Электрометрический преобразователь заряда Советский патент 1988 года по МПК G01R19/00 

Ю

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам для измерения малых токов и преобразования электрических зарядов, и может быть использовано, напри мер, для усиления электрических сиг- налов с пьезоэлектрических датчиков давления при контроле квазистатичес- к;их и переменных давлений, : Цель изобретения - повышение точ- йости преобразования малых токов и Нарядов путем устранения влияния коммутационных выбросов при переходе устройства из режима коррекции тока смещения в режим измерения и организации многодиапазонной структуры измерения.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы работы его блоков. Устройство содержит электрометрический усилитель (ЭМУ) 1, N дополнительных интегрирующих конденсаторов 2 и N коммутирующих ключей 3, разряд- ньм ключ 4, токозадающий резистор 5, первый резистор 6, двухпозиционный - переключатель 7, .второй 8, третий 9, четвертьй 10 и пятый 11. резисторы, интегрирующий конденсатор 12, инвертирующий интегратор 13, дифференци- альньм усилитель 14, повторитель 15 напряжения, первый 16 и второй 17 : аналоговые ключи, одновибратор 18, формирователь 19 импульсов, запомина.5

10

15

20

25

30

подключены первый вывод ключа 17 и второй вывод резистора 8, К второму выводу ключа 17 подключены первый вы- вод резистора 11 и вход повторителя 15. Первая обкладка конденсатора 20 подключена к второму выводу резистора 11, вторая обкладка конденсатора 20 соединена с общей шиной. К второй обкладке дополнительного конденсатора 12 подключены второй вывод резистора 9, второй вывод ключа 16 и цервый вывод резистора 10. Второй вывод резистора 10 соединен с общей шиной. Вход запуска таймера 21 соединен с шиной 23 Запуск. К выходу таймера 21 подключены входы управления ключей 16 и 17, переключателя 7, вход формирователя 19 и первые входы элементов И 22.ВХОД одновибратора 18 соединен с выходом формирователя 19, к выходу одновибратора 18 подключен вход управления разрядного ключа 4. Входы управления коммутирующих ключей соединены с выходами элементов И 22, вторые входы которых соединены с шинами 24 управления выбором диапазона преобразования..

Устройство работает следующим образом.

При поступлении на шину 23 Запуск импульса низкого уровня (фиг.2а) по переходу из 1 в О запускается таймер 21, который формирует интервал времени коррекции злектрометричесющий конденсатор 20, таймер 21, Nэле- кого преобразователя заряда (фиг.2).1

ментов И 22, шину 23 Запуск устройства и шины 24 управления выбором диапазона преобразования. К инвертирующему входу ЭМУ 1 подключены первые обкладки конденсаторов 2 и 12, первьй вывод ключа 4, первьй вывод резистора 5 и вход устройства. К второму выводу резистора 5 подключены выход повторителя 15 и первьй вывод резистора 8. К выходу ЭМУ 1 через ключи 3 подключены вторые обкладки конденсаторов 2, второй вывод ключа 4, первьй вывод резистора 9, вход интегратора 13, неинвертирующий вход

40

45

По спаду выходного импульса таймера 21 в момент бремени t, срабатывает формирователь 19, запуская одновибратор 18, который формирует короткий импульс (сотни мс) для разряда интегрирующего конденсатора 2 .(фиг.25,-г) выбранного диапазона преобразования. Ключ 4 в течение этого времени замыкается, конденсатор 12 разряжается, т.е. происходит начальная установка выходного напряжения электрометрического усилителя 1 (фиг.2). Так как на вторые входы элементов И 22 поступает сигнал низкого уровня с выхода

усилителя 14, первый вывод ключа 16 и 50 таймера 21 в течение интервала време- t, т.е. в течение всего вревыход устройства. Выход интегратора 13 соединен с инвертирующим входом усилителя 14, к его выходу подключен общий контакт переключателя 7. Нормально замкнутьй контакт переключате- 5 ля 7 через резистор 6 соединен с общей шиной устройства. К нормально ра- аомкнутому контакту переключателя 7

ни t,

мени коррекции тока смещения преобразователя, то аналоговые ключи 3 ра- зомкнуты, а в обратную связь 1 включен конденсатор 12 первого диапазона преобразования, т.е. преобразователь имеет чувствительность, соответствующую чувствительности нижнего

подключены первый вывод ключа 17 и второй вывод резистора 8, К второму выводу ключа 17 подключены первый вы- вод резистора 11 и вход повторителя 15. Первая обкладка конденсатора 20 подключена к второму выводу резистора 11, вторая обкладка конденсатора 20 соединена с общей шиной. К второй обкладке дополнительного конденсатора 12 подключены второй вывод резистора 9, второй вывод ключа 16 и цервый вывод резистора 10. Второй вывод резистора 10 соединен с общей шиной. Вход запуска таймера 21 соединен с шиной 23 Запуск. К выходу таймера 21 подключены входы управления ключей 16 и 17, переключателя 7, вход формирователя 19 и первые входы элементов И 22.ВХОД одновибратора 18 соединен с выходом формирователя 19, к выходу одновибратора 18 подключен вход управления разрядного ключа 4. Входы управления коммутирующих ключей соединены с выходами элементов И 22, вторые входы которых соединены с шинами 24 управления выбором диапазона преобразования..

