Измерение индуктивностей и емкостей в широком диапазоне значений

В большинстве случаев простые схемы, которые можно найти для измерения реактивных компонентов, пригодны лишь для ограниченного диапазона номиналов. Здесь предлагается схема, построенная из нескольких недорогих элементов, которая позволит измерять номиналы как конденсаторов, так и катушек индуктивности в диапазоне семи порядков величины. С ее помощью можно измерять конденсаторы от 1 пФ до 10 мкФ и индуктивности от 200 нГн до 4 Гн.

Вебинар Экономичные решения МЕAN WELL для надежных разработок - 30.09.2021

Однако чтобы охватить столь широкий диапазон, нужно смириться с некоторым неудобством, поскольку нахождение параметра тестируемого устройства производится настройкой переменного резистора и определением соответствующего значения емкости или индуктивности по калибровочному графику, а не путем прямого считывания.

Чтобы понять работу схемы, начнем с основ, показанных на Рисунке 1. Источник прямоугольных импульсов на Рисунке 1а подключен к нижнему контакту измеряемого конденсатора CTEST. Напряжение на верхнем выводе представляет собой последовательность импульсов, положительных и отрицательных относительно уровня шины +5 В, экспоненциально спадающих к этому уровню. Постоянная времени спада, конечно же, равна произведению R·CTEST. Аналогичным образом на Рисунке 1б источник прямоугольных импульсов тока питает измеряемую катушку индуктивности LTEST, вследствие чего выше и ниже напряжения шины +5 В происходят такие же переходные процессы с постоянной времени спада, равной LTEST/R. Относительная доля времени каждого полупериода прямоугольных импульсов, в течение которого происходит процесс экспоненциального спада, зависит от соотношения между постоянной времени и периодом импульсов.

Общая схема измерения конденсаторов (а) и катушек индуктивности (б) с помощью прямоугольных импульсов переменной частоты.
Рисунок 1. Общая схема измерения конденсаторов (а) и катушек индуктивности (б)
с помощью прямоугольных импульсов переменной частоты.

Теперь рассмотрим полную схему на Рисунке 2. Прямоугольные импульсы формируются простейшим RC-генератором на триггере Шмитта и усиливаются четырьмя параллельно включенными буферами. Плавное изменение частоты выполняется переменным резистором R9, а диапазон от A до F выбирается одним из шести декадных конденсаторов. R9 должен иметь линейную зависимость сопротивления от положения движка и быть подключен так, чтобы при вращении по часовой стрелке период колебаний увеличивался.

Полная схема измерителя C и L.
Рисунок 2. Полная схема измерителя C и L.

Выбор между конденсатором и катушкой индуктивности осуществляется двухполюсным двухпозиционным переключателем. В соответствии с базовой схемой на Рисунке 1 либо напряжение непосредственно с выходов IC1 подается на тестируемый конденсатор, либо ток, генерируемый цепью на транзисторе Q1, подается на катушку индуктивности. Резистор R2 510 Ом выполняет функцию сопротивления R на Рисунке 1 в режиме «L», а в режиме «C» это сопротивление формируется последовательным соединением резисторов R5 и R2. (R5 необходим для того, чтобы, ограничивая выбросы напряжения на базе Q2 на достаточно низком уровне, не допускать насыщения транзистора). Резистор смещения R7 и диоды D3, D4 поддерживают напряжение базы транзистора Q3 на уровне, примерно на 2VBE ниже напряжения шины +5 В. (VBE – напряжение база-эмиттер). При таком смещении Q2, R3 и Q3 образуют блок выпрямителя/ преобразователя напряжение-ток с небольшим начальным током, который чувствителен только к положительным выбросам напряжения над уровнем шины +5 В, создаваемым тестируемым компонентом. Результирующее падение напряжения, создаваемое импульсами коллекторного тока транзистора Q3 на резисторе R4, усредняется конденсаторами C2 и C3 и измеряется внешним вольтметром.

