Как измерить входную емкость цифровой микросхемы

17

Как измерить входную емкость операционного усилителя, чтобы минимизировать шум

На что следует обратить внимание при измерении входной емкости операционного усилителя? Ответ заключается в том, что нужно убедиться, что точность измерений не ухудшается из-за паразитной емкости и индуктивности печатной платы или испытательной установки. Эти проблемы можете свести к минимуму, используя щупы с низкой емкостью, используя короткие проводники на печатной плате и избегая больших заземляющих плоскостей под сигнальными дорожками.
Операционные усилители (ОУ) используются в самых разных электронных схемах. Их задача – усиливать небольшие электрические напряжения для дальнейшей обработки сигнала. Такие приложения, как детекторы дыма, фотодиодные трансимпедансные усилители, медицинские приборы и даже промышленные системы управления, требуют минимально возможной входной емкости операционных усилителей. Это связано с тем, что, помимо прочего, входная емкость влияет на шумовую составляющую, которая, в свою очередь, влияет на устойчивость системы, особенно для систем с высокими частотами и большими коэффициентами усиления.

Чтобы максимально повысить точность соответствующей схемы, необходимо знать входную емкость операционного усилителя. Однако в технических описаниях эта информация часто отсутствует, поэтому ее необходимо определять самостоятельно. И это может быть сложно, поскольку входная емкость во многих случаях составляет всего несколько пикофарад.

В Таблице 1 перечислены несколько различных примеров операционных усилителей и соответствующие значения их входной емкости.

Как определить входную емкость

Простой способ определить входную емкость операционного усилителя – добавить резистор (R_SER) последовательно с входом операционного усилителя (Рисунок 1). В результате получается фильтр нижних частот первого порядка с частотной характеристикой, которая может быть записана анализатором цепей. По частотной характеристике можно рассчитать входную емкость. Сопротивление R_SER обычно находится в диапазоне от 10 до 100 кОм.

При регистрации частотной характеристики необходимо убедиться, что точность измерений не ухудшается из-за паразитной емкости и индуктивности печатной платы или испытательной установки.

Чтобы паразитная емкость была минимальной, следует выбрать высокое разрешение измерительного прибора. Рекомендуется использовать пробники на полевых транзисторах с малой емкостью (меньше 1 пФ).

Емкость печатной платы относительно земли также должна быть насколько возможно низкой. Этого можно добиться, обеспечив отсутствие заземляющего слоя под сигнальными проводниками и последовательным резистором.

Кроме того, следует использовать как можно более короткие линии и выводы (резистора), чтобы исключить дополнительные источники ошибок, такие как последовательная и паразитная индуктивность.

На Рисунке 2 показана возможная конфигурация тестовой установки с использованием анализатора цепей и разветвителя мощности.

Разветвитель мощности выполняет функцию делителя сигнала. Сигнал в неизменном виде 1:1 подается на вход анализатора цепей и через созданный фильтр нижних частот поступает на вход ОУ. Затем на основе разности между этими двумя сигналами анализатор цепей строит частотную характеристику.

Выполнение измерений

Для самого измерения необходимо определить паразитную емкость C_STR. Для этого сигнал подается на плату без операционного усилителя. Из результирующей диаграммы Боде по формуле (1) рассчитывается C_STR:

где f₁(–3 дБ) – частота среза по уровню –3 дБ, измеренная с помощью анализатора цепей без операционного усилителя, а R_TH1 – функция включенного последовательного сопротивления R_SER, входного согласующего сопротивления (50 Ом) и 50-омного импеданса источника со стороны делителя мощности (эквивалентная схема Тевенена):

Далее операционный усилитель устанавливается на печатную плату.

Поскольку паразитная емкость печатной платы параллельна входной емкости операционного усилителя, формула (1) дополняется значением C_IN, как показано в формуле (3):

На этот раз f₂(–3 дБ) представляет частоту излома АЧХ на уровне –3 дБ, измеренную анализатором цепей с операционным усилителем, а R_TH2 является функцией вносимого последовательного сопротивления R_SER, входного согласующего сопротивления (50 Ом), выходного импеданса делителя мощности (50 Ом) и синфазного входного сопротивления операционного усилителя (R_CM):

Обычно для операционных усилителей с КМОП входами R_SER << R_CM. Следовательно, R_TH2 ≈ R_TH1 и формулу (3) можно переписать, как показано в (5):

Затем с помощью формул (1) и (5) можно определить входную емкость операционного усилителя.

Заключение

Измерение входной емкости операционного усилителя может быть трудной задачей. Она часто находится в пикофарадном диапазоне, и паразитные эффекты в тестовой установке искажают результат. Но с помощью небольшого испытательного устройства и соответствующего измерительного оборудования, состоящего из анализатора цепей и разветвителя мощности, определить входную емкость несложно.

Сначала по частотной характеристике определяют паразитную емкость, а затем – общую емкость схемы с операционным усилителем. С помощью приведенных выше формул можно рассчитать фактическую входную емкость операционного усилителя.

Как измерить входную емкость цифровой микросхемы

• />14 июля
• Тема:Способы уменьшения размера памяти страниц форума
• От:petrov

• />14 июля
• Тема:Способы уменьшения размера памяти страниц форума
• От:petrov

—>

Другие известные форумы и сайты по электронике

все что посвящено электронике и общению специалистов. реклама других ресурсов.

• Магазины
• Форумы и конференции
• Производители
• Информационные ресурсы
• Поисковики
• FTP-серверы

• />16 часов назад
• Тема:Куда пропал доступ к www.ti.com
• От:UART

• />16 часов назад
• Тема:Куда пропал доступ к www.ti.com
• От:UART

—>

В помощь начинающему

вопросы начального уровня

Модераторы раздела VAI aosp SergM fill vetal KRS Alexandr des00 Uladzimir Rst7 iosifk ViKo Herz l1l1l1 Tanya Сергей Борщ Omen_13 Vasily_ Егоров Walrus

• ARM, 32bit
• MCS51, AVR, PIC, STM8, 8bit
• Программирование
• Схемотехника
• Интерфейсы

• />2 часа назад
• Тема:STM32F407 и его толерантные к 5В входы
• От:quark

• />2 часа назад
• Тема:STM32F407 и его толерантные к 5В входы
• От:quark

—>

International Forum

This is a special forum for English spoken people, read it first.

• />14 мая
• От:byRAM

• />14 мая
• От:byRAM

—>

Образование в области электроники

все что касается образования, процесса обучения, студентам, преподавателям.

Модераторы раздела des00

• />20 июля
• Тема:Защита электроники от статики, промышленных элек…
• От:Unicorn

• />20 июля
• Тема:Защита электроники от статики, промышленных элек…
• От:Unicorn

—>

Обучающие видео-материалы и обмен опытом

Обсуждение вопросов создания видео-материалов

Модераторы раздела iosifk

• />17 февраля
• Тема:Dilduino
• От:k155la3

• />17 февраля
• Тема:Dilduino
• От:k155la3

Cистемный уровень проектирования

Последнее сообщение

—>

Вопросы системного уровня проектирования

Применение MATLAB, Simulink, CoCentric, SPW, SystemC ESL, SoC

Модераторы раздела Rst7

• />12 июля
• Тема:Графика в матлабе
• От:_sda

• />12 июля
• Тема:Графика в матлабе
• От:_sda

—>

Математика и Физика

Модераторы раздела Rst7

• />15 июля
• Тема:Численная реализация МНК
• От:amaora

• />15 июля
• Тема:Численная реализация МНК
• От:amaora

—>

Операционные системы

Linux, Win, DOS, QNX, uCOS, eCOS, RTEMS и другие

Модераторы раздела Rst7

• Программирование
• Linux
• uC/OS-II
• scmRTOS
• FreeRTOS
• Android

• />14 июля
• Тема:Финальная версия Chrome/Chromium для Windows 7
• От:Pupkin

• />14 июля
• Тема:Финальная версия Chrome/Chromium для Windows 7
• От:Pupkin

—>

Документация

оформление документации и все что с ней связано

Модераторы раздела Rst7

• />Вторник в 02:04
• Тема:Вопрос про УГО
• От:Kiber99

• />Вторник в 02:04
• Тема:Вопрос про УГО
• От:Kiber99

—>

Системы CAD/CAM/CAE/PLM

обсуждение САПР AutoCAD, Компас, SolidWorks и др.

• />5 февраля
• Тема:Ошибка установки Solidworks
• От:baumanets

• />5 февраля
• Тема:Ошибка установки Solidworks
• От:baumanets

—>

Разработка цифровых, аналоговых, аналого-цифровых ИС

Модераторы раздела Rst7

• />Понедельник в 10:10
• Тема:Отечественный аналог AD9361/AD9364
• От:_4afc_

• />Понедельник в 10:10
• Тема:Отечественный аналог AD9361/AD9364
• От:_4afc_

—>

Электробезопасность и ЭМС

Обсуждение вопросов электробезопасности и целостности сигналов

Модераторы раздела Rst7

• ЭМС
• Электробезопасность

• />13 июля
• Тема:Плавкие предохранители: на каком времени нормиру…
• От:Arlleex

• />13 июля
• Тема:Плавкие предохранители: на каком времени нормиру…
• От:Arlleex

—>

Управление проектами

Управление жизненным циклом проектов, системы контроля версий и т.п.

Модераторы раздела Rst7

• />30 октября, 2022
• Тема:Как тестировать разработанную электронику и встр…
• От:KBH

• />30 октября, 2022
• Тема:Как тестировать разработанную электронику и встр…
• От:KBH

—>

Нейронные сети и машинное обучение (NN/ML)

Форум для обсуждения вопросов машинного обучения и нейронных сетей

Модераторы раздела Rst7

• />28 июня
• Тема:Модуль на VHDL кусочно-линейной (семь участков) …
• От:Мур

• />28 июня
• Тема:Модуль на VHDL кусочно-линейной (семь участков) …
• От:Мур

Программируемая логика ПЛИС (FPGA,CPLD, PLD)

Последнее сообщение

—>

Среды разработки — обсуждаем САПРы

Quartus, MAX, Foundation, ISE, DXP, ActiveHDL и прочие.
возможности, удобства.

Модераторы раздела vetal />des00 />

• />Пятница в 14:41
• Тема:Gowin EDA — релизы и общие вопросы
• От:_4afc_

• />Пятница в 14:41
• Тема:Gowin EDA — релизы и общие вопросы
• От:_4afc_

—>

Работаем с ПЛИС, области применения, выбор

на чем сделать? почему не работает? кто подскажет?

Модераторы раздела vetal />des00 />

• />43 минуты назад
• Тема:ПЛИС PangoMicro
• От:Gas Wilson

• />43 минуты назад
• Тема:ПЛИС PangoMicro
• От:Gas Wilson

—>

Языки проектирования на ПЛИС (FPGA)

Verilog, VHDL, AHDL, SystemC, SystemVerilog и др.

Модераторы раздела aosp vetal des00

• />Вторник в 08:25
• Тема:Допилить передачу VHDL FT601
• От:Worldmaster

• />Вторник в 08:25
• Тема:Допилить передачу VHDL FT601
• От:Worldmaster

—>

Системы на ПЛИС — System on a Programmable Chip (SoPC)

разработка встраиваемых процессоров и периферии для ПЛИС

Модераторы раздела vetal des00 Omen_13

• />16 часов назад
• Тема:MicroBlaze MCS не компилирует
• От:1891ВМ12Я

• />16 часов назад
• Тема:MicroBlaze MCS не компилирует
• От:1891ВМ12Я

Цифровая обработка сигналов — ЦОС (DSP)

Последнее сообщение

—>

Сигнальные процессоры и их программирование — DSP

Обсуждение различных сигнальных (DSP) процессоров, возможностей, совместимости и связанных с этим тем.

Модераторы раздела des00

• />18 июля
• Тема:Драйвера и софт для SUP 2000 от SoftBaugh
• От:pavel1991

• />18 июля
• Тема:Драйвера и софт для SUP 2000 от SoftBaugh
• От:pavel1991

—>

Алгоритмы ЦОС (DSP)

Обсуждение вопросов разработки и применения (программирования) алгоритмов цифровой обработки сигналов.

Модераторы раздела des00

• />19 июля
• Тема:Подавление акустической обратной связи в система…
• От:repstosw

• />19 июля
• Тема:Подавление акустической обратной связи в система…
• От:repstosw

Микроконтроллеры (MCU)

Последнее сообщение

—>

Cредства разработки для МК

FAQ, How-to, тонкости работы со средствами разработки

Модераторы раздела haker_fox

• IAR
• Keil
• GNU/OpenSource средства разработки

• />Вторник в 12:42
• Тема:Ошибки Error: L6218E: Undefined symbol
• От:Olmsky

• />Вторник в 12:42
• Тема:Ошибки Error: L6218E: Undefined symbol
• От:Olmsky

—>
Модераторы раздела haker_fox

• STM
• NXP
• Microchip (Atmel)
• TI, Allwinner, GigaDevice, Nordic, Espressif и другие

• />6 минут назад
• Тема:stm32 usb com
• От:xVekx

• />6 минут назад
• Тема:stm32 usb com
• От:xVekx

—>

RISC-V

Микроконтроллеры на базе ядер RISC-V, RISC-X

Модераторы раздела haker_fox

• />19 июля
• Тема:Таблица векторов прерываний
• От:makc

• />19 июля
• Тема:Таблица векторов прерываний
• От:makc

—>
Модераторы раздела haker_fox

• />Понедельник в 02:21
• Тема:Чтение блока данных с SDHC карты по интерфейсу S…
• От:Romeo13Cs

• />Понедельник в 02:21
• Тема:Чтение блока данных с SDHC карты по интерфейсу S…
• От:Romeo13Cs

—>

MSP430

Модераторы раздела VAI />haker_fox />

• />23 июня
• Тема:Ghidra для MSP430
• От:Aries

• />23 июня
• Тема:Ghidra для MSP430
• От:Aries

—>

Все остальные микроконтроллеры

и все что с ними связано

Модераторы раздела haker_fox

• PIC
• MCS51
• PowerQUICC
• HC(S)08
• AVR32
• STM8
• MIPS

• />Понедельник в 21:59
• Тема:Silabs. Копирование прошивки.
• От:Obam

• />Понедельник в 21:59
• Тема:Silabs. Копирование прошивки.
• От:Obam

—>

Отладочные платы

Вопросы, связанные с отладочными платами на базе МК: заказ, сборка, запуск

Модераторы раздела haker_fox

• Arduino
• Raspberry Pi
• Rainbow
• Siberia
• EVMxxxx

• />23 июня
• Тема:China-Link, Вариант отладчика из Китая
• От:nibelung

• />23 июня
• Тема:China-Link, Вариант отладчика из Китая
• От:nibelung

Печатные платы (PCB)

Последнее сообщение

—>

Разрабатываем ПП в САПР — PCB development

FAQ, вопросы проектирования в ORCAD, PCAD, Protel, Allegro, Spectra, DXP, SDD, WG и др.

Модераторы раздела SergM />fill />

• Библиотеки компонентов
• Altium Designer, DXP, Protel
• P-CAD 200x howto
• Эремекс, Delta Design
• Cadence
• Примеры
• Zuken CADSTAR
• Siemens EDA — Xpedition, PADS (ex. Mentor)
• Бесплатные САПР: KiCAD, EasyEDA, EAGLE и др.

• />8 минут назад
• Тема:1 компонент для одного типоразмера всех номинало…
• От:musa

• />8 минут назад
• Тема:1 компонент для одного типоразмера всех номинало…
• От:musa

—>

Работаем с трассировкой

тонкости PCB дизайна, от Spectra и далее.

Модераторы раздела fill

• />9 июля
• Тема:Вопрос по трассировке
• От:Uladzimir

• />9 июля
• Тема:Вопрос по трассировке
• От:Uladzimir

—>

Изготовление ПП — PCB manufacturing

Фирмы, занимающиеся изготовлением, качество, цены, сроки

Модераторы раздела fill

• ПСБ Технолоджи
• ТеПро
• PS-Electro
• Резонит
• PCB Professional
• Абрис
• ОАО "НИЦЭВТ"
• ООО "М-Плата"
• в домашних условиях

• />1 час назад
• Тема:2PCB
• От:2PCB Tech

• />1 час назад
• Тема:2PCB
• От:2PCB Tech

Сборка РЭУ

Последнее сообщение

—>

Пайка и монтаж

вопросы сборки ПП, готовых изделий, а также устранения производственных дефектов

• />Суббота в 11:24
• Тема:Печь для пайки SMD T-962
• От:ZodiaK

• />Суббота в 11:24
• Тема:Печь для пайки SMD T-962
• От:ZodiaK

—>

Корпуса

обсуждаем какие есть копруса, где делать и прочее

• />18 июля
• Тема:Разница между TSSOP-8 и SOIC-8
• От:gerber

• />18 июля
• Тема:Разница между TSSOP-8 и SOIC-8
• От:gerber

—>

Вопросы надежности и испытаний

расчеты, методики, подбор компонентов

• />19 марта
• Тема:Поверка контрольно-измерительного оборудования
• От:HardEgor

• />19 марта
• Тема:Поверка контрольно-измерительного оборудования
• От:HardEgor

Аналоговая и цифровая техника, прикладная электроника

Последнее сообщение

—>

Вопросы аналоговой техники

разработка аналоговых схем, моделирование схем в SPICE, расчёты и анализ, выбор элементной базы

Модераторы раздела Alexandr rloc ViKo Tanya Егоров

• />6 часов назад
• Тема:Выбор опорного напряжения и схемы обвязки АЦП пр…
• От:Plain

• />6 часов назад
• Тема:Выбор опорного напряжения и схемы обвязки АЦП пр…
• От:Plain

—>

Цифровые схемы, высокоскоростные ЦС

High Speed Digital Design

Модераторы раздела rloc

• />5 июля
• Тема:XDS110 EnergyTrace: TMDSEMU110-ETH нужна схема
• От:UART

• />5 июля
• Тема:XDS110 EnergyTrace: TMDSEMU110-ETH нужна схема
• От:UART

—>

RF & Microwave Design

wireless технологии и не только

Модераторы раздела rloc />l1l1l1 />

• />17 минут назад
• Тема:Еще раз — про маленькие китайские усилочки
• От:khach

• />17 минут назад
• Тема:Еще раз — про маленькие китайские усилочки
• От:khach

—>

Метрология, датчики, измерительная техника

Все что связано с измерениями: измерительные приборы (осциллографы, анализаторы спектра и пр.), датчики, обработка результатов измерений, калибровка, технологии измерений и др.

Модераторы раздела rloc ViKo Tanya

• />Вчера в 06:03
• Тема:лазерный дальномер
• От:spirit_1

• />Вчера в 06:03
• Тема:лазерный дальномер
• От:spirit_1

—>

АВТО электроника

особенности электроники любых транспортных средств: автомашин и мотоциклов, поездов, судов и самолетов, космических кораблей и летающих тарелок.

