Электрометрический преобразователь заряда

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ЯО 1531006(51) 4 С 01 К 19/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 17 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГННТ СССР(56) Авторское свидетельство СССР Е 1104426, кл. С О К 19/00, 198.Авторское свидетельство СССР У 1208513, кл, С 01 К9/Ж, 1983. (54) ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ 11 РЕЯРАЗОВАТЕЛЬ ЗАРЯДА(57) Изобретение относится к средствам преобразования малых токов и 2электрических зарядов, например к пьезоэлектрическим датчикам давления.1 ель изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя за счет диагностики измерительной цепи. Она достигается путем введения диференциатора 5, коммутатора 8 аналоговых сигналов, дифференцирук 1 шего конденсатора 11, программируемого источника 9 напряжения, аналогоцифрового (АЦП) 14 и цифроаналогового (ЦАП) 15 преобразователей, Изчеряемьп сигнал с входного зажима 171531006 10 поступает на вход усилителя 1 заряда,состоящего из электрометрическогоусилителя 2, интегрирующего конденсатора 3 и разрядного ключа 4, а сего выхода - на выходной зажим 18,коммутатор 8 и дифференциатор 5. Врежиме коррекции сигнал с усилителя 1через коммутатор 8, АЦП 14, ЦАП 15,генератор 13 линейно изменяющегосянапряжения и конденсатор 11 создаетток коррекции. В режиме контроля Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области измерения малых токов и электрических зарядов, и может быть использовано при усилении электричес ких сигналов пьезоэлектрических дат чиков давления при контроле кваэистатических и переменных давлений. Цель изобретения - расширениефункциональных возможностей за счетдиагностики измерительной цепи.На фиг.1 приведена функциональная схема злектрометрического преобразователя заряда; на фиг,2 - функциональная схема блока управления,устройства; на фиг,3 и 4 - временныедиаграммы работы узлов и блоков преобразователя.Электрометрический преобразователь 35заряда (фиг.1) содержит усилитель 1заряда, в который входят электрометрический усилитель 2, интегрирующий,конденсатор 3 и разрядный ключ 4,дифференциатор 5, блок 6 слеженияхранения, усилитель 7 постоянноготока, коммутатор 8 аналоговых сигналов, программируемый источник 9 напряжения, блок 10 управления, дифференцирующий конденсатор 11, 0-триг" 45гер 12, генератор 13 линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 14,цифроаналоговый преобразователь(ЦАП) 15 и системную шину 16,Инвертирукдий вход усилителя 1 заряда и первая обкладка дифференцирующего конденсатора 11 соединены свходным зажимом 17 электрометрического преобразователя заряда. Выход55усилителя 1 заряда, вход дифференциатора 5, первый вход коммутатора 8аналоговых сигналов соединены с аналоговым нькодным зажимом 18 преобравходного сопротивления утечки сигналс выхода дифференциатора 5 черезблок 6 слежения-хранения и усилитель 7постоянного тока поступает на выходной зажим 19. Использованием системной шины 16, блока 10 управления иР-триггера 12 осушествляется выборрежима работы устройства. В описанииприведен пример реализации блока 104 ил. эователя заряда. С аналоговым выход" ным зажимом 19 контроля параметров электрометрического преобразователя заряда соединены выход коммутатора 8 аналоговых сигналов и информационный вход АЦП 14. Выход дифференциатора 5 соединен с входом блока 6 сле" жения-хранения, инвертирующим входом усилителя 7 постоянного тока и вторым входом коммутатора 8 аналоговых сигналов. Неинвертирующий вход усилителя 1 заряда соединен с выходом программируемого источника 9 напря" жения. Выход блока 6 слежения"хранения соединен с неинвертирующим вхо дом усилителя 7 постоянного тока, выход которого соединен с третьим входом коммутатора 8 аналоговых сигналов. Первый выход блока 10 управления соединен с первым входом управления программируемого источника 9 напряжения, второй выход блока 10 управления соединен с вторым входом управления программируемого источника 9 напряжения и третьим входом управления коммутатора 8 аналоговых сигналов. Третий выход блока 10 управлений соединен с входом управления блока 6 слежения-хранения. Четвертый и пятый выходы блока 10 управления соединены соответственно с первым и вторым входами управления коммутатора 8 аналоговых сигналов, Вход сброса усилите; ля 1 заряда и входы начальной установки в нуль ГЛИН 13 и Р-триггера 12 соединены с шестым выходом блока 1 О управления. Вход запуска АЦП 14 соединен с седьмьи выходом блока 10 управления, выходы АЦП 14 поразрядно соединены с входами ЦАП 15 и с входами системной шины 16.