Электрометрический преобразователь заряда

-21 юл, У 2 88.8)видетел01 К ство СССР /00, 1984, во СССР /00, 1986. идетельс С 01 К 1 ЕОБРАЗОВА я к элект- позволяет зования.электроме ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯПРИ ГННТ СССР Н АВТОРСНОМУСВИДЕТЕЛЬСТВ(57) Изобретенйе относитроизмерительной техникеповысить точность преобрПреобразователь содержит рнческии усилитель 1, фиксатор 2уровня, конденсаторы 3 и 4, аналоговый ключ 5, источники 9 и 10 опорного напряжения, программируемый реверсивный счетчик 14 и цифроаналоговый преобразователь 15. Введениеаналоговых переключателей 6 н 7,двухпорогового компаратора 8, переключателя 11 диапазонов, шифратора2 и выполнение источника 9 опорногонапряжения программируемым обеспечивают возможность автоматического изменения границ преддиапазонов преобразования и ручной выбор коэффициента передачи и регистрации сигналабез дополнительной обработки. 5 ил.149924 3Изобретение относится к электроиэмерительной технике. Цель изобретения - повышение точ"ности преобразования за счет обеспечения воэможности автоматическогоизменения границ поддиапаэонов преобразования, расширение области использования за счет обеспечения режима ручного выбора коэффициента передачи и регистрации сигнала без дополнительной обработки.На фиг, 1 приведена функциональная схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - функциональная схема двухпорогового компаратора; 15 на фиг. 3 - передаточные характеристики двухпорогового компаратора (а)и фиксатора уровня (б); на фиг. 4временные диаграммы работы преобразователя в ручном режиме (а), врежиме автоматического выбора поддиапазона преобразования и в режиме следящего аналого-цифрового преобразования входных сигналов (б); на фиг, 5 - эпюры входного и выходного сигналов преобразователя в режиме 25 автоматического выбора поддиапазона метрический усилитель (ЭМУ) 1, фиксатор 2 уровня, первый 3 и второй 4 конденсаторы, аналоговый ключ 5,первый 6 и второй 7 аналоговые переключатели, двухпороговый компаратор 8,первый источник 9 опорного напряжения, выполненный программируемым,35 второй источник 1 О опорного напряжения, переключатель 11 диапазонов, шифратор 12, мультиплексор 13 логических сигналов, программируемый реверсивный счетчик 14, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 15, шину 16 управления и шину 17 данных,. 40.Двухпороговый компаратор 8 содержитпервый 18 и второй 19 компараторы, выходы которых соединены с входами элемента ИЛИ 20, выход которого подключен к выходу компаратора 8 черезповторитель 1, имеющий "третье состояние . Вход управления повторителя 21 соединен с входом стробирования компаратора 8. Инвертирующийвход компаратора 18 и неинвертирующий вход компаратора 19 соединены с инвертируюшим входом компаратора 8,Инвертирующий вход компаратора 19 и неинвертирующий вход компаратора 18 через блок 22 компенсации напряжения преобразования. Преобразователь содержит электро 24смещения соединены с неинвертирующимвходом компаратора 8.Инвертирующий вход усилителя 1подключен к входу устройства, первымобкладкам конденсаторов 3 и 4 и через ключ 5 к выходу усилителя 1. Переключающий контакт переключателя 6соединен с второй обкладкой конденсатора 3, нормально разомкнутый контакт - с выходом усилителя 1, входомфиксатора 2, инвертирующим входомкомпаратора 8, нормально замкнутымконтактом переключателя 7 и выходомпреобразователя, нормально замкнутыйконтакт - с второй обкладкой конденсатора 4 и выходом преобразователя 15. Нормально разомкнутый контактпереключателя 7 соединен с выходомисточника 10, а переключающий контакт - с входом опорного напряженияпреобразователя 15. Выход фиксатора 2 соединен с входом управлениянаправлением счета счетчика 14 и соответствующим входом шины 17, Входыуправления источника 9 и первая группа входов мультиплексора 13 подключены к соответствующим выходам шины 17, вход управления ключом 5,вход стробирования компаратора 8,вход стробирования источника 9, входы управления переключателей 6 и 7,вход управления режимом мультиплексора 13, входы