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

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к области измерения малых токов и зарядов, и может быть использовано для преобразования.сигналов с пьезоэлектрических датчиков при контроле импульсных и квазистатических давлений.

Цель изобретения - повышение надежности устройства за счет обеспече- НИН защиты его входа от пробоя при перегрузках и расширение функциональ- йых возможностей за счет дополнитель- него представления результата преобразования в цифровой форме

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства; на фиг,2.- временг- Ныё диаграммы, поясняющие его работу,

Элек трометрический преобразователь заряда содержит усилитель заряда 1, включающий в себя электрометрический усилитель 2 и подключенные между его инвертируюощм входом и выходом параллельно соединенные интегрирующий кон

денсатор 3 и разрядный ключ 4, вертирующий вход усилителя 2 соединен с общей шиной, усилитель постоянного тока 5, инвертирующий эход которого, и выход усилителя 1 присоединены к аналоговому выходу устройства, а неинвертирующий вход подключен к общей шине, последовательно в слюченные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6 И цифроаналоговый преобразователь (ЦА11) 7, переключатель 8, одновибра- тор 9, таймер JO, генератор импульсов 11 с внешним запуском, два элемента Запрет 12 и 13, элемент ИЛИ 14, элемент И J5, нелинейный резистор 16 с симм етричной экспоненциальной вольт-амперной характеристикой, в ка гестве которого использованы эмиттерные переходы транзиторов 17 и 18, и резистивный делитель напряжения 19. Общий контакт переключателя 8 соединен с информационным входом преобразователя 6, а его нормально разомкнутый и нормально замкнутый контакты соединены соответственно с аналоговым выходом устройства и с выходом усилителя 5. Вход управления переключателя 8 соединен с клеммой Режим работы устройства, К клемме Сброс устройства подключен вход за« пуска одновибратора 9, ВБ1ход которо- го соединен с входом сброса усилите- ля 1 и с входом запуска таймера 10, К выходу таймера И) присоединены ин

5

5

0

0

5

0

5

0

версные входы элементов Запрет 12 и 13, первый вход элемента И 15 и вход управления генератора I1, Выход генератора Ли выход элемента Запрет 12 соединены с входами элемента ИЛИ 14, к выходу которого подключен вход С запуска преобразователя 6. Выходы АЦП 6 соединены с цифровой выходной шиной устройства. Выход элемента Запрет .13 и прямой вход первого. элемента Запрет i2 подключены соответственно к клеммам Готовность и Запуск аналого-цифрового преобразователя устройства,- К Выходу Р конца преобразования АЦП 6 подключены прямой вход элемента Запрет 13 и второй вход элемента И -15, к выходу которого присоединен вход С стро- бирования преобразователя 7. База транзистора 18 и эмиттер транзистора 17 соединены с входом устройства и входом усилителя i, а эмиттер транзистора 18 и база транзистора 17 через делитель напряжения 19 соединены с выходом ЦДЛ 7;

Устройство функционирует следующим образом.

После подачи питающих напряжений на выходе усилителя 1 заряда имеется некоторый уровень напряжения, которьй обусловлен набросом заояпа на конденсатор 3. В режиме коррекции на

-клемму .Режим работы поступает сигнал низкого уровня, в результате чего выход усилителя 5 постоянного тока через нормально замкнутый контакт переключателя 8 соединен с ин- формационнь1м входом АЦП 6, поэтому на его вход поступает усиленное выходное напряжение электрометрического усилителя 2, При поступлении сигнала ВЫСОКОГО уровня на клемму Сброс (фиг.2а, момент времени t) запускается одновибратор 9, Ключ 4 замыкается, и разряжает конденсатор 3, По заднему фронту выходного импульса одно- вибратора 9 запускается таймер 10, формирующий интервал времени t4- tij. (фиг,2б),.в течение которого осуществляется коррекция тока смещения ну- , ля усилителя 1, Единичный уровень выходного напряжения таймера 10 поступает на вход управления генератора 11, выходные импульсы которого через элемент ИЛИ 14 поступают на вход запуска С АЦП 6, Результат аналого-цифрового преобразования поступает на информационные входы ЦАП 7. Так как на

выходе таймера 10 - сигнал высокого уровня, при поступлении сигнала с выхода Р.конца преобразования АЦП 6 на второй вход элемента И 15 с выхода последнего снимается сигнал высокого уровня, который стробирует запись дан- 1ШХ с АЦП 6 на ЦАП 7. Выходное напря,жение ЦАП 7 поступает на вход делителя напряжения 19, выполненного, на- Q преобразователь заряда функциониру- пример, в виде последовательно вклю- ет в режиме измерения. При этом с . ченных резисторов. Выходное напряжение делителя 19 подается через парал;лельно и встречно включенные эмиттерС момента време}1и t генерация импульсов генератором JJ (фиг.2в) прекращается, и разрешается прохождение сигналов внешнего запуска АЦП 6, которые поступают на клемму Запуск аналого-цифрового преобразователя. После подачи сигнала 1 на клемму Режим работы, электрометрический

аналогового выхода устройства снимаются сигналы в виде .напряжения, а на цифровую выходную шину данных с ные переходы транзисторов 17 и 18 на 15 выхода АЦП 6 поступают цифровые ко- вход устройства. Эмиттерные переходы ды NX,пропорциойальные измеряемой ве- .

