ПРОСТОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЕМКОСТИ

В. Ковалев, Радио №7/1965, ст. 50

При разработке и налаживании широкополосных и импульсных усилителей, компенсированных делителей напряжения и других устройств возникает необходимость измерять малые емкости (единицы и десятки пикофарад).

В приборе, который описан здесь, использован метод замещения. Обыч­но при измерении малой емкости методом замещения результаты из­мерения не отличаются высокой точ­ностью. Уход частоты генератора ВЧ, вызванный колебаниями питаю­щего напряжения и температуры, а также сравнительно невысокая доб­ротность колебательных контуров обусловливают погрешности изме­рений.

Точность измерения емкости ме­тодом замещения можно значительно увеличить, если в качестве индика­тора резонанса использовать узко­полосный фильтр, например квар­цевый разонатор.

Блок-схема прибора представлена на рис. 1. Ротор конденсатора С колебательного контура ВЧ генера­тора перед началом измерения уста­навливают в положение максималь­ной емкости, которое соответствует условному нулю на его шкале. Затем изменением индуктивности ка­тушки L1 контур генератора настраи­вают на резонансную частоту квар­цевого фильтра до получения максимального сужения светящегося сектора на экране индикатора.

Подключение к прибору испытуе­мого конденсатора С_х вызывает уменьшение частоты генератора. Поскольку кварцевый фильтр обла­дает весьма узкой полосой пропуска­ния, то даже небольшая расстройка генератора относительно резонанс­ной частоты кварца вызывает резкое ослабление напряжения выходного сигнала. Чтобы восстановить по­казания индикатора, необходимо до тех пор уменьшать емкость конден­сатора С, пока суммарная величина емкости С+С_х и частота генератора не вернутся к прежним значениям. Величину измеряемой емкости от­считывают непосредственно по шка­ле конденсатора С, проградуирован­ной в пикофарадах.

Применение кварцевого фильтра позволяет довольно точно фикси­ровать положение резонанса, а сле­довательно, во много раз повысить точность измерений В качестве прос­тейшего кварцевого фильтра может быть применен обычный кварцевый резонатор.

Диапазон измерений емкости ме­тодом замещения определяется в основном диапазоном изменения ем­кости конденсатора С. Верхний пре­дел измерения зависит от разности емкостей С_макс — С_мин этого конден­сатора, а нижний — от изменения емкости конденсатора С на 1° шкалы, качества конденсатора и полосы кварцевого фильтра.

При измерении малых величин емкости рекомендуется выбирать конденсатор С с возможно меньшей ценой деления и относительно не­большой максимальной емкостью (50—150 пф). Это, естественно, сни­жает верхний предел измерений. Однако в этом случае прибор легко приспособить и для измерений ем­кости, значительно большей, чем разность С_макс — С_мин

Для этого испытуемый конденса­тор С_х присоединяют не параллель­но конденсатору С, а через добавоч­ный конденсатор С_доб (при этом кон­такты выключателя Вк₂ разомкнуты). Прибор измеряет фактически эк­вивалентную емкость последователь­ного соединения этих конденсаторов, то есть

рая по величине меньше, чем С_доб— Добавочная шкала прибора при этом также может быть проградуи­рована непосредственно в величи­нах С_х, которые определяются по формуле

Шкала получается неравномер­ной, поэтому точность измерений при увеличении емкости С_х падает, что вполне допустимо, так как обыч­но при измерении больших емкостей не требуется такой высокой точности, как при измерении малых.

Включение добавочного конденса­тора С_доб расширяет возможности прибора и позволяет измерять ем­кость на двух диапазонах (0—100 пф и 0—0,01 мкф).

Принципиальная схема измери­теля емкости представлена на рис. 2. Генератор ВЧ выполнен по трехто­чечной схеме с индуктивной связью. Высокочастотное напряжение мож­но регулировать потенциометром R₂. Конденсатор С₃, эквивалентная емкость кварцевого резонатора, по­лупроводниковый диод Д₁ представ­ляют собой пиковый детектор. Ко­эффициент передачи его резко изме­няется с изменением частоты и ста­новится весьма малым, когда частота генератора отличается от резонансной частоты кварца. Емкостное сопротив­ление конденсатора С₃ на частотах полосы пропускания кварцевого фильтра должно быть таким, чтобы установка движка потенциометра R₂ в среднее положение соответст­вовала узкой светящейся полосе на экране индикатора.

