Преобразователь параметров емкостных датчиков во временной интервал и напряжение Советский патент 1989 года по МПК G01R27/26 

,-- Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения параметров электрических цепей,

Целью изобретения является увеличение быстродействия и расширение функциональных возможностей.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого преобразова- теля; на фиг. 2 - генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН); на фиг. 3 - эпюры временных диаграмм преобразователя; на фиг. 4 - временные диаграммы напряжения на выходе интег- ратора.

Устройство содержит генератор 1 линейно изменяющегося напряжения, ключ 2, измеряемый емкостной датчик 3 (С), образцовый конденсатор 4. (Ср), усилитель 5 сигнала неравновесия, синхронный 6, интегратор 7, логический элемент 2И 8, компаратор 9.

ГЛИН 1 содержит генератор 10 пря- моугольного сигнала, источник 11 опорного напряжения, дешифратор 12, реверсивный счетчик 13, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, RS-триггер 15, фильтр 16 нижних частот, аналого- вый инвертор 17,

Устройство работает следующим образом.

ГЛИН 1 (фиг.2) представляет собой

цифровой генератор, генерирующий сиг- изменяющегося нал треугольной формы, частота и амплитуда которого стабильны. Реверсивный счетчик 13 переключается с частотой генератора 19 прямоугольных сигналов, частота которого стабилизирована Q кварцевым резонатором. Когда состояние реверсивного счетчика 13 достигает своего максимального значения, на втором выходе дешифратора 12 появляного счетчика 13, переключив режим его работы на счет в плюс . Таким образом весь процесс периодически повторяется. Выходы счетчика 13 и входы дешифратора 12 соединены с соответствующими им входами управления ЦАП 14. На аналоговый вход ЦАП 14 подается стабилизированное постоянное напряжение с источника 11 опорного напряжения. На выходе ЦАП 14, вследствие переключения реверсивного счетчика 13, формируется ступенчато изменяющийся по треугольному закону сигнал. Для фильтрации ступенек предназначен фильтр 16 нижних частот, на выходе которого получается линейно изменяющийся треугольный сигнал. Выход фильт ра 16 нижних частот является прямым выходом ГЛИН 1. Для получения инвертированного сигнала служит аналоговый инвертор 17 с коэффициентом передачи - 1 , вход которого соединен с выходом фильтра 16 нижних частот. Выход аналогового инвертора 17 является инверсным выходом ГЛИН 1, а выходом управления ПШН 1 является выход RS-триггера 15. Выходное напряжение треугольной формы с прямого выхода ГЛИН 1 (фиг.3.1) и инверсного выхода ГЛИН 1 (фиг.3.2) через замкнутые контакты ключа 2 прикладываются к измеряемому 3 и образцовому 4 конденсаторам. При достижении линейно напряжения на прямом выходе ГЛИН 1 выходного напряжения интегратора 7, которое является выходным напряжением устройства (фиг.3.1), срабатывает компаратор 9, Выходной сигнал компаратора 9

(фиг.3.4) размыкает ключ 2, формируя на образцовом конденсаторе 4 напряжение трапецеидальной формы (фкг.З.З). В. момент размь:кания ключа 2 ток через

ется сигнал. который устанавлква- д образцовый конденсатор 3 не протекает на выходе RS-триггера 15 состояние 1. Выходной сигнал 1 с выхода RS-триггера 15 поступает на вход управления направлением счета реверсивного счетчика 13, после чего ревер- .сивный счетчик 13 начинает работать в режиме вычитания. При достижении нулевых состояний во всех разрядах реверсивного счетчика 13 на первом выходе дешифратора 12 появляется сигнал 1, который устанавливает на выходе RS- триггера 15 состояние О. Выходной сигнал и с выхода RS-триггера 15 изменяет направление счета реверсивет. Поэтому на вход усилителя 5 (в момент размыкания ключа 2) .подается ток, протекаю1 щй только через измеряе мый конденсатор 3. При уменьшении линейно изменяющегося напряжения на прямом выходе ГЛИН 1 меньше порога срабатывания компаратора 9 вновь замы кается ключ 2, и на вход усилителя 5 подается ток, протекающий через измеряемый 3 и образцовый 4 конденсаторы. Выходное напряжение усилителя 5 показано на фиг. 3.6. Для нормальной работы преобразователя должно выполняться условие

