analog center 02 2006.pdf

(779 KB) Pobierz

analog_center.indd

W rubryce „Analog Center” prezentujemy skrótowe opisy urządzeń charakteryzujących się interesującymi, często

wręcz odkrywczymi, rozwiązaniami układowymi. Przypominamy także cieszące się największym powodzeniem, proste

opracowania pochodzące z redakcyjnego laboratorium.

Do nadsyłania opisów niebanalnych rozwiązań (także wyszukanych w Internecie) zachęcamy także Czytelników.

Za opracowania oryginalne wypłacamy honorarium w wysokości 300 zł brutto, za opublikowane w EP informacje

o interesujących projektach z Internetu honorarium wynosi 150 zł brutto. Opisy, propozycje i sugestie prosimy przesyłać

na adres: analog @ ep.com.pl.

Miernik bardzo małych pojemności

Sądząc po liczbie publikowanych

projektów mierników pojemności,

można dojść do wniosku, że temat

ten stanowi wdzięczne pole popisu

dla konstruktorów. Jednak dokład-

niejszy przegląd schematów wskazu-

je, że większość z nich wykorzystuje

tą samą metodę tzn. pomiar czasu

ładowania kondensatora (stałym prą-

dem lub przez znaną rezystancję)

do zadanego napięcia progowego.

Sposób ten, wygodny do realizacji

w bezpośrednim otoczeniu mikrokon-

trolera, dobrze sprawdza się przy

pomiarze dużych pojemności sięgają-

cych dziesiątek mF. Jednak obecność

niedokładnie określonych a do tego

zmiennych pojemności pasożytni-

czych (m.in. pojemności wejściowej

komparatora i pojemności montażo-

wych) powoduje, że użyteczny za-

kres pomiaru kończy się od dołu

na kilkudziesięciu pF. Tymczasem

dla konstruktora obracającego się

np. w zakresie UHF, „trzydzieści

piko” jest niemal synonimem zwar-

cia. Pojemności o mniejszych war-

tościach – rzędu pojedynczych pF

– można mierzyć innymi sposoba-

mi, np. przez pomiar częstotliwości

rezonansowej obwodu LC. Jednak

metody rezonansowe, podobnie jak

pomiary mostkowe, wymagają po-

siadania precyzyjnych wzorców LC,

a te nie należą do tanich ani łatwo

dostępnych.

W kręgu zainteresowań pozostają

zatem metody techniczne, polegają-

ce na bezpośrednim pomiarze prądu

płynącego przez kondensator przy

zadanym wymuszeniu napięciowym

(i vice versa). W tej grupie szcze-

gólne zainteresowanie

budzi układ autorstwa

Gary’ego Novaka [1]

pozwalający (pod wa-

runkiem starannego wy-

konania i skalibrowania)

na precyzyjny pomiar

bardzo małych pojem-

ności np. 1 pF z roz-

dzielczością ±10 fF.

Schemat podobnego,

nieco uproszczonego,

jednak opartego na tej

samej zasadzie mierni-

ka pojemności autor-

stwa Davida Johnsona

można znaleźć na in-

ternetowej stronie Di-

scover Circuits [2].

Miernik ( rys. 1 )

składa się z dwóch

części – precyzyjnego

generatora przebiegu

trójkątnego oraz układu

pomiarowego złożonego

z przetwornika prąd–na-

pięcie i detektora szczytowego. Zasa-

da działania polega na wykorzysta-

niu podstawowej zależności:

I=C*dU/dt

Zgodnie z tą zależnością, przy-

łożenie do kondensatora przebiegu

napięciowego w kształcie trójkąta

o stałym i znanym nachyleniu zbo-

czy (tzn. stałej wartości pochodnej

dU/dt) powoduje przepływ prądu

w postaci przebiegu prostokątnego

o stałej amplitudzie, zależnej bez-

pośrednio od mierzonej pojemności.