Модераторы раздела rloc />Vasily_ />

• />2 июля
• Тема:Провод для автомобильного компрессора
• От:byRAM

• />2 июля
• Тема:Провод для автомобильного компрессора
• От:byRAM

—>

Умный дом

Модераторы раздела rloc

• />18 апреля
• Тема:Анализ Яндекс Станции
• От:jcxz

• />18 апреля
• Тема:Анализ Яндекс Станции
• От:jcxz

—>

3D печать

3D принтеры, наборы, аксессуары, ПО

Модераторы раздела rloc

• />5 июля
• Тема:Демонстрация работы моего 3D-принтера
• От:vov4ick

• />5 июля
• Тема:Демонстрация работы моего 3D-принтера
• От:vov4ick

—>

Робототехника

Модели, классификация, решения, научные исследования, варианты применения

Модераторы раздела rloc

• />28 июня
• Тема:Минималистичный Форт компьютер на TTL логике (ди…
• От:KPG

• />28 июня
• Тема:Минималистичный Форт компьютер на TTL логике (ди…
• От:KPG

—>

Ремонт и отладка

обсуждение вопросов ремонта и отладки различных устройств и готовых изделий

Модераторы раздела rloc />Herz />

• />20 июля
• Тема:Ремонт осциллограф Rigol DS1074Z
• От:ded2016

• />20 июля
• Тема:Ремонт осциллограф Rigol DS1074Z
• От:ded2016

Силовая электроника — Power Electronics

Последнее сообщение

—>

Силовая Преобразовательная Техника

Источники питания электронной аппаратуры, импульсные и линейные регуляторы. Топологии AC-DC, DC-DC преобразователей (Forward, Flyback, Buck, Boost, Push-Pull, SEPIC, Cuk, Full-Bridge, Half-Bridge). Драйвера ключевых элементов, динамика, алгоритмы управления, защита. Синхронное выпрямление, коррекция коэффициента мощности (PFC)

Модераторы раздела Herz />Егоров />

• />18 июля
• Тема:Помогите определиться со схемой инверторного ста…
• От:MPetrovich

• />18 июля
• Тема:Помогите определиться со схемой инверторного ста…
• От:MPetrovich

—>

Обратная Связь, Стабилизация, Регулирование, Компенсация

Организация обратных связей в цепях регулирования, выбор топологии, обеспечение стабильности, схемотехника, расчёт

Модераторы раздела Herz />Егоров />

• />11 июля
• Тема:Писк трансформатора Flyback при малой нагрузке
• От:UART

• />11 июля
• Тема:Писк трансформатора Flyback при малой нагрузке
• От:UART

—>

Первичные и Вторичные Химические Источники Питания

Li-ion, Li-pol, литиевые, Ni-MH, Ni-Cd, свинцово-кислотные аккумуляторы. Солевые, щелочные (алкалиновые), литиевые первичные элементы. Применение, зарядные устройства, методы и алгоритмы заряда, условия эксплуатации. Системы бесперебойного и резервного питания

Модераторы раздела Herz />Егоров />

• />28 июня
• Тема:13s4p лития титанат 160А спроектировать балансир
• От:Plain

• />28 июня
• Тема:13s4p лития титанат 160А спроектировать балансир
• От:Plain

—>

Высоковольтные Устройства — High-Voltage

Высоковольтные выпрямители, умножители напряжения, делители напряжения, высоковольтная развязка, изоляция, электрическая прочность. Высоковольтная наносекундная импульсная техника

Модераторы раздела Herz

• />Вчера в 01:54
• Тема:Защита и регулировка входа осциллографа от высок…
• От:ded2016

• />Вчера в 01:54
• Тема:Защита и регулировка входа осциллографа от высок…
• От:ded2016

—>

Электрические машины, Электропривод и Управление

Электропривод постоянного тока, асинхронный электропривод, шаговый электропривод, сервопривод. Синхронные, асинхронные, вентильные электродвигатели, генераторы

Модераторы раздела Herz

• />17 минут назад
• Тема:Запуск асинхронного двигателя с помощью ЛАТР
• От:Shelectronix

• />17 минут назад
• Тема:Запуск асинхронного двигателя с помощью ЛАТР
• От:Shelectronix

—>

Индукционный Нагрев — Induction Heating

Технологии, теория и практика индукционного нагрева

Модераторы раздела Herz

• />30 мая
• Тема:Какое может быть количество индукторов для индук…
• От:Лапух

• />30 мая
• Тема:Какое может быть количество индукторов для индук…
• От:Лапух

—>

Системы Охлаждения, Тепловой Расчет – Cooling Systems

Охлаждение компонентов, систем, корпусов, расчёт параметров охладителей

Модераторы раздела Herz

• />30 июня
• Тема:Сравнение экспериментальных данных с расчетом
• От:ChristinaChadzynski

• />30 июня
• Тема:Сравнение экспериментальных данных с расчетом
• От:ChristinaChadzynski

—>

Моделирование и Анализ Силовых Устройств – Power Supply Simulation

Моделирование силовых устройств в популярных САПР, самостоятельных симуляторах и специализированных программах. Анализ устойчивости источников питания, непрерывные модели устройств, модели компонентов

Модераторы раздела Herz />Егоров />

• />6 часов назад
• Тема:QSPICE
• От:Yuri7751

• />6 часов назад
• Тема:QSPICE
• От:Yuri7751

—>

Компоненты Силовой Электроники — Parts for Power Supply Design

Силовые полупроводниковые приборы (MOSFET, BJT, IGBT, SCR, GTO, диоды). Силовые трансформаторы, дроссели, фильтры (проектирование, экранирование, изготовление), конденсаторы, разъемы, электромеханические изделия, датчики, микросхемы для ИП. Электротехнические и изоляционные материалы.

Модераторы раздела Herz />Егоров />

• />8 часов назад
• Тема:Соединители аналоги СНЦ23
• От:sio83

• />8 часов назад
• Тема:Соединители аналоги СНЦ23
• От:sio83

Интерфейсы

Последнее сообщение

—>

Форумы по интерфейсам

все интерфейсы здесь

• ISDN/G.703/E1
• ISA/PCI/PCI-X/PCI Express
• Wireless/Optic
• RS232/LPT/USB/PCMCIA/FireWire
• Fast Ethernet/Gigabit Ethernet/FibreChannel
• Интерфейсы для "интеллектуального дома"
• от ТТЛ до LVDS здесь
• IDE/ATA/SATA/SAS/SCSI/CF
• Аудио/Видео интерфейсы
• Сотовая связь и ее приложения
• FAQ по XPort/WiPort
• Controller Area Network (CAN)

• />Вторник в 20:15
• Тема:USB 3 и USB Type-C
• От:Vasily_

• />Вторник в 20:15
• Тема:USB 3 и USB Type-C
• От:Vasily_

Поставщики компонентов для электроники

Последнее сообщение

—>

Поставщики всего остального

от транзисторов до проводов

• />21 минута назад
• Тема:Подкладки под конденсаторы
• От:Vasily_

• />21 минута назад
• Тема:Подкладки под конденсаторы
• От:Vasily_

—>

Компоненты

Закачка тех. документации, обмен опытом, прочие вопросы.

• Тех. документация
• Микросхемы
• Транзисторы
• Диоды
• Резисторы
• Средства индикации

• />19 июля
• Тема:Отечественный разъем для Ethernet канала
• От:sio83

• />19 июля
• Тема:Отечественный разъем для Ethernet канала
• От:sio83

Майнеры криптовалют и их разработка, BitCoin, LightCoin, Dash, Zcash, Эфир

Последнее сообщение

—>

Обсуждение Майнеров, их поставки и производства

наблюдается очень большой спрос на данные устройства.

• />25 апреля
• Тема:Ремонт Асиков
• От:mantech

• />25 апреля
• Тема:Ремонт Асиков
• От:mantech

Дополнительные разделы — Additional sections

Последнее сообщение

—>

Встречи и поздравления

Предложения встретиться, поздравления участников форума и обсуждение мест и поводов для встреч.

Модераторы раздела VAI aosp SergM vetal KRS Alexandr des00 Uladzimir Rst7 iosifk ViKo Herz l1l1l1 Tanya Сергей Борщ Omen_13 Vasily_ Егоров Walrus

• />10 мая
• Тема:С Днём Великой Победы!
• От:Chenakin

• />10 мая
• Тема:С Днём Великой Победы!
• От:Chenakin

—>

Ищу работу

ищу работу, выполню заказ, нужны клиенты — все это сюда

Модераторы раздела VAI aosp SergM vetal KRS Alexandr des00 Uladzimir Rst7 iosifk ViKo Herz l1l1l1 Tanya Сергей Борщ Omen_13 Vasily_ Егоров Walrus

• />13 часов назад
• Тема:Радиомонтажник на дому Москва. метро Фонвизинска…
• От:shakov

• />13 часов назад
• Тема:Радиомонтажник на дому Москва. метро Фонвизинска…
• От:shakov

—>

Предлагаю работу

нужен постоянный работник, разовое предложение, совместные проекты, кто возьмется за работу, нужно сделать.

Модераторы раздела VAI aosp SergM vetal KRS Alexandr des00 Uladzimir Rst7 iosifk ViKo Herz l1l1l1 Tanya Сергей Борщ Omen_13 Vasily_ Егоров Walrus

• />1 час назад
• Тема:Разработать источник питания
• От:asen

• />1 час назад
• Тема:Разработать источник питания
• От:asen

—>

Куплю

микросхему; устройство; то, что предложишь ты 🙂

Модераторы раздела VAI aosp SergM vetal KRS Alexandr des00 Uladzimir Rst7 iosifk ViKo Herz l1l1l1 Tanya Сергей Борщ Omen_13 Vasily_ Егоров Walrus

• />Вторник в 10:53
• Тема:Куплю мультиметр 6.5 разряда с DualDisplay
• От:SlavaV

• />Вторник в 10:53
• Тема:Куплю мультиметр 6.5 разряда с DualDisplay
• От:SlavaV

—>

Продам

есть что продать за деньги, пиво, даром ?
Реклама товаров и сайтов также здесь.

Модераторы раздела VAI aosp SergM vetal KRS Alexandr des00 Uladzimir Rst7 iosifk ViKo Herz l1l1l1 Tanya Сергей Борщ Omen_13 Vasily_ Егоров Walrus

• />2 часа назад
• Тема:Продам генераторы.
• От:Jh20001

• />2 часа назад
• Тема:Продам генераторы.
• От:Jh20001

—>

Объявления пользователей

Тренинги, семинары, анонсы и прочие события

Модераторы раздела VAI aosp SergM vetal KRS Alexandr des00 Uladzimir Rst7 iosifk ViKo Herz l1l1l1 Tanya Сергей Борщ Omen_13 Vasily_ Егоров КОМПЭЛ Walrus

• />Вторник в 12:36
• Тема:Новые RST-7K5/15K – мощные и надежные ИП от MEAN…
• От:КОМПЭЛ

• />Вторник в 12:36
• Тема:Новые RST-7K5/15K – мощные и надежные ИП от MEAN…
• От:КОМПЭЛ

—>

Общение заказчиков и потребителей электронных разработок

Обсуждение проектов, исполнителей и конкурсов

Модераторы раздела VAI aosp SergM vetal KRS Alexandr des00 Uladzimir Rst7 haker_fox iosifk ViKo Herz l1l1l1 Tanya Сергей Борщ Omen_13 Vasily_ Егоров Walrus

• />23 мая
• Тема:Сайты для удаленной работы, фриланса
• От:rmDAC

• />23 мая
• Тема:Сайты для удаленной работы, фриланса
• От:rmDAC

Как измерить входную емкость цифровой микросхемы

Частотометр, измеритель ёмкости и индуктивности – FCL-meter

В лаборатории радиолюбителя-конструктора (и в особенности коротковолновика) помимо уже “обычных” цифрового мультиметра и осциллографа находят место и более специфические измерительные приборы– генераторы сигналов, измерители АЧХ, анализаторы спектра, ВЧ мосты и т.д. Подобные приборы, как правило, приобретаются из числа списанных за относительно небольшие (по сравнению с новыми) деньги и занимают достойное место на столе конструктора. Самостоятельное их изготовление в домашних условиях практически не возможно, по крайней мере, для рядового любителя.

В то же время есть ряд приборов, самостоятельное повторение которых не только возможно, но и необходимо по причине их редкости, специфичности или же требований к габаритно-массовым показателям. Это всевозможные приставки к мультиметрам и ГИРы, испытатели и частотометры, LC-метры и прочее. Благодаря всё большей доступности программируемых компонент и PIC-микроконтроллеров в частности, а также огромному объёму информации по их использованию в Internet, самостоятельное проектирование и изготовление домашней радиолаборатории стало вполне реальным делом доступным многим.

Описываемый ниже прибор позволяет в широких пределах измерять частоты электрических колебаний, а также ёмкость и индуктивность электронных компонентов с высокой точностью. Конструкция обладает минимальными размерами, массой и энергопотреблением, что позволяет пользоваться ею при работах на крышах, опорах и в полевых условиях.

Технические характеристики:

* – в режиме самокалибровки в зависимости от типа реле до 50 мА на 2 сек.

** – нижний предел можеть быть расширен до единиц Гц, см. ниже; верхний в засимости от микроконтроллера до 68 МГц

*** – погрешность возрастает с ростом активного сопротивления; для компенсации влияния собственной “паразитной” ёмкости имеется функция коррекции показаний и отображения значения этой емкости. Для малогабаритных катушек с большим активным сопротивлением (более 20 Ом) и замкнутым магнитопроводом без зазора погрешность существенно увеличивается.

Принцип работы

В режиме частотометра прибор работает по широко известному методу измерения PIC-микроконтроллером числа колебаний в единицу времени с досчётом предварительного делителя, что и обеспечивает такие высокие показатели. В режиме F2 подключается дополнительный внешний высокочастотный делитель на 64 (при небольшой коррекции программы возможно использование делителей с другим коэффициентом).

При измерении индуктивностей и ёмкостей прибор работает по резонансному принципу, хорошо описанному в [1]. Вкратце. Измеряемый элемент включается в колебательный контур с известными параметрами, входящий в состав измерительного генератора. По изменению генерируёмой частоты по общеизвестной формуле f2=1/4р2LC рассчитывается искомое значение. Для определения собственных параметров контура к нему подключается известная дополнительная емкость, по той же формуле высчитываются индуктивность контура и его емкость, включая конструктивную.

Данный метод применительно к работам [1], [2], [3] имеет существенный недостаток, заключающийся в увеличении погрешности при измерении больших (более 10 мГн) индуктивностей со значительной собственной ёмкостью. Показания прибора в таком случае могут быть завышены в 2-10 раз. Для устранения этого недостатка автором применена функция определения собственной “паразитной” ёмкости и пересчёта индуктивности с её учётом. Для этого калибровка проводится при подключенной измеряемой индуктивности. Далее происходит расчёт и отображение ”правильной” индуктивности и её “собственной” ёмкости, точность измерения которой около 2…10% с уклоном в меньшую сторону. Данный метод также не идеален из-за распределения “собственной” ёмкости между измеряемой и измерительной индуктивностями, что заметно проявляется при их соизмеримых значениях. Если же измеряемая индуктивность более 10 мГн, т.е. в 100 раз больше измерительной катушки генератора (100 мкГн), то это влияние ничтожно и показания прибора близки к истинным.

Принципиальная схема

Электрическая схема прибора показана на рис. 1. В схеме можно выделить следующие основные узлы: измерительный генератор на DA1, входной усилитель режима F1 на VT1, входной делитель (прескалер) режима F2– DD1, коммутатор сигналов на DD2, блок измерения и индикации на DD3 и LCD, а также стабилизатор напряжения.

Измерительный генератор собран на микросхеме-компараторе LM311. Данная схема хорошо зарекомендовала себя в качестве генератора частоты до 800 кГц, обеспечивая на выходе сигнал, близкий к меандру. Для обеспечения стабильных показаний генератор требует согласованной по сопротивлению и стабильной нагрузки.

Частотозадающими элементами генератора являются измерительная катушка L1 и конденсатор C1, а также коммутируемый микроконтроллером эталонный конденсатор C2. В зависимости от режима работы L1 подключается к клеммам XS1 последовательно или параллельно. С выхода генератора сигнал через развязывающий резистор R7 поступает на коммутатор DD2 CD4066. На транзисторе VT1 собран усилитель сигнала частотометра F1. Схема особенностей не имеет за исключением резистора R8, необходимого для питания выносного усилителя с малой входной ёмкостью, во многом расширяющего область применения прибора. Его схема показана на рис. 2. При пользовании прибором без внешнего усилителя необходимо помнить, что его вход находится под напряжением 5 Вольт, и поэтому необходим развязывающий контенсатор в сигнальной цепи.

Предделитель частотометра F2 собран по типовой для большинства подобных прескалеров схеме, лишь введены ограничительные диоды VD3, VD4. Необходимо заметить, что при отсутствии сигнала предделитель самовозбуждается на частотах около 800-850 МГц, что являтся типичным для высокочастотных делителей. Самовозбуждение пропадает с подачей на вход сигнала от источника с входным сопротивлением близким к 50 Ом. Сигнал с усилителя и прескалера поступает на DD2.

Главная роль в приборе принадлежит микроконтроллеру DD3 PIC16F84A. Данный микроконтроллер пользуется огромной и заслуженной популярностью у конструкторов благодаря не только хорошим техническим параметрам и небольшой цене, но и простоте в программировании и обилию различных прамеров его использования как от производителя, компании MicroChip, так и всех, кто применял его в своих конструкциях. Желающим получить подробную информацию достаточно в любом поисковике Internet’а ввести слова PIC, PIC16F84 или MicroChip. Результат поиска Вам понравится.

Сигнал с DD2 поступает на формирователь, выполненный на транзисторе VT2. Выход формирователя непосредственно подключен к входящему в микроконтроллер триггеру Шмидта. Результат расчётов выводится на алфавитно-цифровой дисплей с интерфейсом HD44780. Микроконтроллер тактируется частотой 4МГц, при этом его быстродействие состаляет 1млн. операций в секунду. В приборе предусмотрена возможность внутрисхемного программирования посредством разъёма ISCP (in circuit serial programming). Для этого необходимо удалить перемычку XF1, изолировав этим цепь питания микроконтроллера от остальной схемы. Далее присоединяем программатор к разъёму и “зашиваем” программу, после чего не забываем установить перемычку. Такой способ особенно удобен при работе с микроконтроллерами в корпусе для поверхностного монтажа (SOIC).

Управление режимами осуществляется тремя кнопочными переключателями SA1–SA3 и будет подробно описано ниже. Данные переключатели не только включают нужный режим, но и обесточивают не задействованные в данном режиме узлы, снижая общее энергопотребление. На транзисторе VT3 собран ключ управления реле, подключающего эталонный конденсатор C2.

Микросхема DA2 является высококачественным стабилизатором 5 Вольт с низким остаточным напряжением и сигнализатором разряда питающей батареи. Эта микросхема специально разрабатывалась для использования в устройствах с низким токопотреблением и батарейным питанием. В питающей цепи установлен диод VD7 для защиты прибора от переплюсовки. Пренебрегать им не стоит.

При использовании индикатора, требующего отрицательного напряжения, необходимо по схеме рис. 3 собрать источник отрицательного напряжения. Источник обеспечивает до –4 Вольт при использовании в качестве 3VD1, 3VD2 германиевых диодов или с барьером Шоттки. Схема программатора JDM, доработанного для внутрисхемного программирования, приведена на рис. 4. Подробнее о программировании будет сказано ниже в соответствющем разделе.

