Преобразователь емкости в частоту

(53) 621.317.333 тельной те может быть исполь У 48 ий политех алинина и В.С.Гу(57) Изобретен относится ко ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТ зовано в измерителях с емкостными датчиками. Цель - повышение точности измерения. Устройство содержит источник 1 опорных напряжений, переключатели 3 и 4, компаратор б, интегратор 7 измеряемый и образцовый конденсаторы 8 и 9; соответственно усилитель 1 О сигнала неравновесия, логический блок 11, синхронный детектор 12. Введение в устройство генератора 5 треугольного напряжения, логического блока 11 и аналогового инвертора 2 позволило уменьшить погрешности преобразования за счет уравновещива" ния мгновенных значений токов, протекающих через образцовый и измеряемый конденсаторы, 2 ил.Изобретение относится к измеритель-.ной технике, в частности к устройствам для измерения параметров электрических цепей.5Целью изобретения является повьппение точности преобразования за счетуравновешивания мгновенных значенийтоков, протекающих через образцовыйи измеряемый конденсаторы. 10На Фиг.1 приведена структурнаясхема устройства; на Фиг.2 - времен"ные диаграммы, поясняющие его работу.Устройство содержит источник 1опорных напряжений, аналоговый инвертор 2, электронные переключатели ,3 и 4, генератор 5 треугольного напря, жения, компаратор 6, интегратор 7,измеряемый 8 и образцовый 9 концен ,сатори, усилитель 10 сигнала иеранновесия, логический блок 11, синхрон-,ный детектор 12.Выходы. источника 1 соединены свходами генератора 5 и через пере, ключатель 3 - с первым входом компаратора 6, первые выводы конденсато ров 8 и 9 соединены между собой и свходом усилителя 10, выходы которогосоединены с сигнальными входами синх ронного детектора 12, выход которогосоединен с первым входом переключателя 4 и, через аналоговый инвертор 2с его вторим входом, выход переключателя 4 соединен с входоминтеграто, ра 7, выход которого соединен с вторым входом компаратора б и вторым35выводом конденсатора 9, второй выводконденсатора 8 соединен с аналоговымвыходом генератора 5, .управляющий вы, ход которого соединен с первым вхо дом логического блока 11, второй входкоторого соединен с выходом компаратора 6 и управляющими входами переключателей 3 и 4, первый и второй выходы логического блока 11 соединенысоответственно с первым и вторым управляющими входами синхронного детектора 12,Логический блок 11 содержит логические элементы И 13, ИЛИ-НЕ 14,50 ИЛИ 15,16 и триггеры 17,18, причем первый вход элемента И 13 соединен с первым входом элемента ИЛИ-НЕ 14, с входом триггера 17 и является пер-., вым входом логического блока 11, второй вход элемента И 13 соединен с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ 14 и является вторим входом логического блока 11, выход элемента И 13 соединен с первым входом элемента ИЛИ 15 и является вторым выходом логического блока 11, выход элемента ИЛИ-НЕ 14 соединен с вторыми входами элементовИЛИ 15 и 16, выход элемента ИЛИ 16 является первым выходом логического блока 11, выход элемента ИЛИ 15 соединен с входами В триггеров 17 и 18, выход триггера 17 соединен с входом Т триггера 18, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 16.Синхронный детектор 12 содержит конденсаторы 19,20, переключатели 21, 22, конденсатор 23, усилитель 24, причем унранляющие входы переключателей 21 и 22 являются соответстненл но первым и вторым управляющими входами синхронного детектора 12, первые выходы переключателей 21 и 2 соединены между собой, с инвертирующим - нходом усилителя 24 и с первым выводом конденсатора 23, второй вывод которого соединен с выходом усилителя 24 и является выходом синхронного детектора 12, входы переключателей 21 и 22 соединены с входами синхронного детектора 12 через конденсаторы 20 и 19.Устройство работает следующим образом.Генератор 5 Формирует на своем инФормационном выходе сигнал треугольной Формы со стабильной частотой и амплитудой, равной +11,где +11, ныходное напряжение источника 1 (см. Фиг.2.1), Аналоговый инвертор 2, переключатели 3 и 4, компаратор б и интегратор 7 представляют собой преобразователь напряжение-частота (ПНЧ). На выходе интегратора 7 формируется треугольное напряжение (см. Фиг2,2) с амплитудой фП , размах которого стабильно поддерживается в пределах данного значениякомпаратором б При возрастании напряжения на выходе интегратора 7 до значения +Цоп срабатывает компаратор 6, на первый вход которого подается +Ц,п, через переключатель 3 от источника 1, а на второй вход - выходной сигнал интегратора 7. Выходной сигнал компаратора 6 управляет работой переключателя 3 и 4, следовательно, напряжение на первом входе компаратора 6 становится равным -11 д,так как теперь первый вход компаратора 6 через переключатель 3 подключен к выходу-Бисточника 1. Одновременно с переключением переключателя 3 переключается и переключатель 4, вследствие чего знак напряжения прило 5 женного к входу интегратора 7 -11 х меняется на противоположный +Уз, счет применения аналогового инвертора 2Выходной сигнал интегратора 7 меняет направление интегрирования и при достижении на его выходе напря" жения, равного -П и, опять срабатывает компаратор 6, переключатели 3 и 4 занимают первоначальные положения, и весь процесс периодически повторяется. Чем больший уровень выходного напряжения с синхронного детектора 12 подается на вход ПНЧ, т.