Электрометрический преобразователь заряда

,ЯО 123961 б 0 4 19 00 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Кф 23(57) Изо измерите измерению нию элек сигналов ектрости к хника электр 976, с268,зоваимератчиство СССР19/00, 1983. и точност е Сброс ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Илюкович А М, Тметрии-М.: Энергия,рис. 13-2.Авторское свидетеВ 1145292, кл. С 01 4) ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАЛЬ ЗАРЯДА ретение относится к э ьной технике, в части малых токов и преобр рических зарядов, нап с пьезоэлектрических изобретения. - повыше преобразования достигэ ъ введением новых блоков и функциональ ныл связей между элементами и блоками устройства. Устройство содержит электрометрический усилитель 1, разрядный ключ 2, Фиксаторы нижнего 3 и верхнего 4 уровней сигнала, блок 5 управления, реверсивный регистр б сцвига, источник 7 опорного напряжения, аналоговые сумматоры 8 и 9, аналоговые ключи 10 и 11, аналоговые пе 9610реключатели 12 и 13, аналоговый переключатель 14 И-го диапазона, тактируемые В-триггеры 15 и 16, масштабные конденсатсры 17 и 18 и масштабный кон,енсатор 19 11-го диапазона. Функци - напьные схемы блока управления, тактируемого О-триггера, а также временные диаграммы, и:оясняющие работу устройства, приводятся в описании изобретения, 5 ил,. 1 табл.Изобретение относится к областиэлектроизмерительной техники, в частности к области измерения малых токови преобразования электрических зарядов, например сигналов с пьезоэлект-рических датчиков.Цель изобретения - повышение точности преобразования.На Фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, имеюще о три 1 Оподдиапазона измерений (Б-З).; наФиг, 2 - временные диаграммы его работы; на фиг. 3 - функциональная схема блока управления; на фиг, 4 - функ.циональная схема тактируемого Б-триггера; на фиг. 5 - передаточная характеристика устройства,Устройство содержит электрометрический усилитель 1, разрядный ключ 2,Фиксатор 3 нижнего уровня сигнала, 2 Офиксатор 4 верхнего уровня сигнала,блок 5 управления, реверсивный регистр 6 сдвига, источник 7 опорногонапряжения, первый и второй аналоговые сумматоры 8 и 9, первый и второй 2;аналоговые ключи 10 и 11, первый ивторой аналоговые переключатели 12 и13, аналоговый переключатель 14 И-гоподдиапазона, первый и второй тактируемые Э-триггеры 15 и 16, первый и 30второй масштабные конденсаторы 17 и18, масштабный конденсатор 19 И-гоподдиапазона.К входу усилителя 1, соединенногос входом устройства, подключень; первьй информационный вывод ключа 2 .лпервые обкладки конденсаторов 17. -19, вторые обкладки которых подключевны соответственно к выходам суммато.ров 8 и 9 и к выходу переключающегоконтакта Н-го переключателя 14 К вы. ходу электрометрического усилителя 1подключены выход устройства, первыевходы фиксаторов 3 и 4 и выводы замыкающих контактов переключателей .1214. К выходу отрицательной полярности источник, 7 опорного напряженияподключены первые информационные вывоцы ключей 10 и 11. Второй вход фик"сатора 4 подключен к выходу положительной полярности источника 7 опорного напряжения Выводы размыкающихконтактов переключателей 12 - 14,второй информационный вывод клю:а 2и второй вход фиксатора 3 нижнегоуровня сигнала подключены к общейшине преобразователя, Выходы Фиксато.ров Зи 4 подключенысоответственнок первому и второму информационнымвходам блока 5 управления, тактовыйвыход которого подключен к тактовому входу 0 регистра 6 сдвига, авыход управления Э соединен с информационными 3 - и управляющими Чвходами .