Преобразователь емкости в частоту Советский патент 1989 года по МПК G01R27/26 

V

tin

ШигЗ

Изобретение относится к измеритель ной технике, в частности к устройствам для измерения параметров электрических цепей.g

Целью изобретения является повышение точности преобразования за счет уравновешивания мгновенных значений токов, протекающих через образцовый и измеряемый конденсаторы. 10

На фиг.I приведена структурная схема .устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит источник 1 опорных напряжений, аналоговый ин- 15 вертор 2, электронные переключатели 3 и 4, генератор 5 треугольного напряжения, компаратор 6, интегратор 7, измеряемый 8 и образцовый 9 конденсаторы, усилитель 10 сигнала нерав- 20 новесия, логический блок II, синхрон-- ный детектор 12.

Выходы источника 1 соединены с входами генератора 5 и через лере- клгочатель 3-е первым входом компа- 25 ратора 6, первые выводы конденсаторов 8 и 9 соединены между собой и с входом усилителя 10, выходы которого соединены с сигнальными входами синх-, ронного детектора 12, выход которого 0 соединен с первым входом переключателя 4 и, через аналоговый инвертор 2 с его вторым входом, выход переключателя 4 соединен с входом интегратора 7, выход которого соединен с вторым входом компаратора 6 и вторым выводом конденсатора 9, второй вывод конденсатора 8 соединен с аналоговым выходом генератора 5, управляющий вы- ход которого соединен с первым вхо- дом логического блока 11, второй вход которого соединен с выходом компаратора 6 и управляющими входами переключателей 3 и 4, первый и второй выходы логического блока 11 соединены 5 соответственно с первым и вторым управляющими входами синхронного детектора 12.

35

Логический -блок 11 содержит логи

ческие элементы И 13, ИЛИ-НЕ I4, ИЛИ 15,16 и триггеры 17,18, причем . первый вход элемента И 13 соединен с первым входом элемента ИЛИ-НЕ 14, с входом триггера 1-7 и является пер-, вым входом логического блока I1, второй вход элемента И 13 соединен с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ 3 4 и является вторым входом логического

5 0

5 0 5

5

0

блока 1, выход элемента И 13 соединен с первым входом элемента ИЛИ 15 и является вторым выходом логического .блока 11, выход элемента ИЛИ-НЕ 14 соединен с вторыми входами элементов ИЛИ 15 и 16, выход элемента ИЛИ 16 является первым выходом логического блока 11, выход элемента ИЛИ 15 соединен с входами R триггеров 17 и 18, выход триггера 17 соединен с входом Т триггера 18, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 16.

Синхронный детектор 12 содержит конденсаторы 19,20, переключатели 21, 22, конденсатор 23, усилитель 24, причем управляющие входы переключателей 21 и 22 являются соответствен но первым и вторым управляющими входами синхронного детектора 12, первые выходы переключателей 21 и 22 соединены между собой, с инвертирующим входом усилителя 24 и с первым выводом конденсатора 23, второй вывод которого соединен с выходом усилителя 24 и является выходом синхронного детектора 12, входы переключателей 21 и 22 соединены с входами синхронного детектора 12 через конденсаторы 20 и 19.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 5 Лормирует на своем информационном выходе сигнал треуголь- ной формы со стабильной частотой и амплитудой, равной ±Uon , где f Цол выходное напряжение источника 1 (см. фиг.2.1). Аналоговый инвертор 2, переключатели 3 и 4, компаратор 6 и интегратор 7 представляют собой преобразователь напряжение-частота (ПНЧ). На выходе интегратора 7 формируется треугольное напряжение (см. фиг.2,2) с амплитудой fUon , размах которого стабильно поддерживается в пределах данного значения компаратором 6. При возрастании напряжения на выходе интегратора 7 до значения +Uon срабатывает компаратор 6, на первый вход которого подается +Uon , через переключатель 3 от источника 1, а на второй вход - выходной сигнал интегратора 7. Выходной сигнал компаратора 6 управляет работой переключателя 3 и 4, следовательно, напряжение на первом входе компаратора 6 становится равным -Uon ,так как теперь первый вход компаратора 6 через переключатель 3 подключен к выходу

5

-Uon источника 1. Одновременно с переключением переключателя 3 переключается и переключатель 4, вследствие чего знак напряжения, приложенного к входу интегратора 7 -U0x меняется на противоположный +Ugx 31, счет применения аналогового инвертора 2. Выходной сигнал интегратора 7 меняет направление интегрирования и при достижении на его выходе напряжения, равного -1ТОП , опять срабатывает компаратор 6, переключатели 3 и 4 занимают первоначальные положения, и весь процесс периодически повторяет- ся. Чем больший уровень выходного напряжения с синхронного детектора 1 подается на вход ПНЧ, т.е. на вход аналогового инвертора 2 и нормально замкнутую входную цепь коммутатора 4, тем выше частота выходного тре-. угольного сигнала на выходе интегратра 7.Выходная частота треугольного сигнала на выходе интегратора 7-и прямоугольного сигнала на выходе ком паратора 6 определяется выражением

2Г Ua т.«та1--

on и

0

5 0 5

кого сигнала на выходе интегратора 7,

dUon ---- - скорость нарастания лиЈ нейного участка треугольвыходе

ного сигнала на

генератора 5.

Логический блок 11 и синхронный детектор 12 работают таким образом, что выходное напряжение последнего пропорционально разности токов в конденсаторах 8 и 9 в те моменты времени,когда токи в них текут впротивопо- ложном направлении. Работу этих блоков поясняют эпюры на фиг.2: фиг.2.1 - напряжение на аналоговом выходе генератора 5; фиг.2.2 - напряжение на выходе интегратора 7; фиг.2.3 - логические сигналы на управляющем выходе генератора 5; фиг.2.4 - логические сигналы на выходе компаратора 6; фиг.2.5 - логические сигналы на первом выходе блока 11; фиг.2.6 - логические сигналы на втором выходе блока 11; фиг.2.7 - напряжение на выходе синхронного детектора 12. Когда токи, протекающие через конденсаторы 8 и 9 в моменты време

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерителях с емкостными датчиками. Цель - повышение точности измерения. Устройство содержит источник 1 опорных напряжений, переключатели 3 и 4, компаратор 6, интегратор 7, измеряемый и образцовый конденсаторы 8 и 9, соответственно усилитель 10 сигнала неравновесия, логический блок 11, синхронный детектор 12. Введение в устройство генератора 5 треугольного напряжения, логического блока 11 и аналогового инвертора 2 позволило уменьшить погрешности преобразования за счет уравновешивания мгновенных значений токов, протекающих через образцовый и измеряемый конденсаторы. 2 ил.

f.

Л

-выходная частота преобразователя емкость-частота

-время интегрирования интегратора 7, полученное

ь

где U&x - напряжение на входе интегратора 7; 2иЙГ) - выходное напряжение интег.ратора

-и,

7, изменяющееся

+U,

от

оо Д° тиоп ч ЈM - постоянная времени интегратора 7.

Величины токов, протекающие через образцовый 9 и измеряемый 8 конденсаторы, определяются углом наклона треугольного сигнала на выходах генератора 5 и интегратора 7.

П Vx /

dIJcn dtT

(2)

Cv ex

dUon

«ь ..«в

at.

1и„п

(3)

скорость нарастания линейного участка треуголь

30

г35

40

т

ра45

- ч

.- t

4 fи т.д.

ни

t

выравнены, напряжение на выходе усилителя 10 в эти моменты времени будет равно нулю. При достижении условия равновесия в указанные интервалы времени токи, протекающие через конденсаторы 8 и 9, определяемые выражениями (2) и (3), равны

аи™

dtl

г аи00 0 at

1

С.

(4)

можно сделать вы-

Из выражения (4)

вод, что функция преобразования

данного преобразователя емкости в

частоту будет определяться выраже-

нием:

С

С

(5)

где fx - выходная частота преобразо- вателя;

ffl - частота генератора 5. Преимуществом изобретения по сравнению с прототипом является уменьшение погрешности при работе с диффе- ренциальными емкостными датчиками, так как в данном случае происходит уравновешивание мгновенных значений токов, протекающих через измеряемый и образцовый конденсаторы, а также

расширение функциональных всзможнос-U ,тей благодаря способности нового преобразователя измерять значение емкости при С0 Сх ; С 0 Сх; С 0 « Сх; при этом частота выходного сигнала может быть меньше, равна, или больше частоты генератора 5.

Ф ормула изобретения

Преобразователь емкости в частоту, содержащий источник опорных напряжений, первый и второй электронные переключатели, образцовый и измеря- ;емый конденсаторы, -первые выводы которых соединены с входом усилителя сигнала неравновесия, синхронный детектор, аналоговые входы которого - соединены с выходом усилителя сигна- ла неравновесия, интегратор и компаратор, соединенные последовательно,отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в

4 %

-%

Jij fL- ij is pi ,a igiq н s

,

tt ts % Ц

Составитель О.Богданович Редактор О. Спесивых Техред Л.Олийнык Корректор Э.Лончакова

Заказ 8095/51

Тираж 714

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

0

него введены аналоговый инвертор логический блок и генератор треугольного напряжения, причем выходы источника опорных напряжений соединены с входами первого коммутатора и генератора треугольного напряжения, аналоговый выход которого соединен со вторым выводом измеряемого конденсатора, а управляющий выход - с первым входом логического блока, второй вход которого соединен с выходом компаратора и управляющими входами переключателей, выход первого переключателя соединен с вторым входом компаратора, вход интегратора соединен с выходом второго переключателя, первый и второй выходы логического блока соединены с первым и вторым управляющими входами синхронного детектора, выход которого соединен с первым входом второго компаратора и через аналоговый инвертор - с вторым входом второго компаратора.

$

Подписное