Устройство работает следующим образом.

При поступлении на шину 23 Запуск импульса низкого уровня (фиг.2а) по переходу из 1 в О запускается таймер 21, который формирует интервал времени коррекции злектрометрического преобразователя заряда (фиг.2).1

0

5

По спаду выходного импульса таймера 21 в момент бремени t, срабатывает формирователь 19, запуская одновибратор 18, который формирует короткий импульс (сотни мс) для разряда интегрирующего конденсатора 2 .(фиг.25,-г) выбранного диапазона преобразования. Ключ 4 в течение этого времени замыкается, конденсатор 12 разряжается, т.е. происходит начальная установка выходного напряжения электрометрического усилителя 1 (фиг.2). Так как на вторые входы элементов И 22 поступает сигнал низкого уровня с выхода

- t, т.е. в течение всего врени t,

мени коррекции тока смещения преобразователя, то аналоговые ключи 3 ра- зомкнуты, а в обратную связь 1 включен конденсатор 12 первого диапазона преобразования, т.е. преобразователь имеет чувствительность, соответствующую чувствительности нижнего

предела преобразования, увеличенной

р

1 + - раз, где R,,R,o- сопротив- RAO

9 10

ения резисторов 9 и 10. При этом нормально замкнутый ключ 16 находит ся в разомкнутом состоянии, ключ 17 и нормально разомкнутый контакт переключателя 7 замкнуты, так как для этих ключей и переключателя активным является низкий уровень,т.е. их срабатывание, происходит при подаче на вход управления сигнала О.После окончания импульса с выхода одновиб- ратора 18, длительность которого еньше длительности выходного импульса таймера 21, ключ 4 размыкается, а ключ 17 и нормально разомкнутый контакт переключателя 7 продолжают оставаться замкнутыми, так как выходной сигнал таймера 21 имеет низкий уровень. Выходное напряжение ЭМУ 1 в первый момент времени после размыкания ключа 4 не равно нулю, его величина и знак определяются переходными процессами в момент t размыка- ния ключа 4, т.е. в момент размыкания ключа 4 происходит наброс заряда в интегрирующий конденсатор 12 (фиг.2р Так как цепь коррекции тока смещений нуля замкнута, то в контуре коррекции, в которьм входят интегратор 13, дифференциальньш усилитель 14, резистор 11, конденсатор 20, повторитель 15 напряжения и резистор 5, возникает переходной процесс. Интегратор 13 совместно с дифференциальным усилителем 14 представляет собой пропорционально-интегральный регулятор, который на низких частотах ведет себя как интегратор, а на высоких - как линейньм усилитель. В течение ин- тервала времени tj - t процессы в контуре коррекции затухают, и уровень выходного напряжения ЭШ 1 определяется ошибкой статизма контура коррекции (фиг.2е,с, на которых отображены диаграммы выходных напряжений интегратора 13, и усилителя 14 соответственно) . В течение всего интервала коррекции t - tj нормально замкнутый аналоговьй ключ 16 разомкнут, что обеспечивает уменьшение ошибки R,

статизма в 1 + раз. В момент вре-К 5

мени tj выходное напряжение таймера 21 скачквобразно увеличивается и замыкается один из аналоговых ключей 3 и нормально з 1мкнутый аналоговьй

