Измеритель ёмкости

Министерство образования  и науки РФ КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА –  КАИ   Кафедра приборов и информационно-измерительных  систем

РАСЧЕТНО –  ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА  к курсовому  проекту по дисциплине Электроника и микропроцессорная техника «Измеритель ёмкости»

Выполнил: студент гр. №3415                                                             ______________Носков В.В. Руководитель: доцент каф. ПИИС  ____________Маковеев А.М.   Оценка <___________> Комиссия:  __________ Дата:_____._____.2012 г                                  Подпись:____________

КАЗАНЬ.

 

Содержание

 

Введение...................................................................................................................4

1. Измерение емкости конденсаторов…………………………………………...5

1.1. Метод амперметра-вольтметра………………………………………......5

1.2. Мостовой метод…………………………………………………….....….6

1.3.  Метод баллистического гальванометра………………………………...7

1.4. Резонансный   метод измерения……………………………………………8

2. Разработка схемы…………………………………………………………….…9

2.1. Разработка структурной схемы…………………………………….……9

2.2. Разработка Функциональной схемы…………………………………….9

3. Электрическая схема………………………………………………………….11

3.1. Выбор и обоснование элементной  базы………………………….……11

4. Расчёт элементов……………………………………………………………...13

4.1. Расчёт генератора  синусоидальных колебаний……………………….13

4.2. Расчёт органа управления………………………………………………15

4.3. Расчёт инвертирующего  усилителя…………………………………....16

4.4. Расчёт выпрямителя……………………………………………………..18

4.5. Расчёт фильтра нижних  частот…………………………………………19

5. Порядок настройки……………………………………………………………24

6. Обоснование  выбора применяемых материалов……………………………25

Список литературы………………………………………………………………26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

При конструировании и ремонте  электронной техники часто возникает  необходимость в проверке радиоэлементов, в том числе и конденсаторов. Электрические конденсаторы из-за понижения емкости или значительного тока утечки нередко являются причиной неисправности радиоаппаратуры. Измерители  ёмкости находят широкое применение как на производстве так и в радиолюбительской практике. Как правило, это малогабаритные приборы низкой точности или цифровые приборы высокой точности, но больших габаритов. Данная разработка с применением операционного усилителя (ОУ) является компромиссом качества и габаритов.

Принцип работы предлагаемого C метра  основан на измерении энергии, накапливаемой  в электрическом поле конденсатора. Применение в данной конструкции  ОУ позволило создать простую, малогабаритную, дешёвую  плату. Также в этой схеме предусмотрена коррекция нуля, которая компенсирует излишнее напряжение.

При работе с прибором нужно в ручную манипулировать органами управления. Контакты, между которыми измеряют емкость, подключают к выводам измерительного прибора. Способ подключения должен соответствовать установленному в стандартах или технических условиях на изделия конкретных типов приборов. Подводящие провода должны быть экранированы, экран должен быть соединен с корпусом. Емкость измеряют в соответствии с эксплуатационной документацией на измерительный прибор.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Методы измерения емкости:

 

Существуют различные методы измерения  емкости: метод амперметра-вольтметра, мостовой метод, метод баллистического  гальванометра, по времени разряда  конденсатора через резистор известного сопротивления, резонансный метод  и др. Рассмотрим их более подробно.

 

1.1. Метод амперметра-вольтметра. Он основан на измерении емкостного сопротивления конденсатора, которое обратно пропорционально емкости и частоте электрического тока

 откуда 

Следовательно, для измерения емкости  этим методом необходимо знать частоту  напряжения, подаваемого от источника  питания.

Рис. 1

Как и в случае измерения активного  сопротивления в зависимости  от величины емкостного сопротивления может быть использована одна из схем подключения приборов (рис. 1 а,  1 б). При больших емкостях, то есть малых емкостных сопротивлениях, меньше погрешность измерения при использовании схемы 1 а; при измерении малых емкостей, то есть больших емкостных сопротивлений, лучше пользоваться схемой 1б.

Одной из разновидностей метода вольтметра-амперметра является метод двух вольтметров, используемый для измерения малых емкостей (рис. 1 в). Вольтметром V₁ измеряется напряжение питания, а вольтметром V₂  напряжение на конденсаторе известной емкости C₀: 

Сила тока I в неразветвленной  цепи равна

Емкость конденсатора С₀ должна быть значительной (сопротивление его мало), чтобы вольтметр V₂ вносил незначительные изменения в электрическую цепь. При C₀  >> C_x выражение для расчета емкости можно упростить:  

1.2. Мостовой метод аналогичен соответствующему методу измерения активного сопротивления. Схема четырёхплечного моста переменного тока приведена на (рис. 2). В качестве указателя равновесия (индикатора нуля И) могут использоваться осциллографы, вибрационные гальванометры и др. форме:  Z_xZ₂ = ZZ₁ , где сопротивления плеч Z_i в общем случае представляют собой комплексные сопротивления вида   Z_i = R_i + j X_i .

Если в двух смежных плечах включены активные сопротивления, то в двух других смежных плечах должны быть обязательно  сопротивления одного характера  – индуктивности, или емкости (рис. 3). Если активные сопротивления включены в противоположные плечи, то в два других противоположных плеча необходимо включить разные по характеру сопротивления.

