Электрометрический преобразователь заряда Советский патент 1986 года по МПК G01R19/00 

Бведешием новых блоков и функциональных свя.зей между элементами и блоками устройства. Устройство содержит электрометрический усилитель 1, разрядный ключ 2, фиксаторы ниж.него 3 и верхнего 4 уровней сигнала, блок 5 управления 5 реверсивный регистр 6 сдвига, источник 7 опорного напряжения, аналоговые сумматоры 8 и 9, аналоговые ключи 10 и аналоговые пеИзобретение относится к области электроизмерительной техники, в частности к области измерения малых токов и преобразования электрических зарядов, например сигналов с пьезоэлектрических датчиков.

Цель изобретения - повышение точности преобразования.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устррйства, имеющего три поддиапазона измерений (N-3.); на фиг. 2- временные диаграммы его работы; на фиг. 3 - функциональная схема блока управления; на фиг. 4 - функциональная схема тактируемого D-триггера; на фиг 5 - передаточная характеристика устройства.

Устройство содержит электрометрический усилитель 1, разрядный ключ 2 фиксатор 3 нилшего уровня сигнала, фиксатор 4 верхнего уровня сигнала, блок 5 управления, реверсивный регистр 6 сдвига, источник 7 опорного напряжения, первый и второй аналоговые сумматоры 8 и 9, первьш и второй

аналоговые ключи 10 и 11, первый и второй аналоговые переключатели 12 и 13, аналоговый переключатель 14 N-ro поддиапазона, первый и второй тактируемые D-триггеры 15 и 16, первьш и второй масштабные конденсаторы 17 и

18,масштабный конденсатор 19 N-ro поддиапазона,

К входу усилителя 1, соединенного с входом устройства, подключены пер- вый информационный вывод ключа 2 и первые обкладки конденсаторов 17.19,вторые обкладки которых подключены соответственно к выходам сукматоров 8 и 9 и к выходу переключающего контакта Ы-го переключателя 14„ К выреключатели 12 и 13, аналоговый переключатель N-ro диапазона, тактируемые D-триггеры 15 и 16, масштабные конденсаторы 17 и 18 и масштабный кон денсатор 19 N-ro диапазона. Функциональные схемы блока управления, тактируемого D-триггера, а также временные диаграммы, поясняющие работу устройства, приводятся в описании изобретения. 5 ил5 1 табл.

ходу электрометрического усилителя 1 подключены выход устройства, первые входы фиксаторов 3 и 4 и вьшоды замыкающих контактов переключателей 12- 14. К выходу отрицательной полярности источника 7 опорного напряжения подключены первые информационные выводы ключей 10 и 11. Второй вход фиксатора 4 подключен к выходу положительной полярности источн-ика 7 опорного напряжения,, Выводы размыкающг-гх контактов переключателей 12 - 14, второй информаю;ионный вывод клю ja и второй вход фиксатора 3 нижнего уровня сигнала подключены к общей шине преобразователя. Бмход з фиксаторов 3 и 4 подключены ; соответственно к первому/ и второму информационным входам блока 5 управления, тактовый выход С которого подключен к тактовому входу С регистра 6 сдвига, а выход управления 15 соединен с инфор- ма1дионны:ми D - и управляющими V- входами D-триггеров 15 и 16 и входом V управления режимом работы регистра 6 сдвига. Вход управления разрядного ключа 2, входы R установки в ноль D -триггеров 15 и 16, вход установки в ноль блока 5 управления и вход 5 установки в единицу разряда регистра 6 сдвига подключены к шине 20 Сброс устройства. Вход блокировки V блока 5 управления соединен с выходом первого разряда регистра б сдвига. Выходы с первого по N-1 и N-ый выход регистра б сдвига соединены соответственно с тактовыми С входами D-триггеров 15 и 16 и с входами: управления переключателей 12 - 14. К первьш и вторым входам суммато ров 8 и 9 подключены соответственно

to

f5

20

вторые информационные выводы ключей 10 и, J1 и переключающие контакты переключателей 12 и 13. Входы управления аналоговых ключей 10 и 11 соединены с прямыми выходами D-триггеров 15 и 16.

