Преобразователь емкости в частоту Советский патент 1991 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения емкостей в электрических цепях.

Цель изобретения - повышение точности и расширение области применения.

На фиг.1 представлена блок-схема преобразователя емкости в частоту; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Преобразователь емкости в частоту со- держит блок 1 управления, источник 2 опорного напряжения, коммутаторы 3 и 4, измеряемый и образцовый конденсаторы 5 и 6, усилитель 7 заряда, управляемый детектор 8 и триггер 9. Выход источника 2 опор- ного напряжения соединен с вторым (информационным) входом коммутатора 3 и вторым (информационным) входом татора 4, первый (информационный) вход коммутатора 3 и первый (информационный) вход коммутатора 4 соединены с общей шиной преобразователя емкости в частоту. Выходы коммутаторов 3 и 4 соответственно через измеряемый и образцовый конденсаторы 5 и 6 соединены с входом усилителя 7 заряда, выход которого через управляемый детектор 8 соединен с первым (управляющим) входом триггера 9, второй (тактовый) вход которого соединен с третьим входом (управления) коммутатора 3 и с вторым вы- ходом блока 1 управления. Третий вход (управления) коммутатора 4 соединен с первым выходом блока 1 управления.

Третий и четвертый выходы блока 1 управления подключены соответственно к второму и третьему входам (управления) управляемого детектора 8. Инверсный выход триггера 9 является выходом преобразователя емкости в частоту и соединен с входом блока 1 управления. Блок 1 управления содержит генератор 10 опорной частоты, выход которого соединен со счетными входами триггера 11 и счетчика 12 с дешифрированными выходами. Инверсный выход триггера 11 соединен со счетным входом триггера 13, прямой выход триггера 11 соединен со счетным входом триггера 14, прямой выход триггера 13 является первым выходом блока 1 управления, прямой выход

триггера 14 является вторым выходом блока 1 управления и через дифференцирующую цепь 15 соединен с анодом диода 16 и первым входом логического элемента 2ИЛИ 17. Катод диода 16 соединен с входом установки в нулевое состояние триггера 13 и через резистор 18с общей шиной преобразователя емкости в частоту. Первый вход логического элемента ЗИЛИ-НЕ 19 является входом блока 1 управления, второй и третий входы элемента ЗИЛИ-НЕ 19 соединены соответственно с инверсными выходами триггеров 13 и 14. Выход логического элемента ЗИЛИ-НЕ 19 через дифференцирующую цепь 20 соединен с вторым входом логического элемента 2ИЛИ 17, выход которого подключен к входу установки в нулевое состояние счетчика 12с дешифрованными выходами, причем выход счетчика 12 с дешифрированными выходами, соответствующий его нулевому состоянию, является тртьим выходом блока 1 управления, а выход, соответствующий второму состоянию счетчика 12, является четвертым выходом блока 1 управления.

Управляемый детектор 8 содержит конденсатор 21, первый вывод которого является первым (информационным) входом управляемого детектора 8, второй вывод конденсатора 21 соединен с подвижными контактами ключей 22 и 23. Неподвижный, контакт ключа 22 соединен с первым выводом конденсатора 24 и инвертирующим входом операционного усилителя 25, неинвертирующий вход которого соединен с вторым выводом резистора 26 и неподвижным контактом ключа 23, подключенного к общей шине. Выход операционного усилителя 25 соединен с вторым выводом конденсатора 24 и анодом диода 27, катод которого соединен с первым выводом резистора 26 и является выходом управляемого детектора 8. Входы управления ключами 23 и 22 являются соответственно вторым и третьим входами (управления) управляемого детектора 8.

Преобразователь емкости в частоту работает следующим образом.