личине, В момент времени tj на вход устройства поступает сигнал в виде

транзисторов 17 и 18 выполняют функцию нелинейного высокоомного резистора. Таким образом, во входной цепи

заряда (фиг.2д),который преобразуетэлектрометрического усилителя 2 проте-20 напряжение (фиг.2е), снимаемое кает ток компенсации, величина кото- выхода усилителя 1 заряда. Так рого близка по величине току смещения электрометрический усилитель 2 нуля этого усилителя, а полярность - противоположна полярности тока смещеохвачен отрицательной обратной связью, то происходит инвертирование

кия, при этом в первый момент време- 25 знака измеряемой величины, при этом

ни после подачи сигнала сброса, выход-, ной сигнал усилителя 5 имеет максимальное значение и, вследствие нелинейного, характера сопротивления эмиткоэффицкент преобразования определяется величиной емкости конденсатора 3. В случае перегрузки электрометрического преобразователя заряда насыщатерных переходов транзисторов Пи 18, 30 ся выходной каскад. электрометрического усилителя 2 и нарушается отрицательная обратная сврзь, чт о приводит к возрастанию входного потенциала этого усилителя-. Однак о, за счет , того, что между входом усилителя 2 и общей шиной устройства последова тельно включены параллельно и встречно включенные эмиттерные переходы транзисторов 17.и 18 и низкоомное

во входной цепи усилителя 2 протекает ток компенсации, имеющий максимальное значение, что приводит к быстрому разряду конденсатора 3. Остаточньй входной ток усилителя 2 равен разности 35 его тока смещения нуля и тока компенсации и определяет токовую составляющую погрешности преобразования. Так

кого усилителя 2 и нарушается отрицательная обратная сврзь, чт о приводит к возрастанию входного потенциала этого усилителя-. Однак о, за счет , того, что между входом усилителя 2 и общей шиной устройства последова тельно включены параллельно и встречно включенные эмиттерные переходы транзисторов 17.и 18 и низкоомное

как коэффициент усиления усилителя 5

зна.чительно больше единицы (его вели- резистивного делителя напряжечина определяется условиями устойчи- 9, то напряжение между клеммой

вости контура коррекции тока смеще- Вход и общей шиной устройства не

ния), то, благодаря глубокой отрица-превысит единиц вольт, тем самым

тельной обратной .связи в цепи коррек- .обеспечивается надежная защита от .

ции, остаточный входной ток усилите- входного каскада электрометриля 2 значительно (в 10-JOO раз) мень-ческого усилителя 2. Таким образом, ще тока смещения. К концу интервала .

за счет наличия эффективной защиты входного каскада электрометрического усилителя повышается на,цежность электрометрического преобразователя заряда, .а за счет представления результата, измерения в аналоговой и цифровой формах расширяются функциональные возможн.ости устройства.

коррекции (фиг.2, момент времени t) выходное напряжение ЦАП 7 устанавливается на уровне, определяемом ошибкой статизма контура регулирования и его коэффициентом усиления. Переходные процессы в контуре регулирования к этому моменту времени затухают.Выходное напряжение таймера 10 прини- мают с момента времени tj нулевой логический уровень и подается на.ин- версные входы элементов Запрет J2 и 13 на вход запуска генератора 1 ,

преобразователь заряда функциониру- ет в режиме измерения. При этом с .

С момента време}1и t генерация импульсов генератором JJ (фиг.2в) прекращается, и разрешается прохождение сигналов внешнего запуска АЦП 6, которые поступают на клемму Запуск аналого-цифрового преобразователя. После подачи сигнала 1 на клемму Режим работы, электрометрический

заряда (фиг.2д),который преобразует напряжение (фиг.2е), снимаемое выхода усилителя 1 заряда. Так электрометрический усилитель 2

охвачен отрицательной обратной связью, то происходит инвертирование

коэффицкент преобразования определяется величиной емкости конденсатора 3. В случае перегрузки электрометрического преобразователя заряда насыща ся выходной каскад. электрометрического усилителя 2 и нарушается отрицательная обратная сврзь, чт о приводит к возрастанию входного потенциала этого усилителя-. Однак о, за счет , того, что между входом усилителя 2 и общей шиной устройства последова тельно включены параллельно и встречно включенные эмиттерные переходы транзисторов 17.и 18 и низкоомное

ческого усилителя 2. Таким образом,

0

5

за счет наличия эффективной защиты входного каскада электрометрического усилителя повышается на,цежность электрометрического преобразователя заряда, .а за счет представления результата, измерения в аналоговой и цифровой формах расширяются функциональные возможн.ости устройства.