управления записьюи режимом работы и вход сброса счетчика 14 подключены к соответствующим выходам шины 16. Выход источника 9 соединен с неинвертирующим входом компаратора 8, выход которогоподключен к тактовому входу счетчика 14 и соответствующему входу шины17, Выходы переключателя 11 подключены к второй группе входов мультиплексора 13 через шифратор 12, выхо- ды мультиплексора 13 соединены свходами предварительной установкисчетчика 14 и соответствующими входами шины 17. Выходы счетчика 14 поразрядно подключены к входам преобразователя 15 и соответствующим входам шины 17,Преобразователь работает следующим образом.После подачи питающих напряженийна выходе преобразователя имеетсяостаточное напряжение, обусловленноенатеканием заряда на конденсатор 3из-за переходных процессов в схемево время включения.В режиме ручного выбора предела измерения вторая обкладка конденсатор а 3 чере з нормально з амкнутый контакт переключателя 6 соединена с выходом ЦАП 15. На вход опорного напряжения ЦАП 15 поступает выходное напряжение ЭМУ 1 через нормально замкнутый контакт переключателя 7, Коэффициент передачи К и ЦАП 15 по входу опорного напряжения оравенЦ цйК иооягде Б Ч 4 п - выходное напряжение ЦАП 15.Шифратор 12 преобразует позиционный код, задаваемый переключателем 11, в двоичный код, который поступает на вторую .группу входов мультиплексора 13, при высоком уровне на входе управления Ч режимом мульти - плексора 13 этот двоичный код подается на входы предварительной установки В Р, Псчетчика 14, После поступления в момент временисигнала П "Сброс" с шины 16 (фиг. 4 а,а), ключ 5 замыкается и остается замкнутым до момента времени й . В момент времени г. с нины 16 поступает сигнал Ст, высокого уров 9ня (фиг. 4 а,в), который переводит компаратор 8 в третье состояние. Этот сигнал имеет уровень логической единицы в течение всего времени измерения в ручном режиме, Запись выходного кода шифратора 12 в счет - чик 14 производится при поступлении импульса Ч,з высокого уровня (фиг. 4 а, б ) на вход Ч управления режимом мультиплексора 13 в момент времени йэ. При этом на входах Э 0 0счетчика 14 появляется код, соответствуюций выбранному пределу измерения, Запись этого кода в счетчик 4 производится в два так - та, При поступлении импульса Ч 6 вы 1 сокого уровня (фиг. 4 а,г ) в момент времени 1 на вход Ч счетчика 14 происходит запись входного кода в буферный регистр, а при поступлении импульса Ч высокого уровня (фиг,4 а, д) в момент времени 1происходит перезапись этого кода в триггеры счетчика 14. Применение буферного регистра позволяет осуществить смену предела измерения без нарушения режима измерения, т,е, смена предела измерения может быть произведена до момента окончания измерения. К моменту времени 1 в схемах счетчика 14 и преобразователя 5 заканчиваются переходные процессы, и ЦАП 15 ооеспечивает заданный коэффициент ослабления выходного напряжения ЭИУ 1, 5соответствующий выбрачному пределу измерения. Выходной код мультиплексора 13 в течение интервала временипоступат на шину 17 и попереднему фронту импульса на входе Ч управления мультиплексора 13 переписывается во внешнее устройство управления, например в регистр данных микропроцессора, выполняющего функции контроллера системы. По заднему фронту импульса Ц н момент времени 1 у формируется команда на обработку данных, т.е. выходного сигнала ЭМУ 1.С этого момента времени устройство 2 О находится в режиме измерения. Входной сигнал в виде тока (электрический заряд, поступающий на вход преобразователя заряда также преобразуется в ток) поступает на вход элект рометрического усилителя 1. Благодаря больному коэффициенту усиления ЭИУ 1, практически весь входной ток протекает через параллельно включенные конденсаторы 3 и 4. Выходные напряжения ЭМУ 1 Ц ц определяетс выражениемЯ 8вьх 11(С э+ С)( + 1)о35где- величина входного заряда;С з, С - величины емкостей конденсаторов 3 и 4;К о - коэффициент ослабленияЦАП 15,40 При функционировании на одномпределе измерения начальная установка выходного напряжения ЭМУ 1 производится перед каждым измерением.