Электрометрический преобразователь заряда Советский патент 1989 года по МПК G01R19/00 

4

СО СО

го

4

ts:)

Изобретение относится к электро- измеритш1ьной технике.

Цель изобретения - повышение точности преобразования за счет обеспечения возможности автоматического изменения границ поддиапазонов преобразования, расширение области использования за счет обеспечения режима ручного выбора коэффициента передачи и регистрации сигнала без дополнительной обработки.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - функциональная схема двухпорогового компаратора; на фиг. 3 - передаточные характеристики двухпорогового компаратора (а) и фиксатора уровня (б); на фиг. 4 - временные диаграммы работы преобразователя в ручном режиме (а), в режиме автоматического выбора поддиапазона преобразования и в режиме следящего аналого-цифрового преобразования входных сигналов (б); на фиг. 5 - эпюры входного и выходного сигналов преобразователя в режиме автоматического йыбора поддиапазона преобразования.

Преобразователь содержит электрометрический ус1титель (ЭМУ) 1, фиксатор 2 уровня, первый 3 и второй 4 конденсаторы, аналоговый ключ 5, пер- вьй 6 и второй 7 аналоговые переключатели, двухпороговый компаратор 8, первый источник 9 опорного напряжения, выполненный программируемым, второй исто шик 10 опорного напряжения, переключатель П диапазонов, шифратор 12, мультиппексор 13 логических сигналов, программируемый реверсивньм счетчик 14, цифроанало- говый преобразователь (ЦАП) 15, шину 16 управления и шину 17 данных. .Двухпороговьш компаратор 8 содержит первый 18 и второй 19 компараторы, выходы которых соединены с входами элемента ИЛИ 20, выход которого подключен к выходу компарат ора 8 через повторитель 21, имеющий третье состояние, Вход управления повторителя 21 соединен с входом стробирова- ния компаратора 8. Инвертирующий вход компаратора 18 и неинвертирующий вход компаратора 19 соединены с инвертирукндим входом компаратора 8. Инвертирующий вход компаратора 19 и неинвертирующий вход компаратора 18 через блок 22 компенсации напряжени

0

0

5

смещения соединены с неинвертирующим входом компаратора 8.

Инвертирующий вход усилителя подключен к входу устройства, первым обкладкам конденсаторов 3 и 4 и через ключ 5 к выходу усилителя 1. Переключающий контакт переключателя 6 соединен с второй обкладкой конденсатора 3, нормально разомкнутый контакт - с выходом усилителя 1, входом фиксатора 2, инвертирующим входом компаратора 8, нормально замкнутым контактом переключателя 7 и выходом преобразователя, нормально замкнутьй контакт - с второй обкладкой конденсатора 4 и выходом преобразователя 15. Нормально разомкнутый контакт пер еключателя 7 соединен с выходом источника 10, а переключающий контакт - с входом опорного напряжения преобразователя 15. Выход фиксатора 2 соединен с входом управления направлением счета счетчика 14 и соответствующим входом шины 17. Входы управления источника 9 и первая группа входов мультиплексора 13 подключены к соответствуницим выходам шины 17, вход управления ключом 5, вход стробирования компаратора 8, вход стробирования источника 9, входы упранпения переключателей 6 и 7, вход управления режимом мультиплексора 13, входы управления записью и режимом работы и вход сброса счетчика 14 подключены к соответствующим выходам шины 16. Выход источника 9 соединен с неинвертирующим входом компаратора 8, выход которого подключен к тактовому входу счетчика 14 и соответствуюцему входу шины 17. Выходы пере1слючателя 11 подклю- , чены к второй группе входов мультиплексора 13 через шифратор 12, выхое ды мультиплексора 13 соединены с входами предварительной установки счетчика 14 и соответствующими входами шинь 17. Выходы счетчика 14 поразрядно подключены к входам преобразователя 15 и соответствующим входам шины 17.

Преобразователь работает следующим образом.

После подачи питающих напряжений на выходе преобразователя имеется остаточное напряжение, обусловленное натеканием заряда на конденсатор 3 из-за переходных процессов в схеме во время включения.

