Устройство для измерения малых токов

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных электронных ирадиотехнических устройствах для измерения малых токов51 елью изобретения является расширение частотного диапазона в областьнизких частот и повышение точностиизмерений.1 ОНа Фиг, 1 приведена функциональная схема устройства для измерениямалых токов; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы функционирования блоков устройства,15Устройство содержит интегратор 1тока, включающий электрометрическийусилитель 2 и интегрирующий конденсатор 3, усилитель 4 напряжения, дифференциатор 5, выполненньп на операционном усилителе 6, инвертирующийвход которого через дифференцирующую1цепь 7 соединен с входом дифференциатора 5, а через масштабный резистор8 - с выходом операционного усилителя 256, выходом соединенного с выходомдифференциатора 5, первьп 9, второй 10и третий 11 резисторы, дифференциальный усилитель 12, фиксатор 13 уровня,компаратор 14 зоны, генератор 15 импульсов, первый и второй элементыИ 16 и 17, элемент И-НЕ 18, реверсивный счетчик 19, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 20 и элементИЛИ 21,К входу 22 устройства подключенывход интегратора 1 тока и первьп вывод первого резистора 9. К выходуинтегратора 1 тока присоединены входы усилителя 4 напряжения и дифферен 40цнатора 5, выход которого соединен свыходной клеммой 23 устройства. К выходу усилителя 4 напряжения подключены первый вывод второго резистора1 0 и неинВертирующий ВХОД дифферен 45циального усилителя 12, к выходу которого присоединен второй вывод первого резистора 9, К инвертируюцемувходу дифференциального усилителя 12подключены первый вывод третьего резистора 11 и выход 1 ВП 20. Вторые вы 50воды второго 10 и третьего 11 резисторов подключены к инвертируюцемувходу операционного усилителя 6, Вхо 1ды фиксатора 13 уровня и компаратора14 зоны присоединены к выходу диф 55ференциатора 5, К выходу Фиксатора13 уровня подключены первые входыпервого и второго элементов И 16(1+К, ) В.С,выходное напряжение интегратора 1 тока в первый момент после подачи питающих напряжений;коэффициент усиления электрометрического усилителя 2; коэффициенты усиления соответственно усилителя 4 напряжения и дифференциального усилителя 12;сопротивление первого резистора 9;емкость интегрирующего конНгде 11о К К, К денсатора 3Изменение выходного напряжения 0 интегратора 1 тока вызывает протекание тока через дифференцируюцую цепь 7 Однако изменения выходного напряжения операционного усилителя 6 не и 17, К выходу компаратора 14 зоньг присоединены второй вход первого элемента И 16 и вход управления направлением счета реверсивного счетчика 19. К выходу первого элемента И 16 подключены первый вход элемента И-НЕ 18 и 0+1-й вход элемента 11 ЛИ 21 К второму, третьему и четвертому входам второго элемента И 17 присоединены соответственно выход генератора 15 импульсов, выход элемента ИЛИ 21 и выход элемента И-НЕ 18, а к выходу второгс элемента И 17 подключен тактовый вход С реверсивного счетчика 19 Вход начальной установки реверсивного счетчика 19 соединен с клеммой "Сброс" 24, М выходов реверсивного счетчика 19 соединены соответственно с одноименными входами цифроаналогового преобразователя 20, с клеммами 25 кода поддиапазона и с входами элемента ИЛИ 21, а И+1-й выход реверсивного счетчика 19 соединен с клеммой "Перегрузка" 26,Устройство работает следующим образом.После подачи питающих напряжений выходное напряжение интегратора 1 тока отлично от нулевого уровня. При отсутствии входного сигнала 1выходное напряжение интегратора 1 тока, за счет разрядной цепи, содержащей усилитель 4 напряжения, дифференциальный усилитель 12 и первьп резистор 9, уменьшается, его величина 11 определяется по формулепроисходит, так как на его инвентирующий вход поступает ток 1, , протекающий через резистор 10, равный повеличине току через дифференцирующуюцепь 7 и противоположный ему по знаку: 5 1 т 1 =К о Рй о Ток 1 через дибференцирующую цепь 7 при выполнении условия 10" вгде С и Р - соответственно емкостьдифференцирующего конденсатора и сопротивление ограничительногорезистора, включенногопоследовательно с дифференцирующим конденсаторомГ - верхняя граничная час 6тота преобразуемых сигналов,определяется по Формуле25Ш1=С3 йеТоки 1, и 1 равны и противоположны по знаку, т,е, выполняется равенство Уо Ка,1+К(КгКь--- ехр(-- -" --- )= БОС-- - ехр( й).