Детали и конструкция

Большинство использованных в авторском устройстве деталей рассчитано на планарный монтаж (SMD), под них же спроектирована печатная плата. Но вместо них могут быть использованы аналогичные более доступные отечественного производства с ”обычными” выводами без ухудшения параметров прибора и с соответствующим изменением печатной платы.
VT1, VT2 и 2VT2 могут быть заменены на КТ368, КТ339, КТ315 и пр. В случае с КТ315 следует ожидать небольшое падение чувствительности на на верхнем участке диапазона F1.
VT3– КТ315, КТ3102. 2VT1– КП303, КП307.
VD1, 2, 5, 6– КД522, 521, 503. В качестве VD3, 4 желательно применить pin-диоды с минимальной собственной ёмкостью, например КД409 и пр. но вполне можно обойтись и КД503. VD7– для уменьшения падения напряжения желательно выбрать с барьером Шоттки– 1N5819, или обычный из указанных выше.
DA1– LM311, IL311, К544СА3, предпочтение следует отдать IL311 завода «Интеграл», так как они лучше работают в необычной роли генератора [2].
DA2– прямых аналогов не имеет, но допускается замена на обыкновенную КР142ЕН5А с соответствующим изменением схемы и отказом от сигнализации разряда батареи. Вывод 18 DD3 в таком случае необходимо оставить подтянутым к Vdd через резистор R23.
DD1– выпускается множество прескалеров подобного типа, например SA701D, SA702D, совпадающий по выводам с применённым SP8704. DD2– xx4066, 74HC4066, К561КТ3. DD3– PIC16F84A прямых аналогов не имеет, обязательно наличие индекса А (с ОЗУ в 68 байт). При некоторой коррекции программы возможно использование более “продвинутого” PIC16F628A, имеющего вдвое большую память программ и быстродействие до 5 млн. операций в секунду.

В авторском приборе использован алфавитно-цифровой двустрочный по 8 символов в строке дисплей производства Siemens, требующий отрицательного напряжения в 4 вольта и поддерживающий протокол контроллера HD44780. Для такого и подобного дисплеев необходимо загружать программу FCL2x8.hex. Значительно удобнее в работе прибор с дисплеем формата 2*16. Такие индикаторы выпускаются множеством фирм, например Wintek, Bolumin, DataVision, и содержат в своём названии цифры 1602. При использовании доступного SC1602 фирмы SunLike необходимо поменять местами его выводы 1 и 2 (1–Vdd, 2–Gnd). Для таких дисплеев (2х16) используется программа FCL2x16.hex. Подобные дисплеи обычно не требуют отрицательного напряжения.

Особое внимание небходимо уделить выбору реле К1. Прежде всего, оно должно уверенно срабатывать при напряжении 4,5 вольт. Во-вторых, сопротивление замкнутых контактов (при подаче указанного напряжения) должно быть минимальным, но не более 0,5 Ом. Многие малогабаритные герконовые реле с потреблением в 5-15 мА от импортных телефонных аппаратов имеют сопротивление порядка 2-4 Ом, что недопустимо в данном случае. В авторском варианте использовано реле TIANBO TR5V. В качестве XS1 удобно использовать акустические зажимы или линейку из 8-10 цанговых контактов (половинку панельки под м/с)

Важнейшим элементом, от качества которого зависит точность и стабильность показаний измерителя LC, является катушка L1. Она должна обладать максимальной добротностью и минимальной собственной ёмкостью. Неплохо здесь работают обыкновенные дроссели Д, ДМ, ДПМ индуктивностью 100-125 мкГн.

К конденсатору C1 требования также довольно высокие, особенно по термостабильности. Это может быть КМ5 (M47), К71-7, КСО ёмкостью 510…680 пФ. Таким же должен быть и C2, но в пределах 820…2200 пФ.

Прибор собран на двусторонней плате размерами 72х61 мм. Фольга с верхней стороны практически полностью сохранена (см. файл FCL-meter.lay) за исключением окружения элементов контура (для уменьшения конструктивной ёмкости). Элементы SA1–SA4, VD7, ZQ1, L1, L2, K1, индикатор и пару перемычек расположены с верхней стороны платы. Длина проводников от измерительных зажимов XS1 до соответствующих контактов на печатной плате должна быть минимальна. Разъём питания XS2 установлен со стороны проводников. Плата помещена в стандартный пластмассовый корпус 110х65х30 мм. с отсеком для батареи питания типа “Крона”.

Для расширения нижней границы измерения частоты до единиц герц необходимо параллельно С7, С9 и С15 подключить электролитические конденсаторы 10 мк.

Программирование и настройка

Включать прибор с установленным, но незапрограммированым микроконтроллером не рекомендуется.

Начинать сборку прибора необходимо с установки элементов стабилизатора напряжения и установки подстроечным резистором R22 напряжения 5.0 вольт на выводе 1 микросхемы DA2. После этого можно устанавливать все остальные элементы кроме DD3 и индикатора. Ток потребления не должен превышать 10-15 мА при различных положениях SA1-SA3.

Для программирования микроконтроллера можно воспользоваться разъёмом ISCP. На время программирования перемычка XF1 удаляется (конструкция разъёма иного не допускает). Для программирования рекомендуется использовать некоммерческую программу IC-Prog , последнюю версию которой можно бесплатно загрузить с www.ic-prog.com (около 600 кбайт). В установках программатора (F3) необходимо выбрать JDM Programmer, убрать все птички в разделе Communication и выбрать порт, к которому подключен программатор.

Прежде чем загрузить в программу одну из прошивок FCL2x8.hex или FCL2x16.hex, необходимо выбрать тип микроконтроллера – PIC16F84A, остальные флаги автоматически установятся после открытия файла прошивки и изменять их нежелательно. При программировании важно, чтобы общий провод компьютера не имел контакта с общим проводом программируемого устройства, иначе данные не запишутся.

Усилитель-формирователь и измерительный генератор в настройке не нуждаются. Для достижения максимальной чувствительности можно подобрать резисторы R9 и R14.

Дальнейшая настройка прибора проводится с установленными DD3 и LCD в следующем порядке:
1. Ток потребления не должен превышать 20 мА в любом режиме (кроме момента срабатывания реле).
2. Резистором R16 устанавливается желаемая контрастность изображения.
3. В режиме частотометра F1 конденсатором С22 добиваются правильных показаний по промышленному частотометру или иным способом. Возможно использование в качестве эталонных источников частоты гибридных кварцевых генераторов от радио и сотовых телефонов (12,8МГц, 14,85Мгц и пр.) или, в крайнем случае, компьютерные 14,318МГц и др. Расположение выводов питания (5 или 3 вольт) у модулей стандартное для цифровых микросхем (7– минус и 14–плюс), сигнал снимается вывода 8. Если настройка происходит при крайнем положении ротора, то придётся подобрать и ёмкость C23.
4. Далее необходимо зайти в режим установки констант (см. ниже в разделе ”Работа с прибором”). Константа X1 устанавливается численно равной ёмкости конденсатора С2 в пикофарадах. Константа X2 равна 1.000 и может быть скорректирована позже при настройке измерителя индуктивности.
5. Для дальнейшей настройки необходимо иметь набор (1-3 штуки) конденсаторов и индуктивностей с известными значениями (желательна точность лучше 1%). Самокалибровка прибора должна проходить с учётом конструктивной ёмкости зажимов (см. ниже описание вариантов самокалибровки).
6. В режиме измерения ёмкости отмеряем известную ёмкость, далее номинал конденсатора делим на показания прибора, это значение будет использовано для корректировки константы X1. Можно повторить эту операцию с другими конденсаторами и найти среднее арифметическое отношений их номиналов к показаниям. Новое значение константы X1 равно произведению найденного выше коэффициента на “старое” её значение. Это значение необходимо записать до перехода к следующему пункту.
7. В режиме измерения индуктивности аналогично находим отношение номинала к показаниям. Найденное отношение будет новой константой X2 и записывается в EEPROM аналогично X1. Для настройки желательно использовать индуктивности от 1 до 100 мкГн (лучше несколько из этого диапазона и найти среднее значение). Если имеется катушка с индуктивностью в несколько десятков-сотен миллигенри с известными значениями индуктивности и собственной ёмкости, то можно проверить работу режима двойной калибровки. Показания собственной ёмкости, как правило, несколько занижены (см. выше).

На этом настройку прибора можно считать завершённой.

Работа с прибором

Режим частотометра. Для входа в данный режим необходимо вжать SA1 ”Lx” и SA2 “Cx”. Выбор пределов F1/F2 осуществляется переключателем SA3: отжат – F1, вжат – F2. С прошивкой для дисплея 2х16 символов на дисплее отображается надпись “Frequancy” XX,XXX.xxx MHz или XXX,XXX.xx MHz. Для дисплея 2х8 соответственно “F=” XXXXXxxx или XXXXXXxx MHz, вместо десятичной точки здесь используется символ над значением частоты.

Режим самокалибровки. Для измерения индуктивностей и ёмкостей прибору необходимо пройти самокалибровку. Для этого после подачи питания необходимо отжать SA1 ”Lx” и SA2 ”Сx” (какой именно – подскажет надпись L или C). После чего прибор войдёт в режим самокалибровки и отобразит “Calibration” или ”WAIT”. После этого нужно сразу же вжать SA2 ”Сx”. Сделать это нужно достаточно быстро не дожидаясь срабатывания реле. Если же пропустить последний пункт, то ёмкость клемм не будет учтена прибором и “нулевые” показания в режиме ёмкости будут 1-2 пФ. Подобная калибровка (с вжатием SA2 ”Cx”) позволяет учитывать емкость выносных щупов-зажимов с собственной ёмкостью до 500 pF, однако пользоваться такими щупами при измерении индуктивностей до 10mH нельзя.

Режим “Cx” может быть выбран после калибровки нажатием на SA2 ”Cx”, SA1 ”Lx” должен быть отжат. При этом выводится “Capacitance” XXXX xF или “C=” XXXX xF.

Режим ”Lx” активизируется при нажатом SA1 ”Lx” и отжатом SA2 ”Cx”. Вход в режим двойной калибровки (для индуктивностей более 10 миллигенри) происходит при любом изменении положения SA3 ”F1/F2”, при этом помимо индуктивности отображается и собственная ёмкость катушки, что может быть очень полезно. На дисплее отображается “Inductance” XXXX xH или ”L=” XXXX xH. Выход из данного режима происходит автоматически при извлечении катушки из зажимов.

Возможен переход в любой последовательности между перечисленными выше режимами. Например, сначала частотометр, затем калибровка, индуктивность, ёмкость, индуктивность, калибровка (необходима, если прибор долгое время находился включеным, и параметры его генератора могли “уйти”), частотометр и т.д. При отжатии SA1 ”Lx” и SA2 ”Cx” перед входом в калибровку предусмотрена небольшая (3 секунды) пауза для исключения нежелательного входа в этот режим при простом переходе от одного режима к другому.

Режим установки констант. Данный режим необходим только при настройке прибора, поэтому вход в него предполагает подключение внешнего выключателя (или перемычки) между выводом 13 DD3 и общим, а также двух кнопок между выводами 10, 11 DD3 и общим проводом.

Для записи констант (см. выше) необходимо включить прибор при закороченном выключателе. На дисплее в зависимости от положения переключателя SA3 ”F1/F2” отразится “Constant X1” XXXX или “Constant X2” X.XXX. Кнопками можно изменять значение констант с шагом в один разряд. Для сохранения установленного значения необходимо изменить состояние SA3. Для выхода из режима необходимо разомкнуть выключатель и переключить SA3 или выключить питание. Запись в EEPROM происходит только при манипуляциях с SA3.

Файлы прошивки и исходные тексты (.hex и .asm): fcl_prog
Принципиальная схема в (sPlan 5.0): fcl-sch.spl
Печатная плата (Sprint Layout 3.0 R): fcl-pcb.lay

С вопросами и пожеланиями просьба обращаться на Форум сервера QRZ.RU

Автор не занимается сборкой на заказ и продажей как самого прибора, так и набора деталей к нему.

Домашняя страничка Клюихина Александра (c) RU3GA Home Page.

Простой измеритель емкости на основе ПНЧ

При разработке прототипа схемы или при замене старого дефектного конденсатора на новый у вас часто возникает необходимость узнать величину емкости конденсатора, который вы приготовили для установки. Иногда маркировка емкости на корпусе стирается и перестает читаться. Кроме того, большие допуски номиналов могут заставить вас усомниться в истинной емкости конденсатора. В таких ситуациях обычно вы ищите LCR-мост или цифровой мультиметр с функцией измерения емкости. Однако не всякий мультиметр позволяет измерять емкость, а работа с LCR-мостом – процесс тяжелый и неудобный.

Альтернативой может служить простой ПНЧ (преобразователь напряжение-частота) с несколькими недорогими компонентами (Рисунок 1). Схема способна измерять емкости от единиц нанофарад до десятков микрофарад. Ее выходная передаточная функция описывается выражением

V_IN – напряжение на одноименном входе микросхемы, выраженное в вольтах;
R₁ и R₂ – выражены в омах;
C_X – измеряемая емкость, выраженная в фарадах.

При изменении входного напряжения микросхемы IC₁ от 0 до 10 В диапазон частот выходной последовательности импульсов ПНЧ составит 0 … 150 кГц с ошибкой нелинейности менее 0.05%.

В штатном режиме, когда микросхема работает как ПНЧ, вы подаете на вход V_IN измеряемое напряжение от 0 до 10 В и для того, чтобы получить хорошую линейность зависимости F_OUT от V_IN, выбираете сопротивления резисторов R₁ и R₂ такими, при которых ток через них, равный V_IN/(R₁+R₂), изменялся бы в диапазоне от 0 до 1 мА. Однако предлагаемая схема не имеет внешнего входа ПНЧ. Вместо этого в ней используется внутреннее опорное напряжение V_REF, для чего выход V_REF просто соединен с входом V_IN. Чтобы избежать возможной перегрузки опорного источника, подать напряжение V_REF на вход V_IN вы можете через буфер. Вы можете также использовать внешний источник постоянного напряжения, например, батарею, подключив его так, как показано пунктирными линиями на Рисунке 1.

Для измерения величины неизвестной емкости вы подключаете конденсатор между выводами A and A' в непосредственно близости от микросхемы ПНЧ. Если V_IN = V_REF = 1.00 В, а сумма сопротивлений R₁ + R₂ путем подстройки сделана равной 1 кОм, частота выходных импульсов будет изменяться обратно пропорционально неизвестной емкости в соответствии с выражением

Подстроечные резисторы R₃ и R₂ вы должны использовать для калибровки схемы на верхнем и нижнем краях диапазона измеряемых емкостей, соответственно. В результате, после калибровки частота 1 Гц на выходе ПНЧ будет соответствовать емкости 100 мкФ, а максимальная частота 150 кГц будет означать, что емкость равна 0.6 нФ. Если вы захотите расширить диапазон измеряемых емкостей, выберите микросхему ПНЧ с более широкой шкалой выходных частот, например, от 0 до 1 МГц. В этом случае вы должны обращать особое внимание на влияние паразитных емкостей.

Измерить частоту выходных импульсов схемы на Рисунке 1 вы можете несколькими способами. Проще всего воспользоваться любым частотомером или дешевым цифровым мультиметром с функцией измерения частоты. Таким образом ПНЧ превращается в достаточно удобный интерфейс мультиметра, позволяющий выполнять измерения емкости. Вы можете также использовать микросхему программируемого счетчика-таймера, такого как Intel 8254, которую можно легко найти в продаже или же извлечь из старой платы расширения ПК. Для третьего способа потребуется микросхема 16-разрядного счетчика, например, CD4040 или CD4520, подключенная к принтерному порту ПК через соответствующие буферные и управляющие схемы [1]. В последних двух случаях вы можете задействовать специальное прерывание BIOS вашего ПК – INT 1Ch, чтобы, не мешая нормальной процедуре обработки, обеспечить окно измерений шириной в одну секунду. В течение этой секунды счетчик будет суммировать выходные импульсы ПНЧ. В конце окна измерений содержимое счетчика передается в ПК, и, совершив определенные манипуляции данными, вы получите значение неизвестной емкости прямо на экране компьютера.

Измерения малых ёмкостей (аналоговый ёмкостной датчик)

Предлагаю сообществу датчик малых ёмкостей, работающий почти от 0 пФ. Можно использовать в любительской электронике, роботостроении.

Разрабатывая хобби-электронику, мне понадобился какой-нибудь простой датчик расстояния на ёмкостном эффекте. Поискав в Интернете, нашёл только датчики касания, но они имеют малое расстояние срабатывания и дискретный выход. Другие же датчики слишком сложные или с долгой настройкой. Нужен был очень простой и дешёвый, работающий от микроконтроллера. Что получилось — под катом…

Схема

После нескольких экспериментов появилась схема, на рис. 1.

Рис. 1. Схема. MicroCap10

Как работает

Принцип действия основан на измерении заряда, который накопился на обкладке конденсатора при зарядке. Вторая обкладка – это объект, подносимый к датчику. Для моделирования она показана подключённой к «земле», но это не принципиально.

Обкладка конденсатора подключена к выводу микроконтроллера, который настроен на выдачу меандра частотой 120 — 180 кГц, на схеме это источник напряжения V2. Также, обкладка подключена к базе транзистора Q1. Эмиттер подключён к тому же генератору. Так как выход МК комплементарный, это означает что вывод попеременно подключён то к «+» источнику питания, то к «0». Что происходит в эти полупериоды:

• На выходе МК лог. 1: Конденсатор быстро заряжается через R1, R2. Так как ёмкость очень мала, можно обойтись без диодного разделения, сопротивление R2 достаточно для полного заряда, и нет паразитной ёмкости диодов. Транзистор закрыт, так как включён в обратном направлении U_БЭ<0.
• На выходе МК лог. 0: Конденсатор С1 разряжается через R3, переход БЭ Q1 и выход МК. Так как эмиттер через вывод МК подключился к «0V», то ток разряда на очень короткое время открывает транзистор. Создаётся ток коллектора на короткое время, определяемое зарядом конденсатора С1.

Диод D1 и конденсатор С2 образуют амплитудный детектор – на R5 создаётся напряжение, пропорциональное ёмкости С1. Транзистор Q2 нужен для согласования сопротивлений с АЦП МК. Выходное напряжение снимается с R6.

Результаты моделирования (рис. 2) при номиналах, показанных на схеме. Линейная зависимость примерно сохраняется до 10 пФ.

Рис. 2. График ёмкость — напряжение

При снижении R3 до 2 кОм, увеличивается чувствительность и снижается линейный участок примерно до 0…4 пФ.

Рис. 3. График ёмкость — напряжение

Примечание: подъём графика около 0 пФ – ошибки моделирования, там на самом деле продолжается линейность. Проверено в «железе».

Приведённая схема отличается от других (с диодной развязкой или мостами и неизменным включением БЭ транзистора) тем, что пропорция ёмкость/напряжение имеется почти с 0 пФ, без мёртвой зоны. Также, в схеме задействована только одна обкладка конденсатора.

При выполнении на плате собственная ёмкость схемы намного меньше ёмкости одной обкладки — пластины в 20 см 2 . Чувствительность датчика: для поднесённой руки примерно на 50 мм к пластине — изменение выходного сигнала более 10%. Расчётное изменение ёмкости около 2 пФ. На сетевые помехи, ЭМП и GSM датчик не реагирует.

Уточнения для реализации

• Транзисторы должны быть с рабочей частотой от 100 МГц, и минимальной ёмкостью базы (здесь 2 пФ).
• Диод D1 – высокочастотный типа BAV99, ёмкость единицы пФ.
• С2 в диапазоне 10 – 30 нФ, больше не надо, растёт ток вывода МК. Для сглаживания импульсов можно поставить конденсатор параллельно R6
• Резистор R1 в 100 Ом ограничивает ток вывода МК, импульсный 5мА, средний 0,2 мА.
• Микроконтроллер в данной схеме – Atmega8A, выход меандр 166 кГц, АЦП его же. Увеличение частоты выше 300 кГц не рекомендуется, из-за влияния паразитных ёмкостей.

Альтернативное применение.

В комментариях под статьёй обсуждается применение в качестве датчика влажности почвы. Решил проверить, возможно ли.

