Функциональный преобразователь Советский патент 1992 года по МПК G06G7/26 

1

(21)4811456/24

(22) 09.04.90

(46) 23.09.92. Бюл. № 35

(71)Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции

(72)И.Ю.Сергеев, М.Ю.Парамонов, Ю.А.Двораковский и А.С.Юссеф

(56) Авторское свидетельство СССР Ne 905878, кл. G 01 R 27/26, 1980.

Авторское свидетельство СССР № 679997, кл. G 06 G 7/26,1977.

(54) ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при построении систем автоматизированного контроля. Функциональный преобразователь содержит источник опорного напряжения 1, запоминающие конденсаторы 4, 9, операционный усилитель 5, интегрирующий конденсатор 10, блок выборки-хранения 6, шесть ключей 2, 3, 7, 8, 12, 13, блок синхронизации 11. Изобретение обладает высокой точностью за счет устранения погрешности, обусловленной наличием напряжения смещения операционного усилителя, 2 ил.

-Ј#

(Л

С

VI

О О О 4

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при построении систем автоматизированного контроля.

Известны функциональные преобразо- ватели, используемые в измерительной технике (например, авт.св. СССР № 864185, кл. G 01 R 27/26, 1981; № 894856, кл. Н 03 К 13/02, 1981; № 679997, кл. G 06 G 7/26, 1979).

Устройства по авт.св. № 864185, 894856 содержат источник опорного напряжения, ключи, интегратор блок выборки-хранения, устройство управления.

Устройство по авт.св. № 894856 преобразует разность электрических емкостей двух конденсаторов в код и в широтно-мо- дулированный сигнал. В устройстве по авт.св. Ms 864185 осуществляется допуско- вый контроль емкости конденсаторов за счет сравнения с образцовыми конденсаторами. Все указанные устройства в процессе преобразования входных величин в выход- ные реализуют интеративно-интегрирую- щий метод преобразования, благодаря чему при относительной простоте и невысоких требованиях к параметрам большинства входящих в их состав блоков они обладают довольно высокой точностью преобразования. Однако их общим недостатком является инструментальная погрешность, возникающая из-за напряжения смещения на входе операционного усилителя.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство по авт.св. № 679997, содержащее интегратор, ключи, блок выборки-хранения, источник эталонного напряжения, блок управления, накопительные конденсаторы. Устройство представляет собой функциональный преобразователь, осуществляющий преобразование произведения отношения емкостей двух конденсаторов и отношения двух зависящих от параметров входных широтно-импульсно-модулирован- ных сигналов экспоненциальных членов в напряжение постоянного тока, Данное уст- ройство, как и описанные выше, реализует интеративно-интегрирующий метод преобразования, что обеспечивает ему при срав- нительной простоте аппаратурной реализации достаточно высокую точность преобразования Однако напряжение смещения на входе оперативного усилителя вносит погрешность в функцию преобразования. Так, выходное напряжение преобразователя после первого цикла составляет

UP

(Ер + UCM) Се Кп , , | м Кп Сют иВЬ1х- +UH 1 -,

где Ео - напряжение источника опорного напряжения;

UCM - напряжение смещения на входе операционного усилителя;

Сэ и Ci - емкости конденсаторов 9 и 1;

Кп - коэффициент передачи схемы выборки-хранения;

DH - напряжение на выходе преобразователя до начала работы;

Сю - емкость конденсатора 10. После окончания n-го цикла

,. (Ео + UCM) G) Кп Г1

ивыхп - -1р- 2j П

Кп С101Г1 ... Г1 Кп Сю1П

сГ cT

В результате выходное напряжение преобразователя определяется выражением s (Ео+иСм)СЬ

Сю

Таким образом, функция преобразования зависит от напряжения смещения на входе операционного усилителя, что является недостатком.

Цель изобретения - повышение точности преобразования за счет устранения по- грешности, обусловленной наличием напряжения смещения операционного усилителя.

На фиг,1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - временная диаграмма работы блока синхронизации.

Функциональный преобразователь содержит включенные последовательно источник опорного напряжения 1, ключи 2 и 3, запоминающий конденсатор 4, подключенный первой обкладкой к ключам 2 и 3, включенные последовательно операционный усилитель 5, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине устройства, блок выборки-хранения 6, выход которого подключен к выходу устройства, ключи 7 и 8, запоминающий конденсатор 9, подключенный первой обкладкой к ключам 7 и 8, интегрирующий конденсатор 10, подключенный первой обкладкой к инвертирующему входу операционного усилителя 5, и блок синхронизации 11, подключенный выходом Ф1 к управляющим входам ключей 3 и 8, выходом Ф2 - к управляющему входу ключа 2, выходом ФЗ - к управляющему входу ключа 7, а выходом Ф4 - к входу упревления блока выборки-хранения, ключ 12, подключенный к инвертирующему входу и выходу операционного усилителя 5, а такхе к второй обкладке конденсатора 9 и выходу Ф1 блока 11, и ключ 13, подключенный к выходу

операционного усилителя 5, второй обкладке конденсатора 10 и выходу Ф1 блока 11, причем вторые обкладки конденсаторов 4 и 9 подключены к инвертирующему входу операционного усилителя 5, а ключи 3 и 8 подключены к общей шине устройства.

