Многопредельный усилитель заряда

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК А 29/ Я/ ИЯ ТОРСКОМУ ЕТЕЛЬСТВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ИСАНИЕ ИЗОБРЕ(54) (57) 1. МНОГОПРЕДЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬЗАРЯДА, содержащий операционный усилитель, между кнвертирующим входоми выходом которого включен ключ ичерез контакты первой и второй секций галетного переключателя подсоединено К масштабных конденсаторов,блок управления, выход которого подключен к управляющему входу ключа,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения точности преобразования входного квазистатического заряда в выходное напряжение, в неговведены источник опорного напряженияи й потенциалозадающих резисторовс сопротивлениями в диапазоне от единиц до сотен килоомов, а переключа-.тель выполнен с металлическими разделительными элементами, вмонтирован,801113754 ными между неподвижными и подвижными изоляционными платами разноименных секций, причем потенциальный вход источника опорного напряжения подключен к выходу операционного усилителя, синхронизирующий вход - к выходу блока управления, а выходной вывод соединен с клеммой для подключения одного из электродов датчика входного сигнала, экранирующей оплеткой соединительного кабеля между инвертирующим вхо-с дом операционного усилителя и клеммой для подключения другого электрода датчика входного сигнала, метеллическими разделительными элементами переключателя и через потенциало-ЕФ задающие резисторы - с обкладками масштабных конденсаторов, расположенными со стороны второй секции переключателя.2. Усилителл ь по па 11 о т л ич а ю щ и й с я тем, что источник опорного напряжения выполнен в виде ячейки памяти с входным дифференциальным усилителем, запоминающим конденсатором подключенным к выходу диффе-Эс ренциального усилителя через ключ с синхронизирующим входом, и выходным повторителем напряжения.20 существенное унеличение эквивалентного сопротивления в каждой С -цепочке и снижение скорости паразитного разряда рабочего конденсатораОднако н случае измерения квазистатического заряда, в особенности 1113Изобретение относится к алек-раизмерительной технике и предазначено для использования при соглясона= нии пьезоэлектрических кварценьх датчиков с регистрирующими прибо 5 рами, а также при реализации измерительных интеграторов входного тока и микроамперного диапазона с временем регистрации поря,цка ескальких минут.10Известен многопредельгьп усилитель заряда, содержащий операционный усилитель, между иннертирующим входом и выходом которого включен ключ, и через контакты переклсчателя, рас 15 положенные со стороны выхода усилителя, подсоединено б масштабных конденсаторон, блок управления, выход которого подключен к управляющему входу ключа Г 11.Недостаток известного устройства заключается в большой погрешности преобразования входного квазистатического заряда в выходное напряжение, вызванной паразитной проводимостью изоляционной платы переключателя и, следовательно, подключением через соответствующе участки этой платы нерабочих масштабных конденсаторов параллельно рабочему с парязитньп разрядом последнего, увеличиваю 30 щимся с течением времени.Наиболее близким к изобретению является многопредельный усилитегь заряда, содержащий операционный усилитель, между инвертирующим входом и выходом которого включен ключ, и через контакты первой и второй секции галетнаго переключателя подсоединено 1 масштабных конденсаторов, блок управления, выхог, которого подключен к управляющему входу ключа 2В указанном устройстве обкладки нсех масштабных конпенсаторон имеют двустороннюю гальваническую развязку от операционного усилителя, благодаря ,ему шунтирование рабочего конденсатора происходит параллельно подключенными РС-цепочками, образованными нерабочими конденсаторами и сопротивлениями изоляции участков как первой, так и второй секций переключателя. Это обеспечивает рп пзмп рггеьсегиструкщем процессе, гревялающем несколько десятков секуд, а также при работе усилителя в режиме пнтсгрировяния малых Бходьех то.он либо стадии зяпоми паия (храпег) результата интегрирования,. у",снеь искяжеий ньгходного сигнала абуслоленмх паразитв и перезярядом рябочегс коденсатора на нерабочие оказывается ощутимым вследствие коечой проводимости изоляционных плат гереключателяЦель изобретения является повышение точности преобразования входного квазистатического заряда н гыходное напряжение.Наставленная цель достигается тем, что в многапредельный усилитель заряда, содержаший операционный усилитель, между инверттруюпим входам и выходом которого включен ключ и через контакты первой и второй секций галетого переключателя подсое-, динено г масштаоных коденсяторан блок управления, выход которого подключе к управляющему входу ключа,введены источник опорного напряженияи потенпиалозадающих резисторовс сопротивлениями в диапазоне отединиц до сотен килоаман, я переключатель выполнен с металлическими разделительными элементами, вмонтировньми между неподвижными и падвижным изоляционными платами разноименных секций, причем потенциальный входисточика опарага напряжения подключе: к выходу операционного усилителя, синхроизирующий вход - к ньходу блока управления, а выходной нынад соединен с клеммой для г.одключенияодного из электродов датчика входного сигнала, экраируюшей аглеткой соединительного кабеля между иннертируюшим входом операционного усилителяи клеммой гля одключеия другогоэлектрода датчика входного сигнала, разделительыми металлическими элементами переключателя и через готенциялозадаюшие резисторы - с обкладками масштабьгх конденсаторов, расположенными со стогоны второй секции переключателя Кроме того, источник опорного напряжения выполнен в виде ячейки памяти с входным дицферециальньп усилителем запоминающим конденсатором, подключенным к выходу дифференциального усилителя через ключ с синхро3 1113низирующим входом, и выходным повторителем напряжения.На фиг.1 представлена функциональная схема предложенного многопредельного усилителя заряда; на Фиг.2предпочтительная конструкция (в Функциональном изображении) использованного в устройстве источника опорногонапряжения,Многопредельный усилитель зарядареализован по схеме интегратора токаи содержит операционный усилитель1 (фиг.1), ключ 2, двухгалетный переключатель 3 с секциями, состоящимииз неподвижных 4,5 и подвижных 6,7контактов, неподвижных 8,9 и подвижных 10, 11 изоляционных плат, и с металлическими разделительными элементами 12, 13, вмонтированными между платами 8 и 9, 10 и 11,о масштабных конденсаторов 14, о потенциалозадающихрезисторов 15 с сопротивлениями вдиапазоне от единиц до сотен килоом, потенциометр 16, включенный междуполюсами двухполярного вспомогатель 25ного источника питания и служащий длязадания желаемого начального уровнянапряжения на выходе операционногоусилителя 1, блок 17 управления, источник 18 опорного напряжения с входным потенциальным выводом 19, входным ЗОсинхронизирующим выводом 20 и выходным выводом 21. Клеммы 22,23 служатдля подключения электродов датчикавходного сигнала (показан пунктиром),а клеммы 24,25 - для подключения 35нагрузки. Ключ 2 включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 1 непосредственноа масштабные конденсаторы 14 подсоединены через контакты 4 и 6 и 5 и 7 40секций переключателя 3. Выход блока17 управления подключен к управляющему входу ключа 2. Потенциальныйвход (вывод 19 - шина нулевогопотенциала) источника 18 опорного ф 5напряжения подключен к выходу операционного усилителя 1, сихронизирующий вход (вывод 20 - шина нулевого потенциала) - к выходу блока17 управления, а выходной вывод 21 50соединен с клеммой 22 для подключения одного из электродов датчикавходного сигнала, экранирующей оплеткой соединительного кабеля междуинвертирующим входом операционного 55усилителя 1 и клеммой 23 для подключения другого электрода датчикавходного сигнала, металлическими разделительнымн элсментамн 12, 13 переключателя 3 и через потенциалозапающпе резисторы 15 - с обкладкамимасштабных конденсаторов 14, расположенными со стороны секции переключателя 3 с контактами 5,7. Выходпотенциометра 16 подключен к неинвертирующему входу операционногоусилителя 1,Источник 18 опорного напряжениявыполнен в виде ячейки памяти (блокавыборки-хранения) с входным дифФеренциальным усилителем 26 (Фиг.2),запоминающим