Przyjęcie takiego wariantu, tzn. po-

miaru prądu przy zadanym wymu-

szeniu napięciowym jest szczególnie

wygodne ze względu

na możliwość włącze-

nia mierzonego konden-

satora pomiędzy dwa

punkty o bardzo małej

impedancji, a mianowi-

cie wyjście generatora

(pkt. A) i masę pozor-

ną przetwornika I/U

(pkt. B). Z jednej stro-

ny ułatwia to przyłoże-

Rys. 2. Wpływ pasożytniczej pojemności sondy

(C b ) na kształt mierzonego przebiegu i dokładność

pomiaru

nie do badanej pojemności założo-

nego przebiegu o ściśle określonym

nachyleniu a z drugiej częściowo

przeciwdziała wpływowi pojemności

pasożytniczych.

Na rys. 1 oprócz pojemności

mierzonej C x zaznaczono również

elementy pasożytnicze: C a i C b re-

prezentujące pojemności sond po-

miarowych względem masy oraz

występującą samoistnie pomiędzy

sondami pojemność skrośną C r , włą-

czoną równolegle do mierzonej C x .

Zastanówmy się nad praktycznym

wpływem tych pojemności na wynik

pomiaru, przy założeniu C x =1 pF.

Pojemność C a reprezentująca po-

jemność doekranową może w prakty-

ce sięgać kilkudziesięciu pF. Jednak

obciążając bezpośrednio niskoimpe-

dancyjne wyjście generatora nie wy-

wiera istotnego wpływu na kształt

generowanego przebiegu. Pojemność

drugiej sondy (C b ) obciąża równo-

legle wejście układu pomiarowe-

go wprowadzając niepożądaną stałą

czasową. Jednak wobec

Rys. 1. Miernik bardzo małych pojemności – zasada

działania

cd na str. 40

Elektronika Praktyczna 2/2006

39

718048103.094.png

718048103.105.png

718048103.116.png

718048103.127.png

718048103.001.png

718048103.012.png

718048103.023.png

718048103.034.png

718048103.045.png

718048103.049.png

718048103.050.png

718048103.051.png

718048103.052.png

bardzo małej rezystancji

wejściowej przetwornika I/U (punkt

masy pozornej) wpływ tej pojemno-

ści jest niewielki i objawia się jedy-

nie opóźnionym narastaniem odpo-

wiedzi na jego wyjściu. Na rys. 2

pokazano wynik symulacji przebiegu

napięcia w punkcie „C” przy różnych

wartościach C b =[0, 30 pF, 100 pF].

Zwróćmy uwagę, że właściwa infor-

macja pomiarowa dotycząca C x kryje

się w wartości szczytowej (U x ) pro-

stokątnego przebiegu U c . Zatem do-

póki stała czasowa wnoszona przez

obecność C b jest istotnie mniejsza

od okresu przebiegu trójkątnego

i nie powoduje zafałszowania ampli-

tudy przebiegu, dopóty ew. spłasz-

czenie zboczy nie wpływa znacząco

na wynik pomiaru.

Do uwzględnienia pozostała nam

jeszcze pasożytnicza pojemność C r

występująca pomiędzy rozmieszczo-

nymi w bliskim sąsiedztwie zaci-

skami pomiarowymi i dodająca się

do wyniku pomiaru C x . Wyelimino-

wanie wpływu C r polega na prze-

sunięciu poziomu zera w układzie

pomiarowym lub na programowym

odjęciu właściwej wartości od koń-

cowego wyniku. Jednak do tego

celu C r musi mieć wartość możliwie

niewielką a przede wszystkim – nie-

zmienną w czasie. W praktyce, dzię-

ki zapewnieniu mechanicznej sztyw-

ności układu, zastosowaniu bardzo

krótkich wyprowadzeń pomiarowych

i ich ew. ekranowaniu można ją

sprowadzić do stałego poziomu po-

równywalnego z minimalną mierzoną

wartością C x , czyli <=1 pF.

Na rys. 3 przedstawiono uprosz-

czony schemat ideowy omawiane-

go miernika. Uproszczenie polega

przede wszystkim na pominięciu

podzespołów związanych z przełącza-

niem zakresów pomiarowych. W ory-

ginalnym układzie przewidziano bo-

wiem możliwość wyboru jednego z 6

zakresów obejmujących przedział od

40 pF do 4 mF. Wartości podane na

schemacie odpowiadają najczulszemu

zakresowi pomiarowemu (0...40 pF)

uzyskanemu przy nachyleniu prze-

biegu trójkątnego 1 V/ms.

