Многопредельный усилитель заряда Советский патент 1984 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначе но для использования при согласоваНИИ пьеэозлектрических кварцевыз датчиков с регистрирующими прибо рами, а также при реализации измерительных интеграторов входного ток и микроамперного диапазона с временем регистрации порядка нескольких минут. Известен многопредельньш усилитель заряда, содержап1ий операционньй усилитель, между инвертирующим вход и выходом которого включен ключ, и через контакты переключателя, рас положенные со стороны выхода усилителя, подсоединено Л масштабных конденсаторов, блок управления, выход которого подключен к управляюще му входу ключа Г11 . Недостаток известного устройства заключается в большой погрешности преобразования входного квазистатического заряда в выходное напряжение, вызванной паразитной проводимостью изоляционной платы переключа теля и, следовательно, подключением через соответствуюцще участки этой платы нерабочих масштабных конденса торов параллельно рабочему с парази ным разрядом последнего, увеличиваю щимся с течением времени. Наиболее близким к изобретению является многопредельный усилитель заряда, содержащий опера11;ионньй усилитель, между инвертирующим вход и выходом которого включен ключ, и через контакты первой и второй секций галетного переключателя подсоед нено V-1 масштабных конденсаторов, блок управления, выход которого под ключей к управляющему входу ключа { В указанном устройстве обкладки всех масштабных конденсаторов имеют двустороннюю гальваническую развязк от операционного усилителя, благода ря чему шунтирование рабочего конденсатора происходит параллельно подключеннь&м 5С-цепочками, образованными нерабочими конденсаторами и сопротивлениями изоляции участков как первой, так и второй секций переключателя. Это обеспечивает существенное увеличение эквивалентного сопротивления в каждой С -цепочке и снижение скорости паразитно го разряда рабочего конденсатора, Однако в случае измерения квазистатического заряда, в особенности npi; 1змер1П е,11ьно-регисГри7ую1дем процессе,; превы1 1 1 о:цем несколько десятков секунд, а также при работе усилителя в режиме интег-рирования малых входных TOKua либо на стадии запоми нания (хранения) результата интегрирования , уровенг-, искажений выходного , обуслоп.чеши-гх паразитным перезарядом рабочего конденсатора на нерабочиеJ оказывается ощутимым вследствие конечной проводимости изоляционных плат переключателя. Целью изобретения является повы шение точности преобразования входного квазистатического заряда в выходное напряжение, Поставленная цель достигается тем, что в многопредельный усричитель заряда, содержапщй операционный усилитель, между инвертируюпщм входом и выходом которого включен ключ и через контакты первой и второй секций галетного переключателя подеое-, динено п масштабньЕх конденсаторов блок управления, выход которого подключен к управляющему входу ключа, введены источник опорного напряжения и п, потен1Ц4алозадающих резисторов с сопротивлениями в диапазоне от единиц до сотен килоомов, а переключатель выполнен с металлическими разделительными элементами, вмонтированными между неподвижггыми и подвижнь ш изоляционными платами разноименHF)ix секций; причем потенциальный вход источника опорного напряжения подключен к выходу операционного yci-шителя5 синхронизирующий вход - к выходу блока управ хения, а выходной в 1гзод соединен с клеммой для подключения одного из электродов датчика входного сигналаS экранирующей оплеткой соединительного кабеля между инвертируюгдим входом операционного усилителя и клеммой для подключения другого электрода датчика входного сигнала, разделительными металлическими элементами переключателя и через потенциапозадаюшие резисторы - с об1-;ладкаt-ni масштабных конденсаторов, расположенными со стог/оны второй секции переключателя , Кроме того, источник опорного напряжения выполнен в виде ячейки памяти с входным дифференциальным у си ли,телем. запоминающим конденсатором, подключенным к выходу дифференциального усилителя через ключ с синхро3низирующим входом, и выходным повторителем напряжения. На фиг.1 представлена функциональ ная схема предложенного многопредель ного усилителя заряда; на фиг,2 предпочтительная конструкция (в функ циональном изображении) использованного в устройстве источника опорного напряжения. Многопредельный усилитель заряда реализован по схеме интегратора тока и содержит операционный усилитель 1 (фиг.1), ключ 2, двухгалетный переключатель 3 с сек1щями, состоящими из неподвижных 4,5 и подвижных 6,7 контактов, неподвижных 8,4 и подвижных 10, 11 изоляционных плат, и с ме таллическими разделительными элемент ми 12,13, вмонтированными между плат ми 8 и 9, 10 и 11,г масштабных конденсаторов 14,п потенциалозадающих резисторов 15 с сопротивлениями в диапазоне от единиц до сотен килр7 ом, потенциометр 16, включенный межд полюсами двухполярного вспомогательного источника питания и служащий дл задания желаемого начального уровня напряжения на выходе операционного усилителя 1, блок 17 управления, источник 18 опорного напряжения с вход ным потенциальным выводом 19, входны синхронизирующим выводом 20 и выходным выводом 21, Клеммы 22,23 слзокат для подключения электродов датчика входного сигнала (показан пунктиром) а клеммы 