1.3 ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЕМКОСТИ
Описываемый прибор позволяет измерять емкости конденсаторов, в том числе и полярных, на семи пределах - 200 пФ, 2000 пФ и далее до 200 мкф. Погрешность измерения - +-(0,3%+l единица младшего разряда) на пределах 0,02 мкф и выше с увеличением ее до ±0,6% на пределах 200 и 2000 пФ. Измеритель потребляет ток не
более 8 мА при питании напряжением 9 В от аккумуляторной батареи 7Д-0,125Д.
Принцип действия измерителя основан на методе, описанном в [4], и состоит в следующем. Измеряемый конденсатор периодически заряжается до некоторого напряжения с последующей разрядкой через образцовый резистор. Отношение среднего тока разрядки к амплитуде переменного напряжения на конденсаторе строго пропорционально его емкости и частоте независимо от напряжения, до которого заряжается и разряжается конденсатор. Указанное отношение измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) микросхемы КР572ПВ5.
Принципиальная схема прибора приведена на рис. 16, временная диаграмма работы - на рис. 17. Цикл измерения состоит из пяти тактов и формируется счетчиком DD2. В зависимости от диапазона измеряемых емкостей используется частота импульсов счета 125 Гц или 12,5 кГц. Сигналы с выходов счетчика управляют ключами микросхемы DD3, коммутирующими измеряемый конденсатор и прецизионные резисторы измерителя, а также аналоговые входы микросхемы DD5.
В первом такте измеряемый конденсатор Сх через верхний по схеме ключ микросхемы DD3 подключен к выходу эмиттерного повторителя на транзисторе VT1 и заряжается до напряжения около 0,8 В. Во втором такте это напряжение через усилитель на ОУ DA1 с коэффициентом усиления 1,25, определяемым цепью обратной связи R6 - R9, передается на конденсатор С9 и заряжает его. В третьем такте измеряемый конденсатор подключен к измерительному входу АЦП и разряжается через один из точных резисторов R1 - R5. В четвертом такте конденсатор С6, соединенный с общим проводом, с выхода ОУ DA1 заряжается до напряжения, пропорционального напряжению на разряженном в третьем такте конденсаторе Сх. В пятом такте все ключи разомкнуты и изменений в измерительной части прибора не происходит. Этот такт необходим для того, чтобы длительность цикла измерения емкости при частоте импульсов на входе счетчика DD2, равной 125 Гц, была равна длительности фазы интегрирования входного напряжения, составляющей 4000 периодов частоты генератора АЦП.
Многократное повторение указанного цикла приводит к тому, что на конденсаторе С9 устанавливается напряжение, равное амплитуде переменного напряжения на измеряемой емкости (с коэффициентом 1,25), а среднее напряжение на измерительном входе АЦП оказывается пропорциональным току через эту емкость. В результате
АЦП, измеряющий отношение напряжения на измерительном входе к образцовому, через дешифратор микросхемы отражает на индикаторе HG1 значение емкости измеряемого конденсатора.
Сопротивления резисторов R1 -R5 и частота импульсов, подаваемых на вход счетчика DD2, выбраны так, что при изменении измеряемой емкости от 0 до максимального индицируемого значения, образцовое напряжение на опорном входе АЦП изменяется от 1 до 0,077 В, а на измерительном входе - от 0 до 154 мВ. На рис. 18 показаны зависимости образцового напряжения на входе опорного напряжения АЦП и напряжения на измерительном входе АЦП. Важно отметить, что при выбранной схеме устройства сопротивление открытых ключей микросхемы DD3 не влияет на погрешность измерения.
Для обеспечения необходимой точности измерений частота импульсов, подаваемых на вход микросхемы DD2, должна быть стабильной, поэтому она задается кварцевым резонатором генератора микросхемы DD5. В ней же частота генератора 100 кГц делится на 800, и с выхода F импульсы с частотой 125 Гц подаются на общий электрод индикатора. Сигнал с этого выхода используется как входной для счетчика DD2 на пределах в диапазоне 2 мкф - 200 мкф. Для остальных пределов измерения частота 100 кГц делится на 8 счетчиком DD1.
Управление положением запятой при отсчете показаний осуществляет микросхема DD4. Запятая Н4 используется для индикации разряда батареи питания. При напряжении питания более 7,2 В напряжение на входе 9 микросхемы DD4 ниже порога переключения и запятая невидима. При снижении напряжения батареи питания напряжение питания микросхемы DD4 остается постоянным, а входное напряжение на выводе 9 возрастает. При напряжении батареи менее 7,2 В оно становится выше порога переключения и запятая Н4 становится видимой.