0

5

0

0

5

В режиме ручного выбора предела измерения вторая обкладка конденсатора 3 через нормально замкнутый контакт переключателя 6 соединена с выходом ЦАП 15. На вход опорного напряжения ЦАП 15 поступает выходно напряжение ЭМУ 1 через нормально замкнутый контакт переключателя 7. Коэффициент передачи К ЦАП 15 по входу опорного напряжения равен п „ «К

У-ЧЛР

и

on

где выходное напряжение ЦАП 15. Шифратор 12 преобразует позиционный код, задаваемый переключателем 11, в двоичный код, который пйст упа- ет на вторую труппу входов мультиплексора 13, при высоком уровне на входе управления V режимом мультиплексора 13 этот двоичный код подается на входы предварительной установки D,, DJ,,

D счетчика 14.

После поступления в момент времени t сигнала Uy Сброс с шины 16 (фиг. 4а,а ), ключ 5 замыкается и остается замкнутым до момента времени t д. В момент времени t с сзины 16 поступает сигнал CL высокого уровня (фиг. 4а,в ), который переводит компаратор 8 в третье состояние. Этот сигнал имеет уровень логической единицы в течение всего времени измерения в ручном режиме. Запись выходного кода шифратора 12 в счетчик 14 производится при поступлении импульса высокого уровня (фиг. 4а, б ) на вход V управления режимом мультиплексора 13 в момент времени t. При этом на входах D , Dj ,.. ., D счетчика 14 появляется код, соответствующий Зыбранному пределу измерения. Запись этого кода в счетчик 14 производится в два такта. При поступлении импульса V высокого уровня (фиг. 4а,г ) в момент времени t на вход V счетчика 14 происходит запись входного кода в буферный регистр, а при поступлении

14 и преобразователя 15 заканчиваются переходные процессы, и ЦАП 15 обеспечивает заданньв коэффициент ослабления выходного напряжения ЭМУ 1 соответствуюпщй выбранному пределу измерения. Выходной код ьгультиплек- сора 13 в течение интервала времени t3 - t поступает на шину 17 и по переднему фронту импульса на входе V управления мультиплексора 13 переписывается во внешнее устройство управления, например в регистр данных микропроцессора, выполняющего функции контроллера системы. По заднему фронту импульса U в момент времени t формируется команда на обработку данных, т.е. выходного сигнала ЭМУ 1, С этого момента времен устройство находится Б режиме измерения. Входной сигнал в виде тока (электрический заряд, поступающий на вход преобразователя заряда также преобразуется в ток) поступает на вход элект- 25 рометрического усилителя 1. Благодаря большому коэффициенту усиления ЭМУ 1, практически весь входной ток протекает через параллельно включенные конден.саторы 3 и 4. Выходные напряжения ЭМУ Jg, определяете выря)хением

„

6Mж

. (Cj+ С)(|- + 1)

о

где Q в;( - величина входного заряда; Cj, С - величины емкостей конденсаторов 3 и 4; К о - коэффициент ослабления

ЦАП 15.

При функционировании на одном пределе измерения начальная установка выходного напряжения ЭЮ 1 производится перед каждым измерением. При этом сигнал высокого уровня подается на вход управления ютюча 5, а сигналы управления режимом работы счетчика повторно не формируются.

В режиме автоматическох о выбора поддиапазона преобразования преобра30

35

40

45

импульса V J высокого уровня (фиг.4а, 50 зователь функционирует следующим обд ) в момент времени t j происходит перезапись этого кода в триггеры счетчика 14. Применение буферного регистра позволяет осуществить смену предела измерения без нарушения режима измерения, т.е. смена предела измерения может быть произведена до момента окончания измерения. К моменту времени to в схемах счетчика

разом.

В начальный момент времени на вход управления ключа 5 поступает сигнал Uj (фиг. 46,а ) вь сокого 55 уровня, при котором ключ за мкается, и на выходе ЭМУ 1 устанавливается напряжение, близкое к нулевому уровню. Ключ 5 остается замкнутым в течение всего времени подготовки уст

0

14 и преобразователя 15 заканчиваются переходные процессы, и ЦАП 15 обеспечивает заданньв коэффициент ослабления выходного напряжения ЭМУ 1, соответствуюпщй выбранному пределу измерения. Выходной код ьгультиплек- сора 13 в течение интервала времени t3 - t поступает на шину 17 и по переднему фронту импульса на входе V управления мультиплексора 13 переписывается во внешнее устройство управления, например в регистр данных микропроцессора, выполняющего функции контроллера системы. По заднему фронту импульса U в момент времени t формируется команда на обработку данных, т.е. выходного сигнала ЭМУ 1, С этого момента времен устройство находится Б режиме измерения. Входной сигнал в виде тока (электрический заряд, поступающий на вход преобразователя заряда также преобразуется в ток) поступает на вход элект- 5 рометрического усилителя 1. Благодаря большому коэффициенту усиления ЭМУ 1, практически весь входной ток протекает через параллельно включенные конден.саторы 3 и 4. Выходные напряжения ЭМУ Jg, определяете выря)хением

„

6Mж

. (Cj+ С)(|- + 1)

о

где Q в;( - величина входного заряда; Cj, С - величины емкостей конденсаторов 3 и 4; К о - коэффициент ослабления

ЦАП 15.

