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

i 1(Л

№

Ла.1

поступает на вход усилителя 1 заряда, состоящего из электрометрического усилителя ., интегрирующего конденсатора 3 и разрядного ключа 4, а с его выхода - на выходной зажим 18, коммутатор 8 и дифференциатор 5. В режиме коррекции сигнал с усилителя 1 через коммутатор 8, АЦП 1А, ЦАП 15, генератор 13 линейно изменяющегося напряжения и конденсатор 11 создает ток коррекции. В режиме контроля

входного сопротивления утечки сигнал с выхода дифференциатора 5 через блок 6 слежения-хранения и усилитель 7 постоянного тока поступает на выход- ной зажим 19. Использованием системной шины 16, блока 10 управления и D-триггера 12 осуществляется выбор режима работы устройства. В описании приведен пример реализации блока 10.

А ил.

Изобретение относится к средствах преобразования малых токов и электрических зарядов, например к пьезоэлектрическим датчикам давления. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей преобразования за счет диагностики измерительной цепи. Она достигается путем введения дифференциатора 5, коммутатора 8 аналоговых сигналов, дифференцирующего конденсатора 11, программируемого источника 9 напряжения, аналого-цифрового 14 (АЦП) и цифроаналогового 15 (ЦАП) преобразователей. Измеряемый сигнал с входного зажима 17 поступает на вход усилителя 1 заряда, состоящего из электрометрического усилителя 2, интегрирующего конденсатора 3 и разрядного ключа 4, а с его выхода - на выходной зажим 18, коммутатор 8 и дифференциатор 5. В режиме коррекции сигнал с усилителя 1 через коммутатор 8, АЦП 14, ЦАП 15, генератор 13 линейно изменяющегося напряжения и конденсатор 11 создает ток коррекции. В режиме контроля входного сопротивления утечки сигнал с выхода дифференциатора 5, через блок 6 слежения хранения и усилитель 7 постоянного тока поступает на выходной зажим 19. Использованием системной шины 16, блока 10 управления и Д-триггера 12 осуществляется выбор режима работы устройства. В описании приведен пример реализации блока 10. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области измерения малых токов и электрических зарядов, и может быть использовано при усилении электричес- ких сигналов пьезоэлектрических датчиков давления при контроле квазистатических и переменных давлений.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет диагностики измерительной цепи.

На фиг.1 приведена функциональная схема электрометрического преобразователя заряда; на фиг.2 - функ- циональная схема блока управления , устройства; на фиг.З и 4 - временные диаграммы работы узлов и блоков преобразователя .

Электрометрический преобразовател заряда (фиг.1) содержит усилитель 1 заряда, в Kofopbai входят электрометрический усилитель 2, интегрирующий конденсатор 3 и разрядный ключ 4, дифференциатор 5, блок 6 слежения- хранения, усилитель постоянного тока, коммутатор В аналоговых сигналов , программируемый источник 9 напряжения, блок 10 управления, дифференцирующий конденсатор 11, В-триг гер 12, генератор 13 линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), аналого- цифровой преобразователь (АЦП) 14, цифроаналоговый преобразователь. (ЦАП) 15 и системную шину 16.

Инвертирукядий вход усилителя 1 заряда и первая обкладка дифференцирующего конденсатора 11 соединены с входным зажимом 17 электрометрического преобразователя заряда. Вьпсод усилителя 1 заряда, вход дифференциатора 5, первый вход коммутатора 8 аналоговых сигналов соединены с аналоговым И11ХОДНЫМ зажимом 18 преобразователя заряда. G аналоговым выходным зажимом 19 контроля параметров электрометрического преобразователя заряда соединены выход коммутатора

8аналоговых сигналов и информационный вход АЦП 14. Выход дифференциатора 5 соединен с входом блока 6 слежения-хранения, инвертирующим входом усилителя 7 постоянного тока и вторым входом коммутатора 8 аналоговых сигналов. Неинвертирукиций вход усилителя 1 заряда соединен с выходом программируемого источника 9 напряжения. Выход блока 6 слежения-хранения соединен с неинвертирующим входом усилителя 7 постоянного тока, выход которого соединен с третьим входом коммутатора 8 аналоговых сигналов. Первый выход блока 10 управления соединен с первым входом управления программируемого источника 9 напряжения, второй выход блока 10 управления соединен с вторым входом управления программируемого источника