О-триггеров 15 и 16 и входомМ управпения режимом работы регистра 6 двига. Вход управления разрядного ключа 2,:входы Р установки вноль 3 -триггеров 15 и 16 вход установки в ноль бпока 5 управления ивход 5 установки в единицу разрядарегистра 6 сдвига подключены к шине20 "Сбрсс" устройства. Вход блокировки 1 блока 5 управления соединен свыходом первого разряда регистра 6сдвига. Выходы с первого по МиБ-ый выход регистра 6 сдвига соединены соответственно с тактовыми Свходами Э-триггеров 15 и 16 и с входами управления переключателей 12 -14. К первым и вторым входам сумматаров 8 и 9 подключены соответственно1 1 Сдвиг вправо 0 1 0 Сдвиг влево 3 1239вторые информационные выводы ключей10 и 11 и переключающие контакты переключателей 12 и 13. Входы управления аналоговых ключей 10 и 11 соединены с прямыми выходами Р-триггеров15 и 16,Блок 5 управления (фиг. 3) содержит элементы НЕ 21 и 22, входы которых являются первым и вторым входамиблока а выходы подключены к входам Оэлемента И 23, элемент И 24, входыкоторого соединены с первым и вторымвыходами блока, а выход подключен кодному из входов элемента ИЛИ 25,другой вход которого соединен с С 15входом ждущего мультивибратора 26,7-вход мультивибратора 26 подключенк 7-входу блока, а выход - к С-входублока, и триггер 27, К-вход которогосоединен с выходом элемента И 23,200-вход - с общей шиной устройства,8-вход - с выходом элемента И 24, Свход - с входом установки в ноль блока, а выход - с выходом управления Пблока.Тактируемый П-триггер (фиг. 4) содержит элементы НЕ 28 и 29, входы которых подключены соответственно к Си 7-входам триггера, а выходы - кпервому входу элемента И-НЕ 30 и первому входу элемента И-НЕ 31, вторыевходы элементов И-НЕ 30 и 31 соединены соответственно с Ч- и С-входамитриггера, а выходы - с входами элемента И-НЕ 32, выход которого подключен к первым входам элементов Й-НЕ ЗЗЗ 5и 34, второй вход элемента И-НЕ 33подключен к Р-входу триггера, а выход - к второму входу элемента И-НЕ34 и первому входу элемента И-НЕ 35,второй вход которого соединен с вы Оходом элемента И-НЕ 36, а выход - спервым входом элемента И-НЕ 36 и выходом триггера, второй вход элемента И-НЕ 36 подключен к выходу элемента И-НЕ 34, а третий вход - к К-входу 45триггера.Устройство работает следующим об"разом.В начальный момент времени масштабные конденсаторы 17 - 19 разряжены и входной сигнал отсутствует(фиг. 2 а). На выходах фиксаторов 3и 4 нижнего и верхнего уровней сигнала - потенциалы низкого уровня. После подачи сигнала низкого уровня (ло гического "0") на шину 20 "Сброс" Этщгеры 15 и 16 переводятся в нулевое состояние, на их прямых выходах 610 4сигналы логического "0" (фиг, 2 й ир). Реверсивный регистр 6 сдвига устанавливается в исходное состояние (фиг. 2 6 ). На его первом выходе имеется сигнал логической "1", а на остальных выходах - сигналы логического "0". Аналоговые ключи 10 и 11 разомкнуты. На второй вход сумматора 9 через переключатель 13 поступает выходной сигнал электрометрического усилителя 1. На управляющем выходе Р блока 5 управления имеется сигнал высокого уровня (фиг. 2 О ). На вторую обкладку конденсатора 19 череэ размыкающий контакт переключателя 14 поступают выходной сигнал электрометрического усилителя 1.Выходное напряжение аналоговых сумматоров 8 и 9 близко к нулевому уровню и определяется напряжениями смещения нуля (фиг. 2 и и Х ),При поступлении входного сигнала на вход электрометрического усилителя 1 (фиг. 2 а ) начинает заряжаться входным током конденсатор 17 первого паддиапазона, так как потенциал его второй обкладки практически равен по. тенциалу общей шины, устройства. По мере заряда масштабного конденсатора 17 увеличивается выходное напряжение электрометрического усилителя 1,интервал времени е - е (фиг. 2 е ). Потенциалы вторых обкладок масштабных конденсаторов 18 и 19 равны по величине выходному сигналу электро- метрического усилителя 1, поэтому заряд их не происходит. Если уровень входного сигнала достаточен для заряда масштабного конденсатора 17 до напряжения, превышающего порог срабатывания фиксатора 4 верхнего уровня сигнала, то при достижении порога срабатывания блок 5 управления формирует сигналы управления реверсивным регистром 6 сдвига. Блок 5 уп. равления функционирует в соответствии с таблицей логических переходов. А В С 0 П р и м е ч а н и ед и Ь - сигналы фиксаторов 3и 4 верхнего и нижне го уровней сигнала;С и Э - выходные сигналы блока 5 управления, 1239610Реверсивный регистр 6 сдвига вырабатывает сигнал высокого уровня на( 6 Ъ втором выходе - напряжение П фиг.2 с) на интервале времени Т - С. По переднему Фронту этого сигнала происходит запись информации с выходов блока 5 управления в первый