Использование системы ФАПЧ для повышения точности измерения емкости

Усовершенствование старой разработки позволило измерять емкость в диапазоне от 10 пФ до 1 Ф.

В одном из старых выпусков журнала «Electronics Designer’s Casebook» описана схема, которая обеспечивает измерение емкости в диапазоне от 10 пФ до 1 Ф с точностью 1%. При тестировании схемы выявился ряд серьезных недостатков, и данная дизайн-идея описывает усовершенствование схемы. Схема измерителя на рис.1 позволяет измерять значения емкости в диапазоне от 10 пФ до 10 Ф с высокой точностью. Для нее не нужен микропроцессор и, таким образом, не требуется написание программы. Даже в диапазоне от 1 до 10 пФ, схема имеет точность ±1 пФ при измерении емкости меньше, чем 5 пФ.

Кликните для увеличения

Для схемы нужен операционный усилитель с высоким входным сопротивлением, для работы с резисторами большого номинала, R₆, R₈, R₉ и R₁₀ и быстрый компаратор для работы для работы с системой ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты). В качестве микросхемы IC₁, идеально подходит операционный усилитель компании Analog Devices AD8033, поскольку он имеет входное сопротивление более 1000 ГОм и входную емкость менее 1.7 пФ. Кроме того он отличается малым входным током смещения, порядка 50 пА, во всем рабочем температурном диапазоне. Его полоса пропускания 80 МГц и скорость нарастания выходного напряжения 80 В/с, более чем достаточны для этого приложения.

Операционный усилитель может работать при напряжении источника питания всего 8 В. К сожалению, усилитель AD8033 доступен только в корпусе для поверхностного монтажа, что делает макетирование схемы несколько утомительным. Микросхема IC₂, компаратор ADCMP601 от Analog Devices, является согласующим устройством между операционным усилителем AD8033 и и схемой ФАПЧ IC₃, типа 74HC4046A. Компаратор имеет типичное время задержки распространения сигнала всего лишь 4.3 нс. Он имеет встроенный гистерезис и требует для своей работы один источник питания напряжением 5 В. Данная микросхема, также, доступна тоько в корпусе для поверхностного монтажа.

Измеритель емкости генерирует два сигнала; один из которых, затем, поворачивается по фазе на 60°. Трехразрядный кольцевой счетчик-делитель на шесть с автоматической коррекцией, включенный между IC₆, IC₇ и IC_13B, обеспечивает задержку сигнала. Задержанный сигнал поступает на вход COMP микросхемы ФАПЧ (вывод 3), а второй сигнал проходит через RC цепочку, которая обеспечивает фазовый сдвиг 60°, перед тем, как сигнал опадает на вход SIG микросхемы ФАПЧ (вывод 14). Микросхема ФАПЧ подстраивает частоту ГУН (генератор, управляемый напряжением), таким образом, чтобы два входных сигнала были синфазными. Результирующий период выходного сигнала ГУН (вывод 4) пропорционален измеряемой емкости.

В нижнем диапазоне измерения емкости, сигналы с частотой F_O поступают на входы микросхемы ФАПЧ. В верхнем диапазоне измерения емкости, частота равна F_O/1000. Микросхемы IC₈ … IC₁₀ обеспечивают деление частоты сигнала, а микросхемы S₂, IC_4B … IC_4D, IC_5D, IC_5E, и подключенные к ним компоненты обеспечиваю переключение между диапазонами измерения малых и больших емкостей. ГУН системы ФАПЧ работает на частоте 6F_O. Схема делит на три, для получения выходного сигнала с периодом, пропорциональным измеряемой емкости. Это обеспечивает корректные показания на табло частотомера, работающего в режиме измерения периода. Частоту F_O или F_O/1000 можно вычислить из соотношения 0.1505/R_XC_X, где R_X – это R₆, R₈, R₉ или R₁₀, в зависимости от выбранного диапазона.

С микросхемой ФАПЧ 74HC4046A может быть несколько проблем. Например, она может не стартовать, при подаче напряжения питания, или может зависнуть в состоянии высокого или низкого логического уровня с ГУН, работающим с входным выводом VCO (вывод 9). Схема запуска, состоящая из микросхем IC_13F, Q₄, и связанных с ними компонентов, подает положительное напряжение величиной примерно 2 В на вход VCO, которое заставляет ГУН генерировать. После запуска ГУН, на диод D₄ подается обратное смещение, отсоединяя схему запуска от входного вывода ГУН. Если ГУН работает, но заблокирован, поскольку его входы находятся в состоянии с высоким или низком логическим уровнем, на выходе одновибратора IC_12A обнаруживается, что он не осуществляет фазовую автоподстройку, в соответствие с импульсами, поступающими с вывода 1 микросхемы IC₃.

Затем, одновибратор генерирует импульс, длительностью 1.5 с, который приводит к тому, что микросхема IC_12B генерирует импульс, длительностью 0.5 с, который вызывает появление как положительного импульса на заблокированном выводе, так и импульса низкого логического уровня на входном выводе ГУН, в зависимости от того, в каком состоянии, высоком или низком, находится схема ФАПЧ. Через 0.5 с после окончания импульса, импульс от микросхемы IC_12A все еще продолжается в течение 1 с, обеспечивая время, необходимое для захвата фазы схемой ФАПЧ. Светодиод D₇ индицирует захват фазы. Если произошел захват фазы системой ФАПЧ, то все нормально. Если нет, то одновибратор IC_12A/IC_12B продолжает генерировать импульсы. Експериментально была установлена эффективность рассмотренных методов для вывода схемы из аномальных состояний. Возможно, что работа схемы не всегда будет восстанавливаться с помощью описанных методов, но они показали хорошую эффективность на тестовом образце прибора.