9напряжения и третьим входом управления коммутатора 8 аналоговых сигналов. Третий выход блока 10 управлений соеди- 1нен с входом управления блока 6 слежения-хранения. Четвертый и пятый выходы блока 10 управления соединены соответственно с первым и вторьм входами управления коммутатора 8 аналоговых сигналов, Вход сброса усилитег ля 1 заряда и входы начальной установки в нуль ГЛИН 13 и D-триггера 12 соединены с шестым выходом блока 10 управления. Вход запуска АЦП 14 соединен с седьмым выходом блока 10 управления, выходы АЦП 14 поразрядно соединены с входами ЦАП 15 и с входами системной шины 16.

Выход Конец преобразования АЦП 14 соединен с тактовым входом D-Триг- гера 12 и с входом стробирования ши

ны 16. Информационный вход D-тригге- ра 12 соединен с источником логической единицы (не показан), прямой выход D-триггера 12 соединен с входом стробирования данных ЦАП 15. Выход ЦАП 15 соединен с входом управления ГЛИН 13. Блок 10 управления (фиг.2) содержит регистр 20, дешифратор 21 и элемент ИЛИ 22. Входы данных регистра 20 поразрядно соединены с информационными входами блока 10 управления, а вход тактирования регистра 20 соединен с первым входом синхронизации блока 10 управления. Выходы регистра 20 поразрядно соединены с входами дешифратора 21, первый и третий выходы дешифратора 21 соединены с входами элемента ИЛИ 22, его выход соединен с первым выходом блока 10 управления. Второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы дешифратора 21 соединены с одноименными выходами блока 10 управления, а второй вход синхронизации блока 10 управления сое динен с седьмым выходом блока 10 управления .

Устройство работает следующим образом.

После подачи питания на аналоговом выходном зажиме 18 устройства присутствует некоторьй уровень напря сения, отличный от нулевого, который обусловлен набросом заряда во время включения преобразователя. Режим коррекции осуществляется следующим образом. В течение первого такта (фиг. За, интервал времени tO с шестого выхода блока 10 управления поступает сигнал начальной установки, происходит сброс усилителя 1 заряда и обнуление ГЛИН 13 (фиг.Зг, д) выходное напряжение которого и скорост его изменения близки к нулю. При появлении сигнала синхронизации, на пятом выходе блока 10 управления появляется сигнал высокого уровня, который поступает на второй вход коммутатора 8 аналоговых сигналов, при этом выходное напряжение дифференциатора 5, поступающее на второй вход коммутатора 8, подается на вход АЦП 1А. В момент времени tj. на вход запуска АЦП 14 поступает сигнал высокого уровня (фиг.Зб). Происходит преобразование выходного напряжения дифференциатора 5 в цифровой код. После окончания преобразования на выходе Конец пре1 бразования А1Щ 14

в момент времени t появляется сигнал высокого уровня и ,4-р(фиг.Зв) . Этот сигнал поступает на вход тактирова ния D-триггера 12 и переводит его в состояние с высоким логическим уровнем на прямом вькоде. Выходной сигнал D-триггера 12 стробирует входные данные ЦАП 15, при этом выходной код АЦП 14 записьгоается в ЦАП 15, выходное напряжение которого скачкообразно увеличивается.

Логический уровень знакового разряда АЦП 14 определяется полярностью

5

0

0

5

0

5

0

5 выходного напряжения дифференциатора 5: логическая единица в знаковом разряде соответствует положительной полярности выходного напряжения дифференциатора 5 и отрицательному току смещения усилителя 1 заряда и, наоборот, логический нуль в знаковом разряде АЦП 14 соответствует отрицательной полярности выходного напряжения дифференциатора 5 и положительному току смещения усилителя 1 заряда. Полярность выходного йапряжения ЦАП

15определяется состоянием знакового разряда кода управления. В зависимости от полярности выходного напряжения ЦАП 15 изменяется полярность, выходного напряжения генератора 13 линейно изменяющегося напряжения: при положительном выходном напряжении ЦАП 14 выходное напряжение ГЛИН

13 имеет положительную полярность и линейно нарастает по модулю, при этом через конденсатор 11 протекает ток компенсации, равный по величине и обратный по знаку току смещения усилителя 1 заряда.

На аналоговый выходной зажим 19 контроля параметров электрометрического преобразователя заряда поступает напряжение, пропорциональное величине тока смещения усилителя 1 заряда и обратное ему По знаку. Обработка выходного кода АЦП 14, соответствующего току смещения и поступающего на системную шину 16, осуществляется при поступлении на шину

16сигнала высокого уровня U,.p конца преобразования АЦП 14. После съема данных внешним устройством с системной шины 16 блок 10 управления S мо

мент времени t формирует команду сброса в виде сигнала и,о-4(Фиг.За) . Так как выходное напряжение ЦАП 15 пропорционально величине входного тока смещения усилителя 1 заряда.

выходное напряжение последнего остается близким к нулевому уровню. Начиная с момента времени t ,т,е. после окончания импульса сброса, электро- , метрический преобразователь заряда переходит в режим измерения.

В момент времени t на вход преобразователя заряда поступает входной сигнал в виде электрического JQ заряда 0 (фиг.Зе). Выходное напряжеие и, усилителя 1 заряда пропорциоально уровню выходного сигнала (фиг. Зг). Длительность цикл а измерения опре- еляется длительностью рабочей стадии управляемого генератора 1 3 линейно изменяющегося напряжения,в частности,ди- намическим диапазоном его выходных напряжений, а также стабильностью уровня входного тока смещения усили- 20 теля 1 заряда и составляет 200-300 с то обеспечивает возможность квазистатической градуировки пьезоэлектрических датчиков давления.

Контроль величины входного сопро- 25 тивления утечки преобразователя заряда осуществляется при поступлении пяти команд с системной шины 16. При поступлении первой команды в течение интервала времени t ,- t2(фиг.4a) ЗО производится начальная установка электрометрического преобразователя заряда: сброс усилителя 1 заряда, установка в нуль D-триггера 12 и генератора 13 линр-йно изменяющегося напря- , женин. Затем поступает первая команда управления программируемым источником 9 напряжения (фиг. 4б). На, выходе источника 9 напряжения появляется эталонный уровень напряжения Q отрицательной полярности (фиг.Ад). Выходное напряжение усилителя 1 заряда, в момент поступления на его инвертирующий вход эталонного напряжения - Е , скачкообразно уменьшается д до уровня - Ер эталонного напряжения, а затем продолжает уменьшаться вследствие наличия сопротивления утечки входной цепи.

Как видно из формулы, выходное „ напряжение усилителя 1 заряда сначала скачкообразно увеличивается до уровня ЕО , а затем линейно нарастает по модулю, при этом емкость С,, практически не влияет на изменение выходного напряжения усилителя заряда.

В момент времени t (фиг.Аг) блок 10 управления формирует команду уп55

равления блоком 6 слежения-хранения, производится выборка выходного напряжения дифференциатора 5. В момент времени t (фиг.4ж) с второго выхода блока 19 управления поступает сигнал высокого уровня на второй вход управления программируемого источника 9 напряжения и на третий вход управления коммутатора 8 аналоговых сигналов. Полярность выходного напряжения источника 9 напряжения меняется на противоположную, выходное напряжение усилителя 1 заряда также изменяется на противоположное по знаку (фиг.Ад, ж). Так как управляющий сигнал поступает и на третий вход управления коммутатора 8, то выходное напряжение усилителя 7 постоянного тока поступает на информационный вход АЦП 14. Это напряжение равно разности ранее запомненного блоком 6 слежения-хранения выходного напряжения дифференциатора 5 и текущего выходного напряжения дифференциатора 5. В момент времени 1д(фиг.4е) с системной шины 16 поступает сигнал запуска АЦП 14; в момент времени tj АЦП 14 формирует сигнал конца преобразования (см. 14з), который поступает на CHcteMHyio шину 16 и на тактовый вход D-триггера 12,

