ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЕМКОСТИ И СОПРОТИВЛЕНИИ

А. Рыжевский, Радио №1/1966, ст.44

Прибор предназначен для изме­рения емкости конденсаторов в диапазоне от 1000 пф до 10 мкф и линейных сопротивлений от 10 ом до 100 ком. Диапазон измеряе­мых емкостей и сопротивлений разбит на три поддиапазона. Погрешность измерения на всех поддиапазонах не превышает 1% от значения верхнего предела. Время измерения не пре­вышает 0,01 сек. Для индикации ре­зультатов измерения служат три цифровые индикаторные лампы. Пи­тается прибор от сети 220 в, потреб­ляемая мощность (без пересчетного блока) 1 вт.

Принцип действия прибора.

Блок-схема, показанная на рис. 1, включает в себя блок измерения вре­менных интервалов (генератор счет­ных импульсов, схему совпадения, счетчик импульсов) и преобразователь величины емкости или сопротивления в пропорциональный этой величине интервал времени (триггер и схема сравнения напряжений).

Принцип измерения основан на преобразовании величины емкости или сопротивления в пропорциональ­ный интервал времени. Импульс на­пряжения с выхода триггера посту­пает на схему совпадений. Этот импульс, длительность которого оп­ределяется величиной измеряемого параметра, заполняется счетными импульсами стабильной частоты, кото­рые и подсчитываются пересчетным блоком.

При замыкании контакта Кн₁ на­пряжение от источника питания по­дается на измерительную цепь RC и на триггер. Триггер опрокидывает­ся, формируя передний фронт им­пульса, поступающего на схему сов­падений. Как только напряжение с выхода триггера попадает на схему совпадений, счетные импульсы на­чинают поступать на счетчик.

Конденсатор С заряжается током, проходящим через сопротивление R. Возрастающее напряжение заряда подается на схему сравнения напря­жений. Как только конденсатор за­рядится до определенного напряже­ния, схема сравнения подает импульс на триггер, возвращая его в исходное состояние. При этом прекращается поступление счетных импульсов на счетчик.

За промежуток времени t, равный постоянной времени цепи RC(t=RC), при частоте следования счетных им­пульсов f на счетчик поступит N импульсов N=f*RC. Частота следо­вания счетных импульсов постоянна.

При измерении сопротивлений на каждом поддиапазоне включается конденсатор, емкость которого из­вестна. Число счетных импульсов будет прямо пропорционально вели­чине измеряемого сопротивления, то есть

N_R = k* R_x.

При измерении емкости на каждом поддиапазоне включается калибро­ванное сопротивление. Число счет­ных импульсов в этом случае будет прямо пропорционально измеряемой емкости, то есть

N_c = kC_x.

Частота следования счетных импуль­сов, а также номинальные величины образцовых сопротивлений и емко­стей выбирают таким образом, чтобы коэффициент пропорциональности k для всех поддиапазонов был кратным 10. Показания блока индикации умножают на этот коэффициент, и результаты измерения отсчитывают в омах и пикофарадах.

Принципиальная схема прибора. В схеме, представленной на рис. 2, положения переключателей соответ­ствуют измерению сопротивлений в пределах 1 ком. Генератор счетных импульсов состоит из кварцевого генератора (T1), и одностабильного триггера на транзисторах Т₂ и Т₃. Кварцевый генератор генерирует си­нусоидальное напряжение частоты 100 кгц, из, которого формируются счетные импульсы. Это напряжение из цепи коллектора транзистора Т₂ через конденсатор С₅ подается на од­ностабильный триггер и запускает его. На коллекторной нагрузке тран­зистора Т₃ выделяются прямоуголь­ные импульсы, которые через конден­сатор С₇ поступают на схему совпа­дений (T₄).