Сенсорную пластину взял 40х60 мм, хорошо замотав в 4 слоя сантехнического скотча (допустим, герметизировал). Собственная ёмкость возросла, пришлось поменять номиналы в схеме, снизив чувствительность до уровня 15 пФ. Новая схема здесь :

Рис. 4. Схема для датчика влажности почвы.

Эксперименты:

Плоской земли у меня нет, есть песок, который я насыпал в банку объёмом примерно 300 мл. Доливал воды каждый раз примерно по 15. 20 мл.

Сухой песок. Собственная ёмкость сенсора.

Песок +20мл воды.

Ещё долил воды и немного утрамбовал.

… и ещё воды. Стало совсем тропически сыро.

Напряжение снимал с R5, поэтому при увеличении ёмкости напряжение увеличивается.
Видно, что ёмкость возрастает при каждом доливе. Однако, то ли песок такой, то ли я не знаю что, но показания увеличиваются сразу при доливе. Я ожидал более плавное изменение U при пропитывании песка водой.

Да, я знаю о сенсорных датчиках для Ардуино с Али. Но мне хотелось разобраться самому и сделать с заданными параметрами.

Датчики и преобразователи Texas Instruments: разнообразие решений для всех типов измерений. Часть 1

Емкостные датчики для измерения расстояния, уровня жидкости или присутствия; датчики влажности/температуры; датчики интенсивности окружающего освещения, датчики индуктивности для обнаружения токопроводящих объектов и измерения расстояния до них – это лишь небольшая часть линейки надежных и качественных интегральных датчиков производства компании Texas Instruments.

Сегодняшний день немыслим без всевозможных датчиков, которые помогают исследовать окружающую нас среду. Датчики помогают преобразовать аналоговые физические величины в цифровой поток для дальнейшей обработки. Независимо от того, что именно необходимо измерять, в номенклатуре Texas Instruments найдется множество решений. Для измерения всевозможных параметров в микросхемах Texas Instruments применяются различные методы и технологии. Существующие решения включают измерения с помощью емкостных, индуктивных, ультразвуковых датчиков, тензодатчиков, датчиков температуры, фотодиодов, датчиков Холла, но не ограничиваются ими.

Использование емкостных датчиков

Решения, применяющие различные способы измерения емкости, набирают популярность. Это можно отметить на примере таких устройств, как датчики присутствия, устройства распознавания жестов, устройства для анализа материалов и определения уровня жидкости. Главное отличие метода, основанного на измерении емкости, от других заключается в том, что его можно применять совместно с различными материалами – как токопроводящими, так и не проводящими ток. Метод позволяет проводить бесконтактные измерения. При этом возможно определение больших расстояний при малых размерах датчика. В качестве измерительного элемента может быть использован любой проводящий элемент – это дает возможность создавать легко интегрируемые бюджетные системы. Кроме того, используя современную элементную базу, можно добиться достаточно высокой точности измерения.

Для реализации емкостных датчиков Texas Instruments предлагает шесть микросхем, реализующих преобразование «емкость-код». Их краткие характеристики даны в таблице 1.

Таблица 1. Параметры семейства преобразователей «емкость-код»

Кроме различия в характеристиках представленных микросхем, стоит обратить внимание на некоторые отличия внутренней архитектуры (рисунок 1) и алгоритма измерения. Так, например, в FDC1004 для измерения используется принцип заряда-разряда емкости, величина емкости измеряется посредством измерения напряжения. В микросхемах FDC2x1x емкость измеряется посредством измерения частоты.

Среди особенностей FDC1004 следует отметить наличие четырех каналов измерения, возможность компенсации паразитной емкости и применение активного экранирования. Компенсация паразитной емкости востребована при построении систем с применением удаленных датчиков. С помощью внутренней схемотехники FDC1004 можно компенсировать внешнюю паразитную емкость до 100 пФ. Кроме того, два дополнительных драйвера экрана позволяют уменьшить влияние внешних факторов на результаты измерения и сузить зону восприимчивости датчика, тем самым повысив точность измерений. При помощи активного драйвера экрана создается эквипотенциальное поле, что исключает влияние внешних нежелательных факторов на линию передачи. Драйверы экрана могут работать с емкостной нагрузкой до 400 пФ. Если же емкость экрана будет выше указанной – эффективность его использования будет не столь очевидной. При этом следует учитывать, что эффективная разрядность у FDC1004 составляет порядка 16 бит. Такой разрядности достаточно, чтобы, используя недорогой токопроводящий сенсор, обнаруживать удаленные объекты.

Линейка микросхем FDC2x1x разработана с учетом уменьшения влияния внешних электромагнитных возмущений и обеспечивает возможность реализации высокоточных быстрых преобразователей емкости. Для обеспечения усиленной защиты от внешних электромагнитных воздействий в микросхемах используется решение с узкополосным входным каскадом, что позволяет обеспечить высокий уровень подавления шума и помех, при этом сохранив скорость и точность преобразования. Для измерения емкости предусмотрено использование широкого диапазона возбуждающих частот 0,001…10 МГц. Высокая частота возбуждения (10 МГц) дает возможность использовать представленное решение совместно с токопроводящими жидкостями. Внутри самой линейки FDC2x1x также есть ряд отличий: FDC221x предназначена для применений, в которых требуется высокая точность (до 28 бит), тогда как FDC211x позволяет достичь большей скорости измерения (до 13 квыб./с) и предназначена для изделий, где необходимо отслеживать быстрое перемещение наблюдаемого объекта. Широкий диапазон входных емкостей до 250 нФ позволяет использовать данное решение для реализации датчиков с большими размерами или же использовать удаленные датчики, где емкость проводов вносит значительный вклад в общее значение емкости. Так как величина измеряемой входной емкости достаточно велика, реализация емкостного датчика окружающей среды не составит большого труда.

Несмотря на повышенные скорость измерения и точность, в линейке FDC2x1x нет возможности использовать емкостные датчики с активным экраном, поэтому для решений, где важно исключить влияние человека на результаты измерения, лучше использовать FDC1004.

Рис. 2. Пример отладочной платы FDC1004

Для получения опыта работы с решениями Texas Instruments для измерения емкости компания предлагает наборы отладочных плат FDC1004EVM и FDC2114EVM с USB-подключением. Особенностью отладочных плат является их модульность. Любой элемент, будь то датчик или управляющий микроконтроллер, можно отсоединить от исследуемой микросхемы FDC, и подсоединить собственный. Совместно с отладкой компания TI предлагает использовать ПО, которое позволяет подключиться к отладочной плате и исследовать ее возможности (рисунки 2 и 3).

Рис. 3. Внешний вид окна ПО

Датчики влажности

Одной из разновидностей емкостного датчика может быть датчик влажности. Его основная задача – определение количества водяного пара/влаги в воздухе. Так как диэлектрическая проницаемость линейно зависима от содержания влаги в веществе, то, следя за изменением величины емкости, можно определить влажность окружающей среды. Датчики влажности находят широкое применение во многих системах управления технологическими процессами и контроля параметров окружающей среды в зданиях и автомобилях, системах климат-контроля и дистанционных метеостанциях.

На сегодняшний день в линейке Texas Instruments имеются три микросхемы, позволяющие измерять влажность: HDC1000, HDC1008, HDC1050 (рисунок 4). Датчики являются законченным изделием, не требуют дополнительных внешних преобразователей и позволяют достичь ±3% точности при измерении влажности. Так как относительная влажность напрямую связана с температурой окружающей среды, то, кроме влажности, они позволяют дополнительно измерять температуру. Основные параметры датчиков приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры датчиков влажности Texas Instruments

Для всех представленных датчиков влажности характерно малое энергопотребление как в рабочем режиме (1,2 мкА), так и в режиме ожидания (

100 нА), поэтому они могут быть использованы в устройствах с батарейным питанием. Помимо этого, малое энергопотребление позволяет избежать влияния самонагрева на результаты измерения.

Точность измерения датчиков зависит от выбранного времени преобразования и может составлять 8…14 бит при измерении влажности и 11…14 бит при измерении температуры. При помощи регистра конфигурации можно задать один из трех вариантов длительности преобразования: 2,5, 3,85 и 6,5 мс. Наибольшая точность достигается при установке времени преобразования 6,5 мс. Относительно точности измерения следует отметить, что, несмотря на заявленный рабочий температурный диапазон -40…125°С, точность измерения влажности гарантируется только в диапазоне температур -40…60°С. При этом в случае изменения температуры точность сохраняется во всем диапазоне.

Для коммуникации с внешним микроконтроллером в датчиках используется интерфейс I2C. С помощью данного интерфейса задаются параметры работы микросхемы и считываются данные. Кроме измеренных параметров влажности и температуры, данные содержат информацию о понижении напряжения питания микросхемы ниже заданного порога. При снижении напряжения питания менее 2,8 В в пакете данных формируется специальный флаг. Благодаря этому можно вовремя заметить проблему и заменить батарею.

Нагревательный элемент, встроенный в датчик, предназначен для тестирования функциональности и для удаления конденсата. Он также полезен для компенсации возможного сдвига данных измерения при длительном нахождении датчика в условиях повышенной влажности.

Среди основных различий между датчиками влажности Texas Instruments следует отметить используемый корпус, место размещения емкостного измерительного датчика, возможность адресации шины I2C. Так, HDC1050 выполнен в 6-выводном корпусе WSON (3х3 мм), что облегчает его монтаж на плату. В отличие от него, HDC1000 и HDC1008 выполнены в миниатюрном корпусе DBGA (2х1,66 мм), в котором преобразовательный элемент расположен в нижней части микросхемы. Такое расположение датчика позволяет уменьшить влияние внешних факторов – грязи и пыли – на результаты измерения. При использовании HDC1000 и HDC1008 у разработчика есть возможность использовать до четырех устройств на одной шине I2C, благодаря тому, что адрес устройства задается с помощью дополнительных внешних выводов.

Рис. 5. Отладочная плата HDC1000

Для проведения экспериментов с датчиками влажности компания TI предоставляет отладочные платы HDC1000EVM и HDC1050EVM (рисунки 5 и 6). Платы предоставляются совместно с ПО. Для того чтобы датчик можно было использовать в условиях, максимально приближенных к реальным, на отладочной плате присутствует перфорация, позволяющая отсоединить датчик от платы и подключиться к нему с помощью 5-проводного кабеля.

Рис. 6. Программный интерфейс отладочной платы HDC1000

Датчики освещенности

Еще одним законченным решением в линейке датчиков, предлагаемых Texas Instruments, является ALS (Ambient Light Sensors) – датчик интенсивности окружающего освещения OPT3001. OPT3001 предоставляет данные об окружающем освещении в цифровом виде. Для этого в микросхему интегрирован фотодиод, сигнальный тракт, цифровой преобразователь и цифровой интерфейс. Микросхема OPT3001 применяется для управления освещением в различных системах и устройствах, начиная от планшетов и телефонов и заканчивая автоматизацией уличного и домового освещения. С помощью OPT3001 можно повысить эффективность использования освещения, исходя из условий окружающей среды.

Для коммуникации в датчике используется интерфейс I2C, отображающий данные об уровне освещенности в люксах. Особенностью OPT3001 является соответствие результатов измерения интенсивности ее уровню, воспринимаемому человеком. Благодаря использованию фильтра, подавляющего практически весь инфракрасный спектр (>99%), результаты измерения интенсивности освещения практически полностью соответствуют спектру, воспринимаемому человеческим глазом (рисунки 7 и 8).

Рис. 7. Спектр восприимчивости человеческого
глаза и OPT3001

Рис. 8. Внешний вид датчика OPT3001

Используемая конструкция фотоэлемента и оптического фильтра кроме подавления инфракрасной части спектра обеспечивает невосприимчивость к незначительным оптическим неоднородностям, возникающим при появлении пыли или царапин. Чтобы получить широкий диапазон измерений освещенности 0,01…83 лк, в датчик встроен усилитель с переменным коэффициентом усиления (рисунок 9). Коэффициент усиления можно как задать самостоятельно, так и установить функцию автоматической коррекции усиления. Автоматический режим уменьшает ручное управление при проведении измерений, подбирая оптимальный режим работы усилителя с помощью установки одного из возможных значений коэффициента усиления.

Рис. 9. Блок-схема OPT3001

Переменный коэффициент усиления позволяет достичь максимального динамического диапазона в 23 бита. Также датчик обладает малым электропотреблением 2,5 мкА в диапазоне рабочего напряжения питания 1,6…3,6 В. Перечисленное, а также возможность формирования цифровых прерываний при достижении пороговых значений уровня освещения позволяет реализовать решения с длительным сроком работы от одной батарейки.

Отладочная плата OPT3001EVM (рисунок 10) позволяет разобраться со всеми режимами работы датчика освещенности. Отладка состоит из двух частей: платы с датчиком, тестовыми выводами и разъемом; USB-интерфейса. ПО позволяет считывать параметры освещенности и задавать все необходимые для работы датчика режимы.

Рис. 10. Отладочная плата OPT3001 EVM

Измерение индуктивности

Применение индуктивных датчиков позволяет реализовать технологию бесконтактного обнаружения предметов и измерения расстояния до них. Единственное отличие индуктивных датчиков от емкостных заключается в том, что индуктивные датчики могут использоваться только с токопроводящими объектами. В качестве индуктивных датчиков возможно использование любой катушки индуктивности, начиная от обычных моточных катушек, катушек, реализованных на печатной плате, или даже простой металлической пружины. Это позволяет реализовать бюджетные, надежные и легко интегрируемые решения малого энергопотребления. Так как в качестве индуктивности может выступать простая пружина, это дает возможность реализовать измерение степени сжатия и растяжения пружин. Одним из преимуществ использования индуктивных датчиков является их способность работать в условиях повышенного загрязнения. С помощью индуктивных датчиков можно реализовать различные органы управления (кнопки, регуляторы, переключатели). Они применяются также в турбинных расходомерах, в драйверах двигателей.

В номенклатуре Texas Instruments представлен широкий ряд микросхем, преобразующих величину индуктивности внешней катушки в цифровой выходной код (таблица 3). Кроме измерения самой величины индуктивности, данные преобразователи могут предоставлять данные о величине параллельного сопротивления резонансного контура.

Таблица 3. Характеристики семейства LDC

В линейке преобразователей «индуктивность-код» следует выделить многоканальные решения – LDC1312/4 и LDC1612/LDC1614 (рисунок 11). Многоканальные микросхемы предназначены для применений, где используется более двух датчиков для определения горизонтального перемещения либо определяется угол поворота. Микросхемы LDC1ХХХ избавляют от необходимости использовать дополнительный внешний мультиплексор, а также позволяют компенсировать влияние внешних факторов на результаты измерения. Широкий диапазон применяемых частот 0,001…10 МГц позволяет использовать микросхемы LDC131Х и LDC161Х с более широким спектром индуктивностей, чем LDC1000, чей диапазон возбуждающих частот составляет 0,005…5 МГц. Кроме того, высокая разрядность 28 бит (LDC161Х) позволяет увеличить чувствительность датчиков. За счет увеличенной скорости выборки (13,3 квыб./с) LDC131x будут востребованы в решениях, где необходимо быстрое отслеживание положения объекта. При этом многоканальные решения способствуют оптимизации энергопотребления, так как кроме активного режима (2 мА) и режима ожидания (35 мкА) в них доступен режим остановки. В этом режиме (shutdown), который активируется через дополнительный вывод микросхемы, ток потребления составляет 200 нА.

Рис. 11. Функциональная блок-схема: а) LDC1612, LDC1614; б) LDC1101

Среди одноканальных решений LDC1101 обеспечивает наибольшую скорость измерения – 156 квыб./с. При этом минимальное рабочее напряжение равняется 1,7 В, что позволяет использовать его в системах с питанием 1,8 В. Также в LDC1101, в отличие от других микросхем линейки LDC1000, есть возможность активирования режима остановки. В режиме остановки потребляемый ток уменьшается до 1,4 мкА, это позволяет значительно уменьшить энергопотребление в случае, когда не требуется проведения непрерывных измерений.

Texas Instrumens предлагает набор отладочных средств LDC1101EVM, LDC1614EVM, LDC1314EVM (рисунок 12). Отладочные платы, помимо самой микросхемы преобразователя индуктивности, содержат индуктивный датчик и модуль сопряжения с компьютером на базе MSP430F5528. Для работы с платой предоставляется ПО, которое поможет разобраться с особенностями работы.

Рис. 12. Отладочная плата LDC1101EVM

Ультразвуковые измерения

Ультразвуковые метрологические технологии основываются на измерении времени между моментом посылки и возвращения ультразвукового сигнала, отраженного от цели. Данный интервал называется временем пролета (ToF, Time of Flight) и определяется расстоянием, которое проходит ультразвуковой сигнал до объекта, и скоростью распространения сигнала. При этом, следует учитывать что скорость распространения сигнала зависит от состояния среды, через которую передается сигнал (скорость потока, температура, концентрация вещества и так далее). Данный метод, основанный на уравнении t = S/v, может быть использован для измерения уровня жидкости, анализа состава жидкости или газа, скорости потока вещества, расстояния.

Основные преимущества ультразвуковых измерений:

• бесконтактный неразрушающий метод тестирования;
• высокая точность;
• независимость от вибраций;
• простота дизайна;
• возможность использования с любыми типами материалов.

Для реализации устройств, использующих ультразвуковой метод измерения, TI предоставляет ряд решений. На одном из них базируется семейство TDC. На сегодняшний день в этом семействе представлены три микросхемы: TDC1000, TDC1011 и TDC7200 (рисунок 13).

TDC1000 и TDC1011 являются аналоговыми модулями сопряжения. Их основная задача – создание возбуждающего напряжения для пьезоэлемента и регистрация времени начала посылки и получения отклика. Результатом работы микросхемы являются временные метки на выводах START и STOP. Для вычисления времени между метками необходим дополнительный преобразователь. Его роль может быть выполнена либо внешним микроконтроллером, либо преобразователем TDC7200. Основным отличием между TDC1000 и TDC1011 является количество каналов для подключения пьезоэлемента. У TDC1000 этих каналов два, у TDC1011 – только один. Во всем другом, включая внутреннюю архитектуру, микросхемы идентичны. Для управления параметрами микросхем используется SPI-интерфейс, через который можно задать частоту возбуждающих импульсов передатчика в диапазоне частот 0,031…4 МГц, их амплитуду и форму огибающей, а также оптимальный режим приемника. Гибкость настройки позволяет реализовать решение в различных средах, не привязываясь к конкретным размерам измерительной камеры. Среди основных технических параметров микросхем следует выделить диапазон измерения до 8 мс, рабочий ток 1,8 мкА при 2 выб./с, временной шум 50 пс, программируемый порог входного сигнала, возможность подключения двух резистивных температурных датчиков.

Хорошим дополнением к TDC1000/TDC1011 является TDC7200. TDC7200 – преобразователь «время-код» (TDC, Time to Digital Converter). Основной функцией преобразователя является фиксация и измерение времени. В TDC7200 реализована возможность измерять до пяти временных интервалов между метками START и STOP. Так как в большинстве случаев для возбуждения пьезодатчика используется серия импульсов, вследствие чего возможно получение паразитного отклика, то измерение нескольких временных интервалов позволяет выбрать отклик с наилучшим качеством отраженного сигнала.

Измерение нескольких интервалов дает возможность повысить точность измерения, выбрав сигнал с наилучшим откликом. Пикосекундная точность измерения, достигаемая за счет внутренней самокалибровки преобразователя, идеально подходит для расходомеров, в которых необходимо измерять нулевые и очень малые потоки с высокой точностью. Совместное использование TDC1000/TDC1011 и TDC7200 дает возможность реализовать систему c малым потреблением, высокой точностью и хорошей повторяемостью параметров.