Выход "Конец преобразования" АЦП 14 соединен с тактовьм входом П-триггера 12 и с входом стробирования ши51531006 ны 16, Информационный вход П-тригге- в ра 12 соединен с источником логичесв кой единицы (не показан), прямой выход П-триггера 12 соединен с входом стробирования данных ЦАП 15. Выходв ЦАП 15 соединен с входом управления ГЛИН 13. Блок 10 управления (фиг.2)с содержит регистр 20, дешифратор 21н и элемент ИЛИ 22, Входы данных ре 10 к гистра 20 поразрядно соединены с инв формационными входами блока 10 управо ления, а вход тактирования регистра 20 соединен с первым входом синхрониР зации блока 10 управления, Выходы ре 15 в гистра 20 поразрядно соединены с входами дешифратора 21, первый и третийР выходы дешифратора 21 соединены с вхол дами элемента ИЛИ 22, его выход соединен с первым выходом блока 10 упс равления. Второй, третий, четвертый,Р пятый и шестой выходы дешифратора 21Р соединены с одноименными выходамин блока 10 управления, а второй входсинхронизации блока 10 управления сое т динен с седьмым выходом блока 10 управления. Устройство работает следуюпщм образом.После подачи питания на аналого вом выходном зажиме 18 устройства присутствует некоторый уровень напряжения, отличный от нулевого, который обусловлен набросом заряда во время включения преобразователя. Режим коррекции осуществляется следующим образом. В течение первого такта (фиг.За, интервал времени й, - ) с шестого выхода блока 10 управления поступает сигнал начальной установки, про исходит сброс усилителя 1 заряда и "обнуление" ГЛИН 13 (фиг.Зг, д) выходное напряжение которого и скорость его изменения близки к нулю, При появлении сигнала синхронизации, на пятом выходе блока 10 управленияпоявляется сигнал высокого уровня, который поступает на второй входкоммутатора 8 аналоговых сигналов, при этом выходное напряжение дифференциатора 5, поступающее на второй вход .коммутатора 8, подается на вход АЦП 14. В момент времени йз на вход запуска АЦП 14 поступает сигнал высокого уровня (фиг.Зб), Происходит55 преобразование выходного напряжения дифференциатора 5 в цифровой код.После окончания преобразования на выходе "Конец пре образования" АЦП 14 момент времени с появляется сигналысокого уровня 0р(фиг,Зв), Этотигнал поступает на вход тактироваия П-триггера 12 и переводит егосостояние с высоким логическим уровнем на прямом выходе. Выходнойигнал Р-триггера 12 стробирует входые данные ЦАП 15, при этом выходнойод АЦП 14 записывается в ЦАП 15,ыходное напряжение которого скачкобразио увеличивается.Логический уровень знакового Разяда АЦП 14 определяется полярностьюыходного напряжения диференциаторалогическая единица в знаковом разяде соответствует положительной поярности выходного напряжения диференциатора 5 и отрицательному токумещения усилителя 1 заряда и, наобоот, логический нуль в знаковом разяде АЦП 14 соответствует отрицательой полярности выходного напряженияифференциатора 5 и положительномуоку смещения усилителя 1 заряда.олярность выходного напряжения ЦАП 15 определяется состоянием знакового разряда кода управления. В зависимости от полярности выходного напряжения ЦАП 15 изменяется полярность. выходного напряжения генератора 13 линейно изменяющегося напряжения: при положительном выходном напряжении ЦАП 14 выходное напряжение ГЛИН 13 имеет положительную полярность и линейно нарастает по модулю, при этом через конденсатор 11 протекает ток компенсации, равный по величине и обратный по знаку току смещения усилителя 1 заряда.