Преобразователь емкости во временной интервал Советский патент 1991 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения параметров электрических цепей.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем минимизации погрешности квантования опорного и выходного информативного интервалов времени.

На фиг.1 представлена функциональная схема преобразователя емкости во вре- менной интервал; на фиг.2 - эпюры напряжений в различных точках схемы.

Устройство содержит источник 1 опорных напряжений, выходы положительного и отрицательного напряжения которого соединены соответственно через ключи 2 и 3 с первым выводом времязадающего резистора 4, второй вывод этого резистора подключен к первому информационному входу коммутатора, второму информационному входу коммутатора и к инвертирующему входу операционного усилителя (ОУ) 5. Второй информационный вход коммутатора 6, а также первый информационный вход коммутатора 7 и неинвертирующий вход ОУ 5 соединены с общей шиной устройства. Выходы коммутаторов б и 7 подключены соответственно через рабочий 8 и образцовый 9 конденсаторы к выходу ОУ 5 и соединены с вторым входом компаратора 10. Первый вход компаратора 10 подключены к выходу Плюс источника опорных напряжений. Выход генератора 11 опорной частоты соединен с Т-входом делителя 12 частоты и с входом триггера 13. Выход компаратора 10 соединен с Д-входом триггера 13 и с первым входом логического элемента 2 ИЛИ - НЕ 14. Выход триггера 13 соединен с С-входом триггера 15, а выход делителя 12 частоты подключен к R-входу триггера 15, D-вход триггера. 15 соединен с выводом Плюс источника питания устройства. Неинвертирующий выход триггера 15 соединен с входом управления коммутаторов 6 и 7, а также с вторым входом логического элемента 2 ИЛИ - НЕ 14 и с входом управления ключа 3. Инвертирующий выход триггера 15 подключен к R-входу делителя 12 частоты, а выход логического элемента 2 ИЛИ - НЕ 14 соединен с входом управления ключа 2 и является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

До прихода последующего импульса с тактового генератора 11 на выходе компаратора 11 на выходе компаратора 10 после окончания формирования выходного информативного временного итервала ТВых сформирован сигнал логической 1, удерживающий ключи 2 и 3 в разомкнутом состоянии. С приходом импульса с генератора 11 на С-вход триггера 13 сигнал логической 1 переписывается из компаратора 10 в

триггеры 13 и 15. Затем триггер 15 переключает коммутаторы 6 и 7. Это обеспечивает включение в отрицательную обратную связь ОУ 5 образцового конденсатора 9. Причем инвертирующий вход ОУ 5 является виртуальным нулем и переключение образцового 9 и измеряемого 8 конденсаторов при коммутации между общей шиной и виртуальной землей не приводит к изменению величины их заряда.

При сигнале логической 1 на выходе Q

триггера 15 происходит формирование опорного интервала То, который определяется коэффициентом деления делителя 12 и частотой тактового генератора 11. По окончании временного интервала То, определяемого коэффициентом деления делителя 12, его выходной сигнал - логическая 1, устанавливает триггер 15 в нулевое состояние. Этим осуществляется переключение режимов с формирования опорного интервала То на формирование временного интервала ТВых и запрещение работы делителя 12. Начало и окончание формирования опорного интервала То и начало формирования временного интервала ТВых синхронизируются выходным сигналом тактового генератора 11. Формирование временного интервала ТВых оканчивается по достижении напряжением на выходе ОУ 5 значения опорного

напряжения +Uo. Это напряжение фиксируется компаратором 10, который с помощью логического элемента 2 ИЛ И - НЕ 14 размыкает ключ 2. Это вызывает перевод интегратора, реализованного на ОУ 5, в режим

фиксирования выходного напряжения. Данный режим работы заканчивается с приходом последующего импульса с генератора 11, который запускает формирование опорного интервала То. Данный процесс

циклически повторяется.

Выходное напряжение ОУ 5 в интервале от 0 до ti (фиг.2), равномТ еых, изменяется на величины

и м- Uon Твыхо

UeblxWR Ci w

где R - сопротивление времязадающего резистора 4;

Сх - емкость измеряемого конденсатора 8;

Uon - значение выходного напряжения источника опорного напряжения,

В течение временного интервала t2 - ta, равного То, выходное напряжение ОУ 5 изменится на величину

Ueb.x(t)

Don To

RC0

(3)

где Со - емкость образцового конденсатора 9.

Алгоритм работы устройства построен таким образом, что величины изменения выходного напряжения ОУ 5 UBbix(t) за оба такта формирования интервалов ТВых и То равны следовательно

,, /.А Uon Твых Uon То/сч

ивыхГОр-р-р р. Р)

Функция преобразования устройства, определяемая из (5), равна

Твых -FT- То,(6)

о

При необходимости получить гиперболическую зависимость Твых от Сх,например, при использовании емкостных датчиков перемещения, необходимо поменять местами рабочий и образцовый конденсаторы в устройстве. Вследствие этого получим зависимость

т - Схт

I вых - 0

В диапазоне величин емкости измеряемого конденсатора 12-64 пФ при величине емкости образцового конденсатора 40 пФ и значении опорного интервала 10с относительная погрешность не превышала значения 0,1 %.

формула изобретения Преобразователь емкости во временной интервал, содержащий тактовый генератор, источник опорных напряжений, времязадающий резистор, причем первый вывод резистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и первым информационным входом первого коммутатора и подключен к второму информационному входу второго коммутатора, второй информационный вход первого коммутатора соединен с первым информационным входом второго коммутатора и с неинвертирующим входом операционного усилителя, подключенного к общей шинеустройства, выходы первого и второго коммутаторов соединены соответственно через измеряемый и образцовый конденсаторы с вторым входом компаратора, который подключен к выходу операционного усилителя,

отличающийся, тем, что, с целью повышения точности путем уменьшения погрешности квантования опорного и выходного временных интервалов, в него введены первый и второй триггеры, делитель частоты, логический элемент 2 ИЛИ - НЕ, первый и второй ключи, причем выходы Плюс и Минус опорного источника соединены соответственно с помощью второго и первого ключа вторым выводом времязадающего

резистора, D-вход первого триггера подключен к первому входу логического элемента 2 ИЛИ - НЕ и выходу компаратора, выход первого триггера соединен с С-вхо- дом второго триггера, а выход тактового генератора соединен с С-входом первого триггера и через делитель частоты подключен к входу установки в О второго триггера, D-вход второго триггера соединен с положительной шиной источника питания устройства, а инвертирующий выход второго триггера соединен с входом установки в О делителя частоты, неинвертирующий выход второго триггера подключен к второму входу логического элемента 2 ИЛИ - НЕ, а также к входу управления второго ключа и входам управления первого и второго коммутаторов, выход логического элемента 2 ИЛИ - НЕ соединен с управляющим входом первого ключа и является выходом устройства, первый вход компаратора соединен с выходом Плюс источника опорных напряжений,

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения параметров электрических цепей. Цель изобретения - повышение точности измерения путем -минимизации погрешности квантования опорного и выходного информативного интервалов времени. Устройство содержит источник 1 опорных напряжений, ключи 2 и 3, времяза- дающий резистор 4, операционный усилитель 5, коммутатор 7, рабочий 8 и образцовый 9 конденсаторы, компаратор 10, генератор 11 опорной частоты, делитель 12 частоты, триггер 13, элемент 2 ИЛИ - НЕ 14, триггер 15. В диапазоне величин емкости измряемого коденсатора 12-64 пф при величине емкости образцового конденсатора 40 пФ и значении опорного интервала 10 с относительная погрешность не превышает значения 0,1%. 2 ил fe Фиг 7