Алгоритм работы задается блоком 1 управления и определяется тактом работы ключей 22 и 23. На выходе генератора 10 опорной частоты.частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, формируются прямоугольные импульсы (выходное напряжение генератора 10 изображено на фиг.2,1). Данный сигнал задает счетный режим логических состояний триггера 11 и счетчика 12 с дешифрированными выходами. Выходное напряжение триггера 11 изображено на фиг.2.2. Устройство, реализованное на триггерах 13 и 14, представ ляет собой цифровой фазовращатель, обеспечивающий значение фазогого сдвига между выходными напряжениями тригге- ров 13 и 14 равным р 90° Выходное напряжение на прямых выходах триггеров 14 и 13 соответственно изображено на фиг.2 3 и 2.4. Синхронизация работы преобразователя емкости в частоту задается напряжени ем, снимаемым с выхода триггера 14. Синхронизация работы триггера 13 осуществляется устройством сброса, которое ред лизовано с помощью дифференцирующей цепи 15 диода 16 и резистора 18. Диод 15 предназначен для устранения отрицательного напряжения, сформированного в результате дифференцирования выходного сигнала триггера 14. Напряжение на входе установки в нулевое состояние триггера 13 изображено на фиг.2.5. Выходные сигналы триггеров 13 и 14 управляют работой коммутаторов 3 и 4, Следовательно, на измеряемом и образцовом конденсаторах 5 и 6 формируются напряжения прямоугольной формы с амплитудой U0 синхронно с выходными напряжениями триггеров 13 и 14. Измеряемый и образцовый конденсаторы 5 и б подключаются к источнику 2 опорного напряжения только при подаче на третий вход (управления) коммутаторов 3 и 4 сигнала логической единицы. Как следствие данной синхронизации на выходе усилителя 7 заряда формируется напряжение, изображенное на фиг.2.б. В результате коммутации ключей 22 и 23 (напряжения, подаваемые на входы управления ключей 22 и 23, изображены соответственно на 2.9 и 2.10), осуществляемой при подаче сигналов логической единицы на входы управления ключей 22 и 23 по алгоритму, заданному работой счетчика 12 с дешифрированными выходами, достигается уравновешивание лреобразова1еля емкости в частоту. При уровне напряжения на выходе управляемого детектора 8 (фиг.2.7) меньше порогового напряжения срабатывает триггер 9, на его инверсном выходе формируется сигнал логической единицы Напряжение на инверсном выходе триггера 9 приведено на фиг.2.11. Выходной сигнал триггера 9, соответствующий логической единице, формирует на выходе логического элемента

ЗИЛИ-НЕ 19 сигнал логического нуля. В этом случае сброс счетчика 12 с дешифрированными выходами осуществляется только сигналом, снимаемым с выхода триггера 14. Сигнал, формируемый на входе установки

в нулевое состояние счетчика 12 с дешифрированными выходами, изображен на фиг.2.8. При этом величина заряда, формируемого на конденсаторе 21, входящим в состав управляемого детектора 8, опредепяется из выражения

021 Uo

К г

С

С21

де Со и Сх - соответственно величины ем- кости образцового и измеряемого конденсаторов 5 и 6;

Су - величина емкости конденсатора отрицательной обратной связи усилителя 7 заряда;

С21 величина емкости конденсатора

21;

Uo - выходное напряжение источника 2 опорного напряженг,.

В эгом случае выходи е напряжение уп- равляемого детектора 8 к вменяется практически ступенчато по линейному закону, причем амплитуда величины одного положительного приращения определяется из выражения

С у С 24

где С21.С24 - величины емкостей конденсаторов 21 и 24, входящих в состав управляемого детектора 8.

При достижении выходным напряжением управляемого детектора 8 величины, большей или равной пороговому напряжению срабатывания триггера 9, в триггер 9

записывается сигнал логической единицы. Это происходит синхронно с формирован ем уровня логической единицы на прямом выходе триггера 14. От триггера 9 не требуется долговременной стабильности зеличины порогового уровня срабатывания по входу D. На инверсном выходе триггера 9 в этом момент времени формируется сигнал логического нуля, который с помощью логического элемента ЗИЛИ-НЕ 19, а также дифференцирующей цепи 20 производит дополнительную установку в нулевое состояние счетчика 12 с дешифрированными выходами. При этом такт работы ключей 22 и 23 смещается на величину длительности одного периода генератора 10. В этом случае величина заряда, формируемого на конденсаторе 21, определяется из выражения

Q21 Uo ( С о + С х) С 20

С у С 24

Амплитуда величины отрицательного приращения на выходе управляемого детектора 8 в этот момент времени определяется выражением

