Цифровой вольтметр-электрометр Советский патент 1981 года по МПК G01R19/26 

(54)цифровой ВОЛЬтаНТР-ЭЛЕКТРОМЕТР

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к электр метрическим измерениям сигналов малой мощности, и может использоваться при исследовании МОП-структур, в частности интегральных схем, при измерениях сигналов первичных измерительных преобразователей в газовой хроматографии, при фоновых измерениях радиоактивности, при измерении иониза ции воздуха и др. Известно устройство для- измерения тока, содержащее электрометрический усилитель постоянного тока, селектор нуля, преобразователь время-ток, анализатор времени, источник опорного напряжения, измерительный ковденсатор и ключ на входе pj, Однако схема измерителя построена таким образом, что выходное компенсирующее напряжение с выхода источника опорного напряжения через измерительный конденсатор поступает на вход электрометрического усилителя постоянного тока. Для обеспечения хорошей разрешающей способности устройства это напряжение не может быть выбрано меньше десятых долей вольта. Известен также универсальмлй цифровой вольтметр-электрометр,содержащий источник опорного напряжения, выход которого подключен к первому входу вольтметра, входной электрометрический преобразователь, содержащий интегратор, вход которого подключен к второму входу вольтметра а выход - к третьему входу вольтметра, и блок управления, первый выход . которого подключен к управляющему входу интегратора 2. Недостатком устройства является о, что погрешность измерения тока оставляет на чувствительном пределе % и определяется, в основном, нетабильностью используемых измерительных элементов - композиционных: езисторов, которые обуславливают также увеличение шумов и снижение бы родействия -вольтметра. Цель изобретения - повышение точности и чувствительности измерения т ка, повышение достоверности результатов и сокращение времени измерения сопротивления при одновременном упрощении вольтметра. . Поставленная цель достигается тем, что в универсальный цифровой, вольтметр-электрометр,содержащий ИСТОЧ1ШК опорного напряжения, выход которого подключен к первой входной иине, входной электрометрический пре образователь, содержащий интегратор, вход которого подключен ко второй вх ;ной шине,а выход - к третьей ходной пмне, и блок управления, первый выход которого подключен к управляющему входу интегратора введены компаратор, первый вход которого подклю чен к выходу интегратора, а выход ко входу блока управления, цифроаналоговый преобразователь, аналоговый выход-которого подключен ко второму входу компаратора, блок выборки и хранения, выход которого подключен к выходной шине, а вход - к аналоговому выходу цифроаналогового преобразователя, вычислительный блок выход которого подключен ко входу цифроаналогового преобразователя, цифровой выход которого подключен к входу вычислительного блока, при этом управляющие входы блока выборк и хранения и вычислительного блока п ключены ко второму и третьему выход блока управления соответственно. На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства, Вапьтметр содержит источник 1 опорного напряжения, вход которого подключен к первому входу 1-1 вольтметра, входной электрометрический преобразователь, содержащий интегратор 2 с измерительным коаденсатором (не показан), при этом вход интегратора подключен ко второму входу 2-1 вольтметра, а выход - к третьему его входу 2-2, устройство 3 управления, компаратор 4, один из входов которог подключен к выходу интегратора 2, а выход - к устройству 3 управления, цифроаналогоный преобразователь(ПАП 5 , аналоговый выход которого подключен ко второму входу компаратора 4 и ко входу устройства 6 выборки и хранения, выход которого подключен К ВЫХОДУ вольтметра, вычислительное устройство 7, выход которого подключен ко входу ЦАП, 5, цифровой выход которого подключен ко входу вычислительного устройства, и общую щину 8, при этом управляющие входы интегратора 2, устройства 6 выборки и хранения и вычислительного устройства 7 подклю чены к соответствующим выходам устройства 3 управления. Предлагаемое устройство работает следукицим образом. Цифровой дольтметр-электрометр предназначен дпя измерения нескольких параметров. В режиме измерения тока измерение производится при подключении исследуемого источника тока между входом 2-1 вольтметра и общей шиной 8. Работу устройства в этом режиме можно условно разбить на цикл контроля степени 3аряженности емкости измерительного конденсатора интегратора 2 и цикл рабочего измерения. Измерение при этом производится только в том случае если напряжение на измерительном конденсаторе не превышает заданного значения, которое определяется динамическим диапазоном интегратора и обычно составляет 10 Е. Цикл измерения заключается в нахождении текущего значения разности послёдуннцего и предыдущего значений выходного напряжения интегратора 2. Выборки напряжений производятся ЦАП 5. Период Т следования выборок определяется заданным соотношением быстродействия и чувствительности универсального вольтметра,Минимальное значение Т ограничивается быстродействием