Электрометрический преобразователь заряда

(9) (14 С 01 К 19/00 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ж 1;Вф ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(56) Авторское свидетельство СССР Яф 1239610, кл. С 01 К 19/00, 1984,Авторское свидетельство СССР В 1104426, кл. 6 01 К 19/00, 1984. (54) ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛБ ЗАРЯДА(57) Изобретение может быть использовано, например, лля усиления электрических сигналов с пьезоэлектрических датчиков давления при контроле квази- статических и переменных давлений, Цель изобретения - повышение точности преобразования малых токов и зарядов. 11 реобразователь содержит электрометри ческий усилитель 1, разрядный ключ 4, токозадающий резистор 5, интегрирующий конденсатор 12, дифференциальный усилитель 14, запоминающий конденсатор 20 и таймер 21. Введение дополнительных интегрирующих конденсаторов 2, коммутирующих ключей 3, резисторов 10 и 11, инвертирующего интегратора 13, повторителя 15 напряжения, аналоговых ключей 16 и 17, одновибратора 18, Формирователя 19 импульсов и И элементов И 22, устраняющий влияние коммутационных выбросов при переходе устройства из режима коррекци тока смещения в режим измерения и организации многодиапазонной структуры измерения. 2 ил.Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности кустройствам для измерения малых токови преобразования электрических зарядов, и может быть использовано, например, для усиления электрических сигналов с пьезоэлектрических датчиковдавления при контроле квазистатических и переменных давлений.Цель изобретения - повышение точности преобразования малых токов изарядов путем устранения влияния коммутационных выбросов при переходеустройства из режима коррекции токасмещения в режим измерения и организации многодиапазонной структуры измерения,На Фиг1 приведена Функциональнаясхема устройства; на фиг. 2 - времен 20ные диаграммы работы его блоков.Устройство содержит электрометрический усилитель (ЭМУ) 1, И дополнительных интегрирующих конденсаторов 2и И коммутирующих ключей 3, разрядный ключ 4, токозадающий резистор 5,первый резистор 6, двухпозиционныйпереключатель 7, .второй 8, третий 9,четвертый 10 и пятый 11, резисторы,интегрирующий конденсатор 12, инвертирующий интегратор 13, дифференциальный усилитель 14, повторитель 15.напряжения, первый 16 и второй 17аналоговые ключи, одновибратор 18,формирователь 19 импульсов, запоминающий конденсатор 20, таймер 21, 11 эле ментов И 22, шину 23 "Запуск" устройства и шины 24 управления выборомдиапазона преобразования. К инвертирующему входу ЭМУ 1 подключены первые обкладки конденсаторов 2 и 12,40первый вывод ключа 4, первый выводрезистора 5 и вход устройства. К второму выводу резистора 5 подключенывыход повторителя 15 и первый выводрезистора 8, К выходу ЭМУ 1 через 45ключи 3 подключены вторые обкладкиконденсаторов 2, второй вывод ключа4, первый вывод резистора 9, вход интегратора 13, неинвертирующий входусилителя 14, первый вывод ключа 16 и 50выход устройства. Выход интегратора13 соединен с инвертирующим входомусилителя 14, к его выходу подключенобщий контакт переключателя 7, Нормально замкнутый контакт переключателя 7 через резистор 6 соединен с общей шиной устройства. К нормально разомкнутому контакту переключателя 7 подключены первый вывод ключа 17 и второй вывод резистора 8, К второму выводу ключа 17 подключены первый вывод резистора 11 и вход повторителя 15. 11 ервая обкладка конденсатора 20 подключена к второму выводу резистора 11, вторая обкладка конденсатора 20 соединена с общей шиной, К второй обкладке дополнительного конденсатора 12 подключены второй вывод резистора 9, второй вывод ключа 16 и первый вывод резистора 10. Второй вывод резистора 10 соединен с общей шиной. Вход запуска таймера 21 соединен с шиной 23 "Запуск", К выходу таймера 21 подключены входы управления ключей 16 и 17, переключателя 7, вход Формирователя 19 и первые входы элементов И 22.Входодновибратора 18 соединен с выходом Формирователя 19, к выходу одновибратора 18 подключен вход управления разрядного ключа 4. Входы управления коммутирующих ключей соединены с выходами элементов И 22, вторые входы которых соединены с шинами 24 управления выбором диапазона преобразованияУстройство работает следующим образом.При поступлении на шину 23 "Запуск" импульса низкого уровня (Фиг.2 а) по переходу из "1" в "0" запускается таймер 21, который Формирует интервал времени коррекции электрометрического преобразователя заряда (фиг.28). По спаду выходного импульса таймера 21 в момент временисрабатывает формирователь 19, запуская одновибратор 18, который формирует короткий импульс (сотни мс) для разряда интегрирующего конденсатора 2 .(Фиг.28,) выбранного диапазона преобразования, Ключ 4 в течение этого времени замыкается, конденсатор 12 разряжается, т.е. происходит начальная установка выходного напряжения электрометрического усилителя 1 (фиг.2). Так какна вторые входы элементов И 22 поступает сигнал низкого уровня с выхода таймера 21 в течение интервала времени С - Сэ, т.е. в течение всего времени коррекции тока смещения преобразователя, то аналоговые ключи 3 разомкнуты, а в обратную связь ЭМУ 1 включен конденсатор 12 первого диапазона преобразования, т.е, преобразователь имеет чувствительность, соответствующую чувствительности нижнегопредела преобразования, увеличеннойКВ 1 + РазГДе К р 21 о СОПРОтив10ления резисторов 9 и 10. При этом нормально замкнутый ключ 16 находится в разомкнутом состоянии, ключ 17 и нормально разомкнутый контакт переключателя 7 замкнуты, так как для этих ключей и переключателя активным является низкий уровень,т,е,их срабатывание, происходит при подаче на вход управления сигнала "0".После окончания импульса с выхода одновибратора 18 длительность которого меньше длительности выходного импульса таймера 21, ключ 4 размыкается, а ключ 17 и нормально разомкнутый контакт переключателя 7 продолжаютоставаться замкнутыми, так как выходной сигнал таймера 21 имеет низкий уровень. Выходное напряжение ЭИУ 1 в первый момент времени после размыкания ключа 4 не равно нулю, его величина и знак определяются переходными процессами в момент й размыка. ния ключа 4, т.е. в момент размыканияключа 4 происходит наброс заряда винтегрирующий конденсатор 12 (фиг.2)Так как цепь коррекции тока смещениянуля замкнута, то в контуре коррекции, в который входят интегратор 13,диФФеренциальный усилитель 14, резистор 11, конденсатор 20, повторитель 15 напряжения и резистор 5, возникает переходной процесс. Интегратор 13 совместно с дифференциальным усилителем 14 представляет собой пропорционально-интегральныи регулятор, который на низких частотах ведет себякак интегратор, а на высоких - как1линейный усилитель. В течение интервяла времени- э процессы в контуре коррекции затухают, и уровень выходного напряжения ЭИУ 1 определяе"гся ошибкой статизма контура коррекции (Фиг,2 е,ж, на которых отображены диаграммы выходных напряжений интегратора 13, и усилителя 14 соответственно)В течение всего интервала коррекции с-нормально замкнутый аналоговый ключ 16 разомкнут, что обеспечивает уменьшение ошибкиКстатизма в 1 + - раз. В момент времомени С выходное напряжение таймера 21 скачкеобразно увеличивается и замыкается один из аналоговых ключей 3 и нормально замкнутый аналоговый ключ 16, Величина емкости интегрирующего конденсатора, включенного в цепьобратной связи ЗМУ 1, равна суммеемкостей конденсатора 12 первого под -диапазона и конденсатора 2 старшегоподциапазона преобразования, Поэтомупомеха, возникающая за счет набросазаряда при размыкании разряц 1.ого ключа 4, В сОтни ряз меньше янялогичнойпомехи, возникающей в момент времениее вклад в приведенную погрею -ность преобразования не превышаетсотых долей процента. После размыкания контура коррекции, начиная с момента времени Сз выходное напряжениедифференциального усилителя 14 начинает увеличиваться (выброс напряженияв момент размыкания ключей), Однакоэто не приводит к сниженио точностикомпенсации тока смещения, так как кэтому моменту времени цепь коррекцииуже разомкнута, сигнал коррекции хранится на конденсаторе 20, а напряже"ние О, нарастает относительно медленно по сравнению с временем коммутацииключей, т.