Для эксперимента с ультразвуковыми измерениями компания TI предлагает воспользоваться отладочными платами TDC1000-C2000EVM и TDC1000-TDC7200EVM (рисунок 14). Также разработчикам предоставляется ПО, позволяющее получить доступ ко всем настройкам микросхем.

Рис. 14. Отладочная плата TDC1000-TDC7200EVM

Заключение

Представленные решения с использованием цифровых преобразователей позволяют решить множество задач, связанных с измерением расстояния до объекта, определения месторасположения, анализа состава вещества с помощью различных технологий – измерения емкости, индуктивности, времени распространения ультразвука. Выбор конкретного решения зависит от поставленных задач, для простоты реализации которых компания Texas Instruments предоставляет отладочные средства и ПО, что позволяет легко разобраться с условиями применения микросхем.

Измерение емкостей полупроводниковых приборов

Зарядные емкости /?—л-переходов обычно измеряются в режиме, когда на переход подано постоянное обратное смещение.

Существующие методы измерения емкостей р—«-переходов базируются на предположении, что зарядная емкость не зависит от частоты вплоть до частот порядка 100 Гц.

Для измерения емкостей р—л-переходов используются три метода:

• • метод замещения в резонансном контуре;
• • метод емкостно-омического делителя;
• • мостовой метод.

Метод замещения в резонансном контуре осуществляется на основе схемы, представленной на рис. 16.5, а. На схеме Е — генератор напряжения высокой частоты; — блокировочный конденсатор; L — катушка индуктивности; 1/_ш — напряжение смещения. Перед измерением резонансный контур настраивается в резонанс — критерием настройки служит максимум показаний высокочастотного вольтметра V

. Калибровочный переменный конденсатор С_кал снабжен шкалой, отградуированной в единицах емкости.

Вначале фиксируют положение конденсатора, соответствующее настройке контура в отсутствие объекта измерения. Затем подключают измеряемый прибор, задают необходимый режим по постоянному току, с помощью конденсатора добиваются резонанса в контуре и фиксируют новое значение емкости по шкале. Разность двух значений показаний шкалы и дает искомую величину емкости. Преимуществом такого метода измерений является простота процедуры измерения.

Метод емкостно-омического делителя показан на схеме рис. 16.5, б. Основными элементами этой схемы являются генератор напряжения высокой частоты ?, чувствительный высокочастотный

Рис. 16.5. Схемы для измерения емкости р—«-переходов диодов и транзисторов:

а — методом замещения в резонансном контуре; б — методом смкостно-омиче

, подключенный к резистору R. Перед измерением измеритель калибруют с помощью эталонного конденсатора емкостью С_эт, подключаемого к зажимам измерителя. Элементы цепей и рабочая частота выбираются так, чтобы выполнялось условие

где R_rH — активное внутреннее сопротивление генератора напряжения; (о — рабочая частота; С_тах — максимальное значение измеряемой емкости.

Измеритель имеет линейную шкалу, которая может быть отградуирована непосредственно в пикофарадах с любым удобным множительным коэффициентом.

Погрешности измерения емкости методом емкостно-омического делителя в основном определяются нелинейностью амплитудной характеристики электронного вольтметра и неточностью учета паразитной емкости корпуса измерителя. Типичная предельная погрешность составляет примерно ±10%, но при необходимости ее можно снизить до ±3. 5 %.

Мостовыми методами производятся измерения емкостей полупроводниковых приборов, как правило, в лабораторных условиях. Измерительные установки, основанные на мостовом методе измерения, являются наиболее универсальными, так как позволяют определить емкость при наличии значительной шунтирующей проводимости или большого последовательного сопротивления. Специальные мостовые измерительные схемы могут иметь очень высокую точность измерения емкости (их погрешность может составлять ±0,1 % и меньше).

Схема для измерения максимального прямого импульсного напряжения U_{np HMnmax} и времени т_уст установления представлена на рис. 16.6, а. На испытуемый диод подаются импульсы прямого тока от генератора импульсного тока (ГТ). Измерение напряжения на диоде во время переходного процесса и отсчет интервалов времени производятся при помощи измерительного устройства (ИУ), в качестве которого обычно используется осциллограф. При этом наибольшую трудность вызывает обеспечение достаточно крутого фронта импульса прямого тока. Параметры U_nр._Имлтах и х _Уст измеряются при последовательно укорачивающемся фронте импульса тока (при прочих равных условиях). Длительность фронта можно считать приемлемой в том случае, когда измеряемые параметры перестают от него зависеть.

Основным источником методической погрешности измерения f/пр.имптах является индуктивность цепи между точками а и b (см. рис. 16.6, а), включая индуктивность самого исследуемого диода. Экспериментально оценить эту составляющую погрешности измерения можно при помощи макета, представляющего собой корпус диода с коротким замыканием в том месте, где должен располагаться кристалл полупроводника.

С точки зрения снижения погрешности измерения существенным является выбор скважности импульсов прямого тока. Практически скважность импульсов выбирают в пределах от 100 до 1000. Возникающая при этом погрешность оценивается экспериментально путем сравнения результатов измерения для нескольких значений скважности. Суммарная погрешность измерения параметров ^пр.имптах и т_уст обычно составляет ±20 %.

Схема для измерения времени восстановления обратного сопротивления импульсных диодов показана на рис. 16.6, б. Генератор импульсов (ГИ) обеспечивает в паузе смещение испытуе-

Рис. 16.6. Схемы для измерения прямого импульсного напряжения, времени восстановления напряжения (а) и времени восстановления обратного сопротивления импульсных диодов (б)

Рис. 16.7. Усовершенствованная схема для измерения времени восстановления обратного сопротивления диодов

мого диода током /_пр в прямом направлении. В течение импульса генератор выдает запирающее напряжение установленного уровня. Измерение интервала времени т_вос осуществляется измерительным устройством (ИУ).

В простейшем случае таким измерительным устройством может быть осциллограф. Измерительное устройство подключается к сопротивлению нагрузки R_H. Напряжение на входе измерительного устройства, так же, как и ток, протекающий через диод, зависит от времени. Наибольшую трудность здесь представляет фиксация момента времени, когда переходный обратный ток падает до отсчетного уровня 7^.

На рис. 16.7 изображена модификация схемы измерительного устройства, в значительной степени облегчающая проведение процедуры измерений. На испытуемый диод подается смешенный в прямом направлении импульс тока от генератора импульсов. Импульсы отрицательной полярности от генератора импульсов обеспечивают быстрое переключение диода с прямого тока на обратный.

Вспомогательные диоды Д, и Д₂ образуют цепь постоянного тока в паузе между импульсами. В результате напряжение на сопротивлении R_H в паузе равно нулю, и на осциллограмме появляется нулевой уровень отсчета величины I^R^.

Вспомогательная цепь из диода Д₃ и источника постоянного напряжения ?₃ служит для устранения выброса напряжения в первый момент после переключения. Источник постоянного напряжения 7Г₃ выбирают порядка (1,5. 2)/_вос/?_н.

Обязательным критерием применимости схемы рис. 16.7 является малая инерционность вспомогательных диодов Д,, Д₂ и Д₃. Время восстановления этих диодов должно быть, по крайней мере, на порядок ниже измеряемого значения t**.

При тщательном выполнении всех методических требований суммарная погрешность измерения параметра при использовании осциллографа составляет 15. 30%.

На рис. 16.8 изображена схема для измерения времени рассасывания быстродействующих транзисторов. Испытуемый транзистор насыщен постоянным базовым током. Насыщающий ток /_б, обеспечивается генератором тока, образованным источником Eq и резистором R₂. Генератор импульсов тока (ГИ) вырабатывает импульсы напряжения прямоугольной формы длительностью /_и. Амплитуда импульсного напряжения должна быть, по крайней мере, в 10 раз больше максимально возможного значения U_6iiac транзистора. В этих условиях рассасывающий ток определяется из соотношения

где U — амплитудное значение импульса, измеряемое вольтметром V; R] — сопротивление.

Значение тока /_б контролируется амперметром постоянного тока А.

Для обеспечения минимальной погрешности измерения, как правило, берут /_б| = /_б2. Вспомогательный диод Д предназначен для зашиты от пробоя эмиттерного перехода транзистора после окончания процесса рассасывания. В течение всего измеряемого отрезка времени вспомогательный диод заперт. Поэтому нет особых требований к его времени восстановления. Однако диод несколько искажает форму импульса тока базы из-за зарядной емкости, шунтирующей входные зажимы транзистора.

Для быстродействующих транзисторов вспомогательный диод можно не ставить. В тех случаях, когда вспомогательный диод необходим, диод выбирают с минимальной емкостью при запира-

Рис. 16.8. Схема для измерения времени рассасывания быстродействующих транзисторов ющем напряжении порядка 1 В. Емкость диода, как и паразитная емкость монтажа от зажима базы на «землю», снижает качество генератора импульсного тока.

Величины емкостей диода и монтажа должны выбираться с учетом следующего соотношения:

где С_д — емкость диода; С_м — емкость монтажа; /_р — время рассасывания накопленного на базе заряда.

Измеритель времени (ИВ) с входным сопротивлением = = 50 Ом подключен к коллектору транзистора через резистор R_y Соединение безындуктивных резисторов /?₃, R_A и входного сопротивления измерителя времени R_ax формирует сопротивление коллекторной нагрузки Д_н, которая имеет следующий вид:

Блокировочная емкость С₃ выбирается из условия

где /_к — ток коллектора в режиме насыщения; /_и — длительность импульса переключения; Е_к — напряжение коллекторного источника питания.

Величины проходной емкости С, и блокировочной емкости С₂ должны выбираться с условием

При определении /_р, когда в качестве измерителя времени применяется осциллограф, необходимо на экране фиксировать момент появления запирающего импульса. Для более точной фиксации момента появления переключающего импульса лучше пользоваться двухлучевым осциллографом.

Ориентировочная суммарная погрешность измерения времени переключения транзистора рассмотренного схемного решения составляет ±10. 30 %.

16.9. Измерение электрических параметров интегральных схем

Для логических интегральных цепей к техническим показателям относятся: быстродействие, потребляемая мощность, помехоустойчивость и нагрузочная способность.

Применение того или иного класса измерительной системы (ИС) в радиоэлектронной аппаратуре связано со специфическими требованиями. Такими требованиями для цепей транзисторнотранзисторной логики (ТТЛ) являются:

• • согласование входных характеристик при работе с устройствами, с которых может сниматься сигнал с амплитудой больше логической единицы, например U_BX = ?_п;
• • контроль характеристик, гарантирующий подавление помех, возникающих при работе цепей друг на друга. Условия согласования особенно важны при работе цепей эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ). Поэтому в состав системы параметров некоторых серий цепей ЭСЛ входит контроль не только выходных пороговых напряжений, но и контроль выходных уровней с двухсторонним ограничением, а также контроль динамических параметров с двухсторонним ограничением.

Статическая помехоустойчивость. Помехоустойчивость логической цепи характеризуется нормальным напряжением, на которое можно изменить уровни на входе цепи, не вызывая изменения напряжения на ее выходе за пределы граничных значений логического нуля или логической единицы. Это определение можно отнести и к совокупности логических цепей, если учесть минимальное и максимальное значения напряжений в соответствующих состояниях. Допустимое напряжение статической помехи определяется по семействам передаточных характеристик Ц,ых=/(?4х)> полученным с учетом технологического разброса параметров элементов схем. При этом можно выделить помехоустойчивость по отношению к отпирающим помехам

а также по отношению к запирающим сигналам

где U%ых.птах и Чых.птш

соответственно максимальное и минимальное значения логического нуля и логической единицы на выходе цепи; ?/J_{x nmax} и Ul_xnmin — максимальное и минимальное напряжения на входе, характеризующие ее открывания и закрывания.

Анализ передаточных характеристик показывает, что при отсутствии технологического разброса параметров элементов, влияния условий эксплуатации на пороговые напряжения логических цепей и зоны переключения на передаточной характеристике выполняется условие:

где 11_л — напряжение логического перепада.

Критерием оптимального выбора параметров и решениехМ схемы логической цепи является максимальная помехоустойчивость по отношению к обоим типам помех, т.е.

Для получения максимальной помехоустойчивости необходимо правильно выбирать граничные точки областей при различных формах и расположении предельных передаточных характеристик, а также параметры элементов с учетом обеспечения максимально возможной помехоустойчивости.

Анализ формул (16.2) и (16.3) показывает, что характеристика помехоустойчивости определяется входными и выходными напряжениями схемы, поэтому для гарантий помехоустойчивости необходимо устанавливать заданное напряжение на входе цепи и контролировать напряжение на ее выходе. Конкретные методики контроля выходных напряжений будут рассмотрены далее.

Нагрузочная способность. Нагрузочная способность п определяет допустимое количество цепей нагрузок, которые можно подключить к управляющей цепи. При этом выходной ток /_вых должен быть больше допустимого суммарного тока цепей нагрузок, т.е. ]Г /_нх и ^вх.птт) Для схемы ТТЛ наблюдается резкое увеличение потребляемого тока. Это связано с тем, что в момент переключения оказываются открытыми как выходной транзистор, так и транзистор, включенный в его коллекторную цепь. При этом через транзисторы протекает импульс сквозного тока. Это приводит к тому, что ток потребления является функцией частоты следования входных импульсов. Следовательно, при проектировании источников питания для запитки схемы ТТЛ необходимо учиты-

* ^юпшах; ^вх.rimin’ ^ых.пгаах; ^Lx.nmin

входные и выходные порога- выс напряжения в состоянии Лог «О» и Лог «Ь соответственно;

^вх> ^вх> ^вых> ^вых “ входные и выходные характеристики в состоянии Лог «О» и Лог «1* соответственно.

вать повышение потребляемой мощности при увеличении рабочей частоты устройства.

Контроль тока потребления на высокой частоте проводить весьма сложно. Поэтому вводится контроль дополнительного параметра — тока короткого замыкания /_кз, т.е. контролируется ток, протекающий в выходной цепи при замыкании ее на «землю» и при закрытом выходном транзисторе.

При выборе источников питания, обеспечивающих работу аппаратуры на цепях ТТЛ на высокой частоте, можно ориентироваться на следующее неравенство:

т.е. сумма двух измеренных токов будет всегда несколько больше тока потребления на предельной частоте.

Быстродействие. Быстродействие интегральной цепи определяется средним временем переключения из одного логического состояния в другое:

где t J°p — задержка распространения сигнала из состояния Лог «1» в состояние Лог «О»; — задержка распространения сигнала из

состояния Лог «О» в состояние Лог «1».

Эти значения времени, измеряемые на уровне порога переключения (1,5 В), состоят из двух этапов переходного процесса:

где tз — задержка включения, которая характеризуется временем, в течение которого происходит заряд барьерных емкостей транзисторов и паразитной емкости изолирующего р— п-перехода; /$, — время включения цепи (фронт нарастания), которое характеризуется накоплением заряда неосновных носителей в базе выходного транзистора, а также перезарядом барьерной емкости коллекторного перехода и разрядом нагрузочной емкости, подключенной к выходу микросхемы.

В аппаратуре нагрузочная емкость определяется входной емкостью схем-нагрузок и емкостью печатного монтажа; — задержка выключения, которая характеризуется временем рассасывания избыточного заряда, накопленного в области коллектора выходного транзистора; /ф — время выключения цепи (фронт спада), которое характеризуется рассасыванием неосновных носителей в базе, перезарядом емкости коллекторного перехода и зарядом емкости нагрузки.

В качестве параметров, гарантирующих быстродействие, контролируются /зр и t J°_p. Для цепи ТТЛ среднего быстродействия /®р ^ 1 _М и f_m проб ствуюшее максимальному напряжению Лог «1». Наихудшие условия, при которых измеренное значение максимально, соответствуют максимальному напряжению питания, которое задается генератором напряжения Е^.

Схема измерения входного тока логической единицы /?_х и пробивного тока на входе схемы /_вх._проб приведена на рис. 16.10, б. Контроль данных параметров производится поочередно по каждому входу. Контролируемый вход подключается к генератору напряжения, на котором напряжение для параметра /|,_х устанавливается равным Uiboc.nmim а для параметра /_вх._проб соответствует максимальному напряжению питания. Наихудший случай для указанных параметров обеспечивается заданием максимального напряжения питания.

Рассмотрим на конкретном примере, как посредством контроля параметров ?/^_Ь1Х, ?/^_ш, /‘_х, /°_х, контролируются помехоустойчивость и нагрузочная способность ТТЛ схемы. Норму на параметр U°_KUX примем равной 0,4 В при токе нагрузки 16 мА, а значение входного порогового напряжения Лог «1» установим 2 В. Норма на параметр ?/_вых соответствует 2,4 В. При этом ток нагрузки задается 400 мкА, а входное пороговое напряжение Лог «0» устанавливается равным 0,8 В. Норма на параметр /_вх соответствует 40 мкА, а на параметр /_вх — 1,6 мА. Тогда будем иметь:

Приведенный пример показывает, что помехоустойчивость логической цепи составляет 0,4 В, а нагрузочная способность равна 10.

Схема контроля параметра ?/_д приведена на рис. 16.11, а. Контроль данного параметра производится поочередно по каждому входу. Генератором тока (ГТ) задается вытекающий ток /_д и измеряется напряжение на входе цепи. Так как этот параметр определяется при открытом состоянии антизвонного диода, то измеряемое напряжение будет отрицательным. Наихудшие условия для данного параметра соответствуют режиму, когда напряжение питания минимально (оно задается источником напряжения Е_п) и на оставшиеся входы подается напряжение, соответствующее максимальному значению Лог «1».

Схема контроля параметра /_{к з} приведена на рис. 16.11, б. Контроль данного параметра заключается в измерении тока, протекающего в выходной цепи при замыкании его на общую шину. При этом все входы микросхемы также подключены к общей шине. Наихудшие условия обеспечиваются заданием максимального напряжения питания.

Схемы контроля параметров /J_OT и /J,_OT приведены на рис. 16.12. Контроль данных параметров заключается в измерении токов, протекающих в цепи питания ИС, когда она находится в состоянии Лог «0» и Лог «1» на выходе. Состояние Лог «0» обеспечивается подключением всех входов к генератору напряжения ГН, напряжение которого устанавливается равным напряжению питания. Состояние Лог «1» обеспечивается подключением всех входов к общей шине. Наихудшие условия, при которых измеренные значения параметров максимальны, соответствуют максимальному напряжению питания (оно задается генератором напряжения Е„).

Схема для измерения динамических параметров /1°_р, приведена на рис. 16.13. Контроль данных параметров заключается в измерении посредством двухлучевого осциллографа Р временных интервалов.

Рис. 16.11. Схемы для измерения напряжения антизвонного диода и тока короткого замыкания ИС:

а — измерение параметра С/_д; 6 — измерение параметра /_кз

Рис. 16.12. Схемы для измерения тока потребления логического нуля и логической единицы:

а — измерение параметра /JJ_OI; б — измерение параметра /^_от

Резистор подключается непосредственно к входу цепи и предназначен для согласования генератора импульсов, линии связи и входного сопротивления цепи. Сопротивление этого резистора должно иметь то же значение, что и волновое сопротивление линии связи. В измерительную цепь введен эквивалент нагрузки, который приближает условия измерения к условиям эксплуатации микросхем. Диоды Д. Д₄ обеспечивают включение нагрузочного тока, протекающего от источников Е_п через резистор R_2i аналогично тому, как это происходит при включении цепей нагрузок в реальных узлах аппаратуры. Емкость нагрузки С_н имитирует входные емкости измерительной системы и монтажной платы. Сопротивление резисторов /. /?₂, емкость нагрузки С_н и параметры диодов выбираются в зависимости от типа микросхемы и условий ее эксплуатации. Входы, на которые в данном измерении не подается сигнал от генератора импульсов, подключены к генератору напряжения ГН. значение которого устанавливается равным максимальному значению Лог «1».