При этом сигнал высокого уровня подается на вход управления ключа 5,а сигналы управления режимом работысчетчика повторно не формируются.В режиме автоматического выбораподдиапазона преобразования преобра 50 зователь функционирует следуюцим образом.В начальный момент времени навход управления ключа 5 поступаетсигнал П(фиг. 4 б,а) высокого55 уровня, при котором ключ замыкается,и на выходе ЭМУ 1 устанавливаетсянапряжение, близкое к нулевому уровню. Ключ 5 остается замкнутым в течение всего времени подгстовки уст499242ройства к измерению. В момент времени 1с шины 6 на вход стробирования данных СЬ программируемого исвточника 9 напряжения поступает сигнал СЬ 9 (Фиг. 4 б,б ) высокого уров/ 5ня, по фронту которого код, соответствукзций ширине поддиапаэона преобразования, переписывается в регистрпрограммируемого источника 9. Еговыходное напряжение, которое определяет ширину поддиапазона преобразования, поступает на вход компаратора 8. Порог срабатывания Б компаратора 8 определяет ширину поддиапазона. Введение гистерезиса в компараторы 18 и 19, входящие в составдвухпорогового компаратора 8, обеспечивает стабильную работу преобразователя при низких скоростях нарастания выходного напряжения ЭМУ 1, Вмомент времени й на вход стробирования СЬ компаратора 8 поступаетсигнал СЬ (фиг. 4 б,в ) низкого уровня, который переводит повторитель 21 25в рабочий режим на все время измерения при автоматическом выборе поддиапазона. В момент времени з сигнал0 7 (фиг. 4 б,г) с шины 16 поступаетна вход начальной установки счетчика 14. Происходит обнуление счетчи-ка 14. В момент времениз также нашине 16 формируются сигналы управления переключателями 6 и 7, которыеимеют высокий уровень в течение всего времени измерения. При этом код,35определяюще длину поддиапазона,поступает с выходов шины 7 на входыпервой группы мультиплексора 13. Таккак уровень сигнала на входе Ч мультиплексора является низким, то входные сигналы транслируются на выходмультиплексора 13 и подаются на информационные входы О П, Всчетчика 14. Сигнал записи кода, определякнцего коэффициент деления счетчика 14, Формируется по заднему Фрон"ту сигнала СЬ з и поступает на вход Рсчетчика 14. При этом в регистр счетчика 14 заносится код, определяющийОкоэффициент пересчета. При числе разрядов И число возможных длин поддиапазона также равно Б. Длина каждогоиз поддиапазонов измерения.определяется отношениемц2 кгде Б - величина предельного напря 9жения, соответствующегоконцу поддиапазана; К - число разрядов счетчика 14,участвующих в делении импульсов, поступающих натактовый вход, К= 1,2,И;- величина выходного напряжения источника 10,В момент времени С 6 ключ 5 размыкается и преобразователь готов кпроведению измерений с,автоматическим выбором поддиапазона преобразо-.вания.При поступлении сигналов на входЭМУ(фиг. 5 а) в виде электрическихзарядов Я, выходное напряжение ЭМУ 1увеличивается (интервал времени). При достижении выходным напряжением ЭМУ 1 порогового уровня, который равен выходному напряжению источника 9, на выходе компаратора 8Формируется перепад,логического сигнала, которьй поступает на тактовыйвход С счетчика 14.,Так как выходноенапряжение ЭМУ 1 .превышает порогсрабатывания фиксатора 2, то его выходное напряжение соответствует высокому уровню, который поступает навход управления напряжением счетасчетчика 14, При поступлении тактового импульса: содержимое счетчика 14увеличивается на единицу, что соответствует первому поддиапазону преобразования, Выходное напряжениеЦАП 15 скачкообразно увеличиваетсяна величину Ь/2 , причем знак этоуКго напряжения противоположен знакувыходного напряжения ЭМУ 1, На входусилителя 1 поступает ток компенсациисШоп 211.