е. в момент коммутаци 11 онопрактически не изменяется, К;1 юч 17размыкается, и перекпочатель 7 пере -ходит в исходное состояние, через егонормально замкнутый контакт выход диф"ференциального усилителя 1 через .-ервыи резистор 6 соединяется с общейшиной устройства. При этом устраняется влияние выходного напряжения дифЗ 5 ференциального усилителя 14 на точность хранения заряда на конденсаторе20, Выходное напряжение повторителя15 через второй резистор 8 .поступаетна первый вывод аналогового к,ча 17, 40Так как коэффициент передачи повторителя напряжения 15 близок к единице,выводы аналогового ключа 17 имеютпрактически одинаковые потенциалы,Зтопозволяет уменьшить утечку заряда с 45запоминающего конденсатога 20 повысив точность компенсации тока смещенияв рабочем режиме, т,е, благодаря резистору 8 вводится зквипотенциальняя зящитя цепи хранения сигналякоррекции, После повторного размыкания ключа 4 электрометрический преобразователь готов к проведению измерений, т,е. переходит в рабочий режим . В этом режиме ток смещения нуля З 1.1 У 5 компенсируется током компенсации,протекающим через токозада 1 ощий резистор 5 с ошибкой, определяемой стятизмом контура коррекции.5142и з о б р е т е н и я Формул а Электрометрический преобразователь заряда, содержащий электрометрический усилитель, инвертирующий вход которого подключен к входу устройства, первой обкладке интегрирующего конденсатора и первым выводам разрядного ключа и токозадающего резистора, неинвертирующий вход - к общей шине устройства, а выход - к выходу устройства и второму выводу разрядного ключа, дифференциальный усилитель, три резистора, двухпозиционный переключатель, нормально разомкнутый контакт которого через второй резистор соединен с вторым выводом токозадающего резистора, запоминающий конденсатор, вторая обкладка которого подключена к общей шине,.и таймер, вход которого соединен с шиной "Запуск" устройства, выход соединен с управляющим входом двухпозиционного переключателя, о тл и ч а Ь щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены инвертирующий интегратор, повторитель напряжения, два аналоговых ключа, четвертый и пятый резисторы 11 дополнительных интегрирующих конденсатора, Б коммутирующих ключей и 11 элементов И, формирователь импульсов и одновибратор, причем к выходу электрометрического усилителя подключены вход интегратора, неинвертирующий вход дифференциального усилителя первые выводы третьего резистора и первого аналогового ключа, вторые выводы третьего резистора и первого аналогового ключа подключены 0537 6к второй обкладке интегрирующего конденсатора и первому выводу четвертого резистора, второй вывод четвертого резистора соединен с общей шиной, выход инвертирующего интегратора соединен с инвертирующим входомдифференциального усилителя, выходкоторого соединен с общим контактомдвухпозиционного переключателя, кнормально разомкнутому контакту ко.торого подключен первый вывод второгоаналогового ключа, а к нормально замк.нутому контакту через первый резистор - общая шина, второй вывод токозадающего резистора соединен с выходом повторителя напряжения, к входукоторого подключены первый вывод пятого резистора и второй вывод второго аналогового ключа, второй выводпятого резистора соединен с первойобкладкой запоминающего конденсатора,первые обкладки дополнительных интегрирующих конденсаторов соединены с 25 входом электрометрического усилителя,а вторые обкладки - с выходом электрометрического усилителя через соответствующие коммутирующие ключи,входы управления первого и второгоаналоговых ключей, первые входы элемента И и вход формирователя импульсов подключены к выходу таймера, выход формирователя импульсов черезодновибратор подключен к входу управления разрядного ключа, входы.управления коммутирующих ключей соединены с выходами соответствующих элементов И, вторые входы которых соединены с шинами управления выбора диапазона преобразования.У о ЦдЕ Р 4 Составитель С, Рыбинедактор Л. Пчолинская Техред Л.Олийнык Корректор И, Демчик аз 4326/51 Тираж 772Государственнделам изобретеосква, Ж, Р Подпис го комитета ССС