изменяющегося

ного счетчика 13, переключив режим его работы на счет в плюс . Таким образом весь процесс периодически повторяется. Выходы счетчика 13 и входы дешифратора 12 соединены с соответствующими им входами управления ЦАП 14. На аналоговый вход ЦАП 14 подается стабилизированное постоянное напряжение с источника 11 опорного напряжения. На выходе ЦАП 14, вследствие переключения реверсивного счетчика 13, формируется ступенчато изменяющийся по треугольному закону сигнал. Для фильтрации ступенек предназначен фильтр 16 нижних частот, на выходе которого получается линейно изменяющийся треугольный сигнал. Выход фильра 16 нижних частот является прямым выходом ГЛИН 1. Для получения инвертированного сигнала служит аналоговый инвертор 17 с коэффициентом передачи - 1 , вход которого соединен с выходом фильтра 16 нижних частот. Выход аналогового инвертора 17 является инверсным выходом ГЛИН 1, а выходом управления ПШН 1 является выход RS-триггера 15. Выходное напряжение треугольной формы с прямого выхода ГЛИН 1 (фиг.3.1) и инверсного выхода ГЛИН 1 (фиг.3.2) через замкнутые контакты ключа 2 прикладываются к измеряемому 3 и образцовому 4 конденсаторам. При достижении линейно напряжения на прямом выходе ГЛИН 1 выходного напряжения интегратора 7, которое является выходным напряжением устройства (фиг.3.1), срабатывает компаратор 9, Выходной сигнал компаратора 9

(фиг.3.4) размыкает ключ 2, формируя на образцовом конденсаторе 4 напряжение трапецеидальной формы (фкг.З.З). В. момент размь:кания ключа 2 ток чере

образцовый конденсатор 3 не протекает. Поэтому на вход усилителя 5 (в момент размыкания ключа 2) .подается ток, протекаю1 щй только через измеряемый конденсатор 3. При уменьшении линейно изменяющегося напряжения на прямом выходе ГЛИН 1 меньше порога срабатывания компаратора 9 вновь замыкается ключ 2, и на вход усилителя 5 подается ток, протекающий через измеряемый 3 и образцовый 4 конденсаторы. Выходное напряжение усилителя 5 показано на фиг. 3.6. Для нормальной работы преобразователя должно выполняться условие

с

о т.к.

Твь,

.

где

и и

С. L6bl1C

т -

вых

и

on

емкость измеряемого конденсатора 3i5 емкость, образцового конденсатора 4;

выходной временной интервал; половина периода выходного сигнала ГЛИН 1;Ю

выходное напряжение преобразователя;

значение опорного напряжения .

Синхронный детектор 6 пр.едставляет 5 собой дифференцирующий усилитель. ифференцирование выходного сигнала усилителя 5 производится детектором 6 синхронно выходному сигналу управения ГЛИН 1. Выходной сигнал управения ГЛИН 1 представлен на фиг.3.3 и 4.1. Выходной сигнал синхронного етектора 6(фиг. 3.7 и 4.2) подается на вход интегратора 7. Выходное напряжение интегратора.7 (при условии, что измерительная цепь уравновешена) по оконча:нии интервала времени Тд, равна нулю. Выходное напряжение интегратора 7 изображено на фиг. 4.7. Если, реобразователь уравновешен, то в.ыпол-30 нено соотношение

20

25

- 1л Т

вык

О,

(1)

dU

де

с, «

on dt

on

ток, протекающий через измеряемый датчик 3 (С);

JUon . . -j-- - ТОК, протекающий

dt

Выражение видуdUondt on

(1)

через образцовый конденсатор 4 (С,) может быть приведено

dU

Сх

Т.

on

dt

on

tv

(2)

Но так как скорости изменения выходных сигналов на прямом и инверсном выходе ГЛИН 1 равны, то выражение (2) примет вид

(3)

.-f.

; г т

й - &ЫХ.