Generator przebiegu trójkątnego

powstał na bazie typowego układu

złożonego ze wzmacniacza operacyj-

nego w układzie integeratora i kompa-

ratora. Wprowadzona modyﬁkacja ma

na celu precyzyjnie określenie nachy-

lenia opadającego zbocza przebiegu

i polega na dodaniu źródła referencyj-

nego U 1 oraz wzmacniacza U 2a . Przy

wyłączonym kluczu T 1 , wzmacniacz

U 2a działa jako wtórnik napięciowy

dostarczający na wejście integratora

stałego napięcia referencyjnego o war-

tości 2,49 V. Po włączeniu klucza T 1

napięcie na wyjściu U 2a spada do

poziomu ok. –2,5 V, przy czym war-

tość ta nie jest krytyczna a zapewnia

jedynie przybliżoną symetrię przebie-

gu trójkątnego.

Natomiast krytycznym elemen-

tem, decydującym o nachyleniu i li-

niowości trójkąta, jest kondensator

C 2 (1 nF lub 100 nF – zależnie od

zakresu). Ze względu na wymaga-

ną stabilność termiczną i napięciową

powinien to być kondensator poli-

propylenowy o tolerancji 1%. W ory-

ginalnym projekcie znalazły się do-

kładne wskazówki dotyczące doboru

a także precyzyjnego pomiaru rzeczy-

wistej wartości tego elementu.

Dobór wzmacniaczy operacyjnych

wynika z kompromisu pomiędzy mi-

nimalizacją wejściowego prądu pola-

ryzującego (JFET), napięcia niezrów-

noważenia i wymaganej szybkości

działania. Przy wartościach poda-

nych na schemacie, przebieg trój-

kątny ma częstotliwość ok. 45 kHz

i nachylenie ±1 V/ms, co eliminu-

je możliwość wykorzystania wielu

precyzyjnych, lecz zbyt wolnych

wzmacniaczy. Na stronie projektu

[1] znajdują się również rozważania

na temat doboru pozostałych ele-

mentów, eliminacji niepożadanych

przerzutów na zboczach mierzonego

prostokąta oraz całej części cyfrowej

(przetworniki A/C), pominięte w na-

szym opisie.

Na zakończenie jeszcze jedna,

istotna uwaga dotycząca wiarygodno-

ści uzyskanych wyników. Pomiar po-

jemności w opisanym mierniku odby-

wa się przy stosunkowo niewielkich

częstotliwościach. Oszacowanie wkła-

du wnoszonego przez poszczególne

harmoniczne do mierzonego prądu

I Cx prowadzi do wniosku, że znaczą-

cy wpływ na wynik pomiaru mają

jedynie składowe leżące w przedziale

poniżej 1 MHz. Tymczasem domeną

zastosowań większości kondensa-

torów „pikofaradowych” są zwykle

zakresy w.cz. gdzie zasadniczego

znaczenia nabiera obecność w za-

stępczym modelu rezystancji i in-

dukcyjności szeregowej (ESR, ESL).

W pomiarze małoczęstotliwościo-

wym składowe te nie mają szans

na ujawnienie swojego istnienia, co

skłania do ostrożnego traktowania

uzyskanych wyników i skonfrontowa-

nia ich z danymi katalogowymi (np.

typową częstotliwością rezonansu

własnego).

Marek Dzwonnik, EP

marek.dzwonnik@ep.com.pl

Rys. 3. Miernik bardzo małych po-

jemności – schemat ideowy (uprosz-

czony)

Odnośniki:

[1] http://nov55.com/cap/cap1.htm

[2] http://www.discovercircuits.com/

PDF–FILES/NewPDF/Capmeter1C.pdf

40

Elektronika Praktyczna 2/2006

cd ze str. 39

718048103.053.png

718048103.054.png

718048103.055.png

718048103.056.png

Woltomierz panelowy LED

Woltomierz panelowy AVT–01

jest jednozakresowym woltomierzem

prądu stałego z wyświetlaczemLED.