24,25 - для подключения нагрузки. Ключ 2 включен между инвер тируюпщм входом и выходом операционного усилителя 1 непосредственно, а масштабные конденсаторы 14 подсоединены через контакты 4 и 6 и 5 и 7 секций переключателя 3. Выход блока 17 управления подключен к управляющему входу ключа 2. Потенциальный вход (вывод 19 - шина нулевого потенциала) источника 18 опорного напряжения подключен к выходу операционного усилителя 1, синхронизирующий вход (вывод 20 - шина нулевого потенциала) - к выходу блока 17 управления, а выходной вывод 21 соединен с клеммой 22 для подключения одного из электродов датчика входного сигнала, экранирующей оплеткой соединительного кабеля между инвертирующим входом операционного усилителя 1 и клеммой 23 для подключения другого электрода датчика входного сигнала, металлическими раз 544 делительными элементами 12,13 переключателя 3 и через потенция.позацающне резисторы 15 - с обкладкаю масштабных конденсаторов 14, расположенными со стороны секции переключателя 3 с контактами 5,7, Выход потентдаометра 16 подключен к неинвepтиpyющe ry входу операционного усилителя 1. Источник 18 опорного напряжения выполнен в виде ячейки памяти (блока выборки-хранения) с входным дифференциальны { усилителем 26 (фиг, 2), запоминающим конденсатором 27, подключенным к выходу дифференциального усилителя 26 через ключ 28, и выходным повторителем 29 напряжения. Работа устройства происходит следующим образом. Предварительно осуществляется выбор нужного предела преобразования с помощью переключателя 3,. В исходном положении ключ 2 находится в замкнутом состоянии, в результате чего выходное напряжение устройства, напряжение на инвертипующем входе операционного усилителя 1 и напряжение на выходе источника 18 опорного напряжения оказываются равными выходному напряжению потенциометра 16с точностью собственного напряжения начального смещения операционного усилителя 1 и его температурного дрейфа. Все масштабные конденсаторы 14 оказываются раз ряже HHBIMI-I, Измерительная стадия работы усилителя заряда начинается с момента размыкания ключа 2 по переднему фронту импульса, вырабатываемого блоком 17управления и поступающего на синхронизирующие входы ключа 2 и источника 18 опорного напряжения. До начала поступления входного заряда или тока с датчика входного сигнала напряжение на выходе устройства остается постоянным, так как опорное напряжение источника 18 сохраняется равным начальному выходному напряжению усилителя заряда. Поэтому благодаря нулевой разности потенциалов между клеммой 23 и мeтaлличecки п разделительными элементами 12,13 переключателя 3 ток во входной цепи усилителя заряда равен нулю, несмотря на конечную величину .сопротивления изоляции плат 8-11 переключателя 3 и сопротивления изоляции масштабных конденсаторов 14 (операционный усилитель 1, имеющий электрометрический входной каскад, можно принять идеаль ным) . С началом нагружения датчика вход ного сигнала под действием входного напряжения и Ueic вырабатываемый заряд Qn , поступающий на инвертирующий вход операционного усилителя 1, компенсируется зарядом рабочего масштабного конденсатора 14 с емкостью Сщ , так, что напряжение д Uebix сигнала на выходе устройства оказывается равным iUawx --Йсу/Си . При этом потенциал клеммы 23 и потенциал обкладок нерабочих масштабных конденсаторов 14 со стороны секции переключателя 3 с контактами 5,7 получают незначительное приращение Д UHI , не превышающее, например tO, 1 мВ при uUeHy 5 В. Возникшие приращения л Dm мгновенно передают ся через нерабочие масштабные конденсаторы 14 на соответствующие нерабочие контакты 4 изоляционной платы 8 переключателя 3. В результате этого на плате 8 между рабочим и нерабочими контактами 4 образуется несколько участков с индивидуальной разностью потенциалов Между металлическими разделительными элементами 12,13 и соответственно рабочим 4 и подвижным 6 контактами образуются участки с разностью пртен циалов -дИб, Малость указанных разностей потенциалов обуславливает относительнс небольшую скорость паразитного изменения выходного напряжения. По окончании процессов измерения и регистрации ключ 2 переводится в замкнутое состояние для разрядки масштабных конденсаторов 14 и осуществления очередной коррекции напряжения источника- 18. Предлагаемая схема (фиг.1) в сочетании с исполнением источника 18 опорного напряжения (фиг.2) обеспечивают автоматическое регулирование уровня опорного напряжения, увязанное с режимами работы ключа 2. Вслед за замыканием ключа 2 по команде блока 17 управления замыкается t ключ 28 и производится подключение запоминающего конденсатора 27 к выходу дифференциального усилителя 26. В итоге опорное напряжение источника 18 формируется в точности равным начальному выходному напряжению устройства. Непосредственно перед началом измерения блоком 17 управления осзтдествляется размыкание ключей 2,28 и отключение запоминающего конденсатора 27 от дифференциального усилителя 26. Предложенное устройство обеспечивает по сравнению с известными повьш1енную точность преобразования входного квазистатического заряда в вькодное напряжение. При реализац ии пятипредельного усилителя заряда и при выборе наименьшей емкости масштабного конденсатора 14, равной ЮООпф , погрешность преобразования составляет менее 1% для минутного интервала измерения.