0

5

0

5

ключ 16, Величина емкости и гтггрирую- щего конденсатора, включенного в цепь обратной связи ЭМУ 1, равна сумме емкостей конденсатора 12 первого поддиапазона и конденсатора 2 старшего поддиапазона преобразования. Поэтому помеха, возникающая за счет наброса заряда при размыкании разрядного ключа 4, в сотни раз меньше аналогичной помехи, возникающей в момент времени t, ее вклад в приведенн то погрешность преобразования не превышает сотых долей процента. После размыкания контура коррекции, начиная с -мо- мента времени С выходное напряжение дифференциального усилителя 14 начинает увеличиваться (выброс напряжения в момент размыкания ключей). Однако это не приводит к снижению точности компенсации тока смещения, так как к этому моменту времени цепь коррекции уже разомкнута, сигнал коррекции хранится на конденсаторе 20. а напряжение и, нарастает относительно медленно по сравнению с временем коммутации ключей, т.е„ в момент ком1 гутации оно практически не изменяется. Ключ 17 размыкается, н переключатель 7 пе;ре- ходит в исходное состоя)5ие, через его ; нормально за 5кнутый контакт выход диф- ференциального усилителя 14 через лер- вый резистор 6 соединяется с оощей шиной устройства. При этом устраняется влияние выходного напряжения диф- 5 ференциального усилителя 14 на точность хранения заряда на конденсаторе 20, Выходное напряжение повторителя 15 через второй резистор 8 .поступает на первьй вывод аналогового к.юча 17. Так как коэффициент передачи повторителя напряжения 15 близок к единице, выводы аналогового ключа 17 имеют практически одинаковые потенциалы . Это позволяет уменьшить утечку заряда с запоминающего конденсатора 20, повысив точность компенсации тока смещения в рабочем режиме, т.е. благодаря резистору 8 вводится эквипотенциальная защита цепи хранения сигнала коррекции. После повторного размыкания ключа 4 электрометрический преобразователь готов к проведению измерений, т.е. переходит в рабочий режим .. В этом режиме ток смещения нуля ЭМУ 1 компенсируется током компенсацииу протекающим через токозадаю1д1ш резистор 5 с ошибкой, определяемой ста тизмом контура коррекции.

0

0

5

0

5

ормула

и

5

зоб

1420537

р е т е н и я

к де го то но ра ди ко дв но то ан ну то за хо ко то ро пя об пе гр вх а ро ве вх ан ме со хо од ра ра н м не п

Электрометрический преобразователь заряда,содержащий электрометрический усилитель, инвертирующий вход которого подключен к входу устройства, первой обкладке интегрирующего конденсатора и первым выводам разрядного ключа и токозадающего резистора, неинвертирующий вход - к общей шине устройства, а выход - к выходу устройств и второму выводу разрядного ключа, , дифференциальньй усилитель, три резистора, двухпозициоиньм переключатель, нормально разомкнутый контакт которого через второй резистор соединен с вторым выводом токозадающего резистора, запоминающий конденсатор, вторая обкладка которого подключена к общей шине,, и таймер , вход которого соединен с шиной Запуск устройства выход соединен с управляющим входом двухпозиционного переключателя, о т- лича ощийся тем, что, с целью повышения точности, в него введены инвертирующий интегратор, повторитель напряжения, два аналоговых ключа, четвертый и пятьй резисторы N дополнительных интегрирующих конденсатора f N коммутирующих ключей и Н элементов И, формирователь импульсов и одновибратор, причем к выходу электрометрического усилителя подключены вход интегратора, неинверти- рующий вход дифференциального усилителя первые вьшоды третьего резистора и первого аналогового ключа, вторые вьшоды третьего резистора и первого аналогового ключа подключены

5

0

5

0

5

0

к второй обкладке интегрирующего конденсатора и первому выводу четвертого резистора, второй вывод четвертого резистора соединен с общей шиной, выход инвертирующего интегратора соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, выход которого соединен с общим контактом двухпозиционного переключателя, к нормально разомкнутому контакту которого подключен первый вьшод второго аналогового ключа, а к нормально замкнутому контакту через первьш резистор - общая шина, второй вьюод токо- задающего резистора соединен с выходом повторителя напряжения9 к входу которого подключены первый вьшод пятого резистора и второй вьшод второго аналогового ключа, второй вьшод пятого резистора соединен с первой обкладкой запоминающего конденсатора, первые обкладки дополнительных интегрирующих конденсаторов соединены с входом электрометрического усилителя, а вторые обкладки - с выходом электрометрического усилителя через соответствующие коммутирующие ключи, входы управления первого и второго аналоговых ключей, первые входы элемента И и вход формирователя импуль сов подключены к выходу таймера, выход формирователя импульсов через одновибратор подключен к входу управления разрядного ключа, входы .управления коммутирующих ключей соединены с выходами соответствующих элементов И, вторые входы которых соединены с шинами управления выбора диапазона преобразования.

Фиг. г

Изобретение может быть использовано, например, для усиления электрических сигналов с пьезоэлектрических датчиков давления при контроле квазистатических и переменных давлений. Цель изобретения - повьшение точности преобразования малых токов и зарядов. Преобразователь содержит электрометрический усилитель 1, разрядный ключ 4, токозадающий резистор 5, интегрирующий конденсатор 12, дифференциальный усилитель 14, запоминающий конденсатор 20 и таймер 21. Введение дополнительных интегрирующих конденсаторов 2, коммутирующих ключей 3, резисторов 10 и 11, инвертирующего интегратора 13, повторителя 15 напряжения, аналоговых ключей 16 и 17, одновиб- ратора 18, формирователя 19 импульсов и N элементов И 22, устраняющий влияние коммутационных выбросов при переходе устройства из режима коррекции тока смещения в режим измерения и организации многодиапазонной структуры измерения. 2 ил. tc