Jako wskaźnik tablicowy, montowa-

ny w obudowie i zasilany z układów

współpracującego urządzenia,

może służyć zarówno do pomia-

ru napięcia, jak i – z odpowiednim

przetwornikiem – natężenia prądu,

częstotliwości, rezystancji, pojem-

ności lub wielkości nieelektrycznych:

temperatury, wilgotności, ciśnienia,

itp. Woltomierz zbudowany jest na

układzie scalonym ICL7107 z zespo-

łem 7–segmentowych wyświetlaczy

LED oraz elementami wekonawczy-

mi. Układ wejściowy woltomierza

stanowi rezystor ograniczający prąd

wejściowy R7, diody ogranicznika

napięcia D8, D9 (w tej roli wyko-

rzystano złącza E–B tranzystorów)

i kondensator przeciwzakłóceniowy

C3. Kondensator C5 (całkowania)

musi mieć jak najmniejsze straty

dielektryczne, a rezystor całkowania

R3 i kondensator „autozera” C4 są

dobierane w zależności od zakresu

pomiarowego. Układ D10, R1, R5,

R6, PR1 dostarcza napięcia referen-

cyjnego odpowiedniego do zakre-

su pomiarowego. Dokładna wartość

napięcia powinna być ustawiona

potencjometrem PR1 w trakcie kali-

browania woltomierza w konkretnym

układzie pracy. Elementy C1, R2

wyznaczają częstotliwość wewnętrz-

nego oscylatora układu ICL 7107.

Rezystor R8 dostarcza prądu seg-

mentom kropki dziesiętnej wyświe-

tlacza. Położenie kropki odpowied-

nio do zakresu pomiarowego wyzna-

cza zwora P31 – P1 (dla 200 mV)

lub P31 – P3 (dla 2 V). 

Właściwości:

• zakres pomiarowy ±2 V lub ±200 mV

• rezystancja wejściowa >10 M V

• dokładność pomiaru ±1 na ostatniej pozycji

• sygnalizacja przekorczenia zakresu

• czas cyklu pomiaru: około 1/3 s

• zasilanie ±5 V

Wzmacniacz audio z tranzystorami HEXFET

Schemat elektryczny wzmacnia-

cza przedstawiono na rys. 1 . Na

wejściu zastosowano różnicowy sto-

pień wzmocnienia z tranzystorami

Q1 i Q2. Rezystor R3 spełnia rolę

źródła prądowego, które wprowadza

sprzężenie zwrotne niezbędne do

poprawnej pracy wzmacniacza róż-

nicowego. Układ całkujący R12, C3

ﬁltruje napięcie zasilające R3, dzię-

ki czemu praca stopnia wejściowe-

go jest stabilniejsza.

W kolektorze Q1 znajduje się re-

zystor R4, na którym odkłada się

wzmocnione napięcie wejścio-

we. Napięcie to steruje tran-

zystor Q3. W obwód kolekto-

ra tego tranzystora włączony

jest układ wstępnej polaryza-

cji tranzystorów mocy (Q4,

RN1, R8, R9) oraz obwód

bootstrap (wykonany na ele-

mentach R10, R11, C4).

Dioda D1 zabezpie-

cza bramkę tranzystora

Q6 przed przebiciem,

ograniczając maksy-

malne napięcie UGD do

wartości 0,6 V. Na wyjściu wzmac-

niacza znajduje się układ ogranicza-

jący amplitudę składowych sygnału

wyjściowego o wyższych częstotli-

wościach, co w pewnym cd na str. 42

Właściwości:

• pasmo przenoszenia: 17Hz..92kHz

• moc wyjściowa: 29W/THD0,12%,

• szybkość narastania sygnału na wyjściu:

+11/-16V/ms.

Uwaga! Pomiary wykonano z obciążeniem

8 W, zasilaniu ±28V, i współczynniku

wzmocnienia 47V/V (R5=1k W)

• pasmo przenoszenia: 15Hz..60kHz,

• moc wyjściowa: 58W/THD0,17%,

• szybkość narastania sygnału na wyjściu:

+13/-19V/ms.