Блок 5 управления (фиг. 3) содержит элементы НЕ 21 и 22, входы кото- рых являются первым и вторым входами блока, а выходы подключены к входам элемента И 23, элемент И 24, входы которого соединены с первым и вторым выходами блока, а выход подключен к одному из входов элемента ИЛИ 25, другой вход которого соединен с С- входом ждущего мультивибратора 26, V-вход мультивибратора 26 подключен к V-входу блока, а. выход - к С-входу блока, и триггер 27, R-вход которого соединен с выходом элемента И 23, D-вход - с общей шиной устройства, S-вход - с выходом элемента И 24, С- вход - с входом установки в ноль блока, а выход - с выходом управления D блока.

Тактируемый D-триггер (фиг. 4) содержит элементы НЕ 28 и 29, входы которых подключены соответственно к С- и V-входам триггера, а выходы - к перв ому входу элемента И-НЕ 30 и первому входу элемента И-НЕ 31, вторые входы элементов И-НЕ 30 и 31 соединены соответственно с V- и С-входами триггера, а выходы - с входами элемента И-НЕ 32, выход которого подключен к первым входам элементов Й-НЕ 3335 и 34, второй вход элемента И-НЕ 33 подключен к D-входу триггера, а выг ход - к второму входу элемента И-НЕ 34 и первому входу элемента И-НЕ 35, второй вход которого соединен с выходом элемента И-НЕ 36, а выход - с первым входом элемента И-НЕ 36 и выходом г иггера, второй вход элемента И-НЕ 36 подключен к выходу элемен25

30

40

сигналы логического О (фиг. 2. иО Реверсивный регистр 6 сдвига устана ливается в исходное состояние (фиг. 2 в). На его первом выходе им ется сигнал логической 1, а на ос тальных выходах - сигналы логическо О. Аналоговые ключи 10 и 11 разом кнуты. На второй вход сумматора 9 ч рез переключатель 13 поступает выхо ной сигнал электрометрического усил теля 1. На управляющем выходе D бло 5 управления имеется сигнал высоког уровня (фиг. 2 S ). На вторую обклад конденсатора 19 через размьжающий кон такт переключателя 14 поступают выходной сигнал электрометрического у лителя 1.Выходное напряжение аналог вых сумматоров 8 и 9 близко к нулев му уровню и определяется напряжениям смещения нуля (фиг. 2 и и к ) .

При поступлении входного сигнала на вход электрометрического усилителя 1 (фиг. 2Q ) начинает заряжаться входным током конденсатор 17 первого поддиапазона, так как потенциал его второй обкладки практически равен по тенциалу общей шины.устройства. По мере заряда масштабного конденсатора 17 увеличивается выходное напряжение электрометрического усилителя 1,интервал времени t - t (фиг. 2е ). Потенциалы вторых обкладок масштабных конденсаторов 18 и 19 равны по величине выходному сигналу электрометрического усилителя 1, поэтому заряд их не происходит. Если уровень входного сигнала достаточен для заряда масштабного конденсатора 17 до напряжения, превьшгающего порог срабатывания фиксатора 4 верхнего уровня сигнала, то при достижении порога срабатывания блок 5 управления формирует сигналы управления реверсивным регистром 6 сдвига. Блок 5 уп равления функционирует в соответстта И-НЕ 34, а третий вход - к К-входу вии с таблицей огических переходов.

триггера.

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент времени масштабные конденсаторы 17 - 19 разряже- ны и входной сигнал отсутствует (фиг. 2q). На выходах фиксаторов 3 и 4 нижнего и верхнего уровней сигнала - потенциалы низкого уровня. После подачи сигнала низкого уровня -(oгического О) на шину 20 Сброс D- тщргеры 15 и 16 переводятся в нулевое состояние, на их прямых выходах

to

f5

20

3525

30

40

сигналы логического О (фиг. 2. иО . Реверсивный регистр 6 сдвига устанавливается в исходное состояние (фиг. 2 в). На его первом выходе имеется сигнал логической 1, а на остальных выходах - сигналы логического О. Аналоговые ключи 10 и 11 разомкнуты. На второй вход сумматора 9 через переключатель 13 поступает выходной сигнал электрометрического усилителя 1. На управляющем выходе D блока 5 управления имеется сигнал высокого уровня (фиг. 2 S ). На вторую обкладку конденсатора 19 через размьжающий контакт переключателя 14 поступают выходной сигнал электрометрического усилителя 1.Выходное напряжение аналоговых сумматоров 8 и 9 близко к нулевому уровню и определяется напряжениями смещения нуля (фиг. 2 и и к ) .

