Устройство для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в средствах для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления преобразователей неэлектрических величин. Цель изобретения - повышение чувствительности, расширение функциональных возможностей и упрощение схемы устройства. Устройство содержит генератор 1 тактовых импульсов, одновибраторы 2 и 3 с повторным запуском, измеряемую емкость 4 (C_x), компенсирующую емкость 5 (C_к), измеряемое активное сопротивление 6 (R_x), компенсирующее активное сопротивление 7 (R_к) и трехпозиционный блок индикации 8. Выход генератора 1 подключен к первым выходам запуска одновибратора 2 и 3, измеряемая емкость 4 (C_x) подключена к первому и второму выводам одновибратора 2, компенсирующая емкость 5 (C_к) подключена к первому и второму выводам одновибратора 3, измеряемое и компенсирующее активные сопротивления 6 (R_x) и 7 (R_к) включены между вторыми выводами каждого одновибратора и клеммой источника питания (U_ип), инверсные выходы одновибраторов 2 и 3 подключены к входам для повторного запуска, соответственно, одновибраторов 3 и 2, прямые выходы одновибраторов 2 и 3 подключены к трехпозиционному блоку индикации 3. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в средствах для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления преобразователей неэлектрических величин.

Известно устройство для измерения электрических величин активного сопротивления, индуктивности и емкости, содержащее источник постоянного тока, ключ, измеряемые электрические величины, аналого-цифровой преобразователь, вычислительный блок и блок управления [1] Недостаток известного устройства сложность схемы и конструкции.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство для измерения электрической емкости [2] содержащее генератор тактовых импульсов, два одновибратора, измеряемую и компенсирующие емкости, логический элемент Исключающее ИЛИ, два логических элемента И, RS-триггер и двухпозиционный блок индикации. Положительным перепадом прямоугольного импульса тактового генератора осуществляется одновременный запуск обоих одновибраторов. Длительности выходных импульсов одновибраторов пропорциональны измеряемой и компенсирующей емкостям, включенным в качестве времязадающих элементов, соответственно, первого и второго одновибраторов. Определение знака разности емкостей осуществляется логическим элементом Исключающее ИЛИ, двумя логическими элементами И и RS-триггером. Результат измерения отражается двухпозиционным блоком индикации в формах "Меньше" или "Больше".

Недостатки известного устройства низкая чувствительность, ограниченные функциональные возможности и относительная сложность схемы. Для смены логических уровней на выходе RS-триггера необходимо, чтобы разница по длительности выходных импульсов одновибраторов превышала суммарное время задержки распространения сигнала по элементам Исключающее ИЛИ, И и RS-триггера. Время задержки распространения сигнала через каждый из указанных элементов может достигать более двух десятков наносекунд. Так как сигнал проходит последовательно через каждый элемент, то суммарное время задержки распространения сигнала составит несколько десятков наносекунд. Чтобы создать разницу в длительности выходных импульсов одновибраторов, превышающую несколько десятков наносекунд, необходимо изменить, например, измеряемую емкость (согласно известному выражению для определения длительности выходного импульса одновибратора Т=KRC, где К постоянный коэффициент, R активное сопротивление, C емкость, включенные в качестве времязадающих элементов соответствующих одновибраторов) на несколько пикофарад. Таким образом, зона нечувствительности известного устройства составляет несколько пикофарад. Устройство не позволяет получить результат измерения электрической емкости в форме "Равно", предназначенное только для измерения емкости, что ограничивает его функциональные возможности. Элементы логики и RS-триггер, входящие в состав известного устройства, несколько усложняют его схему и конструкцию.

Цель изобретения повышение чувствительности, расширение функциональных возможностей и упрощение схемы устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления, содержащем генератор тактовых импульсов, подключенный к первым входам запуска первого и второго одновибраторов, измеряемую и компенсирующие емкости, первыми выводами подключенные к первым выводам соответственно первого и второго одновибраторов, двухпозиционный блок индикации с позициями "Меньше", "Больше", оба одновибратора выполнены с повторным запуском, снабжены вторыми входами для повторного запуска, блок индикации выполнен с третьей позицией "Равно", а также введены в устройство измеряемое и компенсирующее активные сопротивления, причем инверсные выходы первого и второго одновибраторов подключены к входам для повторного запуска соответственно второго и первого одновибраторов, прямые выходы одновибраторов подключены к трехпозиционному блоку индикации, измеряемая и компенсирующая емкости вторыми выводами подключены к вторым выводам соответственно первого и второго одновибраторов, измеряемое и компенсирующее активные сопротивления включены между вторыми выводами каждого одновибратора и клеммой источника питания.

Устройство для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления поясняется блок-схемой (фиг.1) и временными диаграммами (фиг.2).

Предлагаемое устройство содержит генератор 1 тактовых импульсов, одновибраторы 2 и 3 с повторным запуском, измеряемую емкость 4 (C_x), компенсирующую емкость 5 (C_к), измеряемое активное сопротивление 6 (R_x), компенсирующее активное сопротивление 7 (R_к) и трехпозиционный блок индикации 8. Выход генератора 1 подключен к первым выходам запуска одновибратора 2 и 3, измеряемая емкость 4 (C_x) подключена к первому и второму выводам одновибратора 2, компенсирующая емкость 5 (C_к) подключена к первому и второму выводам одновибратора 3, измеряемое и компенсирующее активные сопротивления 6 (R_x) и 7 (R_к) включены между вторыми выводами каждого одновибратора и клеммой источника питания (U_ип), инверсные выходы одновибраторов 2 и 3 подключены к входам для повторного запуска соответственно одновибраторов 3 и 2, прямые выходы одновибраторов 2 и 3 подключены к трехпозиционному блоку индикации 8.