Функциональный преобразователь работает циклично. В каждом цикле блок 11 в соответствии с фиг.2 формирует четыре управляющих сигнала Ф1, Ф2, ФЗ, Ф4. По сигналу Ф1 ключи 3, 8 и 12 замыкаются, а ключ 13 размыкается. По сигналу Ф2 замыкается ключ 2, а по сигналу ФЗ замыкается ключ 7. По сигналу Ф4 замыкается ключ блока 6 выборки-хранения - осуществляется выборка и запоминание выходного напряжения операционного усилителя 5 блоком выборки-хранения 6. Таким образом, конденсатор 4 сначала заряжается до напряжения I JCM, а затем перезаряжается до напряжения Е0- UCM. В результате перезаряд связан с изменением заряда, равного Е0С4, где С4 -емкость конденсатора 4, и не зависит от UCM. Этот заряд передается на конденсатор 10. Аналогично конденсатор 9 предварительно заряжается до напряжения UCM, а затем перезаряжается до напряжения UBUX - UCM. При этом на конденсатор 10 передается заряд, равный иВыхСэ, не зависящий от UCM,

Пусть перед началом первого из рассматриваемых циклов выходное напряжение блока выборки-хранения 6 равно UH, a управляющие сигналы Ф1, Ф2 и ФЗ имеют длительность, достаточную для полного заряда и разряда конденсаторов 4 и 9. В первом цикле работы после подачи управляющего сигнала Ф1 операционный усилитель 5 превращается в повторитель напряжения, а конденсаторы 4 и 9 заряжаются до уровня напряжения смещения операционного усилителя 5, ключ 13 размыкается и препятствует разряду конденсатора 10, По сигналу Ф2 перезаряжается конденсатор 4, в результате чего конденсатору 10 сообщается заряд С4Е0, По сигналу ФЗ перезаряжается конденсатор 9, в результате чего конденсатору 10 сообщается заряд СэиВых. По сигналу Ф4 осуществляется выборка выходного напряжения операционного усилителя 5 с последующей подачей этого напряжения на выход устройства. В результате после окончания цикла выходное напряжение блока выборки-хранения 6 станет равным

EoCx+UHQ,

. . Ео Сх , , , UH Сэ Со Х

Ui -хh UH -

Сп Сп Сп

где Сх и Сэ - емкость конденсаторов 4 и 9 соответственно;

Сп - емкость конденсатора 10;

Q1 Сэ 1 - р-..

1-п

осле окончания второго цикла

U2

Е0Сх

Сп Е0Сх Сп

+ U1UiC3Cn

(1 + Q) + unQ

0

5

0

5

0

5

0

5

После окончания n-го цикла

Un-. ЈQH + uHQn. Сп j

Последнее выражение состоит из двух слагаемых, первое из которых является геометрической прогрессией со знаменателем прогрессии, равным Q, сходящейся при выполнении условия IQ) 1. Q убывает по модулю при выполнении этого же условия и при п - сочлена UnQn. Используя формулу для определения суммы бесконечного числа членов геометрической прогрессии, можно определить выходное напряжение блока выборки-хранения 6 в установившемся режиме в следующем виде;

Ц

Е0Сх

1

Сп 1 - Q и Сэ

Блок синхронизации представляет собой включенные последовательно генератор, счетчик и дешифратор.

Следует обратить внимание, что функция преобразования данного устройства не зависит от напряжения смещения операционного усилителя 5, что позволяет осуществить преобразование с более высокой точностью. Так, к примеру, если в устройстве употреблен операционный усилитель типа 544УД2А, имеющий дрейф напряжения смещения, равный ТШсм 50 мкВ/°С, то при входном напряжении Е0 0,1 В и при изменении температуры на 10°С это привело бы к погрешности, равной

(Ео + UCM) C4 - (-ивых + UCM) Co, Uebix Ео + 2 UCM

СэСэ

абсолютная погрешность

0

5

,2ULAt

100 %

2 50 10

1 10

г 6

- 1

10

Ео

х100 1%.

Изобретение позволяет повысить точность преобразования. Благодаря повышению точности предлагаемый преобразователь может быть использован в высокоточных преобразователях емкости или отношения двух емкостей в напряжение.

Формула изобретения Функциональный преобразователь, содержащий источник опорного напряжения,

четыре ключа, блок выборки-хранения, выход которого является выходом преобразователя, операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной преобразователя, два запоминающих и интегрирующий конденсаторы, блок синхронизации, источник опорного напряжения соединен через первый ключ с первой обкладкой первого запоминающего конденсатора, которая подключена к первому выводу второго ключа, инвертирующий вход операционного усилителя соединен с первой обкладкой интегрирующего конденсатора, а выход соединен с вхо- дом блока выборки-хранения, выход которого является выходом преобразователя и через третий ключ соединен с первой обкладкой второго запоминающего конденсатора и первым выводом четвертого ключа,

Ф1

Ф2

DП П П j

п п п п./

управляющие входы первого, второго, третьего ключей и блока выборки-хранения соединены с соответствующими выходами блока синхронизации, отличающийся

тем, что, с целью повышения точности преобразования, в него введены пятый и шестой ключи, управляющие входы которых соединены соответственно с управляющими входами второго и четвертого ключей,

инвертирующий вход операционного усилителя соединен с вторыми обкладками первого и второго запоминающих конденсаторов и через пятый ключ - с выходом операционного усилителя, выход которого через шестой ключ соединен с второй обкладкой интегрирующего конденсатора, вторые выводы второго и четвертого ключей соединены с общей шиной преобразователя.

л

и

Фие.2

Л