Преобразователь параметров емкостных датчиков в частоту и период

оюз советских оциАлистичесниРЕСПУБЛИК 15 Ц 1) С О К ОСУДАРСТВЕННЫО ИЗСБРЕтЕНИЛМРи гкнт ссср КомитетотнРытиям Е ТЕЛЬСТВУ ВТОРСНОМУ(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПАРАМЕТРКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ В ЧАСТОТУ И(57) Изобретение относится ктельной технике и может бытьзовано в устройствах для измепараметров электрических цепе ОПИСАНИЕ И СССР 1987. ОВ ЕИПЕРИОД измери исполь рения й.1 ель изобретения - повышение точностипреобразования - достигается путемуменьшения величины суммарной погрешности, вносимой разбросом образцовых мер и их нестабильностью.Преобразователь содержит источникопорных напряжений, электронный пе-.реключатель 2, преобразователь 3 напряжение - частота, разделительныйконденсатор 4, образцовый резистор5, усилитель б сигнала неравновесия,синхронный детектор 7, блок 8 стробирования,. интегратор 9 и емкостныйдатчик 10, параметры которого преобразуются в частоту и период. 7 ил.Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения параметров электрических цепейЦелью изобретения является повышение точности преобразования за счет уменьшения величины суммарной погрешности, вносимой разбросом образцовых мер и их нестабильностью. 1 ОНа фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого преобразователя; на Фиг.2 - то же, преобразователя напряжение - частота; на Фиг,.3 - то же, усилителя сигнала неравновесия; на Фиг.4 - то же, блока стробирования; на Фиг.5 - то же, синхронного детектора; па Фиг. 6 - то же,интегратора; на Фиг,7 - временные диаграммы, поясняющие работу предлагае мого преобразователя.Преобразователь параметров емкостных датчиков в частоту и период содержит источник 1 опорных напряжений, электронный переключатель 2, преоб разователь 3 напряжение - частота, разделительный конденсатор 4,образцовый резистор 5, усилитель 6 сигнала неравновесия, синхронный детектор 7, блок 3 стробирования, интегратор 9 и емкостный датчик О, параметры кото. - рого преобразуются в частоту и период. Первый и второй входы преобразователя 3 соединены соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника 1, а первый выход с первым выводом, предназначенным для подключения первого вывода емкостного датчика 1 О. Вход усилителя 6 соединен с вторым выводом,предназначенным для подключения второго вывода емкостного датчика 1 О, а выход - через последовательно соединенные детектор 7 и интератор 9 с инФормационным входом преобразователя 3, второй выход которого является выходом преобразователя параметров емкостных датчиков в частоту и период. Выход переключателя 2 через последовательно соединенные раздепительньп конденсатор 4 и резистор 5 соединен с входом усилителя 6,Первый и второй входы переключателя 2 соединены соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника 1 опорных напряжений. Первый55 вход блока 3 соединен с управляющим входом переключателя 2 и вторым выходом преобразователя 3, а второй вход с первым выходом преобразователя 3.Выход блока 8 соединен с управляющим входом детектора 7.Преобразователь 3 напряжениечастота (Фиг.2) содержит первыйэлектронный переключатель 11, первыйнеподвижный контакт которого является первым входом преобразователя 3,а второй неподвижный контакт - вторымвходом преобразователя 3, Первый неподвижный контакт второго электронного переключателя 12 соединен с входоманалогового инвертора 13 и являетсяинФормационным входом преобразователя 3. Выход аналогового инвертора13 соединен с вторым неподвижным контактом коммутатора 12, подвижный контакт которого соединенчерез резистор 14 с инвертирующим входом операционного усилителя 15 и первым выводом конденсатора 6. Выход усилителя15 соединен с вторым выводом конден -сатора 16, инвертирующим входом компаратора 17 и является первым выходом преобразователя 3. Неинвертирующий вход компаратора 17 соединен сподвижным контактом переключателя 11,Неинвертирукщий вход усилителя 15соединен с общей шиной. Выход компаратора 17 соединен с управляющимивходами переключателей 11 и 12 и является вторым выходом преобразователя 3,Усилитель 6 сигнала неравновесия(Фиг.3) содержит резистор 18 и конденсатор 19, первые выводы которыхсоединены с инвертирующим входом операционного усилителя 20, являющимсявходом усилителя 6 сигнала неравновесия, Неинвертирующий вход усилителя 20 соединен с общей шиной, а выход - с вторыми выводами резистора18 и конденсатора 19 и является выходом усилителя 6 сигнала неравновесия.