На аналоговый выходной зажим 19 контроля параметров электрометрического преобразователя заряда поступает напряжение, пропорцнональное величине тока смещения усилителя 1 заряда и обратное ему по знаку, Обработка выходного кода АЦП 14, соответствующего току смещения и поступающего на системную шину 16, осуществляется при поступлении на шину 16 сигнала высокого уровня П 1 конца преобразования АЦП 14, После съема данных внешним устройством с системной шины 16 блок 10 управления в момент времени С формирует команду сброса в виде сигнала Ц, ,(фиг.За). Так как выходное напряжение ЦАП 15 пропорционально величине входного тока смещения усилителя 1 заряда, 1531006выходное напряжение последнего остается близким к нулевому уровню. Начиная с момента времени 1 ,т.е. после окончания импульса сброса, электро- метрический преобразователь заряда переходит в режим измерения.В момент времени С на вход пре 9обраэователя заряда поступает входной сигнал в виде электрического заряда 0 (фиг.3 е). Выходное напряжение 11, усилителя 1 заряда пропорционально уровню выходного сигнала (фиг, Зг). Длительность цик аиэмерения опре-деляется длительностью рабочей стадии управляемого генератора 13 линейно изменяющегося напряжения, в частности, динамическим диапазоном его выходных напряжений, а также стабильностью уровня входного тока смещения усилителя 1 заряда и составляет 200-300 с, что обеспечивает возможность кваэистатической градуировки пьезоэлектрических датчиков давления.Контроль величины входного сопротивления утечки преобразователя заряда осуществляется при поступлении пяти команд с системной шины 16. При поступлении первой команды в течениеинтервала времени г., - г.г(фиг.4 а) производится начальная установка электрометрического преобразователя заряда: сброс усилителя 1 заряда, установка в нуль 0-триггера 12 и генератора 13 линейно изменяющегося напряжения, Затем поступает первая команда управления программируемым источником 9 напряжения (фиг. 4 б), На,Ф выходе источника 9 напряжения появляется эталонный уровень напряжения отрицательной полярности (фиг.4 д). Выходное напряжение усилителя 1 заряда, в момент поступления на его инвертирующий вход эталонного напряже" ния - Е , скачкообразно уменьшается до уровйя - Го эталонного напряжения, а затем продолжает уменьшаться вследствие наличия сопротивления утечки входной цепи.Как видно из формулы, выходное напряжение усилйтеля 1 заряда сначала скачкообразно увеличивается до уровня Е , а затем линейно нарастает по модулю, при этом емкость С практически не влияет на изменениевыходного напряжения усилителя заряда.В момент времени(фиг,4 г) блок1 О управления Формирует команду уп 55 шину 16 по формуле2 Ео ТаС 3(Ъ+ Ъг"фгде Ко - эталонное напряжение, В;Т- постоянная времени дифферейцирования дифференциатора 5,с; равления блоком 6 слежения-хранения,производится выборка выходного напряжения дифференциатора 5, В момент 5времени с (Фиг,4 ж) с второго выходаблока 19 управления поступает сигналвысокого уровня на второй вход управления программируемого источника 9напряжения и на третий вход управления коммутатора 8 аналоговых сигналов, Полярность выходного напряжения источника 9 напряжения меняетсяна противоположную, выходное напряжение усилителя 1 заряда также изменяется на противоположное по знаку(фиг.4 д, ж). Так как управляющий сигнал поступает и на третий вход управления коммутатора 8, то выходноенапряжение усилителя 7 постоянноготока поступает на информационныйвход АЦП 14, Это напряжение равноразности ранее запомненного блоком 6слежения-хранения выходного напряжения дифференциатора 5 и текущеговыходного напряжения дифференциатора 5. В момент времени й (фиг,4 е)с системной шины 16 поступает сигналзапуска АЦП 14; в момент времениАЦП 14 формирует сигнал конца преобразования П (см.14 з), который поступает на системную шину 16 и натактовый вход 0-триггера 12.