Способ преобразования перемещения в длительность импульсов и устройство для его осуществления (его варианты)

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 09) (11) 9 511 4 С 0 В 7/О ВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ГОСУД А ПО ДЕЛ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ/ д ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕ ЩЕ 1 И Я В ДЛИТЕЛЬНОСТЬ И МП УЛ ЬСОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУШЕСТВЛ 1=НИЯ (ЕГО ВАРИЛ 1 ТЫ)(57) Изобретение позволяет повысить точность преобразования перемещений в длительность импульсов за счет исключения погрешности, вносимой нестабильностью электронных блоков функциональной схемы. На выходе устройства формируется импульсный сигнал, длительность импульсов которого функционально связана с емкостью датчика, а длительность паузы - с емкостью опорного конденсатора, при этом длительность паузы выходного импульсного сигнала поддерживается равной длительности эталонных импульсов независимо от условий окружающей среды. Это позволяет существенно снизить влияние дестабилизируюгцих факторов, если емкостный датчик н опорный конденсатор находятся в одинаковых условиях. 5 си. флы,4 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля и измерения перемещений.Цель изобретения - повышение точности преобразования за счет исключения погрешности, вносимой нестабильностью функциональных элементов.На фиг. 1 - 4 приведены блок-схемы четырех вариантов устройств, реализующих способ преобразования перемещений в ллительность импульсов.Устройство по первому варианту (фиг. 1) содержит полевые транзисторы 1 и 2, истоки которых подключены к общей шине, а стоки соединены с шиной источника питания через резисторы 3 и 4, емкостной датчик 5, опорный конденсатор 6, затвор транзистора 1 соединен через емкостный датчик 5 с стоком транзистора 2, затвор транзистора 2 соединен через опорный конденсатор 6 с стоком транзистора 1, формирователь 7 импульсов эталонной длительности, вход которого подключен к стоку транзистора 1, первый 8 и второй 9 фильтры низких частот, вход первого из которых подключен к выходу формирователя 7 а вход второго - к стоку транзистора 2, операционный усилитель 10, входы которого подключены к выходам фильтров 8 и 9, выход через резисторы 1 и 12 соединен с затворами транзисторов 1 и 2. Диоды 13 и 14 подключены к шинам питания.Устройство по второму варианту (фиг. 2) содержит первый операционный усилитель 15, делитель 16 напряжения, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя 15, а выход соединен с цеинвертирующим его входом, диодный мост 17, емкостный датчик 18 и опорный конденсатор 19, причем ггервый выход диагонали переменного тока диодного моста 17 соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя5, второй вывод через перезарядные резисторы 20 и 21 соединен с -.очка ми соединения выводов диа гонал и постоянного тока диодного моста 17 с емкостцым датчиком 18 и опорным конденсатором 19, формирователь 22 импульсов эталонной длительности, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя 15, фильтр 23 низких частот, вход которого подключен через резистор 24 к выхолу формирователя импульсов эталонной длительности и через диод 25 и резистор 26 - к выходу первого операционного усилителя 15, второй операционный усилитель 27, подключенный инвертирующим входом к выходу фильтра 23 низких частот, а неинвертирующим входом соединен с общей дги ной, оптрон 28, фоторезистор которого подключен между выходом первого операционного усилителя 5 и вторым выводом диагонали переменного тока диодцого мосга 17, а светолиод подключен к выходу эперациоцного усилителя 27,5 О 1 2 О 5 3 О 35 40 45 50 55 Устройство по третьему варианту (фиг. 3) содержит первый операционный усилитель 29 ключи 30 и 31, емкостный датчик 32 и опорный конденсатор 34, инвертирующий вход первого операционного усилителя 29 подключен через отсекающие диоды 34 и 35 к емкостному датчику 32 и опорному конденсатору 33, потенциометр 36, включенный на выходе первого операционного усилителя 29, двухполярный ограничитель 37 напряжения, подключенный к выходу первого операционного усилителя 29, и двухполярный источник 38 тока, включенный между инвертирующим вхолом первого операционного усилителя 