Исследование и разработка устройства для измерения больших сопротивлений

Введение. Комплекс измерительных задач, решаемых с помощью измерителей параметров, определил широкую номенклатуру этих приборов, области применения, разнообразие схемотехнических и конструктивных решений, особенности применения отдельных приборов с учетом возможностей их измерительных цепей.

Значимое место среди измерителей параметров занимают измерители сопротивлений. Из всех существующих измерительных приборов измерители сопротивлений охватывают самый широкий диапазон измерений (от 10–⁸ до 10¹⁸ Ом, т. е. 26 порядков). По специфике применения и назначения, а также оп особенностям построения схем измерители сопротивлений условно можно разделить на следующие подгруппы [1]:

1.      Микро-миллиомметры с диапазоном измерения сопротивлений от 10–⁸ до 10³ Ом;

2.      Омметры и мегаомметры с диапазоном измерения от 1 до 10⁹ Ом;

3.      Тераомметры с диапазоном измерения сопротивлений от 10⁵ до 10¹⁸ Ом.

Тераомметры позволяют измерять на постоянном токе сопротивления изоляции, объемное и поверхностное сопротивления материалов, сопротивления высокоомных резисторов, а также малые постоянные токи и напряжения.

Также с помощью приборов для измерения больших сопротивлений решаются следующие задачи:

-        контроль и разработка линейных компонентов при их производстве;

-        осуществление входного контроля на предприятиях, использующих линейные компоненты в качестве покупных изделий;

-        проведение измерений при настройке и регулировке узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры, а также при отыскании в ней неисправностей;

-        исследование электрических свойств материалов;

-        измерение неэлектрических величин (температура, давление и др.) при наличии соответствующих датчиков;

-        использование в системах контроля и управления технологическими и производственными процессами.

Исследование зависимости времени установления показаний. Для исследования были взяты три метода измерений, которые нашли широкое распространение в практике построения современных приборов, а именно:

-        метод измерения сопротивления по методу стабилизированного тока в цепи делителя;

-        метод преобразования сопротивления в пропорциональное ему напряжение с помощью ОУ с ООС;

-        метод преобразования сопротивления в интервал времени на основе интегратора.

Для данного исследования использовался пакет программ Electronics Workbench 10, предназначенный для моделирования электронных схем и разводки печатных плат.

Рисунок 1 представляет схему измерения сопротивления методом стабилизированного тока с учетом паразитных емкостей. Величина емкости образцового резистора R₀ не менялась (С₀ = 1 пФ), а величина паразитной емкости измеряемого сопротивления R_X изменялась (С_Х = 1…10 пФ). Величины образцового и измеряемого сопротивлений 10⁷ и 10¹² Ом соответственно.

Рис. 1. Схема измерения сопротивления по методу стабилизированного тока с учетом паразитных емкостей

На рисунке 2 представлена схема преобразования сопротивления в пропорциональное ему напряжение с помощью ОУ с ООС с учетом паразитных емкостей. Здесь с емкостями поступили так же, как и в предыдущем случае.

Рис. 2. Схема преобразования сопротивления в пропорциональное ему напряжение с помощью ОУ с ООС с учетом паразитных емкостей

На рисунке 3 представлена схема преобразования сопротивления в интервал времени на основе интегратора с учетом паразитной емкости измеряемого сопротивления. Величина самого сопротивления и его паразитной емкости аналогичны предыдущему случаю, емкость интегратора С_И = 100 пФ.

Рис. 3. Схема преобразования сопротивления в интервал времени на основе интегратора с учетом паразитной емкости измеряемого сопротивления

Время интегрирования задали t_ИНТ = 1 с и изменяя значение С_Х измерили действительное значение времени, за которое напряжение на выходе интегратора соответствовало рассчитанному значению.

Затем отняли от полученного значения значение заданного времени интегрирования и полученный результат занесли в таблицу 1.

Таблица 1

Экспериментальные данные для анализа влияния паразитной емкости на время установления показаний

На основании полученных данных был построен график зависимости времени установления показаний от величины паразитной емкости, а также поведен прогноз поведения графика при дальнейшем росте паразитной емкости. Это можно увидеть на рисунке 4.