конденсатором 27, подключенным к выходу дифференциального усилителя 26 через ключ 28, ивыходным повторителем 29 напряжения. Работа устройства происходитследующим образом,Предварительно осуществляетсявыбор нужного предела преобразования с помощью переключателя 3. В исходном положенип ключ 2 находитсяв замкнутом состоянии, в результатечего выходное напряжение устройства,напряжение на инвертипующем входеоперационного усилителя 1 и напряжение на выходе источника 18 опорного напряжения оказываются равнымивыходному напряжению потенциометра16 с точностью собственного напряжения начального смещения огерационного усилителя 1 и его температурного дрейфа. Все масштабные конденсаторы 14 оказываются разряженными.Измерительная стадия работы усилителя заряда начинается с момента размыкания ключа 2 по переднему фронту импульса, вырабатываемого блоком 17 управления и поступающего на синхронизирующие входы ключа 2 и источника 18 опорного напряжения. Ло начала поступления входного заряда или тока с датчика входного сигнала напряжение на выходе устройства остается постоянным, так как опорное напряжение источника 18 сохраняется равным начальному выходному напряжению усилителя заряда, Поэтому благодаря нулевой разности потенциалов между клеммой 23 и металлическими разделительными элементами 12, 13 переключателя 3 ток во входной цепи усилителя заряда равен нулю, несмотря на конечную величину .сопротивления изоляции плат 8-11 переключателя 3 и сопротивления изоляции масштабныхпряжения. По окончании процессов измерения и регистрации ключ 2 переводится в замкнутое состояние дляразрядки масштабных конденсаторов14 и осуществления очередной коррекции напряжения источника 18,Предлагаемая схема (фиг.1) в сочетании с исполнением источника 18опорного напряжения (фиг.2) обеспечивают автоматическое регулирование уровня опорного напряжения,увязанное с режимами работы ключа 2,Вслед за замыканием ключа 2 по команде блока 17 управления замыкаетсяключ 28 и производится подключениезапоминающего конденсатора 27 к выходу дифференциального усилителя26, В итоге опорное напряжение источника 18 формируется в точности равным начальному выходному напряжениюустройства. Непосредственно передначалом измерения блоком 17 управления осуществляется размыканиеключеи 2,28 и отключение запоминающего конденсатора 27 от дифференциального усилителя 26.Предложенное устройство обеспечивает по сравнению с известнымиповышенную точность преобразованиявходного квазистатического зарядав выходное напряжение. При реализации пятипредельного усилителя заряда и при выборе наименьшей емкостимасштабного конденсатора 14, равной 1000 пф , погрешность преобразования составляет менее 17 для минутного интервала измерения. 5 1113754 литель 1, имеющий электрометрическийвходной каскад, можно принять идеальным).С началом нагружения датчика входного сигнала под действием входного напряжения а Ов вырабатываемый заряд Я, поступающий на инвертирующий вход операционного усилителя 1, компенсируется зарядом рабочего масштабного конденсатора 14 с емкос О тью С, так, что напряжение 4 Бщ сигнала на выходе устройства оказывается равным ьОач =-Й/Сн, При этом потенциал клеммы 23 и потенциалы обкладок нерабочих масштабных кон денсаторов 14 со стороны секции переключателя 3 с контактами 5,7 получают незначительное приращение Ь Он 1, не превышающее, например +0,1 мВ при ьОеы=-5 В. Возникшие 20 приращения д Он мгновенно передаются через нерабочие масштабные конденсаторы 14 на соответствующие нерабочие контакты 4 изоляционной платы 8 переключателя 3. В результате 25 этого на плате 8 между рабочим и нерабочими контактами 4 образуется несколько участков с индивидуальной разностью потенциалов ь Црч =ьОы; -ьйбл Между металлическими разделительными ЗО элементами 12,13 и соответственно рабочим 4 и подвижным 6 контактами образуются участки с разностью потенциалов - й 0 . Малость указанных разностей потенциалов обуславливает относительнб небольшую скорость паразитного изменения выходного на"Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4 илиал Р Заказ 6615/38 Тираж 710 ВНИИПИ Государственного коми по делам изобретений и от 13035, Москва, Ж, Раушска