При функционировании на одном пределе измерения начальная установка выходного напряжения ЭЮ 1 производится перед каждым измерением. При этом сигнал высокого уровня подается на вход управления ютюча 5, а сигналы управления режимом работы счетчика повторно не формируются.

В режиме автоматическох о выбора поддиапазона преобразования преобра0

5

0

5

разом.

В начальный момент времени на вход управления ключа 5 поступает сигнал Uj (фиг. 46,а ) вь сокого уровня, при котором ключ за мкается, и на выходе ЭМУ 1 устанавливается напряжение, близкое к нулевому уровню. Ключ 5 остается замкнутым в течение всего времени подготовки устройства к измерению. В момент времени tj с шины 16 на вход стробирова- ния данных CL программируемого источника 9 напряжения поступает сигнал CLg (фиг, 4б,б ) высокого уровня, по фронту которого код, соответ- ствугаций ширине поддиапазона преобразования, переписывается в регистр программируемого источника 9. Его выходное напряжение, которое определяет ширину поддиапазона преобразования, поступает на вход компаратора 8, Порог срабатывания U компаратора 8 определяет ширину поддиапазона. Введение гистерезиса в компараторы 18 и 19, входящие в состав двухпорогового компаратора 8, обеспечивает стабильную работу преобразователя при низких скоростях нарастания выходного напряжения ЭМУ 1. В момент времени t на вход стробиро- вания CL компаратора 8 поступает сигнал CLg (фиг. 46,в ) низкого уровня, кЬторый переводит повторитель 21 в рабочий режим на все время измерения при автоматическом выборе поддиапазона. В момент времени t сигнал (фиг. 46,г ) с шины 16 поступает на вход начальной установки счетчика 14, Происходит обнуление счетчи- ка 14. В момент времени t также на шине 16 формируются сигналы управления переключателями 6 и 7, которые имеют высокий уровень в течение всего времени измерения. При этом код, определянщцй длину поддиапазона, поступает с выходов шины 17 на входы первой группы мультиплексора 13. Так как уровень сигнала на входе V мультиплексора является низким, то входные сигналы транслируются на выход мультиплексора 13 и подаются на 1Ш- формационные входы. D,, ..., D счетчика 14. Сигнал записи кода, определяющего коэффициент деления счетчика 14, формируется по заднему фронту сигнала GLg и поступает на вход Р счетчика 14. При этом в регистр счет ,Чика 14 заносится код, определяющий коэффициент пересчета. При числе разрядов N число возможных длин поддиапазона также равно N. Длина каждого из поддиапазонов измерения.определяется отношением

и п - и 5

где и л-- величина предельного напряжения, соответствующего концу поддиапазона;

0

5

0

5

0

5

0

5

iO

5

К - число разрядов счетчика 16, участвующих в делении импульсов, поступающих на тактовый вход, К ,2,.,.N; Upji - величина выходного напряжения источника 10. 3 момент времени tj ключ 5 размыкается и преобразователь готов к проведению измерений с.автоматическим выбором поддиапазона преобразования.

При поступлении сигналов на вход ЭМУ 1 (фиг. 5а) в виде электрических зарядов Q gj выходное напряжение ЭМУ 1 увеличивается (интервал времени t .,- tj). При достижении выходным напряжением ЭМУ 1 порогового уровня, который равен выходному напряжению источника 9, на выходе компаратора 8 формируется перепад . логического сигнала, кот1орЬ(1Й по.ступает на тактовый вход С счетчика 14.;Так как выходное напряжение ЭМУ 1-превышает порог срабатывания фиксатора 2, то его выходное напряжение соответствует высокому уровню, который поступает на вход управления напряжением счета счетчика 14. При поступлении тактового импульса- содержимое счетчика 14 увеличивается на единицу, что соответствует первому поддиапазону преобразования. Выходное напряжение ЦАП 15 скачкообразно увеличивается на величину , причем знак этого напряжения противоположен знаку выходного напряжения ЭМУ 1. На вход усилителя 1 поступает ток компенсации