тактируемый Э-триггер 15, потому что на входе управления 1 имеется высокий 1 О уровень напряжения (фиг. 2). Так как в момент времени й на управляющем выходе блока 5 управления имеется высокий уровень напряжения, то запись информации в Р-триггер 15 происходит по переднему фронту сигнала поступающего с второго выхода реверсивного регистра 6 сдвига, Триггер 15 переходит в состояние логической " 1,"(ю на прямом выходе, напряжение Б на интервале времени-(Фиг. 2 к ), при этом аналоговый ключ 10 замыкается и напряжение с выхода отрицательной полярности источника 7 опорного напряжения поступает на первый вход аналогового сумматора 8, на второй его вход поступает выходное напряжение электрометрического усилителя 1. Диаграмма напряжений на второй обкладке масштабного конденсатора 17 приведена на фиг, 20 . Второе уравнение Кирхгофа для цепи заряда масштабного конденсатора 17 первого поддиапазона имеет видПв+ Пс Поп вьх фгде У - входное напряжение электвхрометрического усилителя 1;- напряжение на выводах конс40денсатора 17 первого поддиапазона;П, - выходное напряжение источника 7 опорного напряжения;4)Б - выходное напряжение электрометрического усилителя 1.Из уравнения следует, что сумма входного напряжения Уэлектрометрического усилителя 1 и напряжения на масштабном конденсаторе 17 Б равна сумме выходного напряжения источника 7 опорного напряжения Б и выходного напряжения П ы усилителя 1, При равенстве по модулю напряжений на масштабном конденсаторе 17 Бс и выходного напряжения источника 7 0 разряда конденсатора не происходит,не происходит также стекания заряда с конденсатора 17 во входную цепь преобразователя заряда, При работе на втором подциапазоне происходит за ряд конденсатора 18, так как при пос. туплении управляющего сигнала с второго выхода реверсивного регистра 6о 61сдвига (напряжение Б на интервале времени е - с ), второй вход аналогового сумматора 9 через замыкающий контакт аналогового переключателя 13 подключается к общей шине (Фиг. 2 г). Это эквивалентно подключению второй обкладки конденсатора 18 второго подциапазона к общей шине устройства, При достижении выходным напряжением злектрометрического усилителя 1. величины порога срабатывания Фиксатора 4 верхнего уровня блок 5 управления реверсивным регистром 6 сдвига Формирует сигналы управления, которые переводят тактируемый Э-триггер 16 по переднему фронту импульса высокого уровня (фиг. 2 д) в состояние логической "1" на интервале времени -С. Ключ 11 замыкается и остается замкнутым до прихода команды .управления григгером 16, которая переведет его в состояние логического "О" (момент времени ). Аналоговый переключатель 13 переходит в исходное состояние и ка второй вход аналогового сумматора 9 поступает выходной сигнал электрометрического усилителя 1. Работа электрометрического преобразователя заряда на последнем Б-ом поддиапаэоне (в данном случае Ю) происходит после поступления сигнала высокого уровня с Б-го (3-го) выхода реверсивного регистра 6 сдвига на вход управления И-го аналогового переключателя 14,Об)напряжение Бна интервале времени й- . Порог срабатывания фиксато.ра 3 нижнего уровня равен потенциалу общей шины преобразователя заряда. Поэтому при понижении уровня выходного напряжения электрометрического усилителя 1 ниже нулевого уровня (момент времени Т), т.е. при изменении его полярности, происходит форми.рование управляющих сигналов блоком 5 управления, по которым происходит реверсирование регистра 6 сдвига. Например, если происходит смена подциапазонов с И на К, т.е. с третьего на второй (момент времени Сб ), то переключатель 14 переходит в исходное состояние и на вторую обклад 7 1239 ку масштабного конденсатора 19 поступает выходной сигнал электрометрического усилителя 1 (фиг 2 м), интервал времени й 4 - Т. Одновременно меняется логическое состояние тактируемого 0-триггера 16, он переходит в состоя ние логического "О" (фиг. 2.3, момент времени ), Выходное напряжение преобразователя заряда скачкообразно увеличивается до уровня 0 источника 1 О 7 опорного напряжения, а затем повторяет изменение напряжения на масштабном конденсаторе 18 до момента времени й, после которого преобразователь заряда функционирует на первом поддиапазоне, На интервале времени С -С заряжается входным током масштабнйй конденсатор 17 первого поддиапазона. .