RU2099724C1 - Device for measurement of electric capacitance and/or active resistance - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device has clock-pulse generator 1, univibrators 2 and 3 with repeated starting, measured capacitor 4 (Cx), compensating capacitor 5 (C_c), active resistor being measured 6 (Rx) compensating active resistor 7 (R_c), and three-position indication unit 8. Output of generator 1 is connected to first starting inputs of univibrators 2 and 3, measured capacitor 4 (Cx) is connected to first and second leads of univibrator 2, compensating capacitor 5 (C_c) is connected to first and second leads of univibrator 3, measured and compensating active resistors 6 (Rx) and 7 (R_c) are connected between second leads of each univibrator and terminal of power supply source (U_outputs), inverse outputs of univibrators 2 and 3 are connected to repeated starting inputs of univibrators 2 and 3, respectively, and direct outputs of univibrators 2 and 3 are connected to three-position indication unit 3. EFFECT: higher measurement results. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в средствах для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления преобразователей неэлектрических величин. The invention relates to measuring technique and can be used in means for measuring electrical capacitance and / or active resistance of non-electrical quantities converters.

Известно устройство для измерения электрических величин активного сопротивления, индуктивности и емкости, содержащее источник постоянного тока, ключ, измеряемые электрические величины, аналого-цифровой преобразователь, вычислительный блок и блок управления [1]
Недостаток известного устройства сложность схемы и конструкции.A device for measuring electrical quantities of active resistance, inductance and capacitance, containing a constant current source, a key, measured electrical quantities, analog-to-digital Converter, a computing unit and a control unit [1]
A disadvantage of the known device is the complexity of the circuit and design.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство для измерения электрической емкости [2] содержащее генератор тактовых импульсов, два одновибратора, измеряемую и компенсирующие емкости, логический элемент Исключающее ИЛИ, два логических элемента И, RS-триггер и двухпозиционный блок индикации. Положительным перепадом прямоугольного импульса тактового генератора осуществляется одновременный запуск обоих одновибраторов. Длительности выходных импульсов одновибраторов пропорциональны измеряемой и компенсирующей емкостям, включенным в качестве времязадающих элементов, соответственно, первого и второго одновибраторов. Определение знака разности емкостей осуществляется логическим элементом Исключающее ИЛИ, двумя логическими элементами И и RS-триггером. Результат измерения отражается двухпозиционным блоком индикации в формах "Меньше" или "Больше". The closest in technical essence to the claimed technical solution is a device for measuring electric capacitance [2] containing a clock pulse generator, two single-vibrator, measured and compensating capacitance, an exclusive OR logic element, two AND logic elements, an RS-trigger and a two-position display unit. A positive difference in the rectangular pulse of the clock generator is the simultaneous start of both single vibrators. The durations of the output pulses of single vibrators are proportional to the measured and compensating capacitances included as time-setting elements of the first and second single vibrators, respectively. The sign of the difference of capacitances is determined by an exclusive OR logical element, two logical AND elements, and an RS-trigger. The measurement result is reflected on-off display unit in the forms "Less" or "More."