е. на вход аналогового инвертора 2 и нормально замкнутую входную цепь коммутатора 20 4, тем выше частота выходного тре-угольного сигнала на выходе интегратора 7.Выходная частота треугольного сигнала на выходе интегратора 7,и прямоугольного сигнала на выходе ком паратора 6 определяется выражением 17 х 21,Р: 411 опи сП 1 опс = Сось о аС,(2)1 опдсхЫ(3) ЫЬпгде --- скорость нарастания лиЫнейного участка треугольгде Г - выходная частота преобра 30зователя емкость-частота;- время интегрирования инйтегратора 7, полученноеиз выраженияи 35211,= -- 11,а =1И (вк ввигде 11 - напряжение на входе ин,тегратора 7;2 Уо - выходное напряжение интег, ратора 7, изменяющееся отдо +11 опТ. - постоянная времени интегратора 7.Величины токов, протекающие через образцовый 9 и измеряемый 8 конденсаторы, определяются углом наклона треугольного сигнала на выходах генератора 5 и интегратора 7.ного сигнала на выходеинтегратора 7,Из выражения (4) манна сделать вывод, что Функция преобразования данного преобразователя емкости в частоту будет определяться выраже кием:фь С хГо-оГ - частота генератора 5.Преимуществам изобретения по сравнению с прототипом является уменьшение погрешности при работе с диФФеренциальными емкостными датчиками, так как в данном случае происходит уравновешивание мгновенных значений токов, протекающих через измеряемый и образцовый конденсаторы, а также(П 1 оо- скорость нарастания лианейного участка треуголь"ного сигнала на выходегенератора 5.Погический блок 11 и синхронныйдетектор 1 2 работают таким образом,чта выходное напряжение последнегопропорционально разности токов в конденсаторах 8 и 9 в те моменты времени,кагда токи в них текут в противоположном направлении. Работу этих блоковпоясняют эпюры на Фиг.2: Фиг. 2,1напряжение на аналоговом выходе генератора 5; Фиг.2.2 - напряжение навыходе интегратора 7; фиг. 2. 3 - логические сигналы на управляющем выходе генератора 5; Фиг,2.4 - логи"ческие сигналы навыходе компаратора6; Фиг.2,5 - логические сигналы напервом выходе блока 11; Фиг.2.6 -логические сигналы на втором выходеблока 11; фиг.2.7 - напряжение навыходе синхронного детектора 12.Когда токи, протекающие черезконденсаторы 8 и 9 в моменты време 3 ф 5ивыравнены, напряжение на выходе усилителя 10 в эти моменты времени будетравно нулю. При достижении условияравновесия в указанные интервалывремени токи, протекающие черезконденсаторы 8 и 9, определяемыевыражениями (2) и (3), равньг,1532885 оставитель О.Бо Техред Л. Олийнык вич актор О. Спес рект Заказ 8095/51 ВНИИПИ Госуда Тираж 714 венного комите 113035, Москва одписн по изобретениям и открыти Ж, Раушская наб , д, 4 ям при ГКНТ С5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 10 расширение функциональных возможнос- ,тей благодаря способности нового преобразователя измерять значение емкости при СоСуэ Сд Сэ Ср Суэ при этом частота выходного сигнала может быть меньше, равна, или больше частоты генератора 5,Формула изобретения Преобразователь емкости в частоту, содержащий источник опорных напряжений, первый и второй электронные ,переключатели, образцовый и измеря,емый конденсаторы, первые выводы которых соединены с входом усилителя сигнала неравновесия, синхронный детектор, аналоговые входы которого , соединены с выходом усилителя сигнала неравновесия, интегратор и компаратор, соединенные последовательно, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены аналоговый инвертор,логический блок и генератор треугольного напряжения, причем выходы источника опорных напряжений соединены свходами первого коммутатора и генератора треугольного напряжения, аналоговый выход которого соединен совторым выводом измеряемого конденсатора, а управляющий выход - с первым входом логического блока, второйвход которого соединен с выходомкомпаратора и управляющими входамипереключателей, выход первого переключателя соединен с вторым входомкомпаратора, вход интегратора соединен с выходом второго переключателя,первый и второй выходы логическогоблока соединены с первым и вторымуправляющими входами синхронного детектора, выход которого соединен спервым входом второго компаратора ичерез аналоговый инвертор - с вторымвходом второго компаратора.