29 и выходом двухполярного ограничителя 37 напряжения. Двухполярный источник 38 тока состоит из двух транзисторов 39 и 40 противоположного типа проводимости, коммутируемых диодами 41 и 42. Устройство содержит также формирователь 43 импульсов эталонной длительности, вход которого полключен к выходу первого операционного усилителя 29, фильтр 44 низких частот, вход которого через резистор 45 подключен к выходу формирователя 43 импульсов эталонной длительности и через резистор 46 и диод 47 - к выходу двухполярного ограничителя 37 напряжения, и второй операционный усилитель 48, цнвертирующий вход которого соединен с общей шиной, неинвертирующий вход подключен к выходу фильтра 44 низких частот, и каскад 49 с разделенной нагрузкой, управляюгцие входы двухполярного источника 38 тока подключены к выходам инверсного каскада 49 с разделенной нагрузкой.Устройство по четвертому варианту (фиг. 4) содержит генератор 50 импульсов, первый 5 и второй 52 элементы И, первые входы которых подключены к выходу генератора 50 импульсов, первый 53 и второй 54 ключи, вхолы которых подключены соответственно к выходам первого 51 и второго 52 элементов И, две пары диолцо-резисторных цепей, состоящая каждая из основной цепи в виде последовательно соединенных диодов 55 и 56 и резисторов 57 и 58 и дополнительной цепи в виде диодов 59 и 60 и резисторов 61 и 62, емкостцый датчик 63 и опорный конденсатор 64, потенциальные электроды которых подключены соответственно к точке соединения диода 55 и резистора 57 и к точке соединения диода 56 и резистора 58, фильтры 65 - 68 низких частот, входы которых подключены к выводам резисторов 57, 58, 61, 62 лиодно-резцсторных цепей, первый 69 и второй 70 блоки вычитания, входы которых подключены соответственно к выходам фильтров 66 - 68 низких частот, первый 71 и второй 72 интеграторы, вхоЛы которых подключены к выходам первого 69 и второй 70 блоков вычитания, первый 73 и второй 74 блоки сравнения, первые входы которых подключены к выходам соответственно первого 71и второго 72 интеграторов, источник 75 опорного напряжения, подключенный к вторымвходам первого 73 и второго 74 блоков сравнения, и триггер 76, входы которого подключены к выходам первого 73 и второго 745блоков сравнения, а выходь( - к управляющим входам первого 73 и второго 72 интеграторов и к вторым входам первого 51и второго 52 элементов И, формирователь77 импульсов эталонной длительности, входкоторого подключен к соответствующему выходу триггера 76, пятый 78 и шестой 79фильтры низких частот, входы которых подключены соответственно к выходу формирователя 7 импульсов эталонной длительности и к противоположному выходу триггера 76, операционный усилитель 80, инвертирующий и цеинвертирующий входы которого подключены соответственно к выходампятого 78 и шестого 79 фильтров низкихчастот, а выход связан с шиной питанияключей 53 и 54.20Способ преобразования перемещения вдлительность импульсов осуществляетсяследующим образом.Если параметры цепей формированияимпульса и пауза выходного сигнала идентичны, а емкостной датчик и опорный конденсатор находятся в одинаковых условиях, то длительность импульса и паузуможно представить в виде произведенийМ.,(1/,) Цх),=м ,(,.) Ы 430где Ь(ит. - длительность импульсов и паузвыходного сигнала;6 х) - фуцк(ция преобразования выходного напряжения Г(х.,11 х) и Г (а. - функция преобразования расстояния х между пластинами З 5емкостного датчика и функцияпреобразования расстояниямежду пластинами опорногоконденсатора;М - параметр, учитывающий нестабил ьность функции преобразования входного сигнала и параметров емкостного датчика иопорного конденсатора.При длительности прямоугольных эталонных импульсов, равной (О, и длительности дополнительных прямоугольных импульсов, равной длительности 1 паузы выходного сигнала, среднее значение напряжений этих импульсных сигналов соответственно равныР(=К1 о, 501/г= К. , (2) где 1(1 и 1 г - средние значения напряжений;К - коэффициент пропорциональности.В соответствии с предлагаемым способом преобразования, входное напряжение формируют в виде, =А(Р - Г) (3) где А - коэффициент передачи вычитающего устройства, достигающий нескольких десятков тысяч при использовании операционных усилителей.