Рис. 16.13. Схема для измерения динамических параметров

Для интегральных цепей ТТЛ среднего быстродействия задержки включения и выключения составляют ^ 22 нс и 4 при относительной полосе качания более единицы.

Достоинством такой схемы является возможность получения большой мощности на выходе.

Недостатками этой схемы являются возможность появления искажений формы выходного напряжения (вследствие попадания в полосу пропускания фильтра комбинационных колебаний высоких порядков) и сравнительно малая мощность на выходе.

Модулятор (генератор развертки) вырабатывает напряжение для управления частотой ГКЧ и горизонтальным отклонением луча. Форма модулирующего напряжения в измерителях АЧХ, в принципе, может быть любой. Необходимо лишь обеспечить постоянный частотный масштаб по оси х, т. е. линейную связь между мгновенными значениями частоты ГКЧ и величиной горизонтального отклонения луча.

Поскольку в измерителях АЧХ в качестве напряжения развертки используют модулирующее напряжение и отклонение луча по горизонтали, пропорциональное ему, то сформулированное условие можно записать следующим образом:

где а и b — некоторые постоянные коэффициенты.

Рис. 17.4. Структурные схемы ГКЧ:

а — гетеродинного типа; б — с системой автоматической регулировки частоты; в — линеаризация модуляционной характеристики с помощью частотного детектора; г — с автоматической регулировкой амплитуды

Соотношение (17.1) справедливо при любом законе изменения модулирующего напряжения.

Практически применяются напряжения пилообразной, треугольной и синусоидальной форм. Период модулирующего напря— жения делится на время прямого и обратного хода луча. В течение прямого хода луч прочерчивает на экране исследуемую АЧХ, а обратный ход используется для фиксации линии развертки, т.е. линии, соответствующей нулевому отклонению луча по вертикали. Это достигается путем запирания ГКЧ на время обратного хода луча специальными импульсами, вырабатываемыми в модуляторе.

В измерителях АЧХ с треугольным законом качания частоты генератор качающейся частоты не запирают, и луч прочерчивает исследуемую АЧХ как при прямом, так и при обратном ходе. Это позволяет контролировать динамические погрешности измерений (см. подразд. 17.4).

Зависимость /*,,( ?/_мод) называют модуляционной характеристикой ГКЧ. Как следует из формулы (17.1), эта зависимость должна быть линейной. Ее нелинейность приводит к искажению формы исследуемых АЧХ на экране прибора.

Рассмотрим основные способы линеаризации модуляционной характеристики ГКЧ.

1. В ряде случаев эту задачу решают путем введения в схему измерителя диодного функционального преобразователя. Диодный преобразователь включают между модулятором и нелинейным элементом в контуре автогенератора. С помощью этой схемы осуществляется такое изменение формы модулирующего напряжения, при котором обеспечивается нужный закон изменения частоты ГКЧ, т.е. линейность модуляционной характеристики.

Этот способ весьма удобен, так как он обладает простотой схем диодных преобразователей, возможностью аппроксимировать с их помощью практически любую функцию с высокой степенью точности.

2. При пилообразном модулирующем напряжении линейность модуляционной характеристики обеспечивается при изменении частоты ГКЧ по линейному закону. В этом случае целесообразно использовать систему автоматической регулировки частоты, изображенную на рис. 17.4, б.

Напряжение на смеситель подается с выхода ГКЧ и с линии задержки. Время задержки не должно зависеть от частоты. При этом колебания на выходе линии задержки по отношению к колебаниям на входе будут сдвинуты на время t₃. С помощью фильтра нижних частот на выходе смесителя выделяется колебание разностной частоты

Очевидно, что при линейной зависимости Угкч(/) разностное колебание будет иметь постоянную частоту, т.е.

где Угкч min — значение минимальной частоты ГКЧ.

На эту частоту и настраивают частотный детектор. При отклонении закона изменения частоты ГКЧ от линейного на выходе частотного детектора появляется напряжение ошибки. Воздействуя на нелинейный элемент в схеме автогенератора, это напряжение линеаризирует модуляционную характеристику ГКЧ.

3. Способ линеаризации модуляционной характеристики, основанный на применении частотного детектора, поясняется структурной схемой рис. 17.4, в.

Колебания автогенератора с качающейся частотой подаются на частотный детектор, настроенный на среднюю частоту автогенератора. Напряжение с выхода частотного детектора используется для горизонтального отклонения луча. Как известно, величина этого напряжения линейно зависит от частоты колебания на входе частотного детектора.

Данный способ линеаризации модуляционной характеристики целесообразно применять при постоянной средней частоте автогенератора, т. е. когда он включен в схему ГКЧ гетеродинного типа (см. рис. 17.4, а). Практически этот способ используют лишь при малой полосе качания частоты из-за трудности создания частотного детектора с линейной характеристикой в широкой полосе частот.

Амплитудно-частотная характеристика должна сниматься при постоянной амплитуде напряжения на входе исследуемого устройства, т.е. при постоянной амплитуде напряжения ГКЧ.

Нестабильность амплитуды напряжения ГКЧ в пределах полосы качания вызывает искажения формы исследуемой АЧХ на экране. Изменение этой величины при перестройке ГКЧ приводит к ошибкам при определении коэффициента передачи исследуемой цепи.

В современных измерителях АЧХ принимают специальные меры для стабилизации амплитуды напряжения ГКЧ. В схему прибора вводится устройство автоматической регулировки амплитуды (АРА), изображенное на рис. 17.4, г.

Напряжение ГКЧ поступает на детектор системы АРА. Напряжение на выходе детектора, пропорциональное амплитуде напряжения ГКЧ, сравнивается с постоянным опорным напряжением U₀. Усиленное разностное напряжение (сигнал ошибки) подается на ГКЧ и стабилизирует амплитуду его колебаний.

В качестве детектора АРА на низких частотах используют высокоомную детекторную головку, на высоких частотах применяют головку проходного типа (описание детекторных головок приводится далее). Усилителем системы АРА, как правило, является усилитель постоянного тока с малым дрейфом выходного напряжения.

Недостатком рассмотренного способа стабилизации амплитуды напряжения ГКЧ является то, что изменение амплитуды колебаний, как правило, приводит к дополнительной модуляции частоты, что вызывает искажения формы АЧХ на экране.

Этого недостатка нет у другого способа стабилизации амплитуды напряжения ГКЧ. Между генератором качающейся частоты и исследуемым устройством включают широкополосный усилитель с электрически изменяемым коэффициентом усиления. Напряжение с выхода системы АРА регулирует коэффициент усиления, стабилизируя, таким образом, напряжение на входе исследуемого устройства.

На высоких частотах для стабилизации амплитуды напряжения ГКЧ применяют широкополосные электрически управляемые аттенюаторы.

Измерители амплитудно-частотной характеристики комплектуются выносными и встроенными детекторными головками трех типов: высокоомными, согласованными оконечного типа и согласованными проходными. Принципиальные схемы детекторных головок приведены на рис. 17.5.

Рис. 17.5. Принципиальные схемы детекторных головок: а — высокоомной; б — согласованной оконечной; в — согласованной проходной

Высокоомные детекторные головки предназначены для измерения напряжения с минимальным влиянием на исследуемую цепь. Они применяются на частотах до нескольких сотен мегагерц. Высокоомная детекторная головка должна иметь достаточно большое входное активное сопротивление, малую входную емкость и равномерную АЧХ в рабочей полосе частот.

Выравнивание частотной характеристики детекторной головки достигается путем включения последовательно с диодом небольшого активного сопротивления (на рис. 17.5, а эту роль выполняет резистор R_<), ослабляющего влияние резонанса входной цепи.

Согласованные детекторные головки оконечного типа служат для измерения напряжения на выходе высокочастотных трактов, работающих в режиме бегущей волны. Эти головки должны иметь малый коэффициент стоячей волны напряжения К_СЛ на входе и равномерную АЧХ в рабочем диапазоне частот.

Малый коэффициент стоячей волны напряжения обеспечивают согласованием входа детекторной головки с высокочастотным трактом. Для этого сопротивление поглощающего резистора Л, (см. рис. 17.5, б) устанавливают равным волновому сопротивлению исследуемого тракта. Равномерность амплитудно-частотной характеристики детекторной головки достигается компактностью конструкции, в частности включением диода в непосредственной близости от резистора /.

Согласованные проходные детекторные головки используют для контроля неравномерности амплитуды напряжения ГКЧ, а также при некоторых измерениях. Проходная детекторная головка представляет собой отрезок коаксиальной линии, к внутреннему проводнику которой подключен диод (см. рис. 17.5, в). Для компенсации емкости диода диаметр внешнего коаксиала в области расположения диода несколько увеличивают.

Основным недостатком детекторной головки любого типа является нелинейность ее характеристики детектирования. Это связано с неидеальной формой вольт-амперной характеристики диода.

Кривую, изображающую характеристику детектирования, с достаточной для практики точностью можно разбить на два участка — начальный с квадратичной зависимостью тока детектора от амплитуды входного напряжения и линейный.

Для детекторных головок с германиевыми полупроводниковыми диодами граничное значение амплитуды входного напряжения обычно составляет 0,2 В. В измерителях амплитудно-частотной характеристики работают на линейном участке характеристики детектирования. Для этого амплитуда напряжения на выходе исследуемой цепи должна быть больше указанной величины.

На рис. 17.5 R[ и /?₂ — резисторы; С, и С₂ — конденсаторы; Д2Е, Д605 — используемые диоды.

В индикаторное устройство измерителя АЧХ входят усилители вертикального и горизонтального каналов и электронно-лучевая трубка.

Выбор типа ЭЛТ определяется ее эксплуатационными свойствами, а именно: размерами экрана, чувствительностью, качеством фокусировки луча, рабочей полосой частот и т.д. В зависимости от частоты модулирующего напряжения используют ЭЛТ с нормальным или длительным послесвечением.

В измерителях АЧХ применяют как осциллографические трубки с электростатическим отклонением луча, так и трубки телевизионного типа с магнитным отклонением луча. Последние имеют обычно прямоугольный экран значительно больших размеров, чем трубки с электростатическим отклонением, и лучшую фокусировку луча.

Недостатками магнитных ЭЛТ являются большие мощности, необходимые для отклонения луча и малая рабочая полоса частот, что обусловлено, в основном, большими индуктивностями отклоняющих катушек. Для выравнивания частотных характеристик индикатора применяют отрицательную обратную связь в оконечных каскадах усилителей вертикального и горизонтального каналов.

17.3. Измерение частот характерных точек амплитудно- частотных характеристик

При исследовании амплитудно-частотных характеристик возникает необходимость измерения частот и частотных интервалов, соответствующих характерным точкам изображения на экране измерителя АЧХ. Эти измерения выполняются с помощью частотных меток, которые могут быть подвижными или неподвижными.

Рассмотрим способы образования частотных меток и измерения частот, применяемые в современных приборах.

В измерителях АЧХ чаше всего пользуются системой неподвижных равностоящих частотных меток. Метки формируют из нулевых биений напряжения ГКЧ с напряжением, спектр которого содержит набор постоянных калибровочных частот.

Сущность этого способа образования частотных меток поясняется структурной схемой, приведенной на рис. 17.6.

Напряжение от генератора с повышенной стабильностью частоты (обычно кварцевого) подается на усилитель гармоник, представляющий собой усилитель-ограничитель с индуктивной нагрузкой (см. рис. 17.6). Его режим работы подбирают так, чтобы получить достаточно большое число гармоник кварцованной частоты на выходе. На смеситель поступают напряжение ГКЧ с частотой, меняющейся во времени по определенному закону, и

Рис. 17.6. Структурная схема образования частотных меток методом нулевых биений

напряжение сложной формы, спектр которого состоит из частот, кратных частоте кварцевого генератора. Нулевые биения образуются при равенстве частоты ГКЧ соответствующим калибровочным частотам.

Напряжение нулевых биений выделяется фильтром нижних частот. Как правило, для этого используют ЛС-фильтры с достаточно низкой частотой среза. Увеличение частоты среза фильтра приводит к расширению меток на экране.

Напряжение с выхода фильтра поступает на усилитель низкой частоты. Усиленное напряжение биений подается на вертикально отклоняющие пластины или модулятор ЭЛТ и образует частотную шкалу на экране прибора. Частотный интервал между двумя соседними метками равен частоте кварцевого генератора.

Для изменения масштаба частотной шкалы на экране (интервалов между метками) включают различные кварцевые генераторы или используют делители частоты.

Рассмотренный способ образования частотных меток применяется в большинстве широкополосных измерителей АЧХ.

При исследовании узкополосных цепей с симметричными амплитудно-частотными характеристиками удобно пользоваться системой трех подвижных частотных меток.

Структурная схема образования меток приведена на рис. 17.7, а. Высокочастотный диапазонный генератор с частотой f модулиру-

Рис. 17.7. Измерение частот с помощью трех подвижных меток: а — схема образования меток; б — изображение на экране ЭЛТ стся по амплитуде синусоидальным напряжением с частотой /₂ от низкочастотного диапазонного генератора. Напряжение с выхода высокочастотного генератора подается на смеситель. Таким образом, на смеситель поступают колебания частот/_ь/, -f_2yf + + У2 и напряжение ГКЧ с частотой f_tX4, меняющейся во времени. Напряжение меток формируется фильтром нижних частот из нулевых биений между колебаниями указанных частот и напряжением ГКЧ.

Рис. 17.8. Линейно-ступенчатое напряжение

Усиленное напряжение меток подается на ЭЛТ. Меняя частоты настройки высокочастотного и низкочастотного генераторов, совмещают метки с характерными точками исследуемой АЧХ (см. рис. 17.7, б). Частоты меток определяют по шкалам генераторов.

Точность измерения частот на экране измерителя АЧХ можно повысить, используя для модуляции частоты ГКЧ и горизонтального отклонения луча напряжение линейно-ступенчатой формы и_мол (рис. 17.8). В момент времени t_b соответствующий началу ступеньки, останавливаются частота ГКЧ и электронный луч. На исследуемой амплитудно-частотной характеристике появляется светящаяся точка, яркость которой определяется длительностью ступеньки, а диаметр — качеством фокусировки луча.

Частота измеряется за время ступеньки электронно-счетным частотомером. Для запуска частотомера используют импульсы, совпадающие по времени с началом ступеньки. Перемещая ступеньку и соответственно светящуюся точку на экране ЭЛТ, измеряют частоты, характеризующие исследуемую АЧХ.

Линейно-ступенчатое напряжение формируют с помощью фан- тастронных схем или путем подключения к обычному генератору пилообразного напряжения схемы образования ступеньки (электронного ключа). Длительность ступеньки определяется временем счета частотомера, т.е. временем измерения частоты.

Рассмотренный способ позволяет измерять частоты с высокой точностью, однако он требует существенного увеличения периода качания частоты (практически до нескольких секунд), что ограничивает его применение.

17.4. Применение измерителей амплитудно-частотных характеристик

Основным назначением измерителей АЧХ является исследование амплитудно-частотных характеристик линейных чстырехполюсников. Измерители АЧХ также применяются для исследования частотной зависимости крутизны АЧХ, измерения добротности колебательных контуров и резонаторов, параметров высокочастотных цепей. Рассмотрим методику и особенности этих измерений.

Измерение АЧХ. Для неискаженного воспроизведения амплитудно-частотных характеристик на экране измерителя АЧХ необходимо выполнить ряд условий, связанных как со свойствами исследуемого устройства, так и с диапазоном рабочих частот.

Нормальный режим эксплуатации прибора соответствует работе ГКЧ на согласованную нагрузку. Обычно выходное сопротивление ГКЧ на низких частотах равно 600 Ом, а на высоких — 75 или 50 Ом. Если входное сопротивление исследуемого четырехполюсника существенно отличается от указанных величин, то применяют согласующие устройства. В частности, когда четырехполюсник имеет низкоомный вход, включают делитель напряжения.

Качество согласования можно проверить, подавая на индикаторное устройство прибора напряжение с согласованной проходной детекторной головки, включенной между ГКЧ и исследуемым четырехполюсником. При этом на экране получается изображение огибающей напряжения ГКЧ, по которому можно оценить неравномерность амплитуды напряжения в установленной полосе качания частоты.

При исследовании активных четырехполюсников, в частности усилителей, возможны искажения формы АЧХ вследствие нелинейности амплитудной характеристики последних. Эти искажения можно обнаружить по изменению формы исследуемой АЧХ при увеличении напряжения ГКЧ. Снятие АЧХ усилителей следует проводить при минимально необходимом напряжении на входе, причем уменьшение этого напряжения не должно вызывать изменений формы АЧХ на экране.

При измерении АЧХ четырехполюсников с большим затуханием напряжение на выходе исследуемой цепи мало. При этом появляются искажения формы АЧХ, вызванные работой на нелинейном участке характеристики детектора.

Для большинства измерителей АЧХ нормальный режим работы соответствует подаче на вход детекторной головки напряжения более 0,2 В. При уменьшении этого напряжения до 10 мкВ коэффициент передачи детектора падает примерно в 10 раз. Поэтому при исследовании устройств с большим затуханием, напряжение с выхода исследуемой цепи подается сначала на широкополосный усилитель, а затем — на детекторную головку. Это устраняет искажения формы АЧХ, обусловленные нелинейностью характеристики детектора, но приводит к дополнительным погрешностям, связанным с неравномерностью АЧХ усилителя.

Измерители АЧХ могут использоваться для исследования амплитудно-частотных характеристик схем и устройств с преобразованием частоты. При этом необходимо учитывать, что частотные метки соответствуют частоте ГКЧ, а наблюдаемая АЧХ — частоте на выходе исследуемой схемы. Так, в случае гетеродинного преобразования частоты и выделения напряжения разностной составляющей, метки на экране прибора соответствуют частотам /=/, — -/гет, где /_м — частота метки; /_гет — частота настройки гетеродина исследуемой схемы.

При этом частотные интервалы между метками не меняются.

Ранее было указано, что измерители АЧХ снабжаются комплектом детекторных головок.

При измерении АЧХ низкочастотных устройств пользуются высокоомными детекторными головками, которые могут включаться как на выходе, так и в промежуточных точках исследуемого устройства. С повышением частоты входное сопротивление детекторной головки падает и становится заметным ее влияние на исследуемую цепь. Поэтому на высоких частотах применяют согласованные детекторные головки, включаемые на выходе цепи вместо нагрузки. Входное сопротивление такой головки должно быть равно сопротивлению нагрузки. При необходимости детекторная головка включается через согласующее устройство.

Измерение крутизны АЧХ. При исследовании устройств с линейной зависимостью амплитуды выходного напряжения от частоты, например дискриминаторов, удобно иметь на экране ЭЛТ частотную зависимость крутизны АЧХ:

На линейных участках амплитудно-частотной характеристики крутизна АЧХ является величиной постоянной. На экране она наблюдается в виде горизонтальной линии. Отклонения от этой линии характеризуют нелинейность АЧХ.

