Измерительный преобразователь емкости датчика Советский патент 1992 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к области измерительной и преобразовательной техники и может найти применение в устройствах преобразования физических величин с емкостными датчиками.

Известен преобразователь емкости датчика, содержащий датчик, генератор переменного напряжения, электронный ключ, диодно-резистивные цепи, фильтр низкой частоты и сумматоры.

Недостатками известного преобразователя являются низкие чувствительность и помехоустойчивость, обусловленные тем, что для получения информации о емкости датчика используется только процесс разряда этой емкости. Кроме того, известный преобразователь имеет низкую точность, которая обусловлена влиянием паразитных емкостей соединительных проводов, подключающих емкостный датчик к преобразователю.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является измерительный преобразователь емкости датчика, содержащий генератор переменного напряжения, первый вывод которого соединен с первым электродом емкостного датчика, диод, включенный встречно-параллельно базо-эмиттерному переходу транзистора, эмиттер которого подключен к второму электроду емкостного датчика, база подключена к второму выводу генератора переменного напряжения, а коллектор является выходом преобразователя, причем первый электрод емкостного датчика подключен к общей шине.

Работа известного устройства заключается в следующем.

Переменное напряжение с выхода генератора поступает на базу транзистора, кото- рый в зависимости от соотношения напряжений на базе и эмиттере оказывается в проводящем или непроводящем состоянии. Поскольку в качестве эмиттерной нагрузки транзистора служит конденсатор датчика, то в течение времени, когда транзистор проводит ток, его эмиттерный ток, а следовательно, и ток коллектора будут пропорциональны емкости конденсатора датчика. В период времени, когда транзистор находится в непроводящем состоянии, конденсатор датчика перезаряжается через диод напряжением с выхода генератора переменного напряжения.

Основным недостатком известного устройства является низкая точность преобразователя, обусловленная прямым влиянием паразитных емкостей проводов по отношению к общей шине, соединяющих датчик со схемой преобразователя. Этот недостаток

ограничивает применение известного устройства при удалении преобразователя от емкостного датчика.

Цель изобретения - повышение точности за счет уменьшения влияния паразитных емкостей на результат преобразования. Поставленная цель достигается тем, что в измерительный преобразователь емкости датчика, содержащий генератор перемен0 кого напряжения, первый вывод которого соединен с первым электродом емкостного датчика, диод, включенный встречно-параллельно базо-эмиттерному переходу первого транзистора, эмиттер которого подключен к

5 второму электроду емкостного датчика, дополнительно введены второй, одного типа проводимости с первым, транзистор, первый дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к

0 эмиттеру первого транзистора, базе второго транзистора, неинвертирующий вход - к второму выводу генератора переменного напряжения и общей шине, а выход - к базе первого транзистора и эмиттеру второго

5 транзистора, зеркало тока, вход которого подключен к коллекторам первого и второго транзисторов, а выход - к входу преобразователя ток-напряжение, выход которого является выходом измерительного

0 преобразователя.

Преобразователь ток-напряжение содержит второй дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого является входом преобразователя ток-на5 пряжение и через параллельно соединенные резистор и конденсатор подключен к своему выходу,, неинвертирующий вход подключен к общей шине, а выход является выходом измерительного преобразова0 теля.

На фиг, 1 представлена принципиальная схема измерительного преобразователя емкости датчика; на фиг. 2 - принципиальная схема преобразователя ток-напряже5 ние.

Преобразователь содержит генератор 1 переменного напряжения, первый вывод которого соединен с первым электродом емкостного датчика 2, диод 3, включенный

0 встречно-параллельно базо-эмиттерному переходу первого транзистора 4, эмиттер которого подключен к второму электроду емкостного датчика 2, второй, одного типа проводимости с первым, транзистор 5, пере вый дифференциальный усилитель 6, инвертирующий вход которого подключен к эмиттеру первого транзистора 4 и базе второго транзистора 5, неинвертирующий вход - к второму выводу генератора 1 переменного напряжения и общей шине, а выход - к

базе первого транзистора 4 и эмиттеру второго транзистора 5, зеркало 7 тока, вход которого подключен к коллекторам первого и второго транзисторов 4 и 5, а выход - к входу преобразователя 8 ток-напряжение, выход которого является выходом преобразователя.

Преобразователь 8 ток-напряжение содержит второй дифференциальный усилитель 9, инвертирующий вход которого является входом преобразователя 8 ток-напряжение и через параллельно соединенные резистор 10 и конденсатор 11 подключен к своему выходу, неинвертирующий вход подключен к общей шине, а выход является выходом преобразователя 8.

При использовании первого и второго транзисторов 4 и 5 n-p-п типа проводимости в качестве зеркала 7 тока необходимо использовать зеркало выте- кающего тока.

Преобразователь работает следующим образом.

