Перетворювач ємність - тривалість імпульсу (стр. 2 из 5)

- медична техніка.

Ємнісні перетворювачі близькі по своїм характеристикам до напівпровідникових діодів, у яких використовується залежність так називаної бар'єрної ємності від зворотної напруги. Такі перетворювачі застосовуються як елементи з електрично керованою ємністю і називаються варикапами.

Інша група перетворювачів заснована на використанні сегнетоелектриків, тобто кристалічних діелектриків, що при визначених температурних умовах (при температурі нижче точки Кюрі) мають мимовільну поляризацію при відсутності зовнішніх електричних полів.

Нещодавно конструктори відносилися з упередженням до ємнісних перетворювачів, думаючи, що схеми з ємнісними перетворювачами не забезпечують ні достатньої точності, ні стабільності роботи приладів.

Вважалося обов'язковим для одержання стійкого сигналу на виході ємнісного перетворювача подавати на нього напругою високої частоти, що досягає сотень кілогерц, а іноді навіть десятків мегагерц. Наявність такої високої частоти у свою чергу приводило до втрат у паразитних ємностях, сполучних проводах і т.п. Для того щоб підвищити амплітуду сигналу, що знімається з ємнісного перетворювача, і поліпшити стабільність показань, деякі автори розробок застосовували в першому каскаді підсилювача електрометричні лампи, що допускають включення сотень мегом у ланцюг керуючої сітки і т.д., однак усі ці міри мало поліпшували стабільність систем з ємнісними перетворювачами й у той же час значно ускладнювали конструкцію приладів.

Проведені в даний час роботи показали, що причина нестабільності роботи систем з ємнісними перетворювачами лежить у неправильному підході конструкторів до проектування перетворювачів, зокрема, у неправильному розташуванні ізолюючих елементів конструкції, нестабільність властивостей яких і приводить до помилок у роботі систем. Ці труднощі виявилися переборними, і вже створені прилади з ємнісними перетворювачами, що забезпечують високі точності і стабільність роботи, що витримують важкі режими експлуатації.

Вимірювання ємності. При вимірюванні ємності необхідно враховувати, що ці параметри можуть залежати від частоти, температури, вологості, зовнішніх електричних і магнітних полів і т. д.

Непрямий метод визначення ємності полягає в вимірюванні параметрів кола з конденсатором і розрахунку значення невідомої ємності. На рисунку 1 показана схема для непрямого визначення емності.

Без врахування активних втрат в конденсаторіємність розраховується за показниками амперметра й вольтметра: С_х= 1/ωU.

З урахуванням втрат вконденсаторіємність можна визначити поформулі

С_х=

,

де I — струм, що протікає через конденсатор; U — напруга, прикладена до конденсатора; Р — потужність втрат.

Втрати в конденсаторі визначають або через потужність втрат

, або з урахуванням тангенса кута втрат

Р =

, звідси ,

Точність вимірювання ємності непрямим методом невелика. Значно менше похибок дають прилади зрівняння і безпосередньої оцінки. До приладів зрівняння відносяться мости змінного струму. В одно з плечей моста, зібраного по схемі, яка показана на рисунку 2, включений вимірювальний конденсатор С_х з опором втрат R_x, в інше — зразковийС_об із опором R_об, Інші плечі моста утворені резисторами R₁, R_2.

Умова рівноваги мосту:

(R_X +1/jωС_х) R₂=:(R_об +1/jωС_об) R_1.

Звідси при R_хR₂= R_обR₁отримаємо C_x=C_o6R₂/R_1.Опір активних втрат визначиться як R_x=R_o6R₁/R_2.

Втрати в конденсаторі визначаються по формулі tgσ_x=ωR_o6С_об. Міст попередньо врівноважується резисторами R_o6 і R₂,постаченими шкалами із шкалою в одиницях tgσ_x і ємності. Для балансування мосту варто змінювати як R_o6 так і С_об. Балансування мостувиконується методом послідовних наближень: по черзі регулюють кожний з елементів до одержання мінімального показання індикаторного приладу.

На рисунку 1 показана схема для непрямого визначення ємності.

Рисунок 1- Схема для непрямого вимірювання ємності

На рисунку 2 показана мостова схема для вимірювання ємності.