На (рис. 3) приведена мостовая схема для измерения емкости с использованием параллельной схемы замещения реального конденсатора. В качестве эталонного конденсатора C₁ обычно используется воздушный конденсатор с малыми потерями. В этом случае условие равновесия моста (1) запишется в виде: 

Разделив вещественную и мнимую части (напомним, если равны два выражения, то можно приравнять их вещественные и мнимые части), получим выражения  для емкости конденсатора и его  активного сопротивления: С_х=R₂C₁/R,      R_x=RR₁/R₂.

Тангенс угла потерь определяется выражением:

Уравновешивание моста производят поочередным изменением сопротивления R₁ и емкости C₁. Для расширения пределов измерения изменяют отношение R/R₂.

1.3.  Метод баллистического гальванометра

 

Баллистическими называют чувствительные гальванометры, у которых период собственных колебаний рамки  очень большой. В баллистическом режиме может работать любой прибор магнитоэлектрической системы, если ток  в цепи прибора протекает в  течение времени, во много раз  меньшего периода собственных колебаний его подвижной рамки (рис. 4 а).

Рис. 4

При разряде конденсатора через  баллистический гальванометр отброс стрелки  гальванометра пропорционален протекающему через него заряду.

Измерение по величине среднего значения силы разрядного тока измеряемого конденсатора, периодически перезаряжаемого с частотой f (рис. 4 б).

При замкнутых контактах ключа SA1 исследуемый конденсатор C заряжается по цепи: плюс источника питания, полупроводниковый диод VD1, замкнутые контакты ключа, минус источника. При разомкнутом ключе ток разрядки конденсатора протекает по цепи: правая обкладка конденсатора, микроамперметр, резистор, R1, левая обкладка конденсатора. ДиодVD1 (германиевый) выбирают так, чтобы напряжение на нем в прямом направлении было как можно меньше, тогда ток зарядки, протекающий через микроамперметр, очень мал. В некоторых устройствах для исключения тока зарядки конденсатора через микроамперметр последовательно с микроамперметром включают дополнительно диод, через который будет протекать ток разрядки конденсатора.

Время замкнутого и разомкнутого состояния  ключа обычно выбирают равным. Постоянная времени RC разрядной цепи выбирается значительно меньше времени, в течение которого контакты ключа замкнуты, следовательно, конденсатор успевает полностью разрядиться. Заряд конденсатора определятся по формуле  q = C×U, а сила разрядного тока конденсатора  I = q×f=C×U×f, где f – частота включения и выключения ключа. В качестве ключа обычно используется ключ на биполярном транзисторе.

 

1.4. Резонансный  метод измерения емкости конденсаторов является метод с использованием двух генераторов высокой частоты (рис. 5).

Рис. 5

В колебательном контуре  второго генератора высокой частоты  используется эталонный конденсатор  переменной емкости, а в колебательный  контур первого генератора высокой  частоты входит исследуемый конденсатор. Колебания высокой частоты с  первого и второго генераторов  подаются на смеситель, на выходе которого получаются колебания разностной частоты. Пройдя через фильтр и усилитель  низкой частоты, колебания подаются на индикаторы нулевых биений. Индикаторы нулевых биений позволяют определить равенство частот колебаний первого  и второго генераторов. В качестве индикаторов нулевых биений достаточно часто используют одновременно головные телефоны и стрелочные измерительные  приборы. Такой принцип работы имеет прибор Е12-1. Значение емкости измеряемого конденсатора определяется по специальной шкале.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Разработка схемы

 

2.1. Разработка структурной схемы

 

На (рис. 6.) представлена структурная схема данного устройства.

Согласно заданию схема должна содержать следующие блоки:

1. Генератор синусоидальных колебаний;

2. Измеряемая ёмкость;

3. Орган управления;

4. Инвертирующий усилитель;

5. Выпрямитель;

6. Фильтр нижних частот (ФНЧ).

Рис. 6. Структурная схема измерителя ёмкости.

 

2.2. Разработка Функциональной схемы

 

Для реализации поставленных задач  необходимо выбрать элементную базу, которая будет не только отвечать техническим требованиям, но и иметь  перспективы развития и модернизации. Также элементная база должна выбираться с учетом требований к техническим  и функциональным параметрам разрабатываемого устройства. Главным компонентом для

Рис. 7. Функциональная схема измерителя ёмкости.

 

разрабатываемого устройства является измеряемая ёмкость, которая

подсоединяется к разрабатываемой  плате. Для выполнения поставленных

задач должна иметь малые габариты и обладать низким энергопотреблением.

На (рис. 7.) представлена функциональная схема данного устройства.

 

Разработку функциональной схемы  начнём с последовательного описания каждого блока схемы.

1. Генератор сигналов  - это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический или другой), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.).
2. Ёмкость с которой снимаются результаты.
3. При помощи органа управления переключаем измеряемую ёмкость.
4. Усилитель —элемент системы управления, предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма за счёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала.
5. Выпрямитель (электрического тока) — предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный  выходной электрический ток
6. Фильтр нижних частот (ФНЧ) — один из видов аналоговых  или электронных фильтров, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала  ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра.