Устройство для измерения малых токов Советский патент 1991 года по МПК G01R19/00 

1

(21)4603797/21

(22)09.11.88

(46) 30.03.91. Бкшо Р 12 (72) А„В. Есаулов

(53)621.317.2(088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР Р 731388, кл. G 01 R 19/00, 19780

(54)УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ТОКОВ

I

(57)Изобретение предназначено для

измерения малых токов. Цель изобретения - расширение частотного диапазона в область низких частот и повышение точности измерений. Устройство содержит интегратор 1 тока, включающий электрометрический усилитель 2 и интегрирующий конденсатор 3, усилитель 4 напряжения, дифференциатор 5, выполненный на операционном усилителе 6, инвертирующий вход которого через диЛАеренцирующую цепь 7 соединен с входом дифференциатора 5, а через масштабный резистор 8 - с выходом операционного усилителя, являющимся выходом дифференциатора 5, три резистора 9-11, дифференциальный усилитель 12, фиксатор 13 уровня, компаратор 14 зоны, генератор 15 импульсов, элементы И 16 и 17, элемент И-НЕ 18, реверсивный счетчик 19, ци- фроаналоговый преобразователь 20 и элемент ИЛИ 21. В устройстве обеспечивается непрерывный сброс интегратора 1 тока, что позволяет измерять постоянные токи, за счет автоматического выбора поддиапазона преобразования достигается уменьшение относительной погрешности преобразования 2 ил0

i

k/

Фиг i

оэ со

00

о

4ь

1

Перегрузка Сброс

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных электронных и радиотехнических устройствах для измерения малых токов„

Целью изобретения является расширение частотного диапазона в область низких частот и повышение точности измерений с

На фиг о 1 приведена функциональная схема устройства для измерения малых токов; на фиг0 2 и 3 - временные диаграммы функционирования блоков устройства.

Устройство содержит интегратор 1 тока, включающий электрометрический усилитель 2 и интегрирующий конденсатор 3, усилитель 4 напряжения, диф- (Ьеренциатор 5, выполненный на операционном усилителе 6, инвертирующий вход которого через дифференцирующую цепь 7 соединен с входом дифференциатора 5, а через масштабный резистор 8 - с выходом операционного усилителя 6, выходом соединенного с выходом дифференциатора 5, первый 9, второй 1 и третий 11 резисторы, диФАеренциаль- ный усилитель 12, фиксатор 13 уровня, компаратор 14 зоны, генератор 15 им- пульсов, первый и второй элементы И 16 и 17, элемент И-НЕ 18, реверсивный счетчик 19, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 20 и элемент ИЛИ 21.

К входу 22 устройства подключены вход интегратора 1 тока и первый вывод первого резистора 9„ К выходу интегратора 1 тока присоединены входы усилителя 4 напряжения и дифференциатора 5, выход которого соединен с выходной клеммой 23 устройства К выходу усилителя 4 напряжения подключены первый вывод второго резистора 10 и неинвертирующий вход дифферен- циального усилителя 12, к выходу которого присоединен второй вывод первого резистора 9„ К инвертирующему входу дифференциального усилителя 12 подключены первый вывод третьего резистора 11 и выход ЦАП 20. Вторые выводы второго 10 и третьего 11 резисторов подключены к инвертирующему входу операционного усилителя 6. Входы фиксатора 13 уровня и компаратора 14 зоны присоединены к выходу диф- ференциатора 5 о К выходу фиксатора 13 уровня подключены первые входы первого и второго элементов И 16

0

0

,

5 Q

35 50 5

40

и 17. К выходу компаратора 14 зоны присоединены второй вход первого элемента И 16 и вход управления направлением счета реверсивного счетчика 19 о К выходу первого элемента И 16 подключены первый вход элемента И-НЕ 18 и N+1-й вход элемента ИЛИ 21,. К второму, третьему и четвертому вхо дам второго элемента И 17 присоединены соответственно выход генератора 15 импульсов, выход элемента ИЛИ 21 и выход элемента И-НЕ 18, а к выходу второго элемента И 17 подключен тактовый вход С реверсивного счетчика 19„ Вход начальной установки реверсивного счетчика 19 соединен с клеммой Сброс 24, N выходов реверсивного счетчика 19 соединены соответственно с одноименными входами цифро- аналогового преобразователя 20, с клеммами 25 кода поддиапазона и с входами элемента ИЛИ 21, а N+1-й выход реверсивного счетчика 19 соединен с клеммой Перегрузка 26 „

Устройство работает следующим об- разомо

После подачи питающих напряжений выходное напряжение интегратора 1 тока отлично от нулевого уровня При отсутствии входного сигнала выРА

ходное напряжение интегратора 1 тока за счет разрядной цепи, содержащей усилитель 4 напряжения, дифференциальный усилитель 12 и первый резистор 9, уменьшается, его величина U определяется по формуле

и и ( 1+К,К2Кэ .ч

v v«p °

где U0 - выходное напряжение интегратора 1 тока в первый момент после подачи питающих напряжений;

К - коэффициент усиления электрометрического усилителя 2; К., К3 - коэффициенты усиления соответственно усилителя 4 напряжения и дифференциального усилителя 12;

Rq - сопротивление первого резистора 9;

С з - емкость интегрирующего конденсатора 3„

Изменение выходного напряжения U. интегратора 1 тока вызывает протекание тока через дифференцирующую цепь 7„ Однако изменения выходного напряжения операционного усилителя 6 не

происходит, так как на его инвентнру- ющий вход поступает ток 1,0 , протекающий через резистор 10, равный по величине току через дифференцирующую цепь 7 и противоположный ему по знаку:

МО

К

R,o

Ток In через ди Ьференцирующую цепь при выполнении условия

1/2 Hf C,Rg, , а

где Сд и RQ - соответственно емкость дифференцирующего кон15

денсатора и сопротивление ограничительного резистора, включенного последовательно с дифференцирующим конденса- 20

TOpOMj

- верхняя граничная частота преобразуемых сигналов, пределяется по формуле

8

25

Токи

I С QL

8 dt

:

равны е. вы

ложны по знаку, т, равенство

yTf «fc - .ifc

находим сопротивлеR

о

Из равенства ние резистора

a+K,)R2C,Kz. (1+кГкгЬЦУСа

В момент t, на вход устройства поступает измеряемый ток 1в(, Протекание тока I ву вызывает заряд конденсатора 3 (фиг„ 2, В) и протекание токов через RC-цепь 7, первый 9 и второй 10 резисторы. За счет протекания тока через первый резистор 9 происходит разряд интегрирующего конденсатора 3 в интеграторе 1 тока, однако изменения тока через RC-цепь 7 вызванные разрядом конденсатора 3, компенсируются за счет протекания тока через резистор 10, и, следовательно, выходное напряжение операционного усилителя 6 соответствует уровню входного тока (фиг„ 2, Ј , интервал Ц- Ц)„ В момент t2 выходное напряжение интегратора 1 тока превышает нижний пороговый уровень UH и выходное напряжение U о фикса5

10

5

20

5

0

5

тора 13 уровня скачкообразно уменьшается. Длительность интервала t,- t2 равна времени задержки срабатывания Ликсатора 13 уровня. В момент t3 выходной сигнал операционного усилителя 6 достигает порога срабатывания компаратора 14 зоны и его выходное напряжение скачкообразно увеличивается (фиг о 2, ij ) , В момент t выходной сигнал операционного усилк еля 6 достигает верхнего порога срабатывания фиксатора 13 уровня и на его выходе появляется сигнал 1 (, 2 ). Так как выходной сигнал компаратора 14 зоны имеет уровень 1, то в момент tc содержимое реверсивного счетчика 19 увеличивается на единицу, выходное напряжение ЦАП 20 скачкообразно увеличивается, и, так как оно поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 12 и на вывод третьего резистора 11, увеличивается скорость разряда интегрирующего конденсатора 3 в интеграторе 1 тока и компенсируется ток, поступающий на вход операционного усилителя 6. В момент 14. выходное напряжение операционного усилителя 6 скачкообразно уменьшается (фиг. 2,5). В момент t выходное напряжение фиксатора 13 уровня уменьшается до нуля. Длительность интерзала t4- tg определяется временем переключения фиксатора 13 уровня из состояния 1 в состояние О. В течение интервала t«j.- tg продолжается преобразо0

5

вание входного сигнала I

ьхс

В течение

интервала tfi- t выходной сигнал фиксатора 13 уровня принимает уровень 11 ч, так как его входное напряжение

превышает порог срабатывания (фиг„2, ср В момент tg выходное напряжение операционного усилителя 6 становится меньше нижнего порога Фиксатора 13 уровня и по переднему фронту импульса его выходного напряжения содержимое; реверсивного счетчика 19 уменьшается на единицу„ При этом выходное напря0 жение ЦАП 20 скачкообразно уменьшается, уменьшается скорость разряда конденсатора 3 и скачкообразно увеличивается в момент t„ выходное напряжение операционного усилителя -60 Далее

, устройство функционирует на первом поддиапазоне измерения Выходной код поддиапазона поступает на входы элемента ИЛИ 21 и на выходные клеммы 25 кода поддиапазона преобразования.

При работе на первом поддиапазоне преобразования на всех выходах реверсивного счетчика 19 присутствуют сигналы нулевого уровня. Выходной сигнал элемента ИЛИ 21 также имеет нулевой уровень и поступает на третий вход элемента И 17, запрещая при этом прохождение сигналов фиксатора 13 уровня и генератора 15 импульсов на тактовый вход реверсивного счетчика 19„ Таким образом, в момент1 t. содержимое счётчика 19 не изменяется при переходе фиксатора 13 уровня из состояния О в состояние 1. Если в момент вклю- чения устройства входной сигнал I 6Х превышал верхний уровень первого поддиапазона и соответствовал, например, уровню третьего поддиапазона, то вначале фиксатор 13 уровня находится в состоянии В состоянии 1 находится также компаратор 14 зоны, поэтому на выходе логического элемента И 16 появляется сигнал 1, который поступает на N+1-й вход элемен- та ИЛИ 210 Выходной сигнал элемента ИЛИ 21 поступает на третий вход элемента- И 1„ Так как на N+1-м выходе счетчика 19 присутствует в этот момент сигнал О, то на выходе элемента , И-НЕ 18 присутствует сигнал 1 и, следовательно, выходные сигналы генератора 15 импульсов могут проходить на выход элемента И 17 и поступать на тактовый вход С реверсивного счетчика 19, Если после поступления пер- вого импульса с генератора 15 выходное напряжение дифференциатора 5 не уменьшается, то выходные импульсы генератора 15 вызывают дальнейшее

увеличение содержимого реверсивного

счетчика 19 и соответственно увеличение уровня сигнала компенсации,поступающего на инвертирующий вход диффе- ренциального усилителя 1-2„ Если вход- ной сигнал 1Вх превышает предельно допустимую величину для данного устройства, то-происходит запись единицы в N+1-й разряд счетчика 19, на клемме Перегрузка 26 появляется сигнал 1, сигнализирующий о невозможности измерения .входного сигнала Так как при этом на второй вход элемента И-НЕ 18 поступает сигнал 1, то его выходное напряжение принимает уровень О, запрещая при этом прохождение выходных импульсов генератора 15 на тактовый вход реверсивного счетчика 1-9. Для перезапуска устройства на

клемму Сброс 24 поступает сигнал, который обнуляет реверсивный счетчик 19, и поиск поддиапазона преобразования повторяется

Формула изобретения

Устройство для измерения малых токов, содержащее интегратор тока, вход которого соединен с входом устройства, усилитель напряжения, вход которого соединен с выходом интегратора тока, к которому подключен также вход дифференциатора, выход которого соединен с выходом устройства, два резистора, первые выводы которых соединены соответственно с входом интегратора тока и выходом усилителя напряжения, причем дифференциатор содержит дифференцирующую цепь, вход которой соединен с его входом, а выход подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, соединенному также через резистор с его выходом, подключенным к выходу дифференциатора, а неинвертирующий вход операционного усилителя связан с общим проводом устройства, отличающееся тем, что, с целью расширения частотного диапазона в область низких 4acTot и повышения точности измерений, в устройство введены дифференциальный усилитель, третий резистор, фиксатор уровня, компаратор зоны, генератор импульсов, два элемента И, элемент И-НЕ, элемент ИЛИ, реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, причем неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с выходом усилителя напряжения, к инвертирующему входу дифференциального усилителя подключены перрый вывод третьего резистора и выход цифро- аналогового преобразователя, выход дифференциального усилителя соединен с вторым выводом первого резистора, вторые выводы второго и третьего резисторов соединены с неинвертирующим входом операционного усилителя, входы фиксатора уровня и компаратора зоны соединены с выходом дифференциатора, к выходу фиксатора уровня подключены первые входы первого и второго элементов И, к выходу компаратора зоны - второй вход первого элемента И и вход управления направлением счета реверсивного счетчика, к выходу первого элемента И подключены первый вход элемента И-НЕ

и (N+O-й вход элемента ИЛИ, к второму, третьему и четвертому входам второго элемента И подключены соответственно выход генератора импульсов, выход элемента ИЛИ и выход элемента И-НЕ, с выходом второго элемента И соединен тактовый вход реверсивного счетчика, вход начальной установки реверсивного счетчика соединен с клеммой Сброс, причем выходы реверсивного счетчика соединены соответственно с одноименными входами цифроаналогового преобразователя, с клеммами кода поддиапазона и с соответствующими входами элемента ИЛИ, a (N+1) -и выход реверсивного счетчика соединен с клеммой М|Перегрузка.

f t7 It8

Фиг. 2

Фиг.З