На временных диаграммах (фиг.2) показано изменение уровней напряжения в точках, указанных на блок-схеме соответствующими буквами: a,b,c,d,e.

Устройство для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления работает следующим образом.

Генератор 1 (фиг.1) вырабатывает импульсы прямоугольной формы (фиг.2а). Отрицательным перепадом импульса генератора 1 осуществляется одновременный запуск одновибраторов 2 и 3, при этом на инверсных выходах одновибраторов 2 и 3 (фиг.1b,c) уровень напряжения переходит от высокого к низкому (фиг.2b, c). Длительности выходных импульсов одновибраторов определяются выражениями: для одновибратора 2 T₁=KC_xR_x; для одновибратора 3 T₂=KC_kR_k где К постоянный коэффициент, определяемый свойствами конкретной интегральной микросхемы, для обоих одновибраторов выполненных на одном кристалле он одинаков и равен, например, для микросхемы К555АГ3 К=0,45.

Допустим, необходимо измерить емкость 4 (C_x) или активное сопротивление 6 (R_x). Если T₁=T₂, тогда KC_xR_x=KC_кR_к или C_xR_x=C_кR_к. Так как C_к и R_к известны, то при известном R_x и установке R_к=R_x измеряемая емкость C_x=C_к, что соответствует T₁=T₂. При известной емкости C_x и установке C_к=C_x измеряемое активное сопротивление R_x определяется при условии R_x=R_к, что соответствует T₁=T₂.

Если C_x<C при R_x=R_к или R_x<R при C_x=C_к, в этом случае длительность выходного импульса одновибратора 2 меньше длительности выходного импульса одновибратора 3 T₁<T. При окончании выходного импульса (фиг.2b) одновибратора 2 в момент времени t₁, положительным перепадом осуществляется повторный запуск одновибратора 3 и после этого его выходной импульс продолжается в течение времени Т₂. На прямом выходе (фиг.1e) одновибратора 3, с момента времени t₁ (фиг. 2), создается высокий уровень относительно прямого выхода одновибратор 2. Данное состояние отражается блоком индикации 8 в течение времени T₂, что свидетельствует о превышении компенсирующих величин C_к или R_к над измеряемыми C_x или R_x.

Если C_x=C_к при R_x=R_к или R_x=R_к при C_x=C_к, в этом случае длительности выходных импульсов одновибраторов равны T₁=T₂. Повторного запуска одновибраторов не происходит, разность уровней напряжения между прямыми выходами одновибраторов отсутствует. Данное состояние отражается блоком индикации в форме "Равно".

Если C_x>C_к при R_x=R_к или R_x> R_к при C_x=C_к, в этом случае длительность выходного импульса одновибратора 3 меньше длительности выходного импульса одновибратора 2, T₂<T. При окончании выходного импульса (фиг. 2c) одновибратора 3 в момент времени t₂ положительным перепадом осуществляется повторный запуск одновибратора 2 и после этого его выходной импульс продолжается в течение времени T₁. На прямом выходе (фиг. 1d) одновибратора 2, с момента времени t₂ (фиг. 2), создается высокий уровень относительно прямого выхода одновибратора 3. Данное состояние отражается блоком индикации 8 в течение времени T₁, что свидетельствует о превышении измеряемых величин C_x или R_x над компенсирующими C_к или R_к.

В моменты повторного запуска одновибраторов на их первых входах запуска должен сохраняться низкий уровень напряжения (фиг. 2а) (для микросхем КМ155АГ3, К555АГ3, SN74123, SN74 LS123).

В простейшем случае, трехпозиционный блок индикации может быть выполнен из двух светоизлучающих диодов, включенных встречно-параллельно, или оптопар, светоизлучающие диоды которых включаются аналогичным образом. Применение оптопар, в предлагаемом устройстве, расширяет область его использования.

В зависимости от конкретных условий применения устройства имеется возможность менять местами измеряемую емкость с компенсирующей или измеряемое активное сопротивление с компенсирующим, что может быть необходимо, например, для выполнения автоматической компенсации температурной погрешности емкостного датчика с помощью терморезисторов или позисторов.

Повышение чувствительности и упрощение схемы предлагаемого устройства достигается уменьшением времени задержки распространения сигнала, путем повторного запуска одновибраторов и непосредственным включением трехпозиционного блока индикации к выходам одновибраторов. Устройство позволяет измерять не только емкость, но и активное сопротивление, а также представляет на выходе результат измерения не только в форму "Больше", "Меньше", но и в форме "Равно". Данные преимущества предлагаемого устройства расширяют область его применения.

Формула изобретения

Устройство для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления, содержащее генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с первыми входами запуска первого и второго одновибраторов, измеряемый и компенсирующий конденсаторы, первый вывод каждого из которых соединен с первым выводом времязадающей цепи соответственно первого и второго одновибраторов, блок индикации, отличающееся тем, что в него введены измеряемый и компенсирующий резисторы, а первый и второй одновибраторы выполнены с перезапуском и имеют два входа запуска, причем второй выход времязадающей цепи первого одновибратора соединен с вторым выводом измеряемого конденсатора и через измеряемый резистор соединен с клеммой питания, второй вывод времязадающей цепи второго одновибратора соединен с вторым выводом компенсирующего конденсатора и через компенсирующий резистор соединен с клеммой питания, инверсные выходы первого и второго одновибраторов подключены к вторым входам запуска соответственно второго и первого одновибраторов, прямые выходы одновибраторов подключены к блоку индикации.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок индикации выполнен двухполюсным и содержит два светодиода, включенных встречно-параллельно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2