Переменное напряжение с первого вывода генератора 1 поступает на первый электрод датчика 2. Первый дифференциальный усилитель 6 включен по схеме повторителя напряжения и поддерживает в точке соединения второго электрода датчика 2с базой первого транзистора 4 и эмиттером второго транзистора 5 напряжение, равное напряжению на втором выводе генератора 1, т.е. потенциалу общей шины. Отсюда следует, что все выходное напряжение генератора 1 приложено к электродам датчика 2, а значит ток, протекающий через него, является мерой его емкости.

При положительной полярности напряжения на первом выводе генератора 1 ток, протекающий через конденсатор дат- чика 2, протекает через диод 3, создавая на нем падение напряжения, которое прикладывает к базо-эмиттерному переходу второго транзистора 5 и переводит его в активный режим, причем ток коллектора второго транзистора 5 будет по знаку и величине приблизительно равен току, протекающему через диод 3. Среднее значение коллекторного тока второго транзистора 5 следующее:

,22иш f С,

где Is - среднее значение коллекторного тока второго транзистора 5 за один полупе- риод работы генератора 1;

DUI и f - амплитуда и частота напряжения генератора 1 переменного напряжения

С - емкость конденсатора датчика 2.

При отрицательной полярности напряжения на первом выводе генератора 1 в активный режим переводится первый транзистор 4, коллекторный ток которого приблизительно равен по величине току, протекающему через конденсатор датчика 2, но противоположен по знаку. Среднее значение коллекторного тока первого транзистора 4 следующее:

i4 2,22 Uui f С ,

(2)

где Ц - среднее значение коллекторного тока первого транзистора 4 за один полупериод работы генератора 1.

Коллекторные токи первого и второго транзисторов 4 и 5 поступают на вход зеркала 7 тока, выходной ток которого следующий:

. f -С.

(3)

Выходной ток зеркала 7 тока поступает на вход преобразователя 8 ток-напряжение, выходное напряжение которого

U9«4RioUuj -f С,

(4)

2530 3540 45 JQ

55

где Rio - величина сопротивления резистора 10.

Таким образом, из полученного выражения (4) видно, что выходной сигнал предлагаемого устройства, как и известного устройства, пропорционален емкости конденсатора датчика 2, но в отличие от известного устройства уменьшено влияние паразитных емкостей проводов по отношению к общей шине, соединяющих датчик 2 со схемой преобразователя. Это объясняется следующим. Емкость провода по отношению к общей шине, соединяющего первый электрод датчика 2 с первым выводом генератора 1 переменного напряжения, не влияет на результат преобразования, так как является нагрузкой по выходу генератора 1 переменного напряжения.

Влияние емкости провода по отношению к общей шине, соединяющего второй электрод датчика 2 со схемой преобразователя, в предлагаемом устройстве по сравнению с известным существенно уменьшено. Это обусловлено тем, что потенциал второго электрода датчика 2 за счет глубокой отрицательной связи первого дифференциального усилителя 6 поддерживается равным потенциалу общей шины, т.е. обкладки паразитной емкости оказываются равнопоте- циальными, что и уменьшает их влияние на результаты преобразования и повышает точность.

Ф о р м у л а и з о б р ет е н и я

1. Измерительный преобразователь емкости датчика, содержащий генератор пере- менного напряжения, первый вывод которого соединен с первым электродом ем- костного датчика, диод, соединенный встречно-параллельно база-эмиттерному переходу первого транзистора, эмиттер которого соединен с вторым электродом емкостного датчика, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения влияния паразитных емкостей на результат преобразования, в него введены второй, одного типа проводимости с пер- вым, транзистор, дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с эмиттером первого транзистора и базой второго транзистора, неинвертиру0

ющий вход соединен с вторым выводом генератора переменного напряжения и с общей шиной, а выход - с базой первого транзистора и эмиттером второго транзистора, вход зеркала тока соединен с коллекторами первого и второго транзистора, а выход - с входом преобразователя ток-напряжение, выход которого является выходом измерительного преобразователя.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что преобразователь ток-напряжение содержит второй дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого является входом преобразователя ток-напряжение и через параллельно соединенные резистор и конденсатор соединен со своим выходом, неинвертирующий вход соединен с общей шиной, а выход является выходом измерительного преобразователя.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использо- вания в устройствах преобразования физических величин с емкостными датчиками. Цель изобретения - повышение точности путем уменьшения влияния паразитных емкостей. Генератор 1 переменного напряжения соединен с выводом датчика 2, диод 3 подсоединен встречно-параллельно базо- эмиттерному переходу транзистора 4, его эмиттер соединен с вторым выводом датчика. База второго транзистора 5 соединена с инвертирующим входом дифференциального усилителя бис эмиттером первого транзистора, неинвертирующий вход усилителя соединен с вторым выводом генератора и с общей шиной, а выход - с базой первого транзистора и эмиттером второго транзистора. С коллекторами обоих транзисторов соединен вход зеркала 7 тока, выход которого соединен с входом преобразователя 8 ток - напряжение, выход которого является выходом всего устройства. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. (Л

L.

Фиг. 2