кТак как выходное напряжение ЦАП 15 изменяется скачкообразно, то за счет компенсации заряда конденсатора 3 выходное напряжение ЭМУ 1 также изменяется скачком, в момент времени 1 оно уменьшается до нуля, а затем увеличивается, повторяя форму входного сигнала Я(интервал времени й- з), Преобразователь функционирует на втором поддиапазоне измерения. При достижении выходным напряжением ЭМУ 1 порогового уровня компаратора 8 в момент времени с про- Ф3 исходит переход устройства на третий поддиапазон преобразования. Преобразование заряда на третьем поддиапазоне происходит в течение интервала времени й- , При уменьшении вход 1499242 1 О25 ного сигнала с момента времени выходное напряжение ЭМУ 1 начинает уменьшаться и при достижении нижнего порогового уровня компаратора 8 про 5 исходит переключение его выхода в состояние высокого уровня. Так как при этом напряжение на входе фикса - тора 2 меньше его порога срабатывания, то выходное напряжение Фиксатора 2 соответствует уровню логического нуля. На входе управления направлением счета счетчика 14 также присутствует сигнал низ"ого уровня, и при поступлении на тактовый вход 15 счетчика 14 уровня логической .единицы содержимое счетчика уменьшается на единицу. Выходное напряжение преобразователя 15 в момент времени 1 уменьшается на величину Бо,2 ", а 20 заряд конденсатора 3 увеличиваетсякна величину С П, /2 , при этом суммарный заряд конденсатора 3 близок к нулю. Выходное напряжение ЭМУ 1 .также близко к нулевому уровню. В течение интервала времени 1 4 - выходное напряжение ЭМУ 1 уменьшается, его Форма соответствует форме входного сигнала Я и электрометри - ческий преобразователь заряда функ ционирует на втором поддиапазоне преобразования, В момент времени происходит повторное срабатывание компаратора 8 и преобразователь заряда функционирует на первом поддиа - пазоне преобразования в течение интервала С-. Перед проведением новых измерений в режиме автоматического выбора поддиапазона преобразования с шины 16 подаются сигнал управления ключом 5 и сигнал начальной установки счетчика 14.В режиме следящего аналого-цифрового преобразования преобразователь работает следующим образомСигналом высокого уровня с шины 16 нормально замкнутые контакты переключателей 6 и 7 размыкаются, а нормально разомкнутые замыкаются, Вто - рая обкладка конденсатора 3 подключается к выходу ЭМУ 1, Выход источника 10 подключается к входу опорного напряжения ЦАП 15.В режиме следящего аналого-цифрового.преобразования возможны два ви 55 да формирования кода преобразованной величины. В случае внешней синх - рониэации после поступления команды управления ключом 5 и команды начальной установки счетчика 14 на вход стробирования СЬ компаратора 8 подается сигнал логической единицы, и выход компаратора 8 переводится в третье состояние, а на тактовый вход счетчика 14 поступают сигналы синхронизации внешнего устройства управления. При этом фиксатор 2 выполняет функцию компаратора знака выходного напряжения ЭМУ 1. Его выходное напряжение в режиме слежения изменяется в пределах зоны нечувствительности фиксатора 2. Выходное напряжение ЦАП 15 является ступенчатой аппроксимацией преобразованного входного сигнала электрометрического преобразователя. Аппроксимация выполняется в виде приращешш напряжения постоянной величины, так как компенсация заряда конденсатора 3 производится зарядами противоположного знака постоянной величины, равнымиПоп- СБВ отсутствие внешней синхронизации тактовые сигналы счетчика 14 формируются компаратором 8, а направление счета определяется уровнем логического сигнала на выходе фиксатора 2. Выходное напряжение ЭКУ 1 изменяется в пределах, определяемых порогом срабатывания компаратора 8, который равен кванту напряжения при - ращения в режиме слежения, Величина кванта определяется значением кода, который выставляется на шине 17 и подается на входыпрограммируемого источника 9. Минимальный уровень квантования определяется величиной выходного напряжения источника 10 и числом И разрядов счетчика 14:П О.