точність вимірювань помітно вище, ніж у попередньому, і залежить, по суті, лише від точності його калібрування і від тимчасової стабільності частоти генератора на мікросхемі D1. Для її підвищення конденсатори С1 і С2 необхідно використовувати з малими значеннями температурного коефіцієнта ємності. На точність вимірювань впливає також і напруга живлення, тому тут доцільно застосувати стабілізований джерело живлення. Струм, споживаний приладом, не перевищує 200 мА.

Обидва ці приладу для вимірювання ємності ілюструють, по суті, застосування цифрових мікросхем в аналогових вимірювальних приладах. Прилад, спрощена функціональна схема якого показана на рис. 3, а принципова – на рис. 4 і 5, являє собою пристрій іншого класу – прямопоназивающій цифровий вимірювач ємності. Метод вимірювання ємності в цьому приладі заснований на генерації послідовності імпульсів, число яких пропорційно ємності вимірюваного конденсатора. Реєстрація цих імпульсів здійснюється лічильником з відповідним дисплеєм.

Від прецизійного генератора тактових імпульсів 1 (рис. 3) імпульси надходять через вузол керування 2 в одновібратор 3, який перебуватиме в квазтабільном стані протягом інтервалу часу т = RC In 2. Протягом цього

Рис. 3

інтервалу часу рахункові імпульси можуть проходити через логічний елемент 2І – НЕ (4) на лічильник імпульсів (на рис. 3 не показаний). Як тільки одновібратор повернеться в початковий стан, то закінчиться проходження рахункових імпульсів через елемент 4, а вузол керування виробить імпульс управління пам’яттю (для перепису в неї поточного значення змісту лічильника) і потім імпульс установки лічильника в нульові

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6 витті стан. Після цього цикл вимірювання повторюється.

Прилад конструктивно розділений на два функціонально закінчених вузла. В одному знаходяться всі каскади за винятком генератора тактових імпульсів, який разом з відповідними делителями частоти утворює другий функціональний вузол приладу.

Однозібратор зібраний на мікросхемі D1. Вимірюваний конденсатор підключають до затискачів XI і Х2. Тривалість генерованого імпульсу визначається ємністю цього конденсатора і або опором резисторів R1 + R2, або сумарним опором резисторів R1-R4 (коли замкнуті контакти перемикача S2). Розрахунковий опір хронометрує резистора в першому випадку 15 кОм (його встановлюють підлаштування резистором R2), у другому випадку – 1,5 кОм (встановлюють підлаштування резистором R4). Зміна на порядок хронометрує резистора одновібратора дозволяє на порядок зрушувати піддіапазони вимірювань приладу, розширюючи тим самим його можливості. З виходу одновібратора імпульс надходить на логічний елемент D5.4, на другий вхід якого надходять лічильні імпульси з частотою повторення /р (З другого вузла приладу). Ці імпульси підраховуються чотирирозрядний лічильником на мікросхемах D7-D10. Крім того, імпульс з виходу одновібратора на мікросхемі D1 поступає на одновібратор на мікросхемі D2 і своїм спадом запускає його. Таким чином, в момент припинення рахункових імпульсів генерується короткий імпульс, який змінює стан тригера D6 і дозволяє тим самим проходження імпульсів з частотою повторення 10 Гц (з другого вузла приладу) на подпрограммний лічильник, виконаний на мікросхемі D3. Він формує затримку в 0,9 с і ініціалізує початок наступного циклу вимірювань установкою тригера D6 в початковий стан і запуском одновібратора на мікросхемі D1. Дешіфріруя проміжні стану лічильника елементи D4, D5.1 і D5.2 формують в межах інтервалу 0,9 с два імпульсу – перепису вмісту лічильників D7-D10 в пам’ять (з виходу елемента D5.1 він поступає на відповідні входи мікросхем D11-D14) і з деякою затримкою імпульс установки лічильників D7-D10 в нульовий стан (він формується на виході елемента D5.2). Тригер на мікросхемі D15 реєструє переповнення лічильника. При цьому починає світитися світлодіод VI.