Кривую частотной зависимости крутизны АЧХ можно получить при двойной частотной модуляции напряжения ГКЧ. Для этого на вход исследуемой цепи подают напряжение с частотой f модулированной по синусоидальному закону (рис. 17.9, а). При достаточно малой и постоянной девиации частоты А/ амплитуда огибающей напряжения на выходе исследуемой цепи ?/_в‘_ю (см. рис. 17.9, в) пропорциональна крутизне исследуемой АЧХ (см. рис. 17.9, б), так как

Полученное соотношение непосредственно следует из графиков рис. 17.9. При качании частоты /закон изменения напряжения Ыв’ых (О будет повторять частотную характеристику крутизны исРис. 17.9. Измерение крутизны АЧХ с помошью частотной модуляции входного напряжения: а — входной сигнал; б — амплитудно- частотная характеристика; в — определение амплитуды огибающей напряжения на выходе исследуемой цепи

следуемой цепи S_A4X(/). При этом девиация частоты Af_z должна оставаться постоянной.

Рассмотренный способ получения частотной характеристики крутизны АЧХ наиболее просто реализуется в приборах с ГКЧ гетеродинного типа. Колебания качающейся частоты генерируются автогенератором. Частота диапазонного генератора модулируется по синусоидальному закону. Период модуляции должен быть много меньше периода качания частоты (периода развертки), а девиация частоты — много меньше полосы качания частоты.

Колебания автогенератора и диапазонного генератора подаются на смеситель. На выходе смесителя фильтром нижних частот выделяется напряжение разностной частоты с двойной частотной модуляцией. Это напряжение подается на исследуемую цепь (рис. 17.10, а). Напряжение с выхода цепи поступает на детектор и узкополосный усилитель, настроенный на частоту модуляции. Далее это напряжение непосредственно, или после второго детектора и усилителя низкой частоты, подается на ЭЛТ.

Изображения на экране для двух положений (7 и 2) переключателя К в схеме рис. 17.10, а показаны на рис. 17.10, б (приведенные кривые соответствуют частотной характеристике крутизны настроенного дискриминатора). По этим кривым можно оценить линейность АЧХ в рабочей полосе частот, измерить крутизну и другие параметры АЧХ.

Рис. 17.10. Измерение частотной зависимости АЧХ: а — структурная схема; 6 — изображение на экране ЭЛТ для двух положений

(/ и 2) ключа К

Измерение добротности. Это очень простой способ, основанный на измерении резонансной частоты исследуемой цепи f₀ и ее полосы пропускания А/₀. Добротность рассчитывается по формуле

При линейных характеристиках детекторной головки и усилителя вертикального канала полоса пропускания определяется на уровне 0,707 ?/_0вьгх, где 1/_0вых — максимальное напряжение на выходе цепи (рис. 17.11, а). В ряде случаев удобнее пользоваться формулой

где /, wf₂ — частоты, отсчитанные на уровне 0,707 ?/_0вых.

Более точный способ определения добротности основан на изменении частотного интервала между максимумами частотной характеристики крутизны АЧХ. Эту кривую можно получить на экране ЭЛТ описанным выше способом двойной частотной модуляции напряжения ГКЧ. Амплитудно-частотная характеристика колебательного контура имеет следующую максимальную крутизну при обобщенных расстройках:

Рис. 17.11. Частотные характеристики колебательного контура: а — амплитудно-частотная характеристика; б — частотная характеристика крутизны АЧХ

где f<_t2 — частоты, соответствующие максимумам частотной характеристики крутизны АЧХ (рис. 17.11, б).

Из формулы (17.4) с учетом формулы (17.3) получим следующую расчетную формулу:

Погрешности при определении добротности с помощью измерителей АЧХ прежде всего обусловлены шунтирующим действием цепей возбуждения и детектора и динамическими искажениями формы АЧХ на экране.

Поэтому нужно стремиться к минимальной связи исследуемой цепи с ГКЧ и пользоваться детекторной головкой с большим входным сопротивлением.

Для уменьшения динамических погрешностей скорость изменения частоты ГКЧ следует устанавливать с учетом изложенного ранее.

Контрольные вопросы

• 1. В чем состоит особенность структурной схемы измерителей АЧХ?
• 2. Какова особенность схемы автоматизированного измерителя амплитудно-частотных характеристик?
• 3. Какой узел является основным в схеме любого измерителя АЧХ?
• 4. Какие существуют схемы детекторных головок?
• 5. В чем заключается методика снятия и построения АЧХ?
• 6. Расскажите о методике измерения крутизны АЧХ.
• 7. Расскажите о методике измерения частот характерных точек амплитудно-частотной характеристики.

ИЗМЕРЕНИЯ В ЦЕПЯХ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

18.1. Основные сведения

Электрические цепи представляют собой совокупность соединенных определенным образом источников электрической энергии и нагрузок, по которым протекает постоянный или переменный ток. С точки зрения соотношения размеров цепей и рабочей длины волны электрических колебаний, имеющих в них место, различают цепи с сосредоточенными и распределенными (постоянными) параметрами.

Радиоэлектронные цепи, размеры которых гораздо меньше рабочей длины волны, называются цепями с сосредоточенными параметрами (их измерение было рассмотрено ранее). Свойства данных цепей практически не зависят от конфигурации выводов (электродов) активных и пассивных элементов и размеров соединительных проводов.

Радиоэлектронные цепи, физические размеры которых соизмеримы с рабочей длиной волны колебаний, относятся к цепям с распределенными параметрами. Каждый элемент или соединительный провод такой цепи обладает сопротивлением (активными, т.е. невозвратимыми потерями мощности), индуктивностью и емкостью. Эти цепи часто называют длинными линиями или СВЧ-трактаии.

18.2. Измерение параметров линейных СВЧ-устройств

При проведении измерений в СВЧ-диапазоне необходимо учитывать следующее:

• • соизмеримость длины волны колебания с геометрическими размерами элементов;
• • наличие пространственного электромагнитного поля в линиях передач, которое и является основным носителем электрической энергии.

К СВЧ-устройствам относятся: коаксиальные, волноводные и полосковые тракты (линии передач), двухполюсные, четырехполюсные и многополюсные устройства, работающие на частотах от 300 МГц до 300 ГГц.

Измерение параметров СВЧ-устройств выполняется двумя основными способами:

• с помощью измерительной линии анализируется распределение электромагнитного поля в СВЧ-тракте и расчетным путем определяются искомые параметры;

• посредством автоматических измерителей панорамного типа, основанных на раздельном измерении падающей и отраженной электромагнитных волн.

Поскольку размеры СВЧ-узлов измерительной линии соизмеримы с длиной волны электромагнитных колебаний А., то в ней в зависимости от характера нагрузки (рис. 18.1) устанавливаются режимы бегущих (а), короткого замыкания (б), холостого хода (в) или смешанных (г) волн (т.е. их положительных значений, полученных после детектирования). На рис. 18.1, г /_см показывает величину смещения первого минимума относительно конца линии.

При этом коэффициент отражения в конце измерительной линии, равный отношению отраженной и падающей волн, имеет следующий вид:

где Г — коэффициент отражения, Е„, Е₀, — комплексные амплитуды соответственно падающей и отраженной волн.

В формуле (18.1) ср является фазовым углом коэффициента отражения

Рис. 18.1. Распределение поля вдоль измерительной линии в различных

а — бегущей волны; б — короткого замыкания; в — холостого хода; г — смешанных волн

Фазовый угол коэффициента отражения определяется величиной смещения /_см первого минимума относительно конца линии. Смещение /_см может быть найдено в любой точке измерительной линии, принятой за ее условный конец. Условный конец определяется по удобному для отсчета минимуму при закороченной линии. В свою очередь, коэффициент отражения можно найти через параметры нагрузки и юл новое сопротивление измерительной линии:

где Zn — комплексное сопротивление нагрузки; р — волнов ое сопро- тивление измерительной линии на высоких частотах: р = у]L/C, где LwC— соответственно индуктивность и емкость линии на единицу длины.

Модуль коэффициента отражения в линии можно определить через параметры электромагнитного поля, которые выражаются через коэффициент бегущей или стоячей волны. Коэффициент бегущей волны

а коэффициент стоячей волны

где Е_т?_max — соответственно минимальная и максимальная амплитуды смешанной волны.

Поскольку Е_тгх = |/Г_п | + |2s₀;, Еццп = |-^п | j-^o|> то

откуда модуль коэффициента отражения

Коэффициенты бегущей и стоячей волн связаны между собой зависимостью

Совместное решение уравнений (18.2). (18.5) дает возможность найти активную R_H и реактивную Х_н составляющие полного сопротивления нагрузки линии:

Исследование распределения напряженности электрического поля наиболее просто можно выполнить при помощи зонда, погружаемого в измерительную линию и перемещаемого вдоль нее. Для этого измерительная линия должна иметь продольную неизлучающую щель (рис. 18.2).

Зонд выполняет функции измерительной антенны и должен быть связан с детектором, выпрямленный ток (напряжение) которого характеризует напряженность поля в каждой точке линии. Таким образом, конструкция любой измерительной линии должна содержать следующие функциональные узлы: щелевую секцию, зондовую головку и каретку с механизмом перемещения зонда вдоль щелевой секции.

Рис. 18.2. Упрощенная конструкция измерительной линии:

• 1 — стандартный прямоугольный волновод; 2 — зондовая головка; 3 — микрометрический винт; 4 — настроечные поршни; 5 — СВЧ-диод; 6 — каретка;
• 7 — измерительная линейка

Щелевая секция волноводной измерительной линии состоит из отрезка стандартного прямоугольного волновода 7, оканчивающегося фланцами для подключения измерительного генератора и измеряемого СВЧ-элемента (см. рис. 18.2). Из теории СВЧ-устройств известно, что для поля волны Я,₀ продольная щель будет неизлучающей, если она прорезана точно посередине широкой стенки волновода. Длина шели определяется диапазоном частот измерительной линии и должна быть достаточной для фиксации нескольких узлов и пучностей стоячей волны. Точность выполнения заданных размеров щелевой секции влияет на такие важные параметры измерительной линии, как затухание, собственный К*_в, непостоянство связи зонда с полем при его перемещении (за счет изменения глубины погружения).

Зондовая головка 2 состоит из зонда, глубина погружения которого в линию может изменяться с помощью микрометрического винта J, резонансной системы с настроечными поршнями 4 и СВЧ-диода 5, помешенного в специальную детекторную камеру (см. рис. 18.2).

В подавляющем большинстве современных измерительных линий применяются зонды емкостного типа, выполненные в виде тонкого вертикального штыря. Такой зонд реагирует на электрическую составляющую поля Е в линии, причем наводимая ЭДС будет пропорциональна глубине его погружения в линию.

Введение зонда в щель будет эквивалентно включению комплексной проводимости, реактивная составляющая которой искажает картину поля в измерительной линии и поэтому она должна быть скомпенсирована. Это достигается настройкой зондовой головки в резонанс с помощью специальной резонансной системы. В качестве такой системы в СВЧ-диапазоне применяют бикоакси- альный резонатор.

Экран зонда и внутренняя поверхность среднего цилиндра образуют контур зонда, а внешняя поверхность этого цилиндра и внутренняя поверхность наружной трубы — контур СВЧ-детекто- ра. Настройка измерительной линии производится с помощью поршней 4 до получения максимального тока (напряжения) детектора — СВЧ-диода 5.

Каретка 6 предназначена для перемещения зондовой головки вдоль линии и определения ее положения с помощью измерительной линейки 7 или индикатора другого типа. Она представляет достаточно массивную плиту, перемещаемую винтовым механизмом.

На точность измерения параметров нагрузки влияют механические факторы. Поэтому все узлы должны быть сочленены точно и без перекосов и выбрана оптимальная глубина погружения зонда. При соблюдении всех этих условий погрешность измерения обычно составляет 2. 5 %.

Способ раздельного измерения падающей и отраженной волн.

В ряде случаев достаточно знать только частотную характеристику коэффициента стоячей волны исследуемого элемента. Это достигается с помощью измерительных приборов, называемых рефлектометрами, т.е. измерителями раздельных сигналов. Рефлектометры снабжаются ЭЛТ, на экране которой отображается искомая характеристика в заданном частотном диапазоне. Поэтому они относятся к панорамным измерителям. Панорамные измерители также используются для получения частотных характеристик ослабления СВЧ-четырехполюсников.

Упрощенная структурная схема панорамного измерителя представлена на рис. 18.3.

Работа такого измерителя основана на принципе раздельного выделения сигналов, пропорциональных мощностям волн, падающих от генератора и отраженных от исследуемого объекта (при

Рис. 18.3. Упрощенная структурная схема панорамною измерителя:

1 — осциллографический индикатор

изменении) или прошедших через измеряемый объект (при измерении ослабления). На экране трубки воспроизводятся частотные характеристики коэффициента стоячей волны К и — резисторы.

К преимуществу измерителей электрической мощности с неуравновешенными мостами относится наглядность индикации результата измерений, а к недостатку — сравнительно малая точность. Последнее объясняется двумя основными причинами.

Во-первых, неизбежное при измерении мощности СВЧ изменение сопротивления термистора влечет за собой нарушение согласования сопротивлений термисторной камеры и линии передачи электромагнитных колебаний. Из-за этого возникает частичное отражение электромагнитной волны от нагрузки, что приводит к неполному рассеянию измеряемой мощности на термисторе.

Во-вторых, по мере естественного изменения характеристик термистора (или его замене) нарушается установленное при градуировке соответствие между показаниями прибора и величиной рассеиваемой мощности.

Рис. 18.5. Схема неуравновешенного моста

Более высокую точность измерений обеспечивают уравновешенные мосты, в которых измеряемую мощность СВЧ сравнивают с калиброванной мощностью постоянного тока. Пример одной из схем измерительного уравновешенного моста с терморезистором представлен на рис. 18.6.

Терморезистор R_tf находящийся в головке, включают в одно из плеч моста (см. рис. 18.6). Остальными плечами моста являются резисторы R_u /?2 и /?₃, равные по величине R^ — сопротивлению терморезистора в рабочей точке. Напряжение питания на мост подается через резистор Л4, сопротивление которого является большим. Параллельно мосту включен делитель из сопротивлений R_s и /^. Резистор Лб представляет собой реостат, с движком которого связана от- счетная шкала. От сопротивления R 3 /с; d — удельная масса поглощающей нагрузки; А Г— разность температур на входе и выходе калориметра.

Рис. 18.7. Водяная нагрузка калориметрического ваттметра:

1 — отрезок волновода; 2 — стеклянный конус; 3 и 4 — трубки; 5 — соединительный фланец

Конструктивная схема водяной нагрузки калориметрического ваттметра показана на рис. 18.7. Внутри отрезка волновода 1 закреплен стеклянный конус 2, через который протекает вода. В основание конуса впаяны две трубки 3 и 4. Вода входит в трубку 4, а вытекает через трубку 3. Нагрузка соединяется с источником измеряемой мощности соединительным фланцем 5. Заполненный водой конус представляет собой нагрузку с большим затуханием. Разность температур измеряется термопарами, включенными на входе и выходе воды в нагрузку.

Термопары включены встречно так, что индикаторный прибор фиксирует разность температур. Как уже говорилось, калориметрический метод является самым точным. Погрешности измерения образцовых калориметров лежат в пределах 1%, а промышленных калориметров — в диапазоне 5. 10 %.

Ваттметры проходящей мощности. Под проходящей мощностью Р_пр понимают разность мощностей падающей Р_пад и отраженной Р_тр электромагнитных волн, т.е.

Проходящую мощность электромагнитной волны можно измерить рассмотренными ранее ваттметрами, если их объединить с направленными ответвителями или приборами, действие которых основано на использовании физических явлений, не требующих полного поглощения измеряемой энергии. К таким приборам относятся измерители мощности на преобразователях Холла, с поглощающей стенкой и др. В последние годы для измерения мощности СВЧ-энергии начали использовать эффект, так называемых, горячих носителей тока в полупроводниках.

В волноводных измерителях мощности разделение падающих и отраженных волн СВЧ-энергии удобно осуществить волноводным направленным ответвителем, упрощенная конструктивная схема которого представлена на рис. 18.8. На схеме Р_ОТЬ — мощность ответвителя; Р_ПЛЛ — падающая мощность электромагнитных волн; Р₀тр — отраженная мощность электромагнитных волн.

Структура классического направленного ответвителя состоит из двух волноводов, связанных между собой двумя отверстиями с расстоянием между ними, равным четверти длины волны (см. рис. 18.8). Один из волноводов ответвителя включается в исследуемый тракт, а другой подключается к измерительному устройству. При этом в закрытом его конце помещается поглощающее сопротивление. Этот ответвитель позволяет отделить определенную часть от падающей мощности, т.е. прямой бегущей волны, что обусловлено четвертьволновым расстоянием между отверстиями. Это можно объяснить следующим образом. Оба отверстия возбуждают во вспомогательном волноводе две волны, распространяющиеся в противоположных направлениях, т.е. к измерительному устройству и поглотите-

Рис. 18.8. Волноводный направленный ответвитель лю. Волны (сплошная линия), проходящие через отверстия в направлении измерительною устройства, складываются, так как вследствие равенства пути волны имеют одинаковую фазу. В обратном направлении (к поглотителю) волны, прошедшие через отверстия, будут складываться в противофазе ввиду разницы в пути на величину половины длины волны и взаимно компенсироваться. Отраженная волна (пунктирная линия) во вспомогательном волноводе будет распространяться только лишь к поглотителю и в нем поглощаться, а в направлении измерительного устройства она поступать не будет из-за противофазности волн обоих отверстий. В результате падающая волна поступает на ваттметр, а мощность отраженной волны рассеивается на согласованной нагрузке-поглотителе. Так происходит измерение мощности падающей волны.

Измерение мощности отраженной волны, необходимое для определения проходящей мощности, может осуществляться тем же ответвителем, или вторым ответвителем, развернутым на 180°.

Измерение мощности преобразователями Холла. Прямое перемножение при измерении мощности можно также получить, используя полупроводниковые преобразователи Холла. Если специальную полупроводниковую пластину 7, по которой течет ток 7 (на рис. 18.9, а он показан пунктиром), возбуждаемый электрическим полем с напряженностью Е, поместить в магнитное поле с напряженностью магнитного поля Н (индукцией В), то между ее точками, лежащими на прямой, перпендикулярной направлениям тока и магнитного поля, возникает разность потенциалов или эффект Холла:

где к — коэффициент пропорциональности.

Рис. 18.9. Эффект Холла:

а — возникновение эффекта в электромагнитном поле; б — принцип измерения мощности в волноводе; 1 — полупроводниковая пластина ПХ; 2 — волновод

Согласно известной в физике теореме Умова — Пойтинга, плотность потока проходящей мощности СВЧ-энергии в некоторой точке поля определяется векторным произведением электрической и магнитной напряженностей этого поля: П = [?//]. Отсюда, если ток / будет функцией электрической напряженности Е, то с помощью датчика Холла можно получить зависимость напряжения от проходящей мощности в виде U_x = гР, где г — постоянный коэффициент, зависящий от параметров преобразователя Холла (частоты и пр.). Для измерения мощности пластину полупроводника (пластину Холла — ПХ) размещают в волноводе 2, как показано на рис. 18.9, б. Вектор Рявляется результирующим вектором.

Измерители проходящей мощности на эффекте Холла обладают следующими достоинствами:

• • возможностью работать при любой нагрузке, а не только при согласованной нагрузке;
• • высокое быстродействие ваттметра способствует его применению при измерении импульсной мощности.

Однако практическая реализация ваттметров на эффекте Холла является сложной технической задачей в силу многих факторов. Тем не менее в настоящее время существуют ваттметры, измеряющие проходящую импульсную мощность до 100 кВт с погрешностью не более 10 %.

