Электрометрический преобразователь малых токов и зарядов Советский патент 1991 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике.

Цель изобретения - повышение точности преобразования в области низких частот

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Преобразователь содержит операционный усилитель 1. интегрирующий конденсатор 2, разрядную цепь 3, аналоговый сумматор 4, неинвертирующий усилитель 5, первый и второй резисторы 6 и 7, фильтр 8 нижних частот, .блок 9 выборки-хранения, управляемый генератор 10 импульсов, блок 11 дифференцирования.

К входу 12 устройства подключены первый вывод резистора 6, первая обкладка конденсатора 2 и вход усилителя 5. К выходу 13 преобразователя присоединены вторая обкладка конденсатора 2, первый вывод цепи 3, выход сумматора 4, вход блока 11 и вход блока 9. К выходу усилителя 5 подключены первый вывод резистора 7 и инвертирующий вход усилителя 1, вторые выводы резисторов 6 и 7 соединены с вторым выводом цепи 3. К выходу блока 11 подключен вход генератора 10, выход которого соединен с входом стробирования блока 9. Выход блока 9 через фильтр 8 подключен к второму входу сумматора 4, к первому входу которого подключен выход усилителя 1. Вход управления цепи 3 соединен с входом 14 Сброс устройства.

Неинвертирующий усилитель 5 содержит операционный усилитель 15 и два резистора 16 и 17. Неинвертирующий вход усилителя 15 подключен к входу усилителя 5. к инвертирующему входу усилителя 15 присоединены первые выводы резисторов 16 и 17, их вторые выводы подключены соответственно к общей шине преобразователя и выходу усилителя 15, выход последнего соединен с выходом усилителя 5.

Разрядная цепь 3 может быть выполнена на аналоговом ключе или на программируемом усилителе, вход которого соединен с выходом 13 электрометрического преобразователя, выход - с вторыми выводами резисторов 6 и 7. а вход управления - с входом 14 Сброс,

О

ел

Qs

Јь VJ

О

Электрометрический преобразователь функционирует следующим образом. После подачи питающих напряжений вследствие переходных процессов в схеме выходное напряжение Ui3 электрометрического пре- образователя отлично от нуля, конденсатор 2 заряжен до некоторого уровня (фиг. 2а, интервал времени 0-ti). В момент времени ti на вход 14 Сброс поступает команда начальной подготовки, длительность кото- рой определяется интервалом времени п - t2 (фиг. 26), при этом разрядный ключ 3 замыкается и вторые выводы резисторов 6 и 7 соединяются с выходом электрометрического преобразователя. Происходит разряд конденсатора 2. Так как выходное сопротивление сумматора 4 значительно меньше сопротивления резистора 7, выходной сигнал неинвертирующего усилителя 5 практически не оказывает влияния на разряд конден- сатора 2. После окончания команды начальной подготовки устройство готово к проведению измерений.

В момент времени гз на вход электрометрического преобразователя поступает преобразуемый сигнал Qx (фиг. 2в). Выходной сигнал Ui3 скачкообразно изменяется, его форма соответствует форме входного сигнала. На вход стробирования блока 9 выборки-хранения поступают импульсы Uio (фиг. 2д) с выхода генератора 10, частота которых пропорциональна скорости изменения напряжения Ui3, на выходе блока 9 формируется напряжение иэ(фиг. 2е). К моменту времени м выходное напряжение операционного усилителя 1 практически достигает выходного уровня преобразователя. Входное напряжение Ui (фиг. 2ж) усилителя 1 определяется выходным сигналом Ue (фиг. 2г) фильтра 8 и выходным сиг- налом Ui3:

Ui (Ua-Ui3)/Ki где «1 - коэффициент усиления усилителя 1.

В момент времени ts в блок 9 записывается сигнал, уровень которого практически равен текущему уровню выходного напряжения преобразователя.

Входной сигнал Дч неинвертирующего усилителя 5 после записи сигнала равен

AI -Хвх-ХВЫх/ 1

где Хвх, Хрых входной и выходной сигналы преобразователя,

- коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи.

Так как ХЯЫх Ai KiKs, где Ks коэффи- циент усиления неинвертирующего усилителя 5. то

Хвх

Т + KI kT/fi

Если входной сигнал Хв не успевает измениться до второго импульса с выхода генератора 10, входной сигнал Депосле прихода второго стробирующего импульса на блок будет определяться по формуле

X вх, -Kl ч

1 -4- V VTW. I

Д2

1 -I- U Г+ Ki Ki/Ti Аналогично после третьего импульса управляемого генератора 10

X вх, ,М N.5/51 Л

Дз

( 1 К1 ,2

Ji4 Г+ Ki

1 +Ki K5;

После п тактов и неизменной величине входного сигнала электрометрического преобразователя приведенный входной сигнал An неинвертирующего усилителя 5 определяется по формуле

Г+КтЖ

t 1 - .1 TU r+K7K57 ij

Анализ формулы показывает, что при единичной обратной связи и коэффициенте усиления тракта Кг«5 40, после поступления трех импульсов с генератора 10 приведенный сигнал составляет Лз 10 5 АО . где До входной сигнал неинвертирующего усилителя 5 без введения корректирующего сигнала с выхода блока 9

Таким образом, при усилении медленно меняющихся сигналов (т.е. сигналов, верхняя граничная частота которых значительно меньше частоты выходных сигналов генератора 10 импульсов) результирующий коэффициент усиления в десятки и сотни раз превышает коэффициент усиления тракта преобразования, т.е. введение корректирующего сигнала с выхода блока 9 выборки- хранения позволяет уменьшить погрешность, связанную с ограниченным коэффициентом усиления операционного усилителя 1.

Формула изобретения

Электрометрический преобразователь малых токов и зарядов, содержащий операционный усилитель, интегрирующий конденсатор, первая обкладка которого соединена с входом преобразователя, а вторая обкладка - с первым выводом разрядной цепи и входом блока выборки-хранения, вход управления разрядной цепи подключен к входу Сброс преобразователя, аналоговый сумматор, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя, а выход - с выходом преобразователя, отличающийся тем, что. с целью повышения точности преобразования в области низких частот, в него введены неинвертирующий усилитель, фильтр нижних частот, управляемый генератор импульсов, блок дифференцирования и два резистора, причем с входом преобразователя соединины вход неинвертирующего усилителя и первый вывод первого резистора, выход неинвертирующего усилителя подключен к первому выводу второго резистора и инвертирующему входу операционного усилителя, вторые выводы резисторов соединены с вторым выводом разрядной цепи, вторая обкладка интегрирующего конденсатора

подключена к входу блока дифференцирования и выходу устройства, выход блока дифференцирования через управляемый генератор импульсов подключен к входустро- бирования блока выборки-хранения, выход которого через фильтр нижних частот подключен к второму входу аналогового сумматора.

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель изобретения - повышение точности преобразования в области низких частот Преобразователь содержит операционный усилитель (ОУ) 1, ин тегрирующий конденсатор 2, разрядную цепь 3, аналоговый сумматор 4, блок 9 выборки-хранения. Введение неинвертирующего усилителя 5, фильтра 8 низких частот управляемого генератора 10 импульсов, блока 11 дифференцирования и резисторов 6. 7 обеспечивает уменьшение погрешности, связанной с ограниченным коэффициентом усиления ОУ, при сохранении высоких динамических характеристик устройства. 2 ил.