Тимчасове діаграми імпульсів в окремих точках приладу наведено на рис. 6.

Тактовий генератор зібраний на мікросхемі D1 (рис. 5). Точне значення генерованої частоти – 10 МГц встановлюють підлаштування конденсатором С1. Сім декадних дільників на мікросхемах D2-D8 формують на виходах bh цього вузла імпульси з частотами 1 МГц – 1 Гц (на вихід а надходить сигнал безпосередньо з тактового генератора – 10 МГц). Вибір необхідної частоти повторення рахункових імпульсів / _ виробляють перемикачем S1. При вимірюванні ємності до 999,9 нФ вона долЯога бути 1 МГц, до 999,9 мкФ – 1 кГц, до 999,9 мФ – 1 Гц. Повний час вимірювання (один цикл) залежить від межі вимірювань. Воно змінюється від приблизно 1 с при вимірюванні малих ємностей до хвилин при вимірюванні конденсаторів ємністю в кілька тисяч микрофарад. Мінімальне значення вимірюваної ємності (роздільна здатність приладу) -100пФ.

Слід врахувати, що використання множника знижує точність вимірювань через скорочення вимірювального циклу і тому їм доцільно користуватися тільки при вимірюванні дуже великих ємностей. У загальному випадку межі вимірів можна змінювати перемикачем S1 (рис. 5), вибираючи необхідну частоту повторення рахункових імпульсів. Технічні характеристики приладу для різних частот повторення рахункових імпульсів і опорів хронірующего резисторів наведені в таблиці.

Діод VI (рис. 5) мигає з частотою повторення 1 Гц і вказує на нормальну роботу цього вузла приладу.

На рис. 4 не показані дешифратори та індикатори. Тут можна використовувати будь-які стандартні схемні рішення.

Таблиця

Частота повторення рахункових імпульсів

Верхня межа вимірювань

Роздільна здатність

Опір хронометрує резистора, кОм

1 МГц

999,9 нФ

100 ПФ

15

100 кГц

9,999 мкФ

1 Іф

15

10 кГц

99,99 мкФ

10 нФ

15

1 кГц

999,9 мкФ

0,1 мкФ

15

100 Гц

9,9 мФ

1 мкФ

15

100 Гц

99,99 мФ

10 мкФ

1,5

10 Гц

99,99 мФ

10 мкФ

15

10 Гц

999,9 мФ

100 мкФ

1,5

Цифровий вимірювач ємності виконаний на двох друкованих платах, з двостороннього фольгованого матеріалу. Розводка друкованих провідників на платах та розміщення на них деталей показані на рис. 7-8.

При налагодженні приладу спочатку перевіряють наявність на виходах ah імпульсів з відповідними частотами повторення н встановлюють підстроюванням С1 частоту тактового генератора 10 МГц. Потім, підключивши зразковий конденсатор до клем XI н Х2, підлаштування резисторами R2 і R4 встановлюють (вибравши, зрозуміло, попередньо необхідну межу вимірювань) на дисплеї значення його ємності.

Рис. 7

Аналогами застосованих в приладах мікросхем є: МН7490 – К155ІЕ2, МЙ7400 – К155ЛАЗ, 74121 – К155АГ1, МН7472 – К155ТВ1, МН7410 – К155ЛА4, МН7475 – К155ТМ7, CD4001 – К176ЛА7. Функціональним аналогом мікросхеми 4М1С74124 є К531ГГ1. Діод КА501 можна замінити на будь-який високочастотний кремнієвий діод (КД503 і т. Н.), Світлодіод LQ100 – на АЛ307 (Б), транзистор KSY462 – на КТ315, КТ3102 з будь-яким літерним індексом.

Джерело: Конструкції радянських і чехословацьких радіоаматорів: Зб. статей. – Кн. 3. – М .: Радио и связь, 1987. – 144 с .: іл. – (Масова радиобиблиотека; Вип. 1113)