Питается прибор от сети перемен­ного тока. Это вызывает паразит­ную модуляцию колебаний ВЧ ге­нератора частотой сети и, как след­ствие этого, дрожание светящегося сектора индикатора. RC фильтр, состоящий из сопротивлений R₄, R₅ и конденсаторов С₄, С₅, практически устраняет дрожание светящегося сектора

Конструкция прибора.

В кварцевом фильтре можно применить кварц любого типа, резонанс­ная частота которого на­ходится в пределах от 100 кгц до 20 Мгц. Ча­стота последовательного резонанса кварца и оп­ределяет ту частоту, на которую должен быть настроен генератор. Если резонансная ча­стота кварца неизвестна, ее можно определить образом. Исследуемый кварц включают между выходом гене­ратора сигналов и высокочастотным пробником лампового вольтметра. При этом статическая емкость квар­ца С_о (см. эквивалентную схему рис. 3) и входная емкость пробника вольтметра образуют емкостный де­литель напряжения. Когда частота генератора сигналов отличается от частоты последовательного резонан­са кварца, коэффициент деления напряжения получается большим, а уровень выходного сигнала настоль­ко малым, что он не регистрируется ламповым вольтметром. Как только частота генератора совпадет с ре­зонансной частотой кварца, прово­димость последнего резко возрас­тет и напряжение на выходе резко увеличивается

Конденсатор переменной емкости С является основным элементом при­бора, его конструкция оказывает влияние на стабильность работы и точность измерений. Рекомендуется применять конденсатор с линейным изменением емкости, так как при этом шкала прибора (если конденса­тора С_доб ^нет) получается равномер­ной. Однако это требование не яв­ляется обязательным, и в приборе можно использовать другие пере­менные конденса­торы. Для плав­ной регулировки емкости конденса­тор снабжен вер­ньерным устрой­ством с большим замедлением.

Электрические данные и кон­структивное вы­полнение катушки индуктивности L1 зависят от часто­ты, на которой ра­ботает генератор.

Во всех случаях добротность ка­тушки должна быть высокой ( Q>=100). В описанном случае применен кварц с резонансной ча­стотой 10,75 Мгц.

Контурная катушка имеет следующие данные. Индуктивность L₁—1,5 мкгн, Q=150. Катушка намотана на ке­рамическом ребристом каркасе, диа­метром 16 мм и содержит семь вит­ков провода ПЭЛ 0,5. Шаг намотки 2 мм. Отвод в цепи катода от одного витка. Индуктивность контура мож­но менять с помощью цилиндричес­кого карбонильного сердечника диа­метром 5,5 мм. Ферриты вследствие низкой стабильности их парамет­ров применять не рекомендуется.

В схеме генератора можно исполь­зовать любую лампу, предназна­ченную для работы в выбранном частотном диапазоне. В качестве электронно-оптического индикатора можно применить лампы 6Е1П, 6Е5С и аналогичные им по параметрам. Нить накала лампы Л₁ (6С1П) зашунтирована сопротивлением R₇=43 ом (2 вт). Если в качестве детектора используется кремниевый диод, его необходимо шунтировать сопротив­лением 200—500 ком. Остальные де­тали можно брать любого типа.

Для повышения стабильности ге­нератора его надо так монтировать, чтобы элементы колебательного кон­тура были отделены от ламп и дру­гих нагревающихся деталей. Мон­таж прибора целесообразно выпол­нить на Т-образном шасси (рис. 4).

Такое шасси, будучи вставлено в кожух прибора, делит его внутрен­нее пространство на два изолирован­ных (в тепловом отношении) отсека. При этом конденсатор переменной емкости, добавочный конденсатор Сдоб тумблер переключения диапа­зонов измерений Вк₂, катушка ин­дуктивности контура L₁, кварц и панель генераторной лампы разме­щаются в одном из отсеков шасси, а остальные детали прибора, в том числе генераторная и индикаторная лампы,— во втором отсеке.