Счетные импульсы со схемы совпа­дений попадают на счетчик (не пока­занный на схеме) только тогда, когда на базу транзистора T₄ через сопро­тивление R₁₄ подается напряжение около 1 в (с триггера T5 T₆). В исход­ное состояние этот триггер возвраща­ется нажатием кнопки Kн₂ (сброс по­казаний). При этом на короткое время с базы транзистора снимается напря­жение смещения +6,3 в. Аналогич­ным способом возвращают в исходное состояние триггеры счетчика импуль­сов. На них импульс сброса поступает с зажима а. Когда триггер Т₅, Т₃ находится в исходном состоянии, напряжение на коллекторе T₆, а стало быть на схеме совпадений, низкое (около —9 в), и счетные импульсы не проходят на счетчик.

Приступая к измерениям, нажима­ют кнопку Кн1 и импульс напряже­ния —10 в подается на измеритель­ную цепь RC. Передний фронт этого импульса дифференцируется цепью С₁₀R₂₃ ^и через диод Д₃ запускает триггер. Последний опрокидывается, и из коллекторной цепи транзистора Т_б на схему совпадений через сопро­тивление R₁₄ подается напряжение, при котором счетные импульсы начи­нают поступать на счетчик.

При измерении сопротивлений на­пряжение —10 в через переключатель рода работы П_2а поступает на изме­ряемое сопротивление R_x. Током, протекающим по сопротивлению R_х, заряжается эталонный конденсатор С₁₄. Отрицательное напряжение за­ряда подается на схему сравнения напряжений, которая состоит из дио­да Д₆ и блокинг-генератора на тран­зисторе Т7. В исходном состоянии диод Д₆ заперт отрицательным напря­жением, поступающим со средней точки потенциометра R₃₁ через conpoтивление R₃₃ и обмотку II трансформатора Тр₁. Как только напряжение на эталонном конденсаторе станет равным запирающему напряжению, через диод Д₆ и обмотку трансформа­тора потечет ток. При этом начинает работать блокинг-генератор. Им­пульс напряжения блокинг-генерато­ра через конденсатор С11 поступает на дифференцирующую цепь С₁₁R₂₂. Передний фронт продифференци­рованного импульса запускает триггер T₅, T6 Триггер опрокидыва­ется и прекращает поступление счет­ных импульсов на счетчик.

При измерении емкости изменяют положение переключателя рода ра­боты П₂, а положение переключателя П₁ выбирают в зависимости от требу­емого предела измерения. При нажа­тии кнопки Kн₁ напряжение —10 в через одно из эталонных сопротивле­ний R₃₄—R₃₆ и контакты переключа­телей П_1а и П₂б подается на конденса­тор, емкость которого надо измерить.

Прибор работает так же, как и при измерении сопротивления.

Как при измерении емкости, так и при измерении сопротивления, прибор можно калибровать. При этом включают тумблер П₃ (калиб­ровка), переключатели П₁ и П₂ ус­танавливают в соответствующее по­ложение. При калибровке измеряют эталонное сопротивление (или ем­кость), соответствующее верхнему значению выбранного предела изме­рения. Вот, например, как надо ка­либровать прибор при измерении сопротивления (предел измерения 10 ком). Переключатель П₂ устанав­ливают в положение, показанное на схеме, a П₁ в положение X 10, вклю­чают тумблер калибровки. Затем нажимают на кнопку Кн₁. Напря­жение — 10_в через эталонное сопро­тивление R₃₅, контакт X 10 переклю­чателя П1б, переключатель П_2в, тумблер П₃, переключатель П₂б подается на эталонный конденсатор С₁₅. За время, в течение которого заряжается этот конденсатор, на счетчик должно поступить 999 им­пульсов. Если это не так, надо изме­нить положение движка потенцио­метра R₃₁ и повторить калибровку. После каждого измерения сбрасыва­ют показания счетчика, нажимая на кнопку Кн₂. В качестве счетчика импульсов в приборе использовались три пересчетные декады типа ИЗ-12, однако можно использовать любые пересчетные устройства с рабочей частотой 100 кгц (например, полупро­водниковые счетчики в сочетании с декатронами, описанные в журнале Радио № 2 за 1902 год). Питающие напряжения —10в и +6,3 в берутся от стабилизированных выпрямителей (рис. 3).