При поступлении входного сигнала . на вход электрометрического усилителя 1 (фиг. 2Q ) начинает заряжаться входным током конденсатор 17 первого поддиапазона, так как потенциал его второй обкладки практически равен потенциалу общей шины.устройства. По мере заряда масштабного конденсатора 17 увеличивается выходное напряжение электрометрического усилителя 1,интервал времени t - t (фиг. 2е ). Потенциалы вторых обкладок масштабных конденсаторов 18 и 19 равны по величине выходному сигналу электрометрического усилителя 1, поэтому заряд их не происходит. Если уровень входного сигнала достаточен для заряда масштабного конденсатора 17 до напряжения, превьшгающего порог срабатывания фиксатора 4 верхнего уровня сигнала, то при достижении порога срабатывания блок 5 управления формирует сигналы управления реверсивным регистром 6 сдвига. Блок 5 управления функционирует в соответстримечание.

Д и & - сигналы фиксаторов 3 и 4 верхнего и нижнего уровней сигнала;

С и Э - выходные сигналы блока 5 управления.

Реверсивный регистр 6 сдвига вырабатывает сигнал высокого уровня на втором выходе - напряжение и,лфиг.2г на интервале времени t - t. По пе- реднему фронту этого сигнала происходит запись информации с выходов блока 5 управления в первый тактируемый D-триггер 15, потому что на входе управления V имеется высокий уровень напряжения (фиг. 2.). Так как в момент времени t2 на управляющем выходе блока 5 управления имеется высокий уровень напряжения, то запись информации в D-триггер 15 происходит по переднему фронту сигнала,, поступающего с второго выхода реверсивного регистра -6 сдвига. Триггер 15 переходит в состояние логической 1, на прямом выходе, напряжение U на Интервале времени t - t (фиг. ), 1при этом аналоговый ключ 10 замыкает- ся и напряжение с выхода отрицательной полярности источника. 7 опорного напряжения поступает на первьш вход аналогового сумматора 8, на второй его вход поступает выходное напряжение электрометрического усилителя 1. Диаграмма напряжений на второй обкладке масштабного конденсатора 17 приведена на фиг. 2и . Второе уравнение Кирхгофа для цепи заряда масштабного конденсатора 17 первого поддиапазона имеет вид

- и„„ + Ug,, о,

где Ug - входное напряжение электрометрического усилителя 11 и - напряжение на выводах конденсатора 17 первого поддиапазона;

не происходит также стекания заряда с конденсатора 17 во входную цепь преобразователя заряда. При работе на втором поддиапазоне происходит за ряд конденсатора 18, так как при пос туплении управляющего сигнала с второго въгхода реверсивного регистра 6 сдвига (напряжение u на интервале времени t tj) второй вход аналогового сумматора 9 через замыкающий контакт аналогового переключателя 1 подключается к общей шине (фиг. 2г) Это эквивалентно подключению второй обкладки конденсатора 18 второго поддиешазона к общей шине устройства При достижении выходным напряжением электрометрического усилителя 1. величины порога срабатывания фиксатор А верхнего уровня блок 5 управления реверсивным регистром 6 сдвига формирует сигналы управления, которые переводят тактируемый D-триггер 16 по переднему фронту импульса высоко уровня (фиг. 2д) в состояние логической/ на интервале времени (люч:11 замыкается и остается замкну тым до прихода команды .управления триггером 16, которая переведет его В состояние логического О (момент (времени t). Аналоговый переключател 113 переходит в исходное состояние и на второй вход аналогового сумматора 9 поступает выходной сигнал электро- метрк:ческого усилителя 1. Работа эле трометрического преобразователя заря да на последнем N-OM поддиапазоне (в данном случае N-3) происходит после поступления сигнала высокого уровня с N-ro (3-го) выхода реверсивного ре гистра 6 сдвига на вход управления

N-ro аналогового переключателя 14, (16)

и., - выходное напряжение источ- напряжение U , на интервале времени

оп

ника 7 опорного напряжения;

и - выходное напрязсение элект &ь

рометрического усилителя 1 .