В предельном случае А=ос11 - 1 г=0;(о=М 1(1 ьх) гУ), (5)где Ьо, д и соответственно Цс) - постоянные величины.ПоэтомуМ.,(1.,) =.В, (6)где В - постоянная величина, в которой нестабильность параметра М компенсируется изменением входного напряжения 1.Из выражений (1) и (6) длительностьвыходных импульсов определяется какЮ фг(х) (7)и, таким образом, це зависит от параметра М нестабильности функций преобразования,Устройство по первому варианту работает следующим образом.При включении источника питания навыходе операционного усилителя 1 О устанавливается одно из крайних значений напряжения той или иной полярности. В точкесоединения резисторов 11 и 12 устанавливается величина напряжения, определяемаясоответственно источником напряжения Е(или Ег, причем указанные источники выбираются таким образом, что величины напряжений Е( и Е. находятся на краях диапазона устойчивой работы генератора на транзисторах 1 и 2. При этом на выходе устройства формируется импульсный сигнал,длительность импульсов которого функционально связана с емкостью датчика 5, адлительность паузы - с емкостью опорного конденсатора 6. Формирователь 7 импульсов эталонной длительности запускаетсяотрицательным фронтом импульсов выходного сигнала. На входы первого 8 и второго 9фильтров низких частот поступают соответственцо импульсы эталонной длительности иимпульсы, снимаемые с цепи тока транзистора 2 и равные длительности паузывыходного импульсного сигнала. На выходахпервого 8 и второго 9 фильтров низкихчастот формируются напряжения, пропорциональные средним значениям входныхимпульсных напряжений. При достаточнобольшом коэффициенте усиления операционного усилителя 10 напряжение на его выходе через определенное число периодов колебаний генератора устанавливается такойвеличины, что разность напряжений навходах операционного усилителя 10 близкак ( улю. Одновременно соответствующим образом изменяются длительности импульса ипаузы выходного импульсного напряжения.5 0 15 При одинаковых коэффициентах передачи фильтров 8 и 9 низких частот и равных амплитудах импульсных напряжений на их входах указанное соотношение устанавливается ири равенстве длительности эталонных импульсов формирователя 7 длительности паузы выходного импульсного напряжения. Таким образом, длительность паузы выходного импульсного сигнала поддерживается равцой длительности эталонных импульсов напряжения независимо от условий окружа юц 1 сй среды. Если емкостный датчик 5 и опорный конденсатор 6 находятся в одинаковых условиях и параметры плеч генератора идентичны, то длительность выходных импульсов определяется измеряемым перемещением и не зависит от дестабилизирующих факторов. Устройство по второму варианту работает следую щи м об ра зом.Г 1 ри включении источника питания на выходе второго операционного усилителя 27 устанавливается напряжение, например, отрицательной полярности. В этом случае фоторезистор оптроца 28 обладает максимальным сопротивлением, поскольку ток в цепи светодиода отсутствует. На выходе первого операционного усилителя 15 формируются двухиолярцые прямоугольные импульсы напряжения, длительность импульса и паузы которых определяется сопротивлением резистора 20, емкостью датчика 18, сопротивлением резистора 21 и емкостью опорного конленсатора 19, а также сопротивлением параллельно соединенных резистора 21 и фоторезистора оптрона 28, На выходе формирователя 22 импульсов эталонной ллительности, который запускается отрицательным фронтом двухполярных импульсов с выхода первого операционного усилителя 15, формируются импульсы положительной полярности, На входе фильтра 23 низких частот суммируются два импульсных сигнала: импульсы положительной полярности, поступающие с выхода формирователя 22 импульсов эталонной длительности и импульсы отрицательной полярности, поступающие с выхода первого операционного усилителя5 через последовательно соединенные диод 25 и резистор 26. На выходе фильтра 23 низких частот формируется напряжение, пропорциональное среднему значению суммарного импульсного напряжения. При достаточно большом коэффициенте усиления второго операционного усилителя 27 напряжение на его входе и соответственно яркость излучения светодиода оптрона 28 устанавливаются через определенное число периодов колебаний такой величины, чтобы выходное напряжение фильтра 23 низких частот было близко к нулю. При одинаковых амплитуЛах суммируемых импульсов напряжения такое соотношение устанавливается при равенстве длительности эталонных импульсов 20 25 30 35 40 45 50 55 длительности паузы импульсного выходного напряжения. Одновременно соответствующимм образом, уменьшаются дл ител ьность импульса и паузы выходного импульсного напряжения,Г 1 ри идентичной зависимости параметров емкостного датчика и опорного конденсатора от условий окружак 1 щей среды длительность импульсов выходного напряжения определяется перемещением и це зависит от условий окружающей срелы.