AUD Uo (С° + Сх)С20

L у С 24

При вычитании из выходного напряжения управляемого детектора 8 данной величины приращения и после прихода последующего высокого логического уровня с выхода триггера 14 происходит установка триггера 9 в нулевое состояние и на его инверсном выходе формируется сигнал логической единицы, Таким образом, весь процесс циклически повторяется. При этом величина погрешности, обусловленная дискретностью приращений выходного напряжения управляемого детектора 8, накапливается на конденсаторе 24 и при достижении величиной данной погрешности шага дискретизации происходит дополнительное срабатывание триггера 9. Таким образом, значение выходной частоты определяется только величиной емкости Сх и Со и значением опорной частоты

. С о - С х

1НЫЛ I л, f

Со + С х

В качестве значения образцовой частоты f 1 целесообразно использовать значение выходной частоты генератора 10fo 4fi, где коэффициент 4 обусловлен наличием триггеров 13 и 14, а также триггера 11. В преобразователе емкости в частоту в качестве значения образцовой частоты принят выходной сигнал генератора 10. Значение выходной частоты генератора 10 делится на 4 с помощью триггеров 11,13 и 14. Поэтому коэффициент 1/4 входит в функцию преобразования преобразователя емкости в частоту.

С учетом изложенного функция преобразования принимает вид

С о - С х

4 (Со +Сх)

Приведенное справедливо для первого режима измерения Со Сх. При переводе преобразователя емкости в частоту в режим измерения Со Сх требуется .,оме- нять местами измеряемый и образцовый конденсаторы (измеряемым конденсато- ром становится конденсатор 6, образцовым конденсатором - конденсатор 5).

В этом случае функция преобразования примет вид

f - fn С х - С о

feb( 4(со + с7У

Алгоритм работы преобразователя емкости в частоту в этом случае идентичен приведенному алгоритму.

Увеличение чувствительности преобразования повышает разрешающую способность, что, в свою очередь, приводит к повышению точности. Метрологические исследования, проводившиеся при изменении емкости конденсатора Сх в диапазоне 0,41 - 12 пФ, значении емкости образцового конденсатора Со 13 пФ и частоте генератора fo 50 кГц, показывают, что величина приведенной погрешности не превышает значения у 0,07% (уменьшение более чем в 2 раза ниже).

Использование преобразователя емкости в частоту позволяет обеспечить линейную характеристику преобразования как

при использовании с дифференциальными емкостными датчиками изменяющегося зазора, так и с дифференциальными датчиками с изменяющейся площадью обкладок, что расширяет его функциональные возможности.

Формула изобретения Преобразователь емкости в частоту, содержащий источник опорного напряжения, первый и второй коммутаторы, измеряемый и образцовый конденсаторы, усилитель заряда, триггер, управляемый детектор и блок управления, выходы первого и второго коммутаторов соответственно

через первый и второй конденсаторы соединены с входом усилителя заряда, первый вход второго коммутатора соединен с первым входом первого коммутатора и подключен к общей шине преобразователя, второй вход первого коммутатора и второй информационный вход второго коммутатора подключены к выходу источника опорного напряжения, выход усилителя заряда соединен с первым входом управляемого детектора, выход триггера соединен с входом блока управления, первый выход которого подключен к третьему входу второго коммутатора, второй выход блока управления соединен с третьим входом

первого коммутатора, отличающийся тем, что, с цепью повышения точности и рас ширения области применения выход управляемого детектора соединен с первым входом триггера, второй вход которого под-

ключей к второму выходу блока управления, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами управляемого детектора.

Изобретений относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения емкостей в электрических цепях. Цель изобретения - повышение точности и расширение области применения. Алгоритм преобразования задается блоком 1 управления и определяется тактом работы ключей 22 и 23. Генератор 10 опорной частоты формирует прямоугольные импульсы, задающие счетный режим логических состояний триггера 11 и счетчика 12. Выходные сигналы триггеров 13 и 14, работа которых синхронизируется с помощью дифференцирующей цепи 15, диода 16 и реэистсра 18, управляют работой коммутаторов 3 и 4, подключающих