(1+К,) В,С, (1+К,) й,С,35Из равенства находим сопротивление резистора(1+К, К,К.,) СВ момент 1 на вход устройства по Оступает измеряемый ток 1 8, Лротекавние тока 1 Ву .вызывает заряд конденсатора 3 (Фиг, 2, 5 ) и протеканиетоков через КС-цепь 7, первый 9 ивторой 10 резисторы. За счет протекания тока через первый резистор 9происходит разряд интегрирующего конденсатора 3 в интеграторе 1 тока,однако изменения тока через РС-цепь 7,вызванные разрядом конденсатора 3, 50компенсируются за счет протеканиятока через резистор 10, и, следовательно, выходное напряжение операционного усилителя 6 соответствуетуровню входного тока (фиг, 2, ,интервал С - Т), В момент 1 выходное напряжение интегратора 1 токапревышает нижний пороговый уровеньБд и выходное напряжение У, фикса 16386476тора 13 уровня скачкообразно уменьшается. Длительность интерваларавна времени задержки срабатыванияФиксатора 13 уровня. В момент э выходной сигнал операционного усилителя 6 достигает порога срабатываниякомпаратора 14 зоны и его выходноенапряжение скачкообразно увеличивается (Фиг, 2,), В момент йвыходной сигнал операционного усилк .еля 6достигает верхнего порога срабатывания фиксатора 13 уровня и на его,выходе появляется сигнал " 1" (Лиг,2,2 ). Так как выходной сигнал компаратора 14 зоны имеет уровень "1", тов момент С содержимое реверсивногосчетчика 19 увеличивается на единицу, выходное напряжение ЦАП 20 скачкообразно увеличивается, и, так каконо поступает на инвертирующий входдифференциального усилителя 12 ина вывод третьего резистора 11, увеличивается скорость разряда интегрирующего конденсатора 3 в интеграторе1 тока и компенсируется ток, поступающий на вход операционного усилителя 6, В момент С 4 выходное напряжение операционного усилителя 6 скачкообразно уменьшается (фиг, 2,) .В моментвыходное напряжение фиксатора 13 уровня уменьшается донуля, Длительность интервалаопределяется временем переключенияфиксатора 13 уровня из состояния"1" в состояние "0". В течение интервала 14- й 8 продолжается преобразование входного сигнала 1 . В течениеинтервала й - 1 выходной сигнал фик 6 7сатора 13 уровня принимает уровень"1", так как его входное напряжениепревышает порог срабатывания (Фиг.2,). В момент 18 выходное напряжениеоперационного усилителя 6 становитсяменьше нижнего порога Фиксатора 13уровня и по переднему фронту импульса его выходного напряжения содержимое:реверсивного счетчика 19 уменьшаетсяна единицу. Нри этом выходное напряжение ЦАП 20 скачкообразно уменьшается, уменьшается скорость разряда конденсатора 3 и скачкообразно увеличивается в моментвыходное напряже 8ние операционного усилителя 6, Далееустройство функционирует на первомподциапазоне измерения. Выходной кодподдиапазона поступает на входы элемента ИЛИ 21 и на выходные клеммы25 кода поддиапазона преобразования.При работе на первом поддиапазоне преобразования на всех выходах реверсивного счетчика 19 присутствуют сигналы нулевого уровня. Выходной сигнал элемента ИЛИ 21 также имеет нулевой уро 5 вень и поступает на третий вход элемента И 17, запрещая при этом прохождение сигналов Фиксатора 13 уровня и генератора 15 импульсов на тактовый вход реверсивного счетчика 19. Таким образом, в момент С содержимое счет" чика 19 не изменяется при переходе фиксатора 13 уровня из состояния "О" в состояние " 1". Если в момент включения устройства входной сигнал 1 и превьппал верхний уровень первого поддиапазона и соответствовал, например, уровню третьего поддиапазона, то вначале фиксатор 13. уровня находится в состоянии "1" В состоянии "1" находится также компаратор 14 эоны, поэтому на выходе логического элемента И 16 появляется сигнал "1", который поступает на 0+1-й вход элемен та ИЛИ 