Uwaga! Pomiary wykonano z obciążeniem

4 W, zasilaniu ±28V, i współczynniku

wzmocnienia 47V/V (R5=1k W)

Elektronika Praktyczna 2/2006

41

718048103.057.png

718048103.058.png

718048103.059.png

718048103.060.png

718048103.061.png

cd ze str. 41

Rys. 1. Schemat elektryczny wzmacniacza audio

stopniu kompensuje charakterystykę

amplitudową wzmacniacza. Dławik

L1 ogranicza szybkość narastania

sygnału na wyjściu wzmacniacza,

co poprawia stabilność jego pracy

w przypadku sterowania jego wej-

ścia szybko narastającymi przebie-

gami piłokształtnymi lub prostokąt-

nymi. Integralną częścią wzmacnia-

cza jest zasilacz sieciowy, jest to

zasilacz z symetrycznym wyjściem,

o napięciu wyjściowym mieszczącym

się w przedziale ±22...±30 V. Bez-

pieczniki F1 i F2 powinny być typu

Dodatkowe informacje:

Bardziej szczegółowy opis tego projektu można

znaleźć pod nazwą AVT–890 na stronie:

http://www.sklep.avt.com.pl

zwłocznego i są montowane bezpo-

średnio na płytce drukowanej. 

Miniwzmacniacz

Wejścia (n. 2 i 3) są na poten-

cjale masy; przy zasilaniu z sieci

między masę a końcówkę 7 należy

dołączyć kondensator 47 µF, tłumie-

nie tętnień zasilania wyniesie wte-

dy 50 dB.

Końcówki 1, 8 pozwalają zwięk-

szyć wzmocnienie. Dołączenie do

nich szeregowego obwodu RC (za-

znaczony linią przerywaną) w za-

leżności od wartości R zwiększa

wzmocnienie aż do 200 (C=10 µF,

R=0). 

Dodatkowe informacje:

Bardziej szczegółowy opis tego projektu można

znaleźć pod nazwą AVT–1017 na stronie:

http://www.sklep.avt.com.pl

Rys. 1. Schemat elektryczny miniwzmacniacza

Właściwości:

• moc: w zależności od wersji układu

400...1000 mW

• zakres napięć zasilających: 5...18 V

• wzmocnienie nominalne: 20

• prąd spoczynkowy: około 4 mA

• zniekształcenia: 0,2%

• pasmo sięga 300 kHz

42

Elektronika Praktyczna 2/2006

42

718048103.062.png

718048103.063.png

718048103.064.png

718048103.065.png

718048103.066.png

718048103.067.png

718048103.068.png

718048103.069.png

718048103.070.png

718048103.071.png

718048103.072.png

718048103.073.png

718048103.074.png

718048103.075.png

718048103.076.png

718048103.077.png

718048103.078.png

718048103.079.png

718048103.080.png

718048103.081.png

718048103.082.png

718048103.083.png

718048103.084.png

718048103.085.png

718048103.086.png

718048103.087.png

718048103.088.png

718048103.089.png

718048103.090.png

718048103.091.png

718048103.092.png

718048103.093.png

718048103.095.png

718048103.096.png

718048103.097.png

718048103.098.png

718048103.099.png

718048103.100.png

718048103.101.png

718048103.102.png

718048103.103.png

718048103.104.png

718048103.106.png

718048103.107.png

718048103.108.png

718048103.109.png

718048103.110.png

718048103.111.png

718048103.112.png

718048103.113.png

718048103.114.png

718048103.115.png

718048103.117.png

718048103.118.png

718048103.119.png

718048103.120.png

718048103.121.png

718048103.122.png

718048103.123.png

718048103.124.png

718048103.125.png

718048103.126.png

718048103.128.png

718048103.129.png

718048103.130.png

718048103.131.png

718048103.132.png

718048103.133.png

718048103.134.png

718048103.135.png

718048103.136.png

718048103.137.png

718048103.002.png

718048103.003.png

718048103.004.png

718048103.005.png

718048103.006.png

718048103.007.png

718048103.008.png

718048103.009.png

718048103.010.png

718048103.011.png

718048103.013.png

718048103.014.png

718048103.015.png

718048103.016.png

718048103.017.png

718048103.018.png

718048103.019.png

718048103.020.png

718048103.021.png

718048103.022.png

718048103.024.png

718048103.025.png

718048103.026.png

718048103.027.png

718048103.028.png

718048103.029.png

718048103.030.png

718048103.031.png

718048103.032.png

718048103.033.png

718048103.035.png

718048103.036.png

718048103.037.png

718048103.038.png

718048103.039.png

718048103.040.png

718048103.041.png

718048103.042.png

718048103.043.png

718048103.044.png

718048103.046.png

718048103.047.png

718048103.048.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin