Преобразователь параметров емкостных датчиков в частоту и период Советский патент 1990 года по МПК G01R27/26 

fua.f

Изобретение относится к измери- тельной технике, в частности к устрой ствам для измерения параметров электрических ценей,

Целью изобретения является повышение точности преобразования за счет уменьшения величины суммарной погрешности, вносимой разбросом образцовых мер и их нестабильностью.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2 - то же, преобразователя напряжение - частота; на фиг,3 - то же, усилителя сигнала неравновесия; на фиг.4 - то же, блока стробирова- ния; на фиг.5 - то же, синхронного детектора; на фиг. 6 - то же,интегратора; на фиг.7 - временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого преобразователя.

Преобразователь параметров емкостных датчиков в частоту и период содержит источник I опорных напряжений, электронный переключатель 2, преобразователь 3 напряжение - частота, разделительный конденсатор 4,образдо- вый резистор 5, усилитель б сигнала неравновесия, синхронный детектор 7, блок 8 стробирования, интегратор 9 и емкостньм датчик 10, параметры которого преобразуются в частоту и период. Первый и второй входы преобразователя 3 соединены соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника I, а первый выход - с первым выводом, предназначенным для подключения первого вывода емкостного датчика 10. Вход усилителя 6 соединен с вторым выводом,предназначенным для подключения второго вывода емкостного датчика. 10, а выход - через последовательно соединенные детектор 7 и интеграто-р 9 - с информационным входом преобразова- теля 3, второй выход которого является выходом преобразователя параметров емкостных датчиков в частоту и период. Выход переключателя 2 через последовательно соединенные раздели- тельньш конденсатор 4 и резистор 5 соединен с Входом усилителя 6.Первый и второй входы переключателя 2 соединены соответственно с положительным и отрицательнь1м полюсами источника 1 опорных напряжений. Первый вход блока гЗ соединен с управляющим входом переключателя 2 и вторым.выходом преобразователя 3, а второй вход с первым выходом преобразователя 3. Выход блока 8 соединен с управляющим входом детектора 7.

Преобразователь 3 напряжение - частота (фиг.2) содержит первым электронный переключатель 11, первый неподвиж ный контакт которого является первым входом преобразователя 3,

д а второй неподвижный контакт - вторым входом преобразователя 3. Первый неподвижный контакт второго электронно- го переключателя 12 соединен с входом аналогового инвертора 13 и является

5 информационным входом преобразователя 3. Выход аналогового инвертора 13 соединен с вторым неподвижным контактом коммутатора 12, подвижный контакт которого соединен-через резисQ тор 14 с инвертирующим входом операционного усилителя 15 и первым выводом конденсатора 16. Выход усилителя 15 соединен с вторым выводом конденсатора 16, инвертирующим входом ком5 паратора 17 и является первым выходом преобразователя 3. Г1еинвертирую- щий вход компаратора 17 соединен с подвижным контактом переключателя I1. Неинвертирующий вход усилителя 15

Q соединен с общей .шиной. Выход компаратора 17 соединен с управляющими входами переключателей II и 12 и является вторым выходом преобразователя 3.

Усилитель 6 сигнала неравновесия (фиг.З) содержит резистор 18 и конденсатор 19, первые выводы которых соединены с инвертирующим входом операционного усилителя 20, являющимся

0 входом усилителя 6 сигнала неравновесия. Неинвертирующий вход усилителя 20 соединен с общей шиной, а выход - с вторыми выводами резистора 18 и конденсатора 19 и является вы5 ходом усилителя 6 сигнала неравновесия.

Блок 8 стробирования (фиг.4) содержит первый 21 и второй 22 компараторы, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами элемента ИЛИ-НЕ 23, третий вход которого является первым входом блока 8 стробирования. Неинвертирующий вход первого компаратора 21 соединен с инвертирующим входом второго компаратора 22 и является вторым входом блока 8 стробирования. Инвертирующий вход первого компаратора 21 соединен с вторым выводом первого резистора

5

С

5

24 и пе)вым выводом второго резистора 25. Неинвертирующий вход второго компаратора 22 соединен с вторым выводом второго резистора 25 и первым выводом третьего резистора 26. Первый вывод первого резистора 24 соеднен с общей шиной, а второй вывод третьего резистора 26 - с отрицателным полюсом источника питания (не показан). Выход элемента ИЛИ-НЕ 23 является выходом блока 8 стробирова- ния.

Синхронный детектор 7 (фиг.5) содержит конденсатор 27, первый вывод которого является информационным входом синхронного детектора 7, Второй вывод конденсатора 27 соединен с подвижным контактом электронного перек- .лючателя 28, первый неподвижный контакт которого является выходом синхронного детектора 7, а второй неподвижный контакт соединен с обшей шиной. .Управляющий вход (не показан) переключателя 28 является управляю- ш:им входом синхронного детектора 7.

Интегратор 9 (фиг.6) содержит резистор 29, первый вывод которого соединен с nepBbiM контактом ключа 30, второй контакт которого соединен с минусовым полюсом источника питания (не показан). Второй вывод резистора 29 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 31 и первым выводом конденсатора 32 и является входом интегратора 9. Неинвертирующий вход усилителя 31 соединен с общей шиной. Выход компаратора 33 соединен с управляющим входом ключа 30. Выход усилителя 31 соединен с вторым выводом конденсатора 32 и инвертирующим входом компаратора 33 и является выходом интегратора 9. Неинверти- рукщий вход компаратора 33 соединен с первым выводом резистора 34 и вторым выводом резистора 35,первый вывод которого соединен с плюсовым полюсом источника питания (не показан) . Второй вывод резистора 34 соединен с общей шиной.

Предлагаемый преобразователь выполнен в виде компенсационно-мостового преобразователя с уравновешиванием мгновенных значений токов, протекающих через емкостный датчик 10 и об- разцовьй резистор 5. В качестве управляемого источника тока используется преобразователь 3 напряжение - частота.

5998066ч

Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.

На информационный вход преобразо- вателя 3 подается напряжение положительной полярности с выхода усилителя 15. Под действием приложенного к входу операционного усилителя 15 напряжения на его выходе формирует- JO ся напряжение треугольной формы.

Амплитуда этого напряжения контролируется компаратором 17. На неинвертирующий вход компаратора 17 через переключатель 11 подается напряжение 15 (п с выходов источника 1. На инвертирующий вход компаратора 17 подается выходное напряжение с усилителя 15 и сравнивается с величиной опорного напряжения, подаваемого на неин- 20 вертирующий вход компаратора 17,По достижении напряжения на выходе усилителя 15, равного Ug, срабатывает компаратор 17 и переключает пе- реключатели 2,11 и 12. Данный процесс 25 периодически повторяется. Выходные напряжения компаратора 17 и усилителя 15 (образующего вместе с конденсатором 16 интегратор) изображены соответственно на фиг. 7,а,б. Напряже- 30 ние, снимаемое через разделительный конденсатор 4 с выхода переключателя 2 и приложенное к резистору 5, изображено на фиг.7,в. При этом ток, протекающий через резистор 5, имеет j прямоугольную форму и фазу,совпадающую с напряжением, приложенным к нему. Для устранения насыщения усилителя 6 предназначен конденсатор 4, величина емкости которого выбирается 40 из соотношения

Д «ин минимальная выходная 5частота преобразованияj

R - сопротивление образцового резистора 5j С 4 - емкость конденсатора 4. Ток, протекающий через емкостньй 0 датчик 10, изображен на фиг.7,г. Усилитель 6 сигнала рассогласования выполнен в виде суммирующего инвертирующего усилителя на операционном усилителе 20, -причем для входного 5 напряжения, приложенного к образцовому резистора 5, он является интегрирующим звеном, а для напряжения, приложенного к емкостному датчику 10, - пропорциональным звеном.Резнетор 18 предназначен для задания рабочей точки усилителя 2П по ностоян ному току. Его величина определяетс из соотношения

--- г f c,R , MW : г« «

где R g - сопротивление резистора

18; С ,д - емкость конденсатора 19.

При разбалансе измерительной цепи выходное напрйжение усилителя 6 (фиг.7,д) имеет треугольную форму и амплитуду, определяемую разностью токов, протекающих через образцовый резистор 5 и емкостной датчик 10.

В качестве блока 3 стробирования используется двухпороговый компаратор, величина порогов срабатывания которого определяется соотношением резисторов 24 - 26. Выходное напряжение блока 8, снимаемое с выхода элемента ИЛИ-НЕ 23, изображено на фиг,7,е. Это напряжение подается на управляющий вход синхронного детектора 7, который представляет собой дифференцирующее звено и выполняет одновременно функцию детектора.Ток, протекающий через конденсатор 27, в установившемся режиме (при равновесии измерительной цепи) равен нулю. Постоянное напряжение, присутствующее на выходе усилителя 20, блокируется конденсатором 27 и, следовательно, на точность устройства не влияет Однополярные импульсы тока (при разбалансе измерительной цепи) через конденсатор 27 подаются на вход интегратора 9, выходное напряжение ко- торого управляет значением частоты преобразователя 3, а следовательно, и величиной тока 1., протекающего через емкостный датчик 10, уравновешивая измерительную цепь. Знак выход .кого напряжения интегратора 9 должен быть положительным, что является условием работы преобразователя 3.,Тля этого в структуру интегратора 9 вве,ц ны резисторы 29, 35 и 34, ключ 30 и компаратор 33. В момент включения преобразователя знак выходного напряжения усилителя 3 - случайная величина. При нулевом или отрицательном напряжении на выходе усилителя 31 срабатывает компаратор 33, на неин- вертирующий вход которого подается напряжение с делителя, включающего резисторы 35 и 34, равное (2-3)U «

cA.i./v(ofNc максимальное напряжение смещения компаратора 33. При этом замыкается ключ 30, соединяя первый вывод резистора 29 с минусовым полюсом источника питания. На выходе усилителя 31 формируется линейно-изменяющееся напряжение, которое по достижении падения напряжения па резисторе 34, перебрасывает компаратор 33 в состояние логического нуля и размыкает ключ 30. В момент выхода линейно-изменяющегося напряжения интегратора 9 в положительную область запускается преобразователь 3 и далее компаратор 33 и ключ 30 в работе устройства участия не принимают.

Предлагаемый преобразователь представляет собой устройство астатического уравновешивания, алгоритм работы которого основан на уравно- веишвании токов, протекающих через емкостный датчик 10 и образцовый резистор 5. Следовательно, условие равновесия имеет вид

УОП RO

е in

dU

dt

R Г

- ток, протекающий через образцовый резистор 5;

dU

1 - г

Сх, dt , протекающий через емкостный датчик 10.

Выходное напряжение треугольной формы преобразователя 3 изменяется за половину периода Т/2 на величину 2 и,„ (от -Ujjr, до +Uefj), в связи с этим выражение (1) приводится к вид

Uon

4Uon

ИЗ которого определяются Лункция преобразования емкости данного преобразователя в длительность периода Т функция преобразования екости в частоту

f -1-

Т 4р;оС;

Использование предлагаемого преобразователя по сравнению с прототипом обеспечивает повьсиение точности преобразования за счет уменьшения величины погрешности, вносимой образ цовыми мерами. В предлагаемом преобразователе используется одна образцовая мера - резистор 5, а в прототипе - две образцовые меры (образцовая частота и образцовая емкость), поэтому суммарная погрешность,вносимая разбросом образцовых мер и их нестабильностью, в предлагаемом преобразователе меньше, чем в прототипе. Кроме того, в преобразователе уменьшены погрешности, вносимые соединительной линией связи.

Формула изобретения

Преобразователь параметров емкостных датчиков в частоту и период,содержащий разделительный конденсатор, преобразователь напряжение - частота, первый и второй входы которого соединены соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника опорных напряжений,первый выход преобразователя напряжение - частота соединен с первым выводом, предназначенным для подключения первого вывода емкостного датчика, вход усилителя сигнала неравновесия соединен с вторым выводом, предназначенным для подключения второго вывода емкостного датчика, а выход - через последовательно соединенные синхрон1599806

10

ный детектор и интегратор - с информационным входом преобразователя напряжение - частота, второй выход которого является выходом преобразователя параметров емкостньк датчиков в частоту и период, отлич ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него

Q введены злектронньй переключатель, блок стробирования и образцовый резистор, причем выход электронного переключателя через последовательно соединенные разделительный конденса тор и образцовый резистор соединен с входом усилителя сигнала неравновесия, первый и второй входы электронного переключателя соединены соответственно с положительным и отрицаQ тельным полюсами источника опорных напряжений,первый вход блока стробирования соединен с управляющим входом электронного переключателя и вторым выходом преобразователя напряжение 5 частота, а второй вход - с первым выходом преобразователя напряжение - частота, выход блока стробирования соединен с управляющим входом синхронного детектора.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения параметров электрических цепей. Цель изобретения - повышение точности преобразования - достигается путем уменьшения величины суммарной погрешности, вносимой разбросом образцовых мер и их нестабильностью. Преобразователь содержит источник 1 опорных напряжений, электронный переключатель 2, преобразователь 3 напряжение - частота, разделительный конденсатор 4, образцовый резистор 5, усилитель 6 сигнала неравновесия, синхронный детектор 7, блок 8 стробирования, интегратор 9, емкостный датчик 10, параметры которого преобразуются в частоту и период. 7 ил.

Фие. 2

ШигЛ

..ej

Фиг.6

а

Л.

Фиг. 7