Выходной код АЦП 14 считываетсячерез системную шину 16 внешнимустройством и одновременно с появлением высокого уровня на прямом выходе 0-триггера 12 он заносится вЦАП 15. Это приводит к появлениюуправляющего сигнала на входе управления ГЛИН 13 и к протеканию токачерез конденсатор 11, Однако протекание тока через конденсатор 11 исоответственно изменение выходногосигнала усилителя 1 заряда" не изменяет результата преобразования АЦП 1т.е. не влияет на точность определения входного сопротивления утечки.Значение сопротивления утечки К вычисляется во внешнем специализированном устройстве, осуществляющемуправление электрометрическим преобразователем заряда через системнуюС - емкость интегрирующего конденсатора 3, Ф;,Б - выходное напряжение дифференциатора 5 при поступлении на неинвертирующий вход усилителя 1 заряда эталонных напряжений отрицательной и положительной полярности, В (фиг.4 ж). Формула изобретения 10 Электрометрический преобразователь заряда, содержащий усилитель заряда, инвертирующий вход которого соединен с входным зажимом преобразователя заряда, усилитель постоянного тока, блок слежения-хранения, генератор линейно изменяющегося напряжения и Р-триггер, информационный вход которого соединен с источником напряжения логической единицы, о т - . л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных воз- д 5 можностей эа счет диагностики измерительной цепи, в него дополнительно введены дифференциатор, программируемый источник напряжения, коммутатор аналоговых сигналов, аналого цифровой З 0 преобразователь, цифроаналоговый преобразователь,дифференцирующий конденсатор и блок управления, информационные и тактовые входы которого соединены с соответствующими выходами системной шины, с выходным зажимом преобразователя заряда соединены выход усилителя заряда, вход дифференциатора и первый вход коммутатора аналоговых сигналов, выход дифференциатора соединен с входом40 блока слежения-хранения, инвертирующим входом усилителя постоянного тока и вторым входом коммутатора аналоговых сигналов, выход блока слежения-хранения соединен с неинвертирую 45 щим входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с третьим входом коммутатора аналоговых сигналов, первый выход блока управлениясоединен с первым входом управленияпрограммируемого источника напряже"ния, второй выход блока управлениясоединен с вторым входом управленияпрограммируемого источника напряжения и третьим входом управления коммутатора аналоговых сигналов, третийвыход блока управления соединен с входом управления блока слежения-хранения, четвертый и пятый выходы блокауправления соединены соответственнос первым и вторым входами управлениякоммутатора аналоговых сигналов, выход которого соединен с зажимом аналогового выхода контроля параметровэлектрометрического преобразователязаряда и с информационньм входоманалого-цифрового преобразователя,выходы аналого-цифрового преобразователя поразрядно соединены с Явходами системной шины и с соответствующими входами цифроаналоговогопреобразователя, выход которого соединен с входом управления генераторалинейно изменяющегося напряжения,выход которого через дифференцирующий конденсатор соединен с инвертирующим входом электрометрического преобразователя заряда, выход программируемого источника напряжения соединен с неинвертирующим входом усилителя заряда, выход "Конец преобразования" аналого-цифрового преобразователя соединен с тактовым входом0-триггера и входом системной шины,вход сброса усилителя заряда и входыустановки в "0" генератора линейноизменяющегося напряжения и Р-триггера соединены с шестым выходом блокауправления, вход запуска аналого-цифрового преобразователя соединен сседьмым выходом блока управления, авход стробирования цифроаналоговогопреобразователя соединен с прямымвыходом Э-триггера.153100 б и,о фв Я ктор С.Шекма дактор А при ГКНТ ССС ткрьгги ул. Гагарина, 10 н 11Производственно-издательский комбинат Патент, г, Уж Составитель В,Смирнриз Техред М.Ходанич Заказ 7949/46 Тираж 714ВНИИПИ Государственного комитета по изобр113035, Москва, Ж, Рауш Подписно ениям и о кая наб.,