ЦАП и равно -10 + 100 МКС. Период Т выбирается например для повышения помехоустойчивости вольтметра кратным частоте питающей сети или помехи. Вычисленное значение разности, реобразованное ЦАП 5 в аналоговое апряжение, поступает на вход устройтва 6 выборки и хранения, на выходе оторого получается гистограмма наряжения, пропорциональная входному оку. Учитьгоая возможность производить выборки с любым периодом мкс, ыходной сигнал вольтметра можно читать непрерывным. В начале работы интегратор 2 разяжается по сигналу устройства 3 правления, при этом необходимые чейки памяти вычислительного уст5834ройства 7 устанавливаются в нулевое состояние. По окончании разряда измерительный конденсатор интегратора 2начинает заряжаться со скоростью, определяемой значением измеряемого тока. Через время Т происходит сравнетние выходных напряжений интегратора 2 и ЦАП 5 на компараторе 4, При равенстве этих напряжений код, записанный в регистре ЦАП, по сигналу устройства ю 3управления, возникающему в ответ на выходной сигнал компаратора.перепйсывается в вычислительное устройство 7. Аналого-цифровое преобразование осуществляется по принципу поразрядного уравновешивания, причем входные кодовые последовательности ЦАП формируются в вычислительном устройстве 7 по комаоде устройства 3 управления. Из меренное значение напряжения (j сравнивается в вычислительном устройстве с постоянной К, которая определяется максимальным значением напряжения динамического диапазона интегратора 2, и, если{и| К, то цикл работы повторяется с момента начала разряда интегратора 2, если же|Ц| К, то Измерение продолжается, т, е. вычисле ние разности Значение соответствует выходному напряжению ин-30 тегратороа в VI-ый цикл измерения.В первом цикле измерения напряжение 1). . равно нулю:, вычисленное значение р.азности и, UH- с выхода вычисл .тельного устройства 7 поступает на вход ЦАП 5, выходное напряжение которого пропорциональное входному то ку, поступает на вход устройства 6 выборки и хранения, где запоминается по сигналу устройства 3 управления, В дальнейшем цикл измерений по торяется с момента начала времени ожидания Т до тех пор, пока модуль выходного напряжения интегратора 2 не превысит значения К, I ,В режиме измерения сопротивле;ния Rj( измеритель подключается между входами 1-1 и 2-1 Вольтметра, Структура измерителя и последовател ност% операций 1ри этом измерении полностью совпадгиот со структурой и последовательностью операций при измерении тока с той лишь разннцей, что вместо определения разности Uy,-U в вычислительном устройстве 7 щ)оисходит вычисление текущего значений величины 3 В режиме измерения заряда нсследуемый объект подключается меяду входом 2-1 и общей шиной 8 вольтметра. Структура и последовательность операций при этом измере1ши полностью совпадают со структурой и последовательностью операций при измерениях тока и сопротивления с той лишь разницей, что в вычислительном устройстве в каяоф1й цикл производится вычисление значения где U -выходное напряжение интегратора в первом цикле измерения, Объект, заряд которого измеряется. подключается к вольтме.тру после его включения, т, е, после прохояздени первого цикла измерений, В режиме измерения напряжения измерение осуществляется обычным методом при подключении измеряемого объекта между входами 2-1 и 2-2 вольт-. метра. Выходное напряжение входного электрометрического преобразователя сравнивается на входе компаратора 4 с выходным напряжением ЦАП 5. В момент равенства этих напряжений выходное аналоговое напряжение ЦАП поступает через устройство 6 выборки и хранения на выход вольтметра, а цифровой код этого напряжения - в вычислительное устройство 7 и при необходимости индицируется обычным способен. Формула изобретения Цифровой вольтметр-электрометр, содержащий источник опорного напряжения , выход которого подключен к первой входной шине, входной электрометрический преобразователь,содержащий .интегратор, вход которого подключен ко второй входной шине, а выход к третьей входной шине и блок управления, первый выход которого подключен к управляющему входу интегратора, личающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности измерения тока, повышения достоверности результатов и сокращения времени измерения сопротовления при одновременном упрощении вольтметра, в него введены компаратор, первый вход которого подключен к выходу интегратора, а выход - ко входу блока управления, цифроаналоговый преобразователь, аналоговый выход которого подключен ко второму

7834553

входу компаратора, блок выборки и хране{шя, выхор, которого подключен к выходной шине, а вход - к аналоговойу выходу цифроаналогового преобразователя, вычислительный блок, s выход которого подключен ко входу цифроаналогового преобразователя, цифровой выход которого подключен ко входу вычислительного блока, при этом управляющие входьг блока выборки io и хранения и вычислительного блока

8

подключены ко второму и третьему выходам блока управления соответственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Техническое описание универсального цифрового вольтметра-электметра В 7-30, 1976.