Недостатки известного устройства низкая чувствительность, ограниченные функциональные возможности и относительная сложность схемы. Для смены логических уровней на выходе RS-триггера необходимо, чтобы разница по длительности выходных импульсов одновибраторов превышала суммарное время задержки распространения сигнала по элементам Исключающее ИЛИ, И и RS-триггера. Время задержки распространения сигнала через каждый из указанных элементов может достигать более двух десятков наносекунд. Так как сигнал проходит последовательно через каждый элемент, то суммарное время задержки распространения сигнала составит несколько десятков наносекунд. Чтобы создать разницу в длительности выходных импульсов одновибраторов, превышающую несколько десятков наносекунд, необходимо изменить, например, измеряемую емкость (согласно известному выражению для определения длительности выходного импульса одновибратора Т=KRC, где К постоянный коэффициент, R активное сопротивление, C емкость, включенные в качестве времязадающих элементов соответствующих одновибраторов) на несколько пикофарад. Таким образом, зона нечувствительности известного устройства составляет несколько пикофарад. Устройство не позволяет получить результат измерения электрической емкости в форме "Равно", предназначенное только для измерения емкости, что ограничивает его функциональные возможности. Элементы логики и RS-триггер, входящие в состав известного устройства, несколько усложняют его схему и конструкцию. The disadvantages of the known device are low sensitivity, limited functionality and the relative complexity of the circuit. To change the logic levels at the output of the RS-trigger, it is necessary that the difference in the duration of the output pulses of one-shots exceeds the total delay time of the signal propagation through the elements of the Exclusive OR, AND and RS-trigger. The propagation delay time of a signal through each of these elements can reach more than two tens of nanoseconds. Since the signal passes sequentially through each element, the total delay time of the signal propagation will be several tens of nanoseconds. In order to create a difference in the duration of the output pulses of single vibrators exceeding several tens of nanoseconds, it is necessary to change, for example, the measured capacitance (according to the well-known expression for determining the duration of the output pulse of a single vibrator T = KRC, where K is a constant coefficient, R active resistance, C capacitance included as time-setting elements of the corresponding single-vibrators) by several picofarads. Thus, the dead zone of the known device is several picofarads. The device does not allow to obtain the result of measuring electric capacitance in the form of "Equal", intended only for measuring capacitance, which limits its functionality. The logic elements and the RS-trigger, which are part of the known device, somewhat complicate its circuit and design.

Цель изобретения повышение чувствительности, расширение функциональных возможностей и упрощение схемы устройства. The purpose of the invention is to increase the sensitivity, expand the functionality and simplify the circuit of the device.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления, содержащем генератор тактовых импульсов, подключенный к первым входам запуска первого и второго одновибраторов, измеряемую и компенсирующие емкости, первыми выводами подключенные к первым выводам соответственно первого и второго одновибраторов, двухпозиционный блок индикации с позициями "Меньше", "Больше", оба одновибратора выполнены с повторным запуском, снабжены вторыми входами для повторного запуска, блок индикации выполнен с третьей позицией "Равно", а также введены в устройство измеряемое и компенсирующее активные сопротивления, причем инверсные выходы первого и второго одновибраторов подключены к входам для повторного запуска соответственно второго и первого одновибраторов, прямые выходы одновибраторов подключены к трехпозиционному блоку индикации, измеряемая и компенсирующая емкости вторыми выводами подключены к вторым выводам соответственно первого и второго одновибраторов, измеряемое и компенсирующее активные сопротивления включены между вторыми выводами каждого одновибратора и клеммой источника питания. This goal is achieved by the fact that in a device for measuring electrical capacitance and / or active resistance, containing a clock pulse generator connected to the first inputs of the start of the first and second single vibrators, measured and compensating capacities, the first conclusions connected to the first terminals of the first and second single vibrators, two-position display unit with the positions "Less", "More", both single vibrators are made with restart, equipped with second inputs for restart, the display unit in performed with the third position “Equal to”, as well as the measured and compensating active resistances are introduced into the device, the inverse outputs of the first and second single vibrators are connected to the inputs for restarting the second and first single vibrators, respectively, the direct outputs of the single vibrators are connected to a three-position display unit, measured and compensating the capacitances of the second terminals are connected to the second terminals of the first and second single vibrators, respectively, the measured and compensating active resistances are included du second terminals of each monostable and a power supply terminal.

Устройство для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления поясняется блок-схемой (фиг.1) и временными диаграммами (фиг.2). A device for measuring electrical capacitance and / or active resistance is illustrated in the block diagram (figure 1) and timing diagrams (figure 2).