Из уравнения следует, что сумма входного напряжения U электрометрического усилителя 1 и напряжения на масштабном конденсаторе 17 U. равна сумме выходного напряжения источника 7 опорного напряжения и„ и выходного напряжения Ug усилителя 1. При равенстве по модулю напряжений 55 на масштабном конденсаторе 17 U с и выходного, напряжения источника 7Utj разряда конденсатора не происходит,

t - t. Порог срабатывания фиксато- .ра 3 нижнего уровня равен потенциалу общей шины преобразователя заряда Поэтому при понижении уровня выходно го напряжения электрометрического усилителя 1 н:иже нулевого уровня (момент времени t4), т.е. при измене нии его полярности, происходит форми .рование управляющих сигналов блоком управления, по которым происходит ре версирование регистра 6 сдвига. Например, если происходит смена поддиапазонов с N на N-1, т.е. с третье го на второй (момент времени t), то переключатель 14 переходит в исходное состояние и на вторую обкладo 5 0 s -

5

не происходит также стекания заряда с конденсатора 17 во входную цепь преобразователя заряда. При работе на втором поддиапазоне происходит за ряд конденсатора 18, так как при поступлении управляющего сигнала с второго въгхода реверсивного регистра 6 сдвига (напряжение u на интервале времени t tj) второй вход аналогового сумматора 9 через замыкающий контакт аналогового переключателя 13 подключается к общей шине (фиг. 2г)., Это эквивалентно подключению второй обкладки конденсатора 18 второго поддиешазона к общей шине устройства. При достижении выходным напряжением электрометрического усилителя 1. величины порога срабатывания фиксатора А верхнего уровня блок 5 управления реверсивным регистром 6 сдвига формирует сигналы управления, которые переводят тактируемый D-триггер 16 по переднему фронту импульса высокого уровня (фиг. 2д) в состояние логической/ на интервале времени . (люч:11 замыкается и остается замкнутым до прихода команды .управления триггером 16, которая переведет его В состояние логического О (момент (времени t). Аналоговый переключатель 113 переходит в исходное состояние и на второй вход аналогового сумматора 9 поступает выходной сигнал электро- метрк:ческого усилителя 1. Работа электрометрического преобразователя заряда на последнем N-OM поддиапазоне (в данном случае N-3) происходит после поступления сигнала высокого уровня с N-ro (3-го) выхода реверсивного регистра 6 сдвига на вход управления

N-ro аналогового переключателя 14, (16)

напряжение U , на интервале времени

43

55

t - t. Порог срабатывания фиксато- .ра 3 нижнего уровня равен потенциалу общей шины преобразователя заряда. Поэтому при понижении уровня выходного напряжения электрометрического усилителя 1 н:иже нулевого уровня (момент времени t4), т.е. при изменении его полярности, происходит форми- .рование управляющих сигналов блоком 5 управления, по которым происходит реверсирование регистра 6 сдвига. Например, если происходит смена поддиапазонов с N на N-1, т.е. с третьего на второй (момент времени t), то переключатель 14 переходит в исходное состояние и на вторую обкладку масштабного конденсатора 19 поступает выходной сигнал электрометрического усилителя 1 (фиг. 2л), интервал t. Одновременно меняетвремени

t4 ся логическое состояние тактируемого D-триггера 16, он переходит в состояние логического О (фиг. 2ъ , момент времени Ц). Выходное напряжение преобразователя заряда скачкообразно

увеличивается до уровня Uц,, источника ю управления, второй информационный 7 опорного напряжения, а затем повторяет изменение напряжения на масштабном конденсаторе 18 до момента времени t , после которого преобразователь заряда функционирует на первом поддиапазоне. На интервале времени t.-t заряжается входным током масштабный конденсатор 17 первого поддиапазона.

вход которого соединен с выходом ф сатора верхнего уровня, вход блоки ровки - с выходом первого разряда версивного регистра сдвига, вход у J5 тановки в О - с шиной Сброс, тактовый выход - с тактовым входом реверсивного регистра сдвига, а вы управления - с входом управления р версивного регистра сдвига и с инф мационными и управляющими входами тактируемых D-триггеров, первый вх фиксатора верхнего уровня подключе к выходу электрометрического усили теля, второй вход - к выходу полож тельной полярности источника опорн го напряжения, выход отрицательной полярности которого соединен с пер выми информационными выводами анало говых ключей-, вторые информационные выводы которых соединены с первыми входами соответствуницих аналоговых сумматоров, выходы реверсивного регистра сдвига,кроме, N-ro, подключе к тактовым входам соответствующих тактируемых D-триггеров и к входам управления соответствующих аналого- вьпс переключателей, N-й выход ревер сивного регистра сдвига подключен к входу управления N-ro аналогового п реключателя, выводы замыкающих контактов аналоговых переключателей со динены с вькодом электрометрическог усилителя, выводы размыкающих конта тов - с общей шиной, переключаюпше контакты аналоговых переключателей, кроме М-го, соединены с вторыми вхо дами соответствующих аналоговых сум маторов, переключающий контакт N-ro аналогового переключателя соединен -с второй обкладкой N-го масштабного конденсатора, вторые обкладки остал ных масштабных конденсаторов подклю чены к выходам соответств тощих аналоговых сумматоров, первые обкладки масштабных конденсаторов подключены к входу преобразователя, входы упра ления аналоговых ключей соединены с вькодами соответствующих тактируемы D-триггеров, входы установки в О

