Цифровой измеритель отношений электрических емкостей Советский патент 1992 года по МПК G01R27/26 

(Л

С

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения линейных перемещений путем преобразования электрических емкостей в цифровой код. Цифровой измеритель отношений электрических емкостей содержит источник опорного напряжения, тактовый генератор, три коммутатора, рабочую и образцовую емкости, усилитель, синхронный детектор, компаратор, делитель частоты, элементы задержки и совпадения, счетчик, регистр, цифровой индикатор, триггер и RC- фильтр. Измеритель обеспечивает измерения во всем диапазоне без переключения пределов измерения, при значительно большем динамическом диапазоне измерений, и имеет меньшую относительную погрешность. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения линейных перемещений путем преобразования электрических емкостей в цифровой код.

Известны устройства, предназначенные для преобразования отношения электрических емкостей в напряжение постоянного тока, содержащие рабочий и образцовый конденсаторы, усилитель, синхронный детектор, источник опорного напряжения, два коммутатора и генератор прямоугольного напряжения. Дальнейшее преобразование выходного напряжения в цифровой код можно осуществить с помощью стандартного АЦП.

Известные схемы имеют повышенную погрешность за счет двукратного преобразования информационного сигнала, имеется погрешность преобразования отношения емкостей в напряжение и погрешность преобразования в цифровой код.

Известны также устройства для прямого преобразования отношения емкостей в цифровой код, содержащие источники опорного напряжения, коммутаторы, рабочий и образцовый конденсаторы, усилитель, синхронный детектор, интегратор, компаратор, тактовый генератор, цифровую логическую схему, счетчик, регистр памяти и цифровой индикатор.

Известные устройства обладают тем недостатком, что на точность и стабильность этих устройств оказывает влияние дрейф и шумы интегратора и компаратора, что связано с тем, что сравнение рабочей и образцовой емкости происходит на постоянном токе.

VI

сл о

00

со сл

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство, которое выбрано в качестве прототипа.

Прототип, однако, не обеспечивает достаточную точность измерения.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Указанная цель достигается техническим решением, представляющим собой новое устройство, в которое введены триггер, третий коммутатор и RC-фильтр, выход которого соединен с первым входом второго коммутатора, выход тактового генератора соединен с входом синхронизации триггера, информационный вход которого соединен с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом синхронного детектора, второй бхЪд компаратора заземлен, выход триггергГсоедийен с вторым входом элемента совпадения и управляющим входом третьего коммутатора, второй вход которого заземлен, выход источника опорного напряжения соединен с первым входом третьего коммутатора, выход которого соединен с входом RC-филътра.

На чертеже изображен предлагаемый измеритель.

Измеритель содержит источник 1 опорного напряжения, тактовый генератор 2, первый коммутатор 3 и второй коммутатор 4, рабочую емкость 5 и образцовую емкость 6, усилитель 7, синхронный детектор 8, компаратор 9, делитель 10 частоты, элемент 11 задержки, элемент 12 совпадения, счетчик 13, регистр 14, цифровой индикатор 15, триггер 16, третий коммутатор 17 и RC- фильтр 18.

Источник 1 опорного напряжения соединен С первым входом первого коммутатора 3, второй вход которого заземлен. Выход первого коммутатора 3 соеди нён с первым выводом рабочей емкости 5. Первый вход второго коммутатора 4 за землен, ЗТзыход соединен с первым выводом образцовой емкости 6, Вторые выводы рабочей емкости 5 и образцовой емкости 6 объединены и соединены с входом усилителя 7, выход которого соединен с входом синхронного детектора 8.

Тактовый генератор 2 соединен с управ- ляющими входами первого коммутатора 3 и второго коммутатора 4, с управляющим входом синхронного детектора 8, с входом делителя 10 частоты и элемента 12 совпадения. Выход делителя 10 частоты соединен с входом элемента 11 задержки и с управляющим входом регистра 14. Выход элемента 11 задержки соединен с входом сброса счетчика 13. Выход элемента 12 сов

падения соединен с счетным входом счетчика 13, выходы счетчика 13 соединены с информационными входами регистра 14. Выходы регистра 14 соединены с входами

цифрового индикатора 15.

Информационный вход триггера 16 соединен с выходом компаратора 9, первый вход которого соединен с выходом синхронного детектора 8, а второй вход заземлен.

Вход синхронизации триггера 16 соединен с тактовым генератором. Выход триггера 16 соединен с входом элемента 12 совпадения и с управляющим входом третьего коммутатора 17, первый вход которого

соединен с источником 1 опорного напряжения, в второй вход заземлен. Выход третьего коммутатора 17 соединен с входом RC-фильтра 18, выход которого соединен с вторым входом второго коммутатора 4. Измеритель работает следующим образом.

Импульсы с тактового генератора 2 со скважностью, равной 2, поступают на управляющий вход коммутатора 3, который подключает рабочую емкость 5 поочередно

к общему проводу и источнику 1 опорного напряжения. Второй вывод рабочей емкости 5 подключен к низкоомному токовому входу усилителя 7 (виртуальной земле). Поэтому через каждый полупериод импульсов тактового генератора 2 рабочая емкость 5 заряжается и разряжается на величину опорного напряжения.

Величина заряда, протекающего через рабочую емкость 5 при каждом ее перезаряде, пропорциональна величине опорного напряжения и величине рабочей емкости 5. Заряд, протекающий через вход усилителя 7, усиливается и преобразуется им в переменное напряжение, детектируется

синхронным детектором 8, причем фаза заряда такова, что на выходе синхронного детектора 8 получается постоянное положительное напряжение.