Предлагаемое устройство содержит генератор 1 тактовых импульсов, одновибраторы 2 и 3 с повторным запуском, измеряемую емкость 4 (C_x), компенсирующую емкость 5 (C_к), измеряемое активное сопротивление 6 (R_x), компенсирующее активное сопротивление 7 (R_к) и трехпозиционный блок индикации 8. Выход генератора 1 подключен к первым выходам запуска одновибратора 2 и 3, измеряемая емкость 4 (C_x) подключена к первому и второму выводам одновибратора 2, компенсирующая емкость 5 (C_к) подключена к первому и второму выводам одновибратора 3, измеряемое и компенсирующее активные сопротивления 6 (R_x) и 7 (R_к) включены между вторыми выводами каждого одновибратора и клеммой источника питания (U_ип), инверсные выходы одновибраторов 2 и 3 подключены к входам для повторного запуска соответственно одновибраторов 3 и 2, прямые выходы одновибраторов 2 и 3 подключены к трехпозиционному блоку индикации 8.The proposed device comprises a clock generator 1, single vibrators 2 and 3 with restart, a measured capacitance 4 (C _x ), a compensating capacitance 5 (C _k ), a measured active resistance 6 (R _x ), compensating for the active resistance 7 (R _k ) and three-position display unit 8. The output of the generator 1 is connected to the first outputs of the start of the one-shot 2 and 3, the measured capacitance 4 (C _x ) is connected to the first and second conclusions of the one-shot 2, the compensating capacity 5 (C _to ) is connected to the first and second conclusions of the one-shot 3, measurable and compensating The active resistances 6 (R _x ) and 7 (R _k ) are connected between the second terminals of each single vibrator and the power supply terminal (U _un ), the inverse outputs of the single vibrators 2 and 3 are connected to the inputs for restarting the single vibrators 3 and 2, respectively, the direct outputs of the single vibrators 2 and 3 are connected to the three-position display unit 8.

На временных диаграммах (фиг.2) показано изменение уровней напряжения в точках, указанных на блок-схеме соответствующими буквами: a,b,c,d,e. On the time diagrams (figure 2) shows the change in voltage levels at the points indicated on the block diagram by the corresponding letters: a, b, c, d, e.

Устройство для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления работает следующим образом. A device for measuring electric capacitance and / or active resistance works as follows.

Генератор 1 (фиг.1) вырабатывает импульсы прямоугольной формы (фиг.2а). Отрицательным перепадом импульса генератора 1 осуществляется одновременный запуск одновибраторов 2 и 3, при этом на инверсных выходах одновибраторов 2 и 3 (фиг.1b,c) уровень напряжения переходит от высокого к низкому (фиг.2b, c). Длительности выходных импульсов одновибраторов определяются выражениями: для одновибратора 2 T₁=KC_xR_x; для одновибратора 3 T₂=KC_kR_k где К постоянный коэффициент, определяемый свойствами конкретной интегральной микросхемы, для обоих одновибраторов выполненных на одном кристалле он одинаков и равен, например, для микросхемы К555АГ3 К=0,45.Generator 1 (Fig. 1) generates rectangular pulses (Fig. 2a). A negative differential impulse of the generator 1 simultaneously starts the single-vibrator 2 and 3, while at the inverse outputs of the single-vibrator 2 and 3 (fig.1b, c) the voltage level goes from high to low (fig.2b, c). The durations of the output pulses of one-shot are determined by the expressions: for a single-shot 2 T ₁ = KC _x R _x ; for a single vibrator 3 T ₂ = KC _k R _k where K is a constant coefficient determined by the properties of a particular integrated circuit; for both single-vibrators made on the same chip, it is the same and equal, for example, for a K555AG3 chip K = 0.45.

Допустим, необходимо измерить емкость 4 (C_x) или активное сопротивление 6 (R_x). Если T₁=T₂, тогда KC_xR_x=KC_кR_к или C_xR_x=C_кR_к. Так как C_к и R_к известны, то при известном R_x и установке R_к=R_x измеряемая емкость C_x=C_к, что соответствует T₁=T₂. При известной емкости C_x и установке C_к=C_x измеряемое активное сопротивление R_x определяется при условии R_x=R_к, что соответствует T₁=T₂.Suppose you want to measure capacitance 4 (C _x ) or resistance 6 (R _x ). If T ₁ = T ₂ , then KC _x R _x = KC _to R _k or C _x R _x = C _to R _k . Since C _k and R _{k are} known, when R _{x is} known and R _k = R _{x is set, the} measured capacitance is C _x = C _k , which corresponds to T ₁ = T ₂ . Given the known capacitance C _x and setting C _k = C _{x, the} measured resistance R _x is determined under the condition R _x = R _k , which corresponds to T ₁ = T ₂ .