Устройство по третьему варианту работает следующим образом.При включении источника питания ца выходе второго операционного усилителя 48 устанавливается одно из крайних значений напряжения, например, положительной полярности. Выходные напряжения инверсного каскада 49 с разделенной нагрузкой минимальны, двухиолярный источник 38 тока на транзисторах 39 и 40 создает минимальные токи заряда емкостного датчика 32 и опорного конденсатора 33. На выходе первого операционного усилителя 29 формирук 1 тся лвухполярные ими льсы на пряже 1 ия длительность импульса и паузы которых определяются токами заряда смкостцого датчика 32 и опорного конденсатора 33, а также положением подвижного контакта иотенциометра 36. Формирователь 43 импульсов эталонной длительности запускается отрицательным фронтом импульсов, поступающих с выхода первого операционного усилителя 29. В точке соединения резисторов 45 и 46 с входом фильтра 44 низких частот суммируются два импульсных напряжения: имиульсы положительной полярности, поступающие с выхода формирователя 43 импульсов этаО ц 1 ннои длительности, и импульсы отрицательцой полярности, поступающие с выхода двухполярного ограничителя 37 напряжения через последовательно соединенные резистор 46 и диод 4. На выходе фильтра 44 низких частот формируется напряжение, пропорциональное среднему значению суммарного импульсного напряжения.Через определенное число периодов колебаний, при достаточно большом коэффициенте усиления второго операционного усилителя 48, напряжение ца его выходе и следовательно напряжения на выходах инверсного каскада 49 с инверсной нагрузкой устанавливаются таким образом, чтобы выходное напряжение фильтра 45 низких частот было близко к нулю. Одновременно возрастают соответственно токи заряда емкостного датчика 32 и опорного конденсатора 33, создаваемые лвухполярным источником 38 тока, и уменьшается соответствующим образом длительность импульса и паузы выходного импульсного напряжения. При одинаковых амплитудах суммируемых импульсов напряжения такое соотношение устанавливается при равенстве длительности эталонных имиульсои длительности паузыФормула изобретения импульсного выходного напряжения. Если емкостный датчик 32 и опорный конденсатор 33 находятся в одинаковых условиях окружающей среды, а транзисторы 39 и 40 создают одинаковые токи заряда, то длительность импульсов выходного напряжения определяется перемещением и не зависит от изменяющихся условий окружаюшей среды.Устройство по четвертому варианту работает следующим образом.При включении источника питания на выходе операционного усилителя 80 устанавливается одно из крайних значений напряжения, например, отрицательной полярности, Диод 81 закрывается под действием приложенного обратного напряжения, к шинам питания ключей 53 и 54 прикладывается через открытый диод 82 напряжение Ез источника, мицимальное значение которого выбирается из условия обеспечения устойчивой работы схемы, При этом на выходах триггера 76 формируются прямоугольные импульсы напряжения, длительность импульса и паузы которых определяются емкостью датчика 63 и опорного конденсатора 64, параметрами диодцо-резисторцых цепей, параметрами интеграторов 1 и 72 и источниками 75 опорного напряжения, частотой генератора 50 импульсов и напряжением на шине питания ключей 53 и 54. Формирователь 77 импульсов эталонной длительности запускается отрицательным фронтом импульсов, поступающих с прямого выхода триггера 76. На входы пятого 78 и шестого 79 фильтров низких частот поступают соответственно прямоугольные импульсы эталонной длительности с выхода формирователя 77 и прямоугольцые импульсы с