Компаратор 9 под действием этого наг(ря&енмя переключается в состояние логической 1.

Триггер 16 переписывает эту логическую 1 во время очередного положительного фронта импульса с тактового

генератора 2.

Логическая 1 с выхода триггера 16 подключает вход RC-фильтра 18 к источнику 1 опорного напряжения через коммутатор 17. При этом RC-фильтр 18 начинает экспоненциально заряжаться.

Коммутатор 4 подключает образцовую емкость 6 поочередно к общему проводу и к выходу RC-фильтра 18, причем коммутация

происходитот тактового генератора 2 в про- тивофазе по отношению к коммутатору 3.

Величина заряда, протекающего через образцовую емкость 6, пропорциональна величине напряжения на выходе RC-фильт- ра 18 и величине образцовой емкости 6.

Если рабочая емкость 5 не превышав образцовую емкость 6, то компенсация противофазных зарядов, поступающих на вход усилителя 7 от рабочей емкости 5 и образ- цовой;емкости б, произойдет при

Сраб

(1)

Србразц

Когда напряжение на выходе НС-фильтра 8 несколько превысит Ui противофаз- ный заряд образцовой емкости б перекомпенсйрует заряд рабочей ё мкости 5, фаза выходного напряжения усилителя 7 изменится на противоположную, полярность выходного напряжения синхронного детектора 8 станет отрицательной. Компаратор 9 переключится в состояние логического О.Ч .-. . , ,

Во время очерёдного положительного фронта импульса тактового генератора 2 триггер 16 переключится в состояние ческогб О. .:

При этом вход RC-фильтра 18 подключится к общему проводу через коммутатор 17. . ,-Ч -: V.:.V -

КС-фильтр 18 начнет разряжаться и когда напряжение на его выходе станет не: сколько меньше Ui, заряд рабочей емкости 5 превысит противофазный заряд образцовой емкости 6.

Фаза выходного напряжения детектора 8 вновь изменится на противоположную, полярность выходного напряжения синхронного детектора 8 станет положительной, компаратор 9 переключится в состояние логической 1. Триггер 16 переключится в состояние логической во время следующего положительного фронта импульса с тактового генератора 2.

При этом вход RC-фильтра 18 подклю- .чится к источнику 1 опорного напряжения через коммутатор 17. Напряжение на выходе RC-фильтра 18 будет нарастать и через некоторое время несколько превысит Ui. При этом противофазный заряд образцовой ёмкости б перекомпенсирует заряд рабочей емкости 5, фаза выходного напряжения усилителя 7 изменится на противоположную, полярность выходного напряжения синхронного детектора 8 станет отрицательной. Компаратор 9 переключится в состояние логического О.

Таким образом, процесс начнет nosfcF ряться. Схема работает в колебательном режиме. Напряжение на выходе RC-фильтра 1.8 колеблется около значения Ui.

Среднее значение напряжения на входе RC-фильтра 18 также равно Ui, поскольку пассивный RC-фильтр 18 имеет ко эффици- ент передачи, равный 1.

Это напряжение обеспечивается за счет определенного соотношения периодов заряда и разряда RC-фильтра.

Uo EJj|.(2)

где Uo - среднее значение напряжения на входе RC-фильтра 18;

Na - количество периодов заряда RC- фильтра 18; -,5

NU- суммарное количество периодов заряда и разряда RC-фильтра 18.

Во время каждого периода заряда RC- фильтра 18 элемент 12 совпадения открывается логической 1 с триггера 16, при этом один импульс поступает на вход счетчика

Через каждые N импульсов тактового генератора 2, которые отсчитываются делителем 10 частоты, состояние счетчика 13 переписывается в регис тр 14 и отображается на цифровом индикаторе 15.

Через время, определяемое элементом 11 задержки, счетчик 13 сбрасывается и начинается новый цикл отсчета.

Приравнивают формулы (1) и (2) и получают из них выражение для №, ко-эрое отображается на цифровом индикаторе 15: Ср$б

..

Собразц Ј

Формул а изобретения Цифровой измеритель отношений электрических емкостей, Содержащий источник опорного напряжения, тактовый генератор, первый и второй коммутатору, рабочую и образцовую емкости, усилитель, синхронный детектор, компаратор, делитель частоты, элемент задержки, элемент совпадения, счетчик, регистр и цифровой индикатор, вход которого соединен с выходом регистра, информационный вход которого соединен с выходом счетчика, вход сброса которого соединен с выходом элемента задержки, вход которого соединен с управляющим входом регистра и выходом делителя частоты, вход которого соединен с выходом тактового генератора, первым входом элемента совпадения, управляющим бходом синхронного детектора и управляющими входами первого и второго коммутаторов, выходы которых соединены соответственно с первыми выводами рабочей и образцовой емкостей, вторые выводы которых объединены и соединены с входом усилителя, выход которого соединен с сигнальным входом синхронного .детектора, счетный вход счетчика соединен с выходом элемента совпадения, вторые входы первого и второго коммутаторов заземлены, первый вход первого коммутатора соединен с выходом источника опорного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены триггер, третий коммутатор и RC-фияьтр, выход которого соединен с первым входом второго коммутатора, выход тактового генерато0

ра соединен с входом синхронизации триггера, информационный вход которого соединен с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом синхронного детектора, второй вход компаратора заземлен, выход триггера соединен с вторым входом элемента совпадения и управляющим входом третьего коммутатора, второй вход которого заземлен, выход источника опорного напряжения соединен с первым входом третьего коммутатора, выход которого соединен с входом RC-фильтра.