Конструкция и детали. Прибор собран на каркасе из уголков сечени­ем 10 X 10 мм. Все мелкие детали при­бора, за исключением схемы сравне­ния напряжений, размещены на двух гетинаксовых платах толщиной 2 мм. Расположение деталей на одной из плат показано на рис. 4. На другой плате смонтированы стабилизаторы напряжения. Платы прикреплены к шестнадцати контактным ножевым разъемам. Диод Д₆ и блокинг-генератор размещены непосредственно на пе­реключателе П₁. К каркасу прикреп­лена передняя панель с органами уп­равления и отверстиями для цифро­вых индикаторных ламп. Пусковой и сбрасывающий контакты объединены в одной кнопке с двумя контактными парами.

В приборе применены сопротивле­ния типа МЛТ-0,5, конденсаторы КСО, ЭМ, БМ. Конденсаторы С₁₅, С₁₆, типа СГО, однако можно ис­пользовать любые слюдяные кон­денсаторы, подобрав их емкость с точностью до 0,5% . Величины сопро­тивлений следует подобрать с помо­щью моста постоянного тока с точно­стью не хуже 0,5%. Вместо транзис­торов П403 (T1—T4) можно приме­нить П401 или П16. Диод Д105 (Д₆) можно заменить диодом Д220. Резонансная частота кварца должна лежать в пределах 80—120 кгц, в зависимости от этого при калибровке надо выбирать положение движка потенциометра.

Обмотки трансформатора Тр₁ блокинг-генератора T₆ (рис. 2), намота­ны на ферритовом кольце Ф-1000 диаметром 18 мм. Сердечник силово­го трансформатора Тр₁ (рис. 3) набран из пластин Ш-10, толщина набора 16 мм. Обмотка 1 содержит 4600 витков провода ПЭЛ 0,08; обмотки II и III — по 220 витков провода ПЭЛ 0,14.

Налаживание прибора. Налажи­вание прибора начинают с проверки блока питания (рис. 3). Его включают в сеть через ЛАТР и с помощью вольтметра проверяют стабильность выходных напряжений. Последние не должны заметно изменяться при изменении питающего напряжения от 190 до 250 в. Величины сопротивле­ний R₅ и R₆ выбирают так, чтобы на выходе транзистора было напря­жение +6,3 в. В зависимости от па­раметров диода Д₁ напряжение на выходе транзистора Т₂ может изме­няться от 10 до 12 в.

Затем, изменяя в небольших преде­лах сопротивление R₁₂ (рис. 2) добива­ются необходимой амплитуды импуль­сов, поступающих с выхода транзисто­ра T4 на счетчик. Амплитуда импуль­сов, запускающих пересчетные дека­ды ИЗ-12, должна лежать в пределах от 3 до 7 в. Чтобы проверить работу счетчика, отключают от коллектора транзистора Т₇ конденсатор С11 и нажимают кнопку Кн₁. Цифровые индикаторные лампы должны все время светиться. При размыкании контакта Кн₂ на индикаторных лам­пах должны загореться нули. Про­веряя работу схемы сравнения на­пряжений, устанавливают движок потенциометра К₃₁, так, чтобы с него можно было снимать напряжение —5 В, подключают к коллектору транзистора Т₇ конденсатор С₁₁ и осциллограф. При замыкании кон­такта блокинг-генератор начина­ет работать в автоколебательном ре­жиме. На экране осциллографа долж­ны появиться прямоугольные им­пульсы с частотой следования при­мерно 100 кгц. Если это не наблюда­ется, надо поменять концы одной из обмоток. После этого приступают к окончательной настройке прибора. Включают тумблер П₃ (калибровка) и перемещают движок потенциометра R₃₁ до тех пор, пока на счетчики не будет поступать 999 импульсов. На­пряжение, снимаемое с потенциомет­ра R₃₁, при этом должно составлять примерно — 6,3 в. В дальнейшем ка­либровка прибора повторяется при изменении рода работы или предела измерения.