21. Выходной сигнал элемента ИЛИ 21 поступает на третий вход элемента И 17, Так как на Я+1-м выходе счетчика 19 присутствует в этот момент сигнал "О", то на выходе элемента И-НЕ 18 присутствует сигнал "1" и, следовательно, выходные сигналы генератора 15 импульсов могут проходить на выход элемента И 17 и поступать на тактовый вход С реверсивного счетчика 19, Если после поступления первого импульса с генератора 15 выход" ное напряжение дифференциатора 5 не уменьшается, то рьходнье импульсы генератора 15 вызывают дальнейшее увеличение содержимого реверсивного счетчика 19 и соответственно увеличение уровня сигнала компенсации,поступающего на инвертирующий вход дифференциального усилителя 2. Если входной сигнал 1превьппает. предельно допустимую величину. для данного устройства, то происходит запись единицы в И+1-й разряд счетчика 19, на клемме "Перегрузка" 26 появляется сигнал "1", сигнализирующий о невозможности50 измерения входного сигнала, Так как при этом на второй вход элемента И-НЕ 18 поступает сигнал "1", то еговыходное напряжение принимает уровень "О", запрещая при этом прохождение 55 выходных импульсов генератора 15 на тактовый вход реверсивного счетчика 9, Пля перезапуска устройства на клемму "Сброс" 24 поступает сигнал,которьп обнуляет реверсивньп счетчик19, и поиск поддиапаэона преобразования повторяетоя,Формула изобретенияУстройство для измерения малых токов, содержащее интегратор тока, вход которого соединен с входом устройства, усилитель напряжения, вход которого соединен с выходом интегратора тока, к которому подключен также вход дифференциатора, выход которого соединен с выходом устройства, два резистора, первые выводы которых соединены соответственно с входом интегратора тока и выходом усилителя напряжения, причем дифференциатор содержит дифференцирующую цепь,. вход которой соединен с его входом, а выход подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, соединенному также через резистор с его выходом, подключенным к выходу дифференциатора, а неинвертирующий вход операционного усилителя связан с общим проводом устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона в область низких частот и повышения точности измерений, в устройство введены дифференциальный усилитель, третий резистор, Фиксатор уровня, компаратор зоны, генератор импульсов, два элемента И, элемент И-НЕ, элемент ИЛИ, реверсивньп счет, чик и цифроаналоговый преобразователь, причем неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с выходом усилителя напряжения, к инвертирующему входу дифференциального усилителя подключены первьп вывод третьего резистора и выход цифроаналогового преобразователя, выход дифференциального. усилителя соединен с вторым выводом первого резистора, вторые выводы второго и третьего резисторов соединены с неинвертирующим входом операционного усилителя, входы фиксатора уровня и компаратора зоны соединены с выходомдифференциатора, к выходу Фиксаторауровня подключены первые входы первого и второго элементов И, к выходукомпаратора зоны - второй вход первого элемента И и вход управлениянаправлением счета реверсивного счетчика, к выходу первого элемента Иподключены первый вход элемента И-НЕ10 и (Я+1)-й вход элемента ИЛИ, к второму, третьему и четвертому входамвторого элемента И подключены соответственно выход генератора импульсов, выход элемента ИЛИ и выход элемента И-НЕ, с выходом второго элемента И соединен тактовый вход реверсивного счетчика, вход начальнойустановки реверсивного счетчика соединен с клеммой "Сброс", причем выходы реверсивного счетчика соединенысоответственно с одноименными входамн цифроаналогового преобразователя,с клеммами кода поддиапазона и ссоответствующими входами элементаИЛИ, а (И+1) -й выход реверсивногосчетчика соединен с клеммой "Перегрузка",1638647 0 14 Составитель В.Степанкинедактор А.Лежнина Техред С.Мигунова рректор Л. Патай аж 417 писное ГКНТ ССС Проиэводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагар акаэ 925НИИПИ Госуд твенного комитета по иэобретения 113035, Москва, Ж, Раушская