Выходной код АЦП 14 считывается через системную шину 16 внешним (УСТРОЙСТВОМ и одновременно с появлением высокого уровня на прямом выходе D-триггера 12 он заносится в ЦАП 15. Это приводит к появлению управляющего сигнала на входе управления ГЛИН 13 и к протеканию тока через конденсатор 11, Однако протекание тока через конденсатор 11 и соответственно изменение выходного сигнала усилителя 1 заряда не изменяет результата преобразования АЩ11 т.е. не влияет на точность определения входного сопротивления утечки. Значение сопротивления утечки R вычисляется во внешнем специализированном устройстве, осуществляющем управление электрометрическим преобразователем заряда через системную mfKy 16 по формуле 2Ео-ТА

где Кр - эталонное напряжение. В;

Тд - постоянная времени дифферей- цирования дифференциатора 5,

Cj - емкость интегрирующего конденсатора 3, Ф;

) выходное напряжение дифференциатора 5 при поступлении на неинвертирующий вход усилителя 1 заряда эталонных напряжений отрицательной и положительной полярности, В (фиг.4ж).

Формула изобретения

Электрометрический преобразователь заряда, содержащий усилитель заряда, инвертируюпшй вход которого соединен с входным зажимом преобразователя заряда, усилитель постоянного тока, блок слежения-хранения, генератор линейно изменяющегося напряжения и D-триггер, информационный вход которого соединен с источником напряжения логической единицы, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет диагностики измерительной цепи, в него дополнительно Ьведены дифференциатор, програ№1ируе источник напряжения, коммутатор аналоговых сигналов, аналого- цифрово преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, дифференцирующий конденсатор и блок управления, информационные и тактовые входы которого соединены с соответствующими выходами системной шины, с выходньм зажимом преобразователя заряда соединены выход усилителя заряда, вход дифференциатора и первьй вход коммутатора аналоговых сигналов, выход дифференциатора соединен с входом блока слежения-хранения, инвертирующим входом усилителя постоянного тока и вторым входом коммутатора аналоговых сигналов, выход блока слежения-хранения соединен с неинвертирующим входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с третьим

10

15

0

5

0

5

0

5

входом коммутатора аналоговых сигналов, первый выход блока управления соединен с первым входом управления программируемого источника напряже ния, второй выход блока управления соединен с вторым входом управления программируемого источника напряжения и третьим входом управления коммутатора аналоговых сигналов, третий выход блока управления соединен с входом управления блока слежения-хранения, четвертый и пятый выходы блока управления соединены соответственно с первым и вторым входами управления коммутатора аналоговых сигналов, выход которого соединен с зажимом аналогового выхода контроля параметров электрометрического преобразователя заряда и с информационные входом аналого-цифрового преобразователя, выходы аналого-цифрового преобразователя поразрядно соединены с N входами системной шины и с соответствующими входами цифроанапогового преобразователя, выход которого соединен с входом управления генератора линейно изменяющегося напряжения, выход которого через дифференцирующий конденсатор соединен с инвертирующим входом электрометрического преобразователя заряда, выход программируемого источника напряжения соединен с неинвертирующим входом усилителя заряда, выход Конец преобразования аналого-цифрового преобразователя соединен с тактовым входом D-триггера и входом системной шины, вход сброса усилителя заряда и входы установки в О генератора линейно изменяющегося напряжения и D-триггера соединены с шестым выходом блока управления, вход запуска аналого- циф- рового преобразователя соединен с седьмым выходом блока управления, а вход стробирования цифроаналогового преобразователя соединен с прямым выходом D-триггера.

фиг. I

Фиг.

is ts