инверсного выхода триггера 76, На выходах фильтров 78 и 79 формируются напряжения, пропорциональные средним значениям этих импульсных напряжений. Через определенное число периодов импульсного цапрякения на выходах триггера 76 при достаточно большом коэффициенте усиления операционного усилителя 80 напряжение на выходе операционного усилителя 80 устанавливается такой величины, что разность напряжений на его входах близка к нулю. Под действием приложенного обратного напряжения диод 82 закрывается и выходное напряжение операционного усилителя 80 прикладывается через открытый диод 81 к шинам питания ключей 53 и 54. Соответствующим образом уменьшается длительность импульса и паузы импульсного напряжения на выходах триггера 76. При равенстве амплитуд импульсов на выходах фильтров 78 и 79 такое соотношение устанавливается при равенстве длительности эталонных импульсов длительности паузы импульсного напряжения на прямом выходе триггера 76. Если емкостный датчик 63 и опорный конденсатор 64 находятся в одинаковых условиях окружающей среды, а параметры блоков 69 и 70 вычитао 15 20 25 зо З 5 4 а 4 50 55 ния, интеграторов 71 и 72, блоков 73 и 74 сравнения идентичны, то длительность импульсов на прямом выходе триггера 76 определяется перемещением и не зависит от изменяю- шихся условий окружающей среды. 1. Способ преобразования перемещения в длительность импульсов, заключающийся в том, что формируют линейно изменяющиеся напряжения, функционально связанные с параметрами емкостного датчика и опорного конденсатора, и выделяют длительность выходных импульсов напряжения путем сравнения линейно изменяющихся напряжений с опорными напряжениями, отличаюи 1 ийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, формируют дополнительные прямоугольные импульсы напряжения с длительностью, равной длительности паузы между выходными импульсами напряжения, и прямоугольные импульсы эталонной длительности, синхронизированные с частотой выходных импульсов напряжения, а входное напряжение формируют в виде разности между средними значениями импульсов напряжения эталонной длительности и дополнительных импульсов напряжения.2. Устройство для преобразования перемещения в длительность импульсов, содержашее емкостцый датчик, опорный конденсатор, два полевых транзистора, истоки которых подключены. к общей шине, стоки через резисторы подключены к шине источника питания, затвор каждого транзистора соединен со стоком другого транзистора соответственно через емкостный датчик и опорный конденсатор, отличаюиееся тем, что, с целью повышения точности преобразования, оцо снабжено формирователем импульсов эталонной длительности, вход которого подключен к стоку одного из транзисторов, первым и вторым фильтрами низких частот, входы которых подключены соответственно к выходу формирователя импульсов эталонной длительности и стоку другого транзистора, и операционным усилителем, неинвертируюший и инвертируюший входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго фильтров низких частот, а выход соединен через резисторы с затворами транзисторов.3. Устройство для преобразования перемещения в длительность импульсов, содержащее емкостный датчик, опорный конденсатор, первый операционный усилитель, делитель напряжения, выход которого соединен с цеицвертируюшим входом первого операционного усилителя, а вход подключен к выходу первого операционного усилителя, диодный мост. выводы диагонали постоянного тока которого соединены соответственно с емкостцым датчиком и опорным конденсатором, первый вывод диагонали переменного токаодключен к инвертируюгцему входу первого операционного усилителя, второй вывод соединен через перезарядные резисторы с емкостным датциком и опорным конденсатором, отличающееся тем, что, с целью повышения точности преобразования, оно снабжено формирователем импульсов эталонной длительности, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, фильтром низких цастот, вход которого подклочен через резистор к выходу формирователя импульсов эталонной длительности и через последовательно соединенные диод и резистор - к выходу первого операционного усилителя, вторым операционным усилителем, нсинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, инвертирующий Вход подклочен к