Рисунок 2- Мостова схема для вимірювання ємності

Мінімально необхідне число операцій при балансуванні мостувизначає його збіжність.

Мостовий метод вимірювання ємності застосовують для вимірювання ємностей від декількох сотень пікофарад до декількох десятків мікрофарад.

При цьому визначають опір Z_x =Z1·Z3/Z₂ і обраховують ємність С_х=160000/(fZ_x), де Z_x-модуль комплексного опору, кОм; f-частота живлення моста, кГц; С_х-вимірювана ємність, пФ.

Міст живлять змінною напругою частотою 500..1000 Гц.

Ємності до 5000 пФ зазвичай вимірюють резонансним і генераторним методом, також широко використовується метод заміщення.

Мультивібратори. Коливання прямокутної форми на мультивібраторах виникають за рахунок позитивного зворотного зв’язку через активний електронній елемент: транзистор, операційний підсилювач, логічний елемент, тиристор. Саме тому основними параметрами прямокутних імпульсів є: частота (тривалість), амплітуда і їх стабільність залежать від характеристик активного елемента – напруга живлення, порогового рівня, швидкодії тощо.

Стабільність тривалості чи періоду повторення імпульсів в мультивібратори на логічних елементах невелика (приблизно 3% при зміні температури на 10С), оскільки стабільність порогового рівня ТТЛ-мікросхем низька.

Управління тривалістю імпульсів (частотою автоколивань) може виконуватись трьома способами: ручним регулюванням, тобто зміною опору, рідше зміною ємності; за допомогою напруги зміщення, яке вводиться у вхідні ланцюги логічних елементів; цифровим кодом.

Мультивібратори на операційних підсилювачах бувають:

- очікуючі;

- автоколивальні;

Мультивібратори на мікросхемах бувають:

- з транзистором в якості порогового елементу;

- на інтегральному таймері;

- з керуванням цифровим кодом;

- кварцеві генератори;

Мультивібратори на електронних елементах:

- автоколивальний на транзисторах;

- очікуючій на операційному підсилювачі;

- очікуючій на польовому транзисторі;

- очікуючій на тиристорі.

Мультивібратори на транзисторах на відміну від мультивібраторів на логічних елементах може робити при значних змінах напруги живлення при порівняно малій зміні частоти. Очікуючий мультивібратор на польовому транзисторі дозволяє отримати імпульси великої тривалості оскільки в таких схемах можна змінювати опір в великому діапазоні. А от мультивібратори на тиристорах дозволяють отримувати імпульси великої потужності.

Отже для формування імпульсів з заданою умовою частоти використаємо автоколивальний мультивібратор, а для перетворення ємності у тривалість імпульсу використаємо очікуючий мультивібратор. Отриманий сигнал підсилимо за допомогою двох послідовно з’єднаних підсилювачів напруги та потужності.

2.2 Розробка загальної структури перетворювача

На рисунку 3 зображена спрощена структурна схема перетворювача.

Рисунок 3 – Спрощена структурна схема перетворювача

АМВ – автоколивальний мультивібратор, призначений для створення імпульсів заданої частоти, які є запускаючими для ОМВ і частота цих імпульсів 30 кГц.

ОМВ – очікуючий мультивібратор, призначений для формування імпульсів певної тривалості з визначеною амплітудою. Тривалість вихідних імпульсів залежить від ємності конденсатора, діапазон якої коливається в межах 1нФ..1мкФ.

ПН – підсилювач напруги, здійснює подальше підсилення вихідної напруги попереднього каскаду до величини 30 В.

ПП – підсилювач потужності, використовується для забезпечення потужності на навантаженні, опір якого дорівнює 10 Ом.

2.3 Попередній розрахунок ОМВ

Визначимо динамічний діапазон перетворювача

D=

, (1)

D =

= .

де С_max – максимальне задане умовою значення ємності;

С_min - мінімальне задане умовою значення ємності.

Оскільки динамічний діапазон не перевищує 100, то необхідності розбивати його на під діапазони немає.

За умовою

(кГц)

Задаємо:

(10...20) , (2)

0,6 (МГц).

> , <

Задавшись

= В, приймаємо