Ваттметры на основе эффекта «горячих» носителей тока. Из

физики известно, что под воздействием электрического поля в полупроводнике увеличивается средняя хаотическая скорость свободных носителей заряда (электронов или дырок), что эквивалентно повышению их температуры относительно температуры кристаллической решетки материала. Это явление в теории полупроводников называется «разогревом» носителей зарядов.

Если осуществить неоднородный «разогрев» полупроводниковой пластины, то должен возниюгуть поток носителей зарядов из «горячей» области в «холодную». Вместе с тем оказывается, что ток в разомкнутой цепи равен нулю. Это обстоятельство свидетельствует о возникновении ЭДС, противодействующей движению зарядов. Величина такой ЭДС зависит от степени «разогрева» полупроводниковой пластины.

Для усиления эффекта «разогрева» следует выбирать полупроводник, концентрация носителей в котором является пространственно однородной. Если «разогрев» осуществляется полем СВЧ, то по значению ЭДС можно судить о проходящей мощности СВЧ. Поскольку интервал установления температуры носителей зарядов на несколько порядков меньше времени установления температуры кристаллической решетки, то ваттметры на основе «разогрева» носителей зарядов позволяют непосредственно измерять импульсную мощность при длительностях импульсов до 0,1 мкс.

Основными узлами такого ваттметра являются приемный преобразователь с полупроводниковым элементом и измерительное устройство с цифровым отсчетом.

Цифровые ваттметры. В настоящее время широкое развитие получила автоматизация процесса измерения. Это вызвано двумя причинами: во-первых, из-за необходимости развития автоматических систем контроля и, во-вторых, из-за сложности управления работой, связанной с балансировкой мостовых схем, которые являются основными элементами любого терморезисторного ваттметра.

В цифровых ваттметрах применяются рахзичные типы преобразователей мощности, в том числе и термисторные.

Структурная схема цифрового ваттметра приведена на рис. 18.10. Основным элементом схемы является микропроцессор. Усилитель постоянного тока (УПТ) усиливает выходное напряжение терми- сторного преобразователя до величины, обеспечивающей устойчивую работу блока аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Напряжение, пропорциональное измеряемой мощности, с помощью время импульсного преобразователя (на схеме рис. 18.10 он не показан) преобразуется в интервал времени, который заполняется импульсами опорной частоты. Число импульсов, пропорциональное измеряемой мощности, отображается на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ) или вводится в специализированное устройство обработки измерительной информации.

Микропроцессор ваттметра содержит элементы автоматического управления режимами работы и дистанционного переключения измерения и индикации условного обозначения измеряемой величины. Калибратор мощности постоянного тока необходим для самока- либровки ваттметра. Он используется для калибровки цифрового ватт-

Рис. 18.10. Структурная схема цифрового ваттметра метра, работающего на средних и больших уровнях мощности. Все узлы ваттметра запитываются от встроенного источника питания.

Первичный преобразователь представляет собой отрезок коаксиальной линии или волновода со стандартным высокочастотным разъемом, поглощающий элемент, термоэлектрический модуль и эталон для сравнения. Поглощающий элемент выполнен в виде тонкопленочного резистора на теплопроводящей керамике.

Центральным проводником коаксиального тракта является тонкостенная трубка из нержавеющей стали, исключающая тепловое влияние внешней среды на поглощающий элемент. Для уменьшения потерь мощности СВЧ трубка покрывается медью и серебром. Поглощающий элемент одним концом должен иметь надежный контакт с центральным проводником. Другой его конец впаян в согласующий медный экран с серебряным покрытием. В согласующем экране предусмотрено ступенчатое изменение диаметра, что обеспечивает согласование поглощающего элемента с трактом во всем диапазоне частот.

Термоэлектрический модуль представляет собой диск с отверстием и расположен так, что горячий спай имеет тепловой контакт с внешней поверхностью согласующего экрана в месте пайки поглощающего элемента, а холодный спай — с эталоном сравнения. К выводам термоэлектрического модуля припаиваются провода соединительного кабеля.

Для защиты модуля от случайных внешних тепловых воздействий применяется внешний экран. На нем находятся ребра, которые вместе с экраном образуют радиатор. Радиатор позволяет увеличить мощность рассеивания преобразователя.

В цифровом ваттметре благодаря применению микропроцессора осуществляются автоматический выбор пределов измерения, автоматическая установка нуля и самокалибровка. Кроме того, здесь предусматривается вывод информации на канал общего пользования при его включении в состав измерительной системы.

Контрольные вопросы

• 1. Какие существуют способы измерения мощности в СВЧ-диапазоне?
• 2. В чем заключается принцип работы двухдырочного ответвителя?
• 3. Расскажите о принципе работы термисторного ваттметра.
• 4. Какова особенность калориметрического метода измерения мощности?
• 5. Что необходимо учитывать при проведении измерений параметров СВЧ-устройств?
• 6. Какие существуют способы измерения параметров СВЧ-устройств?
• 7. Что представляет собой щелевая секция волноводной измерительной линии?
• 8. Расскажите о принципе работы измерителя с раздельным выделением сигналов.
• 9. Какие погрешности присутствуют в панорамных измерителях?

19.1. Основные сведения

Автоматизация электрорадиоизмерений способствует более быстрой обработке большого числа измеряемых параметров, повышению требований к точности измерений и их быстродействию (при ограниченных возможностях оператора в восприятии и обработке больших объемов информации) и, следовательно, к снижению загруженности и роли оператора в процессе измерений.

Переход к построению цифровых средств измерений привел к созданию автоматизированных измерительных систем с использованием микропроцессоров. Автоматизированными средствами измерений считают автономные непрограммируемые приборы и гибкие измерительные системы (ГИС), построенные на базе цифровой техники.

Автономные непрограммируемые приборы работают по жесткой программе и предназначены для измерений определенных параметров сигналов и характеристик цепей. В этих приборах автоматически выполняется только часть измерительных операций, например таких, как определение полярности входного сигнала и установка пределов измерения.

Гибкие измерительные системы позволяют программным способом перестраивать систему для измерения различных физических величин и менять режим измерений. При этом аппаратная часть измерительной системы не изменяется. По структурному построению ГИС подразделяются на интерфейсные, микропроцессорные и компьютерно-измерительные.

Наиболее мощными типами ГИС являются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), которые создаются путем объединения с помощью специальной многопроводниковой магистрали в одну измерительную систему компьютера, измерительных приборов и устройств отображения информации. Связь между компьютером и всеми остальными узлами и их совместимость обеспечиваются с помошью совокупности аппаратных, программных и конструктивных средств.

Устройство сопряжения компьютера со средствами измерений или любыми другими внешними системами называют интерфейсом. Иногда в это понятие включают и программное обеспечение автоматизированной системы. Обычно в ИВК используются стандартные устройства (модули), подключенные к общей магистрали, и стандартные интерфейсы (в России это интерфейсы типа МЭК 625.1, КАМАК и др.). При этом для решения новой метрологической задачи достаточно сменить часть модулей, используемых в качестве источника или приемника информации, и программное обеспечение.

В микропроцессорных ГИС все узлы подключаются непосредственно к магистрали микропроцессора. Встроенные микропроцессоры осуществляют сервисные операции, обеспечивают различные режимы измерений и определяют ряд параметров сигнала или цепи. Работа таких приборов выполняется в соответствии с программами, заложенными в запоминающем устройстве.

В настоящее время во многих измерительных системах применяются персональные компьютеры. Это, прежде всего, связано с тем, что компьютер делает измерительную систему исключительно гибкой, так как пользователь может легко изменить его программное обеспечение. Компьютерно-измерительные системы объединяют средства измерений, обработки, вычислений и управления на собственной шине персонального компьютера.

19.2. Микропроцессорные измерительные системы

На рис. 19.1 показана структурная схема цифрового измерительного прибора со встроенным микропроцессором (МП). Конкретным примером такого прибора может быть цифровой ваттметр, измеритель временных интервалов и др.

Рис. 19.1. Структурная схема цифрового измерительного прибора со встроенным микропроцессором

Работа такого прибора происходит следующим образом. Клавиатура содержит поле задания режима, поле цифровых данных и шифраторы. С помощью поля режима задаются режим измерения и измеряемая величина. Диапазон измерения вводится посредством цифровой клавиатуры. Сигналы с клавиатуры с помощью шифратора преобразуются в код и поступают на шину данных.

Микропроцессор по подпрограмме установки режима анализирует данные с клавиатуры, сравнивая их с константами из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), и вырабатывает управляющие коды на цифровой аналоговый преобразователь (ЦАП) (для обеспечения предела измерений), на мультиплексор (для подключения входного канала) и т.д. Одновременно вводимая информация с клавиатур интерпретируется для вывода на дисплей.

Отображение вводимых данных на дисплее целесообразно полностью идентифицировать с надписями на клавиатуре, для этого в ПЗУ необходимо программировать зоны интерпретации кодов вводимых данных в символы, показываемые на дисплее. Кроме программирования режима работы прибора, анализ входных данных может включать контроль вводимых данных (синтаксический контроль, контроль полноты исходных данных и т.п.).

Собственно режим измерений должен начинаться с приходом команды «пуск» (с клавиатуры — при местном управлении, с интерфейсной шины — при дистанционном управлении). Сформированный в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) код поступает в МП, где производится обработка по программе и вычисление вторичных параметров. Передача кода из АЦП в МГ1 может осуществляться как в режиме прерывания по запросам от АЦП, так и в режиме обращения к АЦП в качестве адресуемого регистра (особенно при работе АЦП в режиме запуска от МП).

Для получения информации о коррекции погрешности и для диагностики работоспособности прибора МП по шине данных на мультиплексор передает код для подключения к АЦП встроенной образцовой меры (в случае цифрового вольтметра — опорное напряжение). Код с АЦП, соответствующий образцовой мере, поступает в МП и сравнивается с константой из ПЗУ. Вычисляется соответствующая поправка, которая будет участвовать в расчете измеряемых параметров до следующего цикла калибровки прибора. Прибор с подобной структурой легко перестраивается на другие (близкие по характеру) виды измерений. Для этого достаточно заменить ПЗУ (программу и константы, включая интерпретацию входной информации о режимах) и клавиатуру (если меняется состав измеряемых параметров, т.е. тип прибора). Включение на вход прибора мультиплексора позволяет измерять параметры сигналов с нескольких входов, т.е. проводить комплексные (мно- гопараметровые) измерения.

19.3. Компьютерно-измерительные системы

В настоящее время сформировалось новое направление в метрологии и электрорадиоизмерительной технике — компьютерно- измерительные системы (КИС) и их разновидность, или направление развития — виртуальные (виртуальный — кажущийся) измерительные приборы <виртуальные приборы).В компьютерно-измерительную систему обязательно входит компьютер, работающий в режиме реального масштаба времени или, как теперь принято говорить, в режиме on-line.

В последние годы персональные компьютеры используются не только как вычислительные средства, но и в качестве универсальных измерительных приборов. Компьютерно-измерительная система на базе персонального компьютера позволяет заменить стандартные измерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и др.) системой виртуальных приборов. При этом ряд приборов могут быть активизированы (воспроизведены) на одном персональном компьютере одновременно.

К отличительным особенностям и преимуществам компьютерно-измерительных систем по сравнению с микропроцессорными приборами относятся:

• • обширный фонд стандартных прикладных компьютерных программ, доступных для оператора, позволяющих решать широкий круг прикладных задач измерения (исследование и обработка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками и т.д.);
• • возможность оперативной передачи данных исследований и измерений по локальным и глобальным (например, сети Internet) компьютерным сетям;
• • высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обеспечивающий быстрое освоение взаимодействия с системой;
• • возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости;
• • возможность составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач;
• • возможность оперативного использования различных устройств документирования результатов измерений.

Структурная схема КИС. В самом общем случае КИС может быть построена двумя способами: с последовательной или параллельной архитектурой.

В компьютерно-измерительную систему с последовательной архитектурой (ее иногда называют централизованной системой) входят части системы, преобразующие анализируемые сигналы, которые обрабатывают в последовательном режиме. Поэтому вся соответствующая электроника размещается на слотах компьютера. Достоинства такой архитектуры построения КИС очевидны — благодаря использованию принципа разделения обработки по времени стоимость системы невелика.

В компьютерно-измерительной системе с параллельной архитек— турой содержится ряд параллельных каналов измерения и каждый канал имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т.е. объединения сигналов). Посредством такого принципа построения КИС могут производить оптимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В этой системе преобразование сигналов выполняется локально в месте расположения источника исследуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме.

На рис. 19.2 представлена обобщенная структурная схема КИС, отражающая как последовательную, так и параллельную архитектуру построения.

Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществляется с помощью внутренней шины персонального компьютера, к которой подключены как его внешние устройства (дисплей, внешняя память, принтер), так и измерительная схема, состоящая из коммутатора, АЦП и блока образцовых программно управляемых мер напряжения и частоты.

С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоговые сигналы. Интерфейсный модуль (ИМ) подключает измерительный прибор к магистрали приборного интерфейса. Коммутатор устройства обеспечивает подачу аналоговых напряжений с внешних датчиков на узлы системы.

Рис. 19.2. Обобщенная структурная схема компьютерно-измерительной

Достаточно простые компьютерно-измерительные схемы могут быть размещены на одной плате персонального компьютера. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в соответствии с решаемой измерительной задачей по установленной программе коммутируются необходимые измерительные элементы, т.е. меняется архитектура построения системы.

Одним из элементов КИС является блок образцовых программно управляемых мер напряжения и частоты. В качестве встроенных образцовых мер напряжения в КИС чаще всего применяются стабилитроны, температурный коэффициент напряжения которых составляет около 2-10″. К наиболее эффективному способу стабилизации опорного напряжения относится термостатирование блока стабилитронов. Термостат поддерживает температуру элементов около 30 в С со стабильностью не ниже 0,1 °С.

Недостатком такой схемы являются достаточно длительный прогрев термостата (до 30 мин), а также большие скачки температуры при включении термостата. Температурные перепады ускоряют процесс старения стабилитронов, а следовательно, снижают их долговременную стабильность.

В настоящее время в КИС имеется возможность учитывать температурную нестабильность элементов программными методами.

19.4. Виртуальные приборы

Одним из наиболее перспективных направлений в развитии компьютерно-измерительных систем является разработка виртуальных приборов.

Виртуальный прибор состоит из быстродействующего персонального компьютера и одной-двух плат сбора данных (ПСД). Плата устанавливается в персональный компьютер (обычно в слот ISA или PCI) или внешнее дополнительное устройство, подключаемое через LPT-порт в комплекте с соответствующим программным обеспечением.

Пользователь виртуального прибора включает объект графической панели с помощью клавиатуры, мыши или специализированной прикладной программы. Виртуальные измерительные приборы сочетают большие вычислительные и графические возможности персонального компьютера с высокой точностью и быстродействием аналоговых цифровых преобразователей и цифровых аналоговых преобразователей, применяемых в ПСД. По существу виртуальные приборы (как и практически все типы КИС) выполняют анализ амплитудных, частотных, временных характеристик различных радиоэлектронных цепей и измеряют параметры сигналов с точностью примененных АЦП и ЦАП, а также формируют сигналы как для процесса измерений, так и для автоматизации измерительных систем.

Программная часть виртуального прибора может эмулировать (создать) на экране дисплея компьютера виртуальную переднюю управляющую панель стационарного измерительного прибора. Таким образом, панель с виртуальными кнопками, ручками и переключателями, сформированная на экране дисплея, становится панелью управления виртуального прибора. В отличие от реальной панели управления стационарного измерительного прибора, такая виртуальная панель может быть многократно перестроена в процессе работы для адаптации к конкретным условиям эксперимента. В зависимости от используемой платы и программного обеспечения пользователь получает измерительный прибор под ту или иную метрологическую задачу.

В качестве примера рассмотрим виртуальный цифровой запоминающий осциллограф ЦЗО-01, реализованный на специализированной плате сбора данных и персональном компьютере в московском ЗАО «Руднев—Шиляев» Центра АЦП. Внешний вид программного интерфейса (виртуальной графической измерительной панели) цифрового виртуального осциллографа представлен на рис. 19.3.

Рис. 19.3. Внешний вид программного интерфейса цифрового виртуального осциллографа

Виртуальный цифровой запоминающий осциллограф типа ЦЗО-01 предназначен для наблюдения, регистрации, долговременного хранения, анализа и измерения амплитудных и временных параметров различных видов одиночных (импульсных), периодических и случайных процессов.

Программный пакет «Осциллограф», заложенный в память персонального компьютера или внешнюю память, осуществляет обмен данными с платой сбора данных по готовности прибора к обработке. После выдачи плате специальной команды на сбор данных программа ожидает от нее сообщения об окончании процедуры заполнения буферной памяти, встроенной в ПСД. Затем анализируемые сигналы поступают в осциллограф (компьютер), их обработка и исследование полностью передаются процессору.

Работа с программными файлами с помощью компьютера позволяет документировать исследуемые (измеряемые) процессы, сравнивать сигналы с эталонными и отображать сигналы, созданные пользователем в его программах.

Упрощенно принцип действия платы сбора данных можно условно подразделить на два этапа:

• 1) запись оцифрованных сигналов во внутреннюю буферную память ПСД (соответствует обратному ходу луча реального осциллографа);
• 2) передача данных в виртуальный осциллограф, их обработка и вывод на экран (соответствует прямому ходу луча реального осциллографа).

Нетрудно понять, что режим «прямого хода луча» (интервал обновления изображения на экране) будет зависеть от объема памяти записывающего буфера ПСД, быстродействия процессора и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) компьютера и числа каналов осциллографа.

Несмотря на то, что исследуемые сигналы являются аналоговыми, изображение на виртуальном экране (дисплее компьютера) осциллографа формируется после аналого-цифрового преобразования и поэтому является дискретным. Виртуальные кнопки, ручки, переключатели и другие элементы графического интерфейса практически не отличаются от реальных. Единственное и главное их отличие заключается в изменении положения ручек и переключателей, которое осуществляется с помощью мыши (или клавиатуры), а не ручки, как у реальных измерительных приборов.

К основным преимуществам виртуальных цифровых запоминающих осциллографов относятся:

• • яркий, хорошо сфокусированный экран на любой скорости развертки;
• • резко очерченные контуры изображения;
• • высокая точность измерений параметров сигналов или цепей;
• • широкая полоса пропускания;

• • возможность запоминания эпюры сигнала на произвольное время;
• • автоматическое измерение параметров сигналов;
• • предусмотрена статистическая обработка результатов измерения;
• • возможность подключения принтера и плоттера для создания отчета о результатах измерений;
• • сравнение текущих данных с образцовыми или предварительно записанными данными;
• • наличие средств самокалибровки и самодиагностики;
• • возможность исследования переходных процессов, протекающих в электрических цепях;
• • упрощенная архивация результатов измерений.

В данном осциллографе предусмотрена его синхронизация по комбинации сигналов от нескольких генераторов.

Виртуальные приборы имеют большое преимущество перед микропроцессорными измерительными приборами, поскольку пользователь получает доступ к обширным объемам прикладных программ, может использовать внешнюю память большой емкости и различные устройства документирования результатов измерений. Сочетание платы сбора данных, измерительного устройства и персонального компьютера предоставляет человеку новые возможности, недостижимые при использовании автономных измерительных приборов. Теперь для проведения эксперимента и измерений необходимо только наличие компьютера, а все остальные программно-аппаратные средства подбираются, исходя из технических требований самого проводимого эксперимента.

К преимуществам виртуальных приборов также относится их экономическая эффективность, так как практически любая плата сбора данных компьютерных программ обработки измерительной информации дешевле реального измерительного прибора.

Совершенно очевидно, что многие метрологические исследовательские задачи в XXI в. будут решаться с помощью виртуальных приборов.