Цепи накала ламп питаются не­посредственно от сети переменного тока через конденсатор С₆. В тех случаях, когда непосредственное сое­динение прибора с питающей сетью оказывается почему-либо нежела­тельным, применяют трансформатор. Вот его данные. Сердечник выпол­нен из пластин Ш —12, толщина набора 20 мм. Сетевая обмотка (для сети 127 б) содержит 2650 витков провода ПЭЛ 0,12, обмотка накала ламп — 140 витков провода ПЭЛ 0.6, обмотка питания анодных цепей ге­нераторной и индикаторной ламп — 2700 витков провода ПЭЛ 0,1.

Налаживание прибора. Вначале необходимо подобрать величину ин­дуктивности катушки контура по максимальному показанию индика­тора. Для этого изменяют число вит­ков катушки (карбонильный сердеч­ник должен находиться в среднем положении, а ротор конденсатора С — в положении максимальной емкости).

Далее необходимо добиться ус­тойчивости генерации во всем диа­пазоне изменения емкости конден­сатора С. Это достигается подбором места отвода от катушки в катодной цепи лампы Л1, а также изменением параметров цепи R1C₁.

Последняя операция налаживания заключается в точной настройке ге­нератора на частоту кварцевого фильтра при помощи карбонильного сердечника катушки. Кроме того, движок потенциометра R₂ устанав­ливают в такое положение, когда края светящегося сектора индика­тора только начинают расходиться.

Градуировать прибор можно раз­личными методами. Если в приборе применен прямоемкостный конденса­тор, а его начальная и конечная ем­кости точно известны, можно вообще обойтись без градуировки, разделив шкалу конденсатора на равные части.

Если точно известна емкость до­бавочного конденсатора С_доб мож­но нанести деления шкалы для вто­рого диапазона измерений, восполь­зовавшись приведенными выше рас­четными соотношениями.

Наконец, можно проградуировать прибор при помощи эталонного кон­денсатора переменной емкости или набора постоянных эталонных кон­денсаторов либо конденсаторов с малым допуском (1—2%). Для этого эталонный конденсатор подключают к прибору, а конденсатор перемен­ной емкости устанавливают в по­ложение, соответствующее макси­мальному схождению светящегося сектора индикатора. Это положение визира шкалы конденсатора пере­менной емкости отмечают и на шка­лу прибора наносят значение ем­кости эталонного конденсатора.

Для измерения емкости конденса­торов, входящих в состав монтажа какого-либо устройства, а также емкости монтажа удобно пользо­ваться специальным гибким щу­пом, который нетрудно изготовить. Для этого берут отрезок коаксиаль­ного кабеля длиной 25—30 см. Центральный проводник кабеля удаляют и вместо него вставляют провод диаметром 0,08—0,1 мм* Чтобы такой тонкий провод не обор­вался, его припаивают к коротким отрезкам более толстого провода, которые закрепляют на концах кабеля. Такой пробник обладает малой емкостью и очень удобен в работе.

При измерениях собственную ем­кость пробника необходимо учиты­вать. Это не представляет затруд­нений, так как ее легко измерить на изготовленном приборе. Наконец эту емкость можно учесть и при градуировке прибора. Изготовленный прибор можно приспособить также для измерения индуктивности. Катушку, индук­тивность которой надо измерить, включают последовательно с катуш­кой контура. Как и прежде, с по­мощью конденсатора С добиваются узкой светящейся полосы на экране индикатора. Индуктивность теперь можно рассчитать, зная изменения емкости, которая отсчитывается на шкале прибора. Индуктивность мож­но измерить непосредственно, если предварительно проградуировать шкалу переменного конденсатора С в единицах индуктивности. Диапа­зон измерений индуктивности можно значительно расширить, если после­довательно с катушкой генератора включить добавочную индуктивность Л_доб, а параллельно Л_доб — изме­ряемую индуктивность. При этом частота генератора и резонансная частота кварца определяются тре­буемым диапазоном измерений ин­дуктивности.