выходу фильтра низких частот, оптроном, светодиод которого подк,Оцсн к выходу второго операционного усилителя, а фоторезистор включен между выходом первого операционного усилителя и Вторым выводом диагонали переменного тока диодного моста.4. Устройство для нрсобразования перемещения в длительность импульсов, содержацге емкостный датчик, опорный кондеп-атор, Включенные параллельно емкостному дагчику и опорному конденсатору, первый снерационный усилитель, выход которого соеди ьсн с управляющими входами клоцей, чотснциометр, включенный на выходе первого операционного усилителя, подвижный контакт которого подключен к неинвертирующсму входу первого операционного усилителя, двухполярный ограничитель напряжения, подклюцснный к выходу первого операционного усилителя, двухполярный источник тока, включенный между инвертируюгцим входом первого операционного усилителя и выходом двухполярного ограничителя напряжения, и два отсекающих диода, включенных между инвертирующим входом первого операционного усилителя и выводами емкостного датчика и опорного конденсатора, от,гичающееся тем, что, с целью повышсния точносги преобразования, оно снабжено формирователем импульсов эталонной длительности вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, фильтром низких частот, вход которого через последовательно соединенные диод и резистор подключен к выходу двухполярного ограничителя напряжения и через резистор подключен к выходу формирователя импульсов эталонной длительности, вторым операционным усилителем, инвертируюций вход которого соединен с общей шиной, а неинвертирующий вход подключен к выходу фильтра О Г 5 20 25 30 35 40 45 50 низких частот, инверсным каскадом с разделенной нагрузкой, вход которого подключен к выходу второго операционного усилителя, а двухполярный источник тока выполнен на двух транзисторах противоположного типа проводимости, затворы которых подключены к соответствугощим выходам инверсного каскада с разделенной нагрузкой. 5. Устройство для преобразования переменения Б длительность импульсов, содержащее емкостный датчик, опорный конденсатор, генератор импульсов, первый и второй элементы И, первые входы которых подключены к выходу генератора импульсов, две пары диодно-резисторных цепей, каждая из которых сосгоит из основной и дополнительной цепей в виде последователыо соединенных диода и резистора, причем точки соединения диода и резистора основных цепей подключены соответственно к потенциальным электродам смкостного датчика и огорного конденсатора, цстьрс фильтра низких частот, к Входам которых подключены резисторы диодно-резисторных 1 пй, первый и второй интеграторы, первый и Вторг)Й блОки Вычитания, входы которых подключены к Входам фильтров, а выходык Входам первого и второго итеграторов, первый и второй блоки сравнения, первые входы которых подключсы к выходам соотвтствснно первого и второго игграторов, источник опорного напряжения, подключснныи к Вторым входам б.ОкоВ сравпепи 51, и три 1 ср, Входы кото)ого подключены к Бхода блоков сравнения, 51 Выходь 1 - к упрсБ.51 юпгих 1 Входам соот- ВТСТБХ 01 ЦИХ ИПТЕГР 1 ТОРОБ И К БТООЫМ ВХО- дам соответствующих элементов И, от.гичающееся тем, что, с льк) повышения тоцности преобразования опо снабжено формирователем импульсов эталонной длительности, вход которого по-клюцен к соответствующму выходу триггра, пятым и шестым фиьграмп низких частот, входы которых подключены соответственно к выходу формирователя импульсов эталонной длительносги и к противоположному выходу триггера, операционным усилителем, инвертирующий и неинвсртируюций входы которого подклоцень Соответственно к выходам пято 1.о и шестого фильтров низких частот, первым.и вторым ключами, входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго элементов И, выход первого ключа соединен с диодами первой пары диодно-резисторных цепей, выход второго ключас диодами второй пары диодно-резисторных цепей, а нИн 1 питания клочей подключены к выходу операционного усилителя,Составитель Векрсд И. Всрссираж 670арственного козобретений иК - 35 Раушст, г. Ужгород 30илиал Редактор Т. Парфенова Заказ 2004/4ВНИИПИ Госу по делам 35, Москва,ф Г 1 ПП Пате1 иколаевКорректорПодписноемитета СССРоткрытийая на 6., д. 4/5ул. Проектная, 4 А. Зимокосов