Недорогой измеритель индуктивности на одной микросхеме

В этой статье показано, как сделать надежный, недорогой и простой измеритель индуктивности. Основой измерителя является емкостная трехточка (генератор Пирса) на буферизованном КМОП логическом элементе (Рисунок 1). Вместо обычного кварцевого резонатора, в схему генератора включается измеряемая катушка индуктивности. В генераторе используется один КМОП инвертор, смещенный в линейную область резистором R₁, образующий инвертирующий усилитель с большим коэффициентом усиления. Благодаря высокому коэффициенту усиления инвертор рассеивает меньшую мощность, чем его небуферизованный аналог, и даже при небольшом сигнале выход переключается между уровнями питания и земли.

Рисунок1.	Замена кварцевого резонатора в генераторе Пирса неизвестной индуктивностью позволяет измерить ее значение, наблюдая за частотой результирующих колебаний.

П-образная LC-цепочка образует параллельный колебательный контур, работающий на резонансной частоте

которая соответствует периоду

где C_S = 50 нФ – эквивалентная емкость последовательно включенных конденсаторов C₁ и C₂. Таким образом, можно рассчитать индуктивность L_X, измерив резонансную частоту f_O или период T_O. На резонансной частоте П-образная LC-цепочка сдвигает фазу выходного сигнала на 180° относительно входного. Для возникновения колебаний фазовый сдвиг в контуре обратной связи генератора на частоте f_O должен составлять 360°, а коэффициент усиления должен быть больше единицы. Инвертор IC_1A обеспечивает дополнительный сдвиг фазы на 180° и высокий коэффициент усиления, компенсирующий ослабление в цепи.

Сопротивление резистора R₁ некритично и может составлять от 1 до 10 МОм. Резистор R₂ изолирует выход логического элемента IC_1A от LC-цепочки, что позволяет на выходе самого инвертора получить практически чистый прямоугольный сигнал. Кроме того, R₂ улучшает стабильность частоты, поскольку увеличивает наклон фазовой характеристики вблизи частоты резонанса. Для наилучших характеристик следует использовать пленочные конденсаторы с низкой собственной индуктивностью, например, выпускаемые Vishay полипропиленовые конденсаторы серии MKP1837 с допуском 1%. Можно также использовать другие пленочные конденсаторы со стандартными значениями допусков при условии, что для достижения наилучшей точности их номиналы будут подобраны с помощью прецизионного измерителя емкости. Небольшой ток, потребляемый схемой, позволяет в качестве источника питания использовать батарею.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments CD74HC04