Выбросы с экспоненциальным спадом, занимающие определенную часть периода прямоугольных импульсов, будут давать соответствующее выходное постоянное напряжение, при этом точная нелинейная зависимость между коэффициентом заполнения и выходным напряжением значения не имеет. Поскольку транзисторы Q2 и Q3 используются в высокоскоростных включениях с общим коллектором и общей базой, соответственно, реакция этой схемы будет быстрой, и измерение коэффициента заполнения в первом приближении не будет зависеть от частоты.

Настраивая период генерации резистором R9 таким образом, чтобы выходное напряжение достигало некоторого фиксированного опорного уровня, например, 1.00 В, вы будете поддерживать фиксированное соотношение между постоянной времени экспоненциального спада и периодом импульсов. Поскольку постоянная времени спада линейно зависит от номинала измеряемого реактивного компонента, измеренные значения емкости или индуктивности окажутся линейными относительно периода импульсов генератора и, следовательно, линейными относительно угла поворота вала потенциометра R9. Используя соответствующую разметку круговой шкалы потенциометра R9 и откалибровав схему с помощью нескольких конденсаторов и индуктивностей с известными номиналами, можно построить калибровочные графики, которые позволят определить любое значение номинала тестируемого компонента. На Рисунке 3 показана разметка шкалы потенциометра R9, которая включена также в пакет загружаемых данных.

Пример разметки шкалы для R9.
Рисунок 3. Пример разметки шкалы для R9.

Переключатель диапазонов генератора будет охватывать шесть декад, хотя минимальный период ограничен задержкой распространения в IC1. Это позволит охватить верхние шесть порядков величин емкостей или индуктивностей от минимальных до максимальных значений для диапазонов от A до F. Вставьте измеряемый компонент в зажимы схемы, установите правильные положения переключателя диапазонов и движка переменного резистора, при которых выходное напряжение равно 1.00 В, и найдите значение емкости или индуктивности на графике для соответствующего диапазона. В диапазоне A можно измерять наименьшие значения от 10 пФ или 2 мкГн, а в диапазоне F – максимальные значения до 10 мкФ или 4 Гн.

Чтобы расширить диапазон измерений примерно до 1 пФ и 200 нГн, можно использовать дополнительный прием. Элементы смещения C1 и L1 всегда немного увеличивают минимальную постоянную времени в режиме «C» или «L», и сравнивая изменения напряжения, считываемого внешним вольтметром, когда к этим небольшим элементам смещения добавляется тестируемое устройство, можно построить дополнительный калибровочный график для самого низкого диапазона значений.

Методика измерения для этого самого нижнего диапазона состоит в том, чтобы сначала не вставлять измеряемый компонент в схему, либо оставив контакты для подключения конденсатора разомкнутыми, либо замкнув контакты, предназначенные для подключения катушек индуктивности. Затем переключите генератор в диапазон A и регулируйте период потенциометром R9 до тех пор, пока при отсутствии тестируемого компонента (то есть, только с элементом смещения) напряжение не станет равным 1 В. Наконец, вставьте измеряемый компонент в схему и наблюдайте за изменением показаний вольтметра. Найдите это напряжение смещения на калибровочном графике, чтобы определить малые значения номиналов компонентов.

Пример разметки шкалы, некоторые образцы калибровочных графиков, а также используемые для их создания файлы данных и скриптов gnuplot, доступны для скачивания в разделе Загрузки. С точностью до ошибки, вносимой типичным разбросом номиналов реактивных компонентов в ±10% и устраняемой применением метода наименьших квадратов, можно увидеть линейную зависимость результатов измерений от показаний шкалы во всех диапазонах. Выполненная вами калибровка, вероятно, будет отличаться из-за использования других компонентов, но файлы данных можно редактировать и создавать собственные графики.

  1. Datasheet Texas Instruments CD74HC14
  2. Datasheet Texas Instruments LM78L05

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 1320
сейчас смотрят 15
представлено поставщиков 1570
загружено
позиций
25 067 862