Ьокб кПри появлении входного сигнала выходное напряжение ЭМУ 1 начинает возрастать и при достижении верхнего порога срабатывания компаратора 8 на тактовом входе счетчика 14 формируется сигнал логической единицы, содержимое счетчика 14 увеличивается на единицу, Если дальнейшего нарастания входного сигнала нет, то выходное напрвкение ЭМУ 1 не изменяется, а выходное напряжение ПАП 5 после скачкообразного увеличения на величину Б п,Ь, где Ь - десятичный экви. - валент двоичного числа, которое выставлено на входных шинах источника 9напряжения, также остается неизменным. При дальнейшем изменении входного сигнала, увеличении или уменьшении, соответственно изменяется выходное напряжение ЭИУ 1, и при достижении им порога срабатывания фиксатора 2 на входе управления направлением счета счетчика 14 появляется сигнал логической единицы, что соответствует режиму сложения. При логическом нуле на входе управления направлением счета содержимое счетчи" ка 14 уменьшается на единицу после каждого прихода тактового импульса на вход С. Таким образом, выходное напряжение ЦАП 15 является ступенчатой аппроксимацией входного сигнала. Двоичный код, соответствующий величине преобразуемого сигнала с выхода счетчика, поступает на И-входы шишы 7, с которой может быть считан внешним устройством. Электрометрический преобразователь заряда, содержащий электрометрический усилитель, инвертирующий вход которого подключен к входу устройства, первым обкладкам первого и второго конденсаторов и первому выводу аналогового ключа, неинвертирующий вход - к общей шине устройства, а выход - к выходу устройства, второму выводу аналогового ключа, входу фиксатора уровня и инвертирующему входу двухпорогового компаратора вход управления аналогового ключа и вход сброса реверсивного счетчика соединены с выходами шины управления, выход фиксатора уровня подключен к входу управления направлением счета реверсивного счетчика, тактовый вход которого соединен с выходом двухпорогового компаратора, а выходы поразрядно подключены к входам цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с второй обкладкой второго конденсатора, первый и второй источники опорного напряжения, выход первого источника опорного напряжения подключен к неинвертирующему входу двухпорогового Формула изобретения 5 10 5 20 25 30 35 40 45 50 компаратора, о т л и ч а ю щ и, й с я тем, что, с целью повышения точности и расширения области использования устройства, введены первый и второй аналоговые переключатели, переключатель диапазонов, шифратор, мультиплексор, шина данных, двухпороговый компаратор снабжен входом стробирования, реверсивный счетчик и первый источник опорного напряжения выполнены программируемыми, причем вторая обкладка первого конденсатора соединена с переключающим контактом первого аналогового переключателя, нормально разомкнутый контакт которого соединен с нормально замкнутым контактом второго аналогового переключателя и выходом электрометрического усилителя, а нормально замкнутый контакт - с выходом цифроаналогового преобразователя, вход опорного напряжения которого подключеч к переключающему контакту второго аналогового переключателя, нормально разомкнутый контакт которого соединен с выходомвторого источника опорного напряжения, входы управления первого источника опорного напряжения и первая группа входов мультиплексора подключены к соответствующим выходам шины данных, выходы реверсивного счетчика подключены к соответствущцим входам шины данных, вход стробирования двухпорогового компаратора и вход стробирования первого источника опорного напряжения, входы управления первого и второго аналоговых переключателей, вход управления режимом мультиплексора и входы управления записью и режимом работы реверсивного счетчика подключены к соответствующим выходам шины управления, выход фиксатора уровня и выход двухпорогового компаратора соединены с соответствующими,входами шины данных, выходы мультиплексора соединены с входами предварительной установки реверсивного счетчика и с соответствующими входами шины данных, выходы переключателей диапазона через шифратор соединены с второй группой входов мультиплексора.М3 Составитель С.РыбинРедактор И.Горная Техред М.Ходанич Корректор С.Шекмар аказ 4685/4 НИИПИ Госуда Тираж 713твенного комитета по изоб 113035, Москва, Ж, Ра Подписноетениям и открытиям при ГКНТ ССС 1ская наб., д. 4/5 роиэводственпо-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина,10