Если C_x<C_к при R_x=R_к или R_x<R_к при C_x=C_к, в этом случае длительность выходного импульса одновибратора 2 меньше длительности выходного импульса одновибратора 3 T₁<T₂. При окончании выходного импульса (фиг.2b) одновибратора 2 в момент времени t₁, положительным перепадом осуществляется повторный запуск одновибратора 3 и после этого его выходной импульс продолжается в течение времени Т₂. На прямом выходе (фиг.1e) одновибратора 3, с момента времени t₁ (фиг. 2), создается высокий уровень относительно прямого выхода одновибратор 2. Данное состояние отражается блоком индикации 8 в течение времени T₂, что свидетельствует о превышении компенсирующих величин C_к или R_к над измеряемыми C_x или R_x.If C _x <C _k at R _x = R _k or R _x <R _k at C _x = C _k , in this case the duration of the output pulse of the one-shot 2 is less than the duration of the output pulse of the one-shot 3 T ₁ <T ₂ . At the end of the output pulse (Fig.2b) of the one-shot 2 at time t ₁ , a positive difference is the restart of the one-shot 3 and after that its output pulse continues for a time T ₂ . At the direct output (Fig. 1e) of the one-shot 3, from time t ₁ (Fig. 2), a high level is created relative to the direct output of the one-shot 2. This condition is reflected by the display unit 8 for a time T ₂ , which indicates the excess of the compensating values C _k or R _k over measured C _x or R _x .

Если C_x=C_к при R_x=R_к или R_x=R_к при C_x=C_к, в этом случае длительности выходных импульсов одновибраторов равны T₁=T₂. Повторного запуска одновибраторов не происходит, разность уровней напряжения между прямыми выходами одновибраторов отсутствует. Данное состояние отражается блоком индикации в форме "Равно".If C _x = C _k at R _x = R _k or R _x = R _k at C _x = C _k , in this case the durations of the output pulses of one-shots are T ₁ = T ₂ . The single-vibrator does not restart, there is no voltage level difference between the direct outputs of the single-vibrator. This condition is reflected by the display unit in the form of "Equal to".

Если C_x>C_к при R_x=R_к или R_x> R_к при C_x=C_к, в этом случае длительность выходного импульса одновибратора 3 меньше длительности выходного импульса одновибратора 2, T₂<T₁. При окончании выходного импульса (фиг. 2c) одновибратора 3 в момент времени t₂ положительным перепадом осуществляется повторный запуск одновибратора 2 и после этого его выходной импульс продолжается в течение времени T₁. На прямом выходе (фиг. 1d) одновибратора 2, с момента времени t₂ (фиг. 2), создается высокий уровень относительно прямого выхода одновибратора 3. Данное состояние отражается блоком индикации 8 в течение времени T₁, что свидетельствует о превышении измеряемых величин C_x или R_x над компенсирующими C_к или R_к.If C _x > C _k at R _x = R _k or R _x > R _k at C _x = C _k , in this case the duration of the output pulse of one-shot 3 is less than the duration of the output pulse of one-shot 2, T ₂ <T ₁ . At the end of the output pulse (Fig. 2c) of the one-shot 3 at time t _{2 by a} positive difference, the one-shot 2 is restarted and then its output pulse continues for a time T ₁ . At the direct output (Fig. 1d) of the one-shot 2, from time t ₂ (Fig. 2), a high level is created relative to the direct output of the one-shot 3. This condition is reflected by the display unit 8 for a time T ₁ , which indicates the excess of the measured values of C _x or R _x over compensating C _to or R _to .