Из выражения (3) может быть, определен выходной временной интервал С,

гг

г о

Ьп .

(4)

5са1525619,

бильна за счет применения источника 11 опорного напряжения. Скорость изменения выходных напряжений треугольной формы ГЛИН 1 такова, что за стабильный интервал -времени Т выходное напряжение ГЩП 1 на инверсном

5 30

0

5

выходе достигнет .значения U , а на прямом выходе +U . Выходное напряжение интегратора 7 (которое является выходным наггряжением устройства) равно по модулю напряжению на образцовом конденсатор.е 4 (фиг.3.5) в момент ра змыкания ключа 2, т.е. выходное напряжение ГЛИН 1 достигает выходного напряжения преобразователя временной интервал Тд(фиг 13.1 и 3.8).

Из сказанного следует dUo

и.

dt

оо dU,

ол

.1

вых dt

и

on

был

(5)

(6)

и (6) в выс,и,

on

35 I

Подставив,- значения (5) ражениё (2), получаем

- г I «

- о1 еы):«

с ;

вых р on

где Ugn - амплитуда выходных сигналов треугольной формы ГЛИН 1..

Определим вьЬсодное напряжение синхронного детектора б в момент време40

14 -6

45

где

,

Kl450

55

постоянная времени синхронного детектора 6; коэффициент передачи усилителя 5, равный единице, деленной на емкость конденсатора обратной связи усилителя 5 (усилитель 5 представляет собой инвертирующий усилитель на ОУ и конденсаторах Cjj и Cj, в прямой цепи, а в цепи отрицательной обратной связи С.,„), поэтому

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров емкостных датчиков во временной интервал и напряжение. Цель - увеличение быстродействия и расширение функциональных возможносте-достигается введением в преобразователь генератора 1 линейно изменяющегося напряжения и логического элемента 2 И 8. Преобразователь содержит также ключ 2, измеряемый емкостной датчик 3, образцовый конденсатор 4, усилитель 5 сигнала неравновесия, синхронный детектор 6, интегратор 7, компаратор 9. 4 ил.

i Амплитуда выходных напряжений на прямом и инверсном :выходе ГЛИН 1 ста44.-1 Свое

При а 0,8 устройство уравновешивается за четыре периода сигнала ПЩН 1 с точностью 0,13% и при частоте выходных сигналов ГЖН 1 fon 2510 Гц время уравновешивания равно 0,2 мс с точностью «О,1%J-так как основной выходной величиной является временной интервал, то время выборки информации об измеряемой ве- личине сокращено по сравнению с прототипом до величины половины периода выходного сигнала ГЛИН 1 (а - коэффициент передачи по цепи обратной связи).

Достоинством изобретения по сравнению с прототипом является увеличение быстродействия, что ведет к снижению динамической погрешности иэме- рительной системы, а также расширение функциональных возможностей за с.чет наличия двух выходных сигналов - временного интервала и постоянного напряжения.

Формула изо бретения

Преобразователь параметров емкостных датчиков во временной интервал и напряжение, содержащий ключ, второй вывод, которого соединен с первым выводом образцового конденсатора, зажимы для подключения измеряемого емкостного датчика, усилитель сигнала неравновесия, вход которого соединен с вторым выводом образцового конденсатора и с одним из зажимов, для подкл ю- чения измеряемого емкостного .датчика, выход усилителя неравновесия соединен с одним из входов синхронного детектора, выход которого соединен с входом интегратора, а. выход последнего соединен с одним их входов компаратора, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия и расширение функциональных возможностей, в него введены генератор линейно изменяющегося напряжения, логический элемент -2И, причем прямой выход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с другим з.ажимом для подключения измеряемого емкостного датчика и входом компаратора, а инверсньй выход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с первым выводом ключа, первый вход логического элемента 2И .соединен с выходом управления генератора линей- |Н.р изменяющегося напряжения и входом управления синхронного детектора, BTO рой вход логического элемента 2И соединен с выходом компаратора и входом управления ключа, выход логического элемента 2И является первым выходом устройства, а выход интегратора является вторым выходом устройства.

S.8

Фаа