I С

ik t- dt

Так как выходное напряжение ЦАП 15 изменяется скачкообразно, то за счет компенсации заряда конденсатора 3 выходное напряжение ЭМУ 1 также изменяется скачком, в момент времени t оно уменьшается до нуля, а затем увеличивается, повторяя форму входного сигнала Q g (интервал времени t л- tj). Преобразователь функционирует на втором поддиапазоне измерения. При достижении выходным напряжением ЭМУ 1 порогового уровня ком- . паратора 8 в момент времени t происходит переход устройства на третий поддиапазон преобразования. Преобразование заряда на третьем поддиапазоне происходит в течение интервала времени t ,, - t. При уменьшении входиого сигнала с момента времени t выходное напряжение ЭМУ 1 начинает уменьшаться и при достижении нюхнег порогового уровня компаратора 8 происходит переключение его выхода в состояние высокого уровня. Так как при этом напряжение на входе фиксатора 2 меньше его порога срабатывания, то выходное напряжение фиксатора 2 соответствует уровню логического нуля. На входе управления направлением счета счетчика 14 также присутствует сигнал низкого уровня, и при Поступлении на тактовый вход счетчика 14 уровня логической .единицы содержимое счетчика уменьшается на единицу. Вьгходное напряжение преобразователя 15 в момент времени t уменьшается на величину Upn /2 , а заряд конденсатора 3 увеличивается на величину CjUon/2 , при этом суммарный заряд конденсатора 3 близок к нулю. Выходное напряжение ЭМУ 1 также близко к нулевому уровню. В течение интервала времени t - tf выходное напряжение ЭМУ 1 уменьшается, его форма соответствует форме входного сигнала электрометрический преобразователь заряда функционирует на втором поддиапазоне преобразования, В момент времени t.. происходит повторное срабатывание компаратора 8 и преобразователь заряда функционирует на первом поддиапазоне прербразования в течение интервала t - t . Перед проведением новых измерений в режиме автоматиче- ского выбора поддиапазона преобразования с шины 16 подаются сигнал управления ключом 5 и сигнал начальной установки счетчика 14,

В режиме следящего аналого-цифрового преобразования преобразователь работает следующим образом..

Сигналом высокого уровня с шины 16 нормально замкнутые контакты переключателей 6 и 7 размьпсаются, а нормально разомкнутые замыкаются. Вторая обкладка конденсатора 3 подключается к выходу ЭМУ 1. Выход источ- ника 10 подключается к входу опорного напряжения ЦА11 15.

В режиме следящего аналого-цифрового, преобразования возможны два вида формирования кода преобразованной величины. В случае внешней синхронизации после поступления команды управления юпючом 5 и команды на-.

чальной установки счетчика 14 на вход стробирования CL компаратора 8 подается сигнал логической единицы, и выход компаратора 8 переводится в третье состояние, а на тактовый вход счетчика 14 поступают сигналы синхронизации внешнего устройства управления. При этом фиксатор 2 выполняет

функцию компаратора знака выходного напряжения ЭМУ 1. Его выходное напряжение в режиме слежения изменяется в пределах зоны нечувствительности фиксатора 2. Выходное напряжение

ЦАП 15 является ступенчатой аппроксимацией преобразованного входного сигнала электрометрического преобразователя. Аппроксимация выполняется в виде приращений напряжения постоянной величины, так как компенсация заряда конденсатора 3 производится зарядами противоположного знака постоянной величины, равными

п - 2.г .- W В отсутствие внешней синхронизации тактовые сигналы счетчика 14 формируются компаратором 8, а направление счета определяется уровнем

логического сигнала на выходе фикса- тора 2. Выходное напряжение ЭМУ 1 изменяется в пределах, определяемых порогом срабатывания компаратора 8, который равен кванту напряжения приращения в режиме сле кер1ия. Величина кванта определяется значением кода, который выставляется на шине 17 и подается на входы программируемого источника 9. Минимальный уровень

квантования определяется величиной выходного напряжения источника 10 и числом N разрядов счетчика 14:

и --0- Кб

При появлении входного сигнала выходное напряжение ЭМУ 1 начинает возрастать и при достижении верхнего . порога срабатывания компаратора.8 на тактовом входе счетчика 14 формируется сигнал логической единицы, содержимое счетчика 14 увеличивается на единицу. Если дальнейшего нарастания входного сигнала нет, то выходное напряжение ЭМУ 1 не изменяется, а выходное напряжение ШШ 15 после скачкообразного увеличения на величину U pp/L, где L - десятичный эквивалент двоичного числа, которое выставлено на входных шинах источника 9

напряжения, также остается неизменным. При дальнейшем изменении входного сигнала, увеличении или уменьшении, соответственно изменяется выходное напряжение ЭМУ I, и при достижении им порога срабатывания фиксатора 2 на входе управления направлением счета счетчика 14 появляется сигнал логической единицы, что соответствует режиму сложения. При логическом нуле на входе управления направлением счета содержимое счетчика 14 уменьшается на единицу после каждого прихода тактового импульса на вход С. Таким обраэом, выходное напряжение ЦАП 15 является ступенчатой аппроксимацией входного сигнала. Двоичный код, соответствующий величине преобразуемого сигнала с выхода счетчика, поступает на М-входы ши- шы 17, с которой может быть считан внешним устройством.

Формула изобретения 25

Электрометрический преобразователь заряда, содержащий электрометрический усилитель, инвертирующий вход которого подключен к входу устройства, первым обкладкам первого и второго конденсаторов и первому выводу аналогового ключа, неинвертирующий вход - к общей шине устройства, а выход - к выходу устройства, второму выводу аналогового ключа, входу фиксатора уровня и инвертирующему входу двухпорогового компаратора, вход управления аналогового ключа и вход сброса реверсивного счетчика соединены с выходами шины управления, выход фиксатора уровня подключен к входу управления направлением счета реверсивного счетчика, тактовый вход которого соединен с выходом двухпорогового компаратора, а выходы поразрядно подключены к . .входам цифроаналогового преобразователя выход которого соединен с второй обкладкой BTOpofo конденсатора, первый и второй источники опорного напряжения, выход первого источника опорного напряжения подключен к неинвертирующему входу двухпорогового

o

5

0

5

0

5

0

5

0

компаратора, о т л и ч а ю щ и. и - с я тем, что, с целью повышения точности и расширения области использования устройства, введены первый и второй аналоговые перехшючате- ли, переключатель диапазонов, шифратор, мультиплексор, шина данных, двухпороговый компаратор снабжен входом стробирования, реверсивный счетчик и первый источник опорного напряжения выполнены программируемыми, причем вторая обкладка первого конденсатора соединена с переключающим контактом первого аналогового переключателя, нормально разомкнутый контакт которого соединен с нормально .замкнутым контактом второго аналогового переключателя и выходом электрометрического усилителя, а нормально замкнутьй контакт - с выходом цифроаналогового преобразователя, вход опорного напряжения которого подключен к переключающему контакту второго аналогового переключателя, нормально разомкнутый контакт которого соединен с выходом второго источника опорного напряжения, входы управления первого источника опорного напряжения и первая группа входов мультиплексора подключены к соответствующим выходам шины данных, выходы реверсивного счетчика подключены к соответствующим входам шины данных, вход стробирования двухпорогового компаратора и вход стробирования первого источника опорного напряжения, входы управления первого и второго аналоговых переключателей, вход управления режимом мультиплексора и входы управления записью и режимом работы реверсивного счетчика подключены к соответствующим выходам шины управления, выход фиксатора уровня и выход двухпорогового компаратора соединены с соответст- вуияцими, входами шины данных, выходы мультиплексора соединены с входами предварительной установки реверсивного счетчика и с соответствукщими входами шины данных, выходы переключателей диапазона через шифратор соединены с второй группой входов мультиплексора.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и позволяет повысить точность преобразования. Устройство содержит электрометрический усилитель 1, фиксатор 2 уровня, конденсаторы 3 и 4, аналоговый ключ 5, источники 9 и 10 опорного напряжения, программируемый реверсивный счетчик 14 и цифроаналоговый преобразователь 15. Введение аналоговых переключателей 6 и 7, двухпорогового компаратора 8, переключателя 11 диапазонов, шифратора 12 и выполнение источника 9 опорного напряжения программируемым обеспечивают возможность автоматического изменения границ преддиапазонов преобразования и ручной выбор коэффициента передачи и регистрации сигнала без дополнительной обработки. 5 ил.

CPU г. г

фиг.