Резисторы Rl - R3 следует подобрать с точностью 0,1%, в крайнем случае 0,2%. В описываемой конструкции использованы резисторы С2-29В мощностью 0,125 Вт. Из-за неидеальности ключей микросхемы DD3 и емкостного прохождения управляющих сигналов ключей в коммутируемые цепи резисторы R4 и R5 требуют подбора. Резистор R5 состоит из трех последовательно соединенных резисторов С2-29В 0,125 Вт с сопротивлением 2 МОм и одного подбираемого резистора МЛТ-0,25 с сопротивлением около 1,3 МОм. Резистор R4 составлен аналогично из точного сопротивлением 499 кОм и подборного - 33 кОм. Выдерживать номинал резисторов Rl -R3, кратный величине 4,99, необязательно. Можно их выбрать кратными, например 5,1, но их отношение должно быть выдержано пропорционально степени числа 10 с точностью 0,1...0,2%, в этом случае, возможно, придется подобрать резистор R6 или R9. Резисторы R6 и R9 должны быть стабильными.
Микросхема ОУ КР574УДЗ наиболее полно отвечает требованиям для использования в данном устройстве. Вместо него применим ОУ К574УДЗ при учете различия в цоколевке или КР544УД2 при изменении цепей коррекции и увеличении напряжения питания до 10 В. Поскольку напряжение 10 В является максимальным для КР572ПВ5 и минимальным для КР544УД2, оно должно быть стабилизированным. Можно также при использовании микросхемы КР544УД2 установить батарею аккумуляторов на 12 В, а между цепью -9 В и конденсатором С 12 - четыре маломощных кремниевых диода, падение напряжения на которых составит около 2,5 В. Микросхемы серии К561 заменимы на микросхемы серии КР1561, а при изменении рисунка печатной платы - на микросхемы серии 564.
В конструкции использованы конденсаторы КМ-5, КМ-6, конденсатор С11 должен быть с высококачественным диэлектриком (например, серии К73-16). Полярные конденсаторы - К53-18.
Все детали измерителя, кроме батареи питания, расположены на двусторонней печатной плате размерами 65 х 105 мм, на рис. 19,а приведено расположение деталей и проводников на стороне установки микросхем, на рис. 19,6 - проводников и некоторых других деталей на другой ее стороне. Конструктивные особенности платы и всего измерителя - те же, что и у предыдущего устройства. Габариты корпуса -135 х 72 х 34 мм. Переключатель снабжен такой же ручкой-барабаном, что и в мультиметре, но изоляции ручки от оси
переключателя не требуется.
Измеритель целесообразно собирать и настраивать в следующем порядке. Вначале на плату следует установить все детали, кроме
кронштейна с переключателем и резистора R7. Подобрать образцовый конденсатор, емкость которого 0,15...0,19 мкФ и известна с точностью не хуже 0,1%. Установить переключатель на предел "0,2 мкФ" и подключить резистор R2. Подбором резистора R8 добиться показаний измерителя, соответствующих емкости конденсатора, при необходимости подобрать резистор R7.
Если прибор не начинает работать сразу, нужно проверить работу генератора в микросхемеDD5, работу делителей частоты DD1 и DD2, наличие опорного напряжения 0,8 В на резисторе R12. В любом случае желательно проверить отсутствие генерации в ОУ DA1, при ее наличии подобрать конденсаторы С3 - С5.
Затем установить кронштейн с переключателем и полностью собрать измеритель. Повторно откалибровать его с помощью эталонного конденсатора, как это описано выше. Без подключения к прибору измеряемого конденсатора на пределе 200 пФ за счет емкости монтажа и входной емкости микросхем DA1 и DD3 показания индикатора должны быть несколько менее 10 пФ. При подключении эталонного конденсатора емкостью 150...190 пФ показания должны возрасти на величину емкости эталонного конденсатора. Если возрастание меньше, увеличивают сопротивление резистора R5, если же больше - уменьшают. Аналогично подбирают сопротивление резистора R4 с использованием точного конденсатора 1500... 1900 пФ. При наличии точного конденсатора 0,015...0,019 мкФ можно вместо одного резистора R3 установить два - один сопротивлением 49,9 кОм подключить к контакту 5 секции SA1.1, другой, подборный, подключить между контактами 3 и 5.
Для упрощения пользования прибором при измерении малых емкостей целесообразно подобрать конденсатор, включенный параллельно входным гнездам, с тем, чтобы начальное показание прибора ;
было равно 10 пФ.
Следует также подобрать номиналы резисторов R13 и R14 так, чтобы запятая Н4 включалась при снижении напряжения питания ниже 7,1...7,3 В.
При необходимости в прибор можно ввести еще один диапазон измерений - 2000 мкФ. Для этого между контактом 8 секции переключателя SA1.1 и общим проводом следует включить резистор сопротивлением 49,9 Ом. Контакт 8 секции SA1.4 следует оставить свободным, а подключение контактов 8 секций SA1.2 и SA1.3 должно быть таким же, как и контактов 7. Выключенному состоянию прибора должно соответствовать положение 9. Погрешность измерений на дополнительном диапазоне не превышает 1,5%.