Выходное напряжение Б преобразова 8 ЫУтеля заряда так же, как и в момент времени , скачкообразно увеличивается в момент временидо уровня У , а затем повторяет изменения вход. ного сигнала. Аналогично устройство функционирует на интервале времени д 1 - Т,. Если устройство функционирует на первом поддиапазоне измерения, т,е, на выходе первого разряда реверсивного регистра 6 сдвига имеется уровень логической " 1" и на выходах фиксаторов 3 и 4 уровня сигнала, имеются логическйе сигналы нулевого уровня (или происходит переход .в нулевое состояние), то сдвиг влево в реверсивном регистре 6 сдвига блокируется сигналом логической "1", поступающим на вход Ч блока 5 управления.,Формула изобретения40Электрометрический преобразователь заряда, содержащий электрометрический усилитель, вход которого подключен к входу преобразователя и к первым обкладкам первого и второго масштаб- ф ных конденсаторов, а выход подключен к выходу преобразователя и к первому входу фиксатора нижнего уровня, первый аналоговый ключ, второй информационный вывод которого соединен с пер 0 вым входом аналогового сумматора, выход которого подключен к второй об.кладке первого масштабного конденсатора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности пре-образования, в него введены фиксатор верхнего уровня, блок управления,- ревера.ивный регистр сдвига, источник 610 8опорного напряжения Ммасштабных коммутаторов, Ианалоговых сумматоров, Ианалоговых ключей, Ютактируемых 0-триггеров; И аналоговых переключателей, разрядный ключ и шина "Сброс", причем второй вход фиксатора нижнего уровня подключен к общей шине преобразователя, а выход - к первому информационному входу блока управления, второй информационный вход которого соединен с выходом фиксатора верхнего уровня, вход блокировки - с выходом первого разряда реверсивного регистра сдвига, вход установки в "О" - с шиной Сброс",тактовый выход - с тактовым входом реверсивного регистра сдвига, а выход управления - с входом управления реверсивного регистра сдвига и с информационными и управляющими входами тактируемых Р-триггеров, первый вход фиксатора верхнего уровня подключен к выходу злектрометрического усилителя, второй вход - к выходу положительной полярности источника опорного напряжения, выход отрицательной полярности которого соединен с первыми информационными выводами аналоговых ключей, вторые информационные выводы которых соединены с первыми входами соответствующих аналоговых сумматоров, выходы реверсивного регистра сдвига, кроме, И-го, подключены к тактовым входам соответствующих тактируемых Э-триггеров и к входам управления соответствующих аналоговых переключателей, Н-й выход реверсивного регистра сдвига подключен к входу управления М-го аналогового переключателя, выводы замыкающих контактов аналоговых переключателей соединены с выходом электрометрического усилителя, выводы размыкающих контактов - с общей шиной, переключающие контакты аналоговых переключателей, кроме Й-го, соединены с вторыми входами соответствующих аналоговых сумматоров, переключающий контакт И-го аналогового переключателя соединен :с второй обкладкой Б-го масштабного конденсатора, вторые обкладки осталь. ных масштабных конденсаторов подклю,чены к выходам соответствующих аналоговых сумматоров, первые обкладки масштабных конденсаторов подключены к входу преобразователя, входы управления аналоговых ключей соединены с выходаМи соответствующих тактируемых П-триггеров, входы установки в "О"9 1239610 1 О вкодправле г а подкхпО 4 ены информационные вЫводы Р врядног первоо разря- ключа подключены между д ного Регистра сдви- Шей шиной прео рмю1239610 5 лоюраЬп Цион Составитель С. РыбинТехред О.Сопка Корректор М, Хаксимишинец едакто р атилл Заказ 3390/44 ВНИИПЙ Государ по делам изо 113035, Москва, ЖТираж 728 П твенного комитета СССР ретений и открытий 35, Раушская наб., д. исно Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4