Рис. 4. График зависимости времени установления показаний от величины паразитной емкости

На рисунке 4, 1 — зависимость для схемы измерения сопротивления методом стабилизированного тока, 2 — зависимость для схемы преобразования сопротивления в интервал времени на основе интегратора, 3 — зависимость для схемы преобразования сопротивления в пропорциональное ему напряжение с помощью ОУ с ООС.

Основываясь на полученных результатах делаем вывод, что из предложенных схем, реализующих метод непосредственной оценки, оптимальными характеристиками обладает схема преобразования сопротивления в интервал времени на основе интегратора и схема преобразования сопротивления в пропорциональное ему напряжение с помощью ОУ с ООС. При фиксированном времени интегрирования первого такта в методе преобразования сопротивления в интервал времени на основе интегратора время установления показаний можно уменьшить.

Расчет и моделирование принципиальной схемы предлагаемого устройства. Для разработки принципиальной схемы, изображенной на рисунке 5, был выбран пакет PROTEUS VSM.

Продукт представляет собой комплекс схемотехнического моделирования, основанного на базе моделей электронных компонентов PSpice — программе симуляции аналоговой и цифровой логики. Основной чертой программы PROTEUS VSM является возможность симулирования работы программируемого оборудования: микропроцессоров, микроконтроллеров, DSP и т. д. Библиотека элементов содержит справочные материалы. Так же, в пакет PROTEUS VSM включена система проектирования печатной платы.

При разработке принципиальной схемы был проведен расчет таймера. Время первого такта интегрирования фиксировано и составляет 1 секунду. Для решения поставленной задачи отлично подходит универсальный таймер 555, представляющий собой устройство для генерации одиночного и повторяющегося импульса со стабильными time-характеристиками. Используется для построения разных генераторов, модуляторов, реле времени, шаговых устройств и прочих узлов цифровой аппаратуры. На примере применения микросхемы-таймера указываются функции восстановления цифрового сигнала, отличного от сигнала в линиях связи, фильтров дребезга, двухпозиционных регуляторов в системах авторегулирования, импульсных преобразователей напряжения, устройств широтно-импульсного регулирования, таймеров и др.

В моностабильном (или ждущем) режиме таймер 555 работает как «одноразовый» генератор импульсов. Такой режим характерен для таймеров, делителей частоты, переключателей, сенсорных выключателей, измерителей емкости конденсаторов. Использованная в устройстве схема таймера вырабатывает импульс на третьем выходе таймера каждый раз, когда подается сигнал нажатием на кнопку. Длительность импульса определяется величинами резистора и конденсатора.

Для расчета был выбран таймер LM555, схема включения которого изображена на рисунке 5.

Рис 5. Принципиальная схема генератора на базе таймера 555

Согласно документации, значение резистора R₁= 10 kОм, расчет остальных компонентов производится по формуле:

где t — длительность выходного сигнала.

При t = 1 с значения R₂ и С следующие:

R₂ = 1.93 кОм;

С = 470 мкФ.

После произведенных расчетов в программе Proteus была смоделирована работа генератора на базе таймера 555 и снята осциллограмма, подтверждающая правильность расчетов.

Рис. 6. Сигнал с выхода генератора

При нажатии на кнопку запуска генератора на его выходе устанавливается напряжение уровнем, отличным от нуля. По истечении заданного времени, в данном случае 1 секунды, на выходе 3 вновь устанавливается 0, что продемонстрировано на рисунке 6.

На рисунке 7 изображена предполагаемая структурная схема устройства для измерения больших сопротивлений.

Рис. 7. Структурная схема предлагаемого устройства для измерения больших сопротивлений

Заключение

Для обоснования выбора метода измерения кроме анализа методов были проведены экспериментальные исследования, которые позволили более детально осознать проблемы измерения и попытаться предложить способы их решения.

Для исследования были взяты три метода измерений, которые нашли широкое распространение в практике построения современных приборов. Из предложенных схем, реализующих методы непосредственной оценки оптимальными характеристиками обладают схемы преобразования сопротивления во время и напряжение с использованием ОУ с ООС.

В результате анализа методов измерения и результатов экспериментальных данных был выбран метод преобразования сопротивления во время (в период) прямоугольных напряжений. Выбранный метод станет основой для конструирования тераомметра в дальнейшем в теоретических экспериментальных исследованиях.

Литература:

1.      Измерения в электронике: Справочник/В. А. Кузнецов, В. А. Долгов, В. М. Коневских и др.; Под ред. В. А. Кузнецова. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 512 с.: ил.