Формула изобретения

1 . Электрометрический преобраз.о- ватель заряда, содержащий усилитель заряда, вход которого подключен к

входу устройства, усилитель постоян - ного тока, инвертирующий вход которого и выход усилителя заряда подключены к аналоговому выходу устройства, g неинвертирующий вход усилителя постоянного тока подключен к общей шине, и последовательно включенные аналого-цифровой и цифроаналоговый пре- образователи отличающий- 10 с я тем, что, с целью повышения надежности и расширения функциональных возможностей за .йчет дополнительного представления результата преобразования в цифровой форме, в него введены 15 переключатель, одновибратор, таймер, генератор импульсов с внешним запуском, два элемента ЗАПРЕТ, элементы И и ИЛИ и нелинейный резистор, причем общий контакт переключателя сое- 20 динен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, а его нормально разомкнутый и нормально замкнутьШ контакты, соединены соответственно с аналоговым выходом устройст- 25 на и с выходом усилителя постоянного тока, вход управления переключателя соединен с клеммой Режим работы устройства,к клемме Сброс устройства под30

ключенвход запуска одновибратора, выход которого соединен с входом запуска таймера и входом сброса усилителя заря- да, к выходу таймера присоединены ин- версные входы .элементов ЗАПРЕТ, первый вход элемента И и вход управ- 35 вольт-амперной характеристикой вклю- ления г енёратора импульсов с внешним чен резистивный делитель напряжения.

Cgoet

запуском, выход которого и выход первого элемента ЗАПРЕТ соединены с входами элемента ИЛИ, к выходу которого подключен вход запуска аналого-цифрового преобразователя, выходы которого поразрядно соединены с цифровой выходной шиной устройства, выход второго элемента ЗАПРЕТ и прямой вход первого элемента ЗАПРЕТ подключен соответственно к клеммам Готовность и Запуск аналого-цифрового преобразователя устройства, к выходу конца преобразования анало- го-цифровогд преобразователя подключены прямой вход второго элемента ЗАПРЕТ и второй вход элемента И, к выходу которого присоединен вход стробирования цифроаналогового преобразователя , выход которого через нелинейный резистор соединен с входом усилителя заряда.

2.Преобразователь заряда по п.З, отличающийся тем, что в качестве нелинейного резистора использованы встречно и параллельно включенные эмиттерные переходы двух транзисторов.

3.Преобразователь заряда по п,1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в разрыв СВЯ.ЗИ выхода цифро-аналогового преобразователя с нелинейным резистором с симметричной экспоненциальной

5 0 5

0

35 вольт-амперной характеристикой вклю- чен резистивный делитель напряжения.

запуском, выход которого и выход первого элемента ЗАПРЕТ соединены с входами элемента ИЛИ, к выходу которого подключен вход запуска аналого-цифрового преобразователя, выходы которого поразрядно соединены с цифровой выходной шиной устройства, выход второго элемента ЗАПРЕТ и прямой вход первого элемента ЗАПРЕТ подключен соответственно к клеммам Готовность и Запуск аналого-цифрового преобразователя устройства, к выходу конца преобразования анало- го-цифровогд преобразователя подключены прямой вход второго элемента ЗАПРЕТ и второй вход элемента И, к выходу которого присоединен вход стробирования цифроаналогового преобразователя , выход которого через нелинейный резистор соединен с входом усилителя заряда.

2.Преобразователь заряда по п.З, отличающийся тем, что в качестве нелинейного резистора использованы встречно и параллельно включенные эмиттерные переходы двух транзисторов.

3.Преобразователь заряда по п,1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в разрыв СВЯ.ЗИ выхода цифро-аналогового преобразователя с нелинейным резистором с симметричной экспоненциальной

Изобретение относится к технике измерения малых токов и зарядов и может быть использовано для преобразования сигналов с пьезоэлектрических датчиков при контроле импульсных и квазистатических давлений. Пель изобретения - повышение надежности устройства. Электрометрический преобраеихвв / зователь заряда содержит усилитель 1 заряда, состоящий из электрометрического усилителя 2, интегрирующего конт денсатора 3 и разрядного ключа 4, усилитель 5 постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь 6 и циф- роаналоговый преобразователь 7. Вве- дение переключателя 8 одновибратора 9, таймера. 10, генератора 11 импульсов с внешним запуском элементов 2и13 запрета, элемента ИЛИ 14, эЛемента И 15 и нелинейного резистора 16, в качестве которого могут быть .использованы встречно и параллельно включенные змиттерные переход транзисторов 17 и 18, обеспечивает защиту входа устройства от пробоя при перегрузках и делает возможным представить .- результат преобразования в цифровой форме. 2 з.п.ф-лы, 2 ил. . Рели eafpffrH Ш.. 1 с 00 с fut.t