-Выходное напряжение Ug преобразователя заряда так же, как и в момент времени t4, скачкообразно увеличивается в момент времени t, до уровня Uj, , а затем повторяет изменения входного сигнала. Аналогично устройство функционирует на интервале времени tjj - t,. Если устройство функционирует на первом поддиапазоне измерения, т.е. на выходе первого разряда реверсивного регистра 6 сдвига имеется уровень логической 1 и на выходах фиксаторов 3 и 4 уровня сигнала, имеются логические сигналы нулевого уровня (или происходит переход .в нулевое состояние), то сдвиг влево в реверсивном регистре 6 сдвига блокируется сигналом логической 1, поступающим на вход V блока 5 управления.

(Формула изобретения

Электрометрический преобразователь заряда, содержащий электрометрический усилитель, вход которого подключен к входу преобразователя и к первьм обкладкам первого и второго масштабных конденсаторов, а выход подключен к выходу преобразователя и к первому входу фиксатора нижнего уровня, первый аналоговый ключ, второй информационный вывод которого соединен с пер вым входом аналогового сумматора, выход которого подключен к второй об- .кладке первого масштабного конденсатора, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности преобразования, в него введены фиксатор верхнего уровня, блок управления,- ревер. ивный .регистр сдвига, источник

опорного напряжения N-2 масштабных коммутаторов, N-2 аналоговых сумматоров, N-2 аналоговых ключей, N-1 тактируемых D-тpиггepoBj N аналоговых переключателей, разр ядный ключ и шина Сброс, причем второй вход фиксатора нижнего уровня подключен к общей шине преобразователя, а выход - к первому информационному входу блока

ю управления, второй информационный

0

5

0

вход которого соединен с выходом фиксатора верхнего уровня, вход блокировки - с выходом первого разряда реверсивного регистра сдвига, вход ус- J5 тановки в О - с шиной Сброс, тактовый выход - с тактовым входом реверсивного регистра сдвига, а выход управления - с входом управления реверсивного регистра сдвига и с информационными и управляющими входами тактируемых D-триггеров, первый вход фиксатора верхнего уровня подключен к выходу электрометрического усилителя, второй вход - к выходу положительной полярности источника опорного напряжения, выход отрицательной полярности которого соединен с первыми информационными выводами аналоговых ключей-, вторые информационные выводы которых соединены с первыми входами соответствуницих аналоговых сумматоров, выходы реверсивного регистра сдвига,кроме, N-ro, подключены к тактовым входам соответствующих тактируемых D-триггеров и к входам управления соответствующих аналого- вьпс переключателей, N-й выход реверсивного регистра сдвига подключен к входу управления N-ro аналогового переключателя, выводы замыкающих контактов аналоговых переключателей соединены с вькодом электрометрического усилителя, выводы размыкающих контактов - с общей шиной, переключаюпше контакты аналоговых переключателей, кроме М-го, соединены с вторыми входами соответствующих аналоговых сумматоров, переключающий контакт N-ro аналогового переключателя соединен -с второй обкладкой N-го масштабного конденсатора, вторые обкладки остальных масштабных конденсаторов подключены к выходам соответств тощих аналоговых сумматоров, первые обкладки масштабных конденсаторов подключены к входу преобразователя, входы управления аналоговых ключей соединены с вькодами соответствующих тактируемых D-триггеров, входы установки в О

5

0

5

O

5

у123961010

которых , а также вход управле- га подключены к шине Сброс ния разрядного . ключа , вход ус- информационные вьшоды разрядного тановки в I первого разря- к.пюча подключены между входом и об- да реверсивного регистра сдви- чдей шиной преобразователя.

Q.(lMt)

titgtj

и t5 tstf tB §ttotii

Фт.1

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерению малых токов и преобразованию электрических зарядов, например сигналов с пьезоэлектрических датчиков. Цель изобретения - повышение точности преобразования достигается ISO СО со Од