Для буферизации вывода 5 микросхемы IC_5F в схеме используется сигнал частотой 6F_O, деленной на три. Это обеспечивает выходной сигнал с частотой, период которой пропорционален значению измеряемой емкости. На выходе обеспечивается правильное значение измеряемой величины, без учета положения в результате измерения десятичной точки. Чтобы определить истинное значение неизвестной емкости, необходимо учесть положение переключателей S₁ и S₂.

Для калибровки прибора можно использовать конденсатор с известной емкостью в районе 1000 пФ, при нахождении переключателя S₂ в положении измерения малых емкостей а переключателя S₁ в положении 100 … 1000 пФ/0.1…1 мкФ. После этого необходимо движок резистора R₂₂ установить в среднее положение, подключить частотомер к выводу 6 микросхемы IC_5F, и настроить его для измерения периода сигнала. Подстройкой резистора R₁₂ необходимо установить показания частотомера, соответствующие значению подключенной эталонной емкости. Далее, используем конденсатор с емкостью приблизительно 100 пФ, установив переключатель S₁ в положение 10…100 пФ/0.01…0.1 мкФ. Записываем измеренное значение емкости.

Затем, используя этот же самый конденсатор, емкостью порядка 100 пФ, устанавливаем переключатель S₁ в положение 100…1000 пФ/0.1…1 мкФ, и подстраивая резистор R₂₂ добиваемся получения на счетчике того же самого значения, что и в положении 10…100 пФ/ 0.01…0.1 мкФ. Комбинация значений R₂₂/C₁₃ обеспечивает небольшую изменяющуюся задержку относительно сигнала на выводе 14 микросхемы IC₃. Описанная тонкая настройка схемы обеспечивает хорошую точность измерений на самом нижнем пределе измерений.

Настройка прибора делается с использованием доступного оборудования, которое не включает в себя точный измеритель емкости с высоким разрешением, поэтому рассматриваемый измеритель имеет точность на уровне ±2% в диапазоне от 100 пФ до 10 мкФ (см. таблицу 1). В диапазоне 10…100 пФ, из-за входной емкости операционного усилителя и соответствующей паразитной емкости вывода 3 микросхемы IC₁, точность измерений уменьшается. Резистор R₇ и конденсатор C₆ обеспечивают некоторую компенсацию паразитных емкостей при измерении в диапазоне 10…100 пФ, при подключении измеряемой емкости непосредственно к клеммам прибора. Резистор R₅ и конденсатор C₅ обеспечивают компенсацию в диапазоне 1…10 пФ.

Для повышения точности измерений в двух нижних диапазонах можно измерить паразитную емкость входной цепи прибора и вычитать ее из результатов измерения емкости конденсатора. При таком методе измерения, резисторы R₅ и R₇ и конденсаторы C₅ и C₆ из схемы можно исключить. Затем, установив переключатель S₁ в положение 1…10 пФ и переключатель S₂ в положение для измерения малых емкостей, при неподключенном внешнем конденсаторе, можно получить значение паразитной емкости входной цепи. Для тестовой схемы, измерение этой паразитной емкости дало значение 2.8 пФ. При использовании этого корректирующего значения, измерения на двух нижних диапазонах также обеспечивают точность порядка ±2%, или ±1 пФ.

При измерении емкости электролитических конденсаторов необходимо соблюдать полярность их подключения. Отрицательный вывод конденсатора подключается к заземленному измерительному контакту. Кроме того, поскольку схема не имеет защиты от перенапряжений и электростатического потенциала (ESD), перед подключением к измерителю емкости, необходимо убедиться, что конденсатор полностью разряжен, и использовать браслет для снятия электростатического потенциала, чтобы не повредить схему. Для получения более точных измерений, необходимо использовать стабилизированные источники питания с напряжением 5 В и 8 В. Оба источника питания должны обеспечивать точность и стабильность выходного напряжения не хуже ±2%.

Напряжение питания 8 В можно увеличить до 9 В при снижении стабильности до 5%. При использовании для источника питания 8 В батареи с напряжением 9 В, ее напряжение может снижаться до значения 7.9 В без уменьшения производительности измерителя емкости. Однако, напряжение питания 5 В следует поддерживать постоянным, с максимальной точностью. Необходимо отметить, что все ИС, за исключением IC₁ имеют фильтровые конденсаторы, емкостью 0.1 Ф, подключенные между выводом питания и общим проводом.

Таблица 1 Результаты измерения емкости на разных диапазонах
Диапазон	1…10 пФ	10…100 пФ	100…1000 пФ	1000…10,000 пФ	0.01…0.1 мкФ	0.1…1 мкФ	1…10 мкФ
Емкость	5.24, 10.04	10.04, 23.22, 47.6, 102.68	102.68, 469.32, 1022.1	1022.1, 5226.9, 10,140	0.01014, 0.10052	0.10052, 1.034	1.034, 10.07
Ошибка измерения (%)	-8.85, 2.89	6.37, -4.78, -3.68, -0.61	-0.86, -2.5, -0.7	-0.89, -1.28,0	0.89, 0.88	2.27, -0.87	2.03, 1.24