В моменты повторного запуска одновибраторов на их первых входах запуска должен сохраняться низкий уровень напряжения (фиг. 2а) (для микросхем КМ155АГ3, К555АГ3, SN74123, SN74 LS123). At the moments of re-start of single-vibrators, their first start-up inputs must maintain a low voltage level (Fig. 2a) (for KM155AG3, K555AG3, SN74123, SN74 LS123 microcircuits).

В простейшем случае, трехпозиционный блок индикации может быть выполнен из двух светоизлучающих диодов, включенных встречно-параллельно, или оптопар, светоизлучающие диоды которых включаются аналогичным образом. Применение оптопар, в предлагаемом устройстве, расширяет область его использования. In the simplest case, the three-position display unit can be made of two light-emitting diodes connected in opposite-parallel fashion, or optocouplers whose light-emitting diodes are turned on in the same way. The use of optocouplers in the proposed device expands the scope of its use.

В зависимости от конкретных условий применения устройства имеется возможность менять местами измеряемую емкость с компенсирующей или измеряемое активное сопротивление с компенсирующим, что может быть необходимо, например, для выполнения автоматической компенсации температурной погрешности емкостного датчика с помощью терморезисторов или позисторов. Depending on the specific application conditions of the device, it is possible to interchange the measured capacitance with compensating or the measured active resistance with compensating, which may be necessary, for example, to perform automatic compensation of the temperature error of a capacitive sensor using thermistors or resistors.

Повышение чувствительности и упрощение схемы предлагаемого устройства достигается уменьшением времени задержки распространения сигнала, путем повторного запуска одновибраторов и непосредственным включением трехпозиционного блока индикации к выходам одновибраторов. Устройство позволяет измерять не только емкость, но и активное сопротивление, а также представляет на выходе результат измерения не только в форму "Больше", "Меньше", но и в форме "Равно". Данные преимущества предлагаемого устройства расширяют область его применения. Increasing the sensitivity and simplifying the circuit of the proposed device is achieved by reducing the delay time of the propagation of the signal by restarting the one-shot and the direct inclusion of a three-position display unit to the outputs of the one-shot. The device allows you to measure not only the capacitance, but also the active resistance, and also presents the output of the measurement result not only in the form of "More", "Less", but also in the form of "Equal". These advantages of the proposed device expand the scope of its application.

Claims (2)

Устройство для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления, содержащее генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с первыми входами запуска первого и второго одновибраторов, измеряемый и компенсирующий конденсаторы, первый вывод каждого из которых соединен с первым выводом времязадающей цепи соответственно первого и второго одновибраторов, блок индикации, отличающееся тем, что в него введены измеряемый и компенсирующий резисторы, а первый и второй одновибраторы выполнены с перезапуском и имеют два входа запуска, причем второй выход времязадающей цепи первого одновибратора соединен с вторым выводом измеряемого конденсатора и через измеряемый резистор соединен с клеммой питания, второй вывод времязадающей цепи второго одновибратора соединен с вторым выводом компенсирующего конденсатора и через компенсирующий резистор соединен с клеммой питания, инверсные выходы первого и второго одновибраторов подключены к вторым входам запуска соответственно второго и первого одновибраторов, прямые выходы одновибраторов подключены к блоку индикации. A device for measuring electrical capacitance and / or active resistance, comprising a clock pulse generator, the output of which is connected to the first input inputs of the first and second single vibrators, measured and compensating capacitors, the first output of each of which is connected to the first output of the timing circuit of the first and second single vibrators, display unit, characterized in that the measured and compensating resistors are introduced into it, and the first and second one-shots are restarted and have two inputs starting, the second output of the timing circuit of the first one-shot connected to the second output of the measured capacitor and connected to the power terminal through the measured resistor, the second output of the timing of the second one-shot connected to the second terminal of the compensating capacitor and connected to the power terminal through the compensation resistor, the inverse outputs of the first and second single vibrators are connected to the second start inputs of the second and first single vibrators, respectively, direct outputs of single vibrators are connected to the display unit tion. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок индикации выполнен двухполюсным и содержит два светодиода, включенных встречно-параллельно. 2. The device according to p. 1, characterized in that the display unit is made of bipolar and contains two LEDs connected in opposite-parallel.

Images