L / J

8

w

КХ//Х/ ХХХХХХ/ХХХ/УХу|

/J . /

o-CZH-о

f6

24 I-о

25 с

си

20

22)

2t

18

0

и

1. МНОГОПРЕДЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ЗАРЯДА, содержащий операционный усилитель, между инвертирующим входом и выходом которого включен ключ и через контакты первой и второй секций галетного переключателя подсоединено Л- масштабных конденсаторов, блок управления, выход которого подключен к управляющему входу ключа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования входного квазистатического заряда в выходное напряжение, в него введены источник опорного напряжения и h потенциапозадающих резисторов с сопротивлениями в диапазоне от единиц до сотен кштоомов, а переключа-тель вьшолнен с металлическими разделительными элементами, вмонтированными между неподвижными и подвижными изоляционными платами разноименных секций, причем потенциальный вход источника опорного напряжения подключен к выходу операционного усилителя, синхронизирующий вход - к выходу блока управления, а выходной вывод соединен с клеммой для подключения одного из электродов датчика входного сигнала, экранирующей оплеткой соединительного кабеля между инвертирующим вхо-г дом операционного усилителя и клеммой для подключения другого электрода датчика входного сигнала, метеллическими разделительными элементами переключателя и через потенциале- с § задающие резисторы - с обкладками (О масштабных конденсаторов, расположенными со стороны второй секции переключателя. 2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что источник опорного напряжения выполнен в виде ячейки памяти с входным дифференциальным усилителем, запоминающим конденОд сатором, подключенным к выходу диффе О1 ренциального усилителя через ключ с синхронизирующим входом, и выход4 ным повторителем напряжения.