Блок 8 стробирования (Фиг,4) содержит первый 2 и второй 22 компараторы, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами элемента ИЛИ-НЕ 23, третий входкоторого является первым входом блока 8 стробирования. Неинвертирующийвход первого компаратора 21 соединенс инвертирующим входом второго компаратора 22 и является вторым входомблока 3 стробирования. Инвертирующийвход первого компаратора 21 соединенс вторым выводом первого резистора5 124 и первым выводом второго резистора 25. Неинвертирующий вход второгокомпаратора 22 соединен с вторым выводом второго резистора 25 и первымвыводом третьего резистора 26. Первый вывод первого резистора 24 соединен с общей шиной, а второй выводтретьего резистора 26 - с отрицательным полюсом источника питания (непоказан), Выход элемента ИЛИ-НЕ 23является выходом блока 8 стробирования,Синхронный детектор 7 (фиг.5) содержит конденсатор 27, первый выводкоторого является информационным входом синхронного детектора 7, Второйвывод конденсатора 27 соединен с подвижным контактом электронного переключателя 28, первый неподвижный контакт которого является выходом синхронного детектора 7, а второй неподвижный контакт соединен с обшей шиной, .Управляющий вход (не показан)переключателя 28 является управляющим входом синхронного детектора 7.Интегратор 9 (фиг.б) содержит резистор 29, первый вывод которого соединен с первым контактом ключа 30,второй контакт которого соединен сминусовым полюсом источника питания(не показан). Второй вывод резистора29 соединен с инвертирующим входомоперационного усилителя 31 и первымвыводом конденсатора 32 и являетсявходом интегратора 9. Неинвертирующий вход усилителя 31 соединен с общей шиной. Выход компаратора 33 соединен с управляющим входом ключа 30.Выход усилителя 31 соединен с вторымвыводом конденсатора 32 и инвертирующим входом компаратора 33 и является выходом интегратора 9, Неинвертирующий вход компаратора 33 соединенс первым выводом резистора 34 и вторым выводом резистора 35,первыйвывод которого соединен с плюсовымполюсом источника питания (не показан) . Второй вывод резистора 34 соединен с обшей шиной,Предлагаемый преобразователь выполнен в виде компенсационно-мостового преобразователя с уравновешиваниеммгновенных значений токов, протекающих через емкостный датчик 1 О и образцовый резистор 5, В качестве управляемого источника тока используется преобразователь 3 напряжение . -частота. 599806 6Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.На информационный вход преобразо-,5вателя 3 подается напряжение положительной полярности с выхода усилителя 15, Под действием приложенногок входу операционного усилителя 15напряжения на его выходе формируется напряжение треугольной формы,Амплитуда этого напряжения контроли"руется компаратором 17, На неинвертирующий вход компаратора 17 черезпереключатель 11 подается напряжениет. о с выходов источника 1. На ин+ттвертирующий вход компаратора 7 пода"ется выходное напряжение с усилителя15 и сравнивается с величиной опорного напряжения, подаваемого на неинМ вертирующий вход компаратора 17.Подостижении напряжения на выходе усилителя 15, равного Боя, срабатывв"ет компаратор 1 и переключает пе- .реключатели 2,11 и 12. Данный процесс25 периодически повторяется, Выходныенапряжения компаратора 17 и усилителя 15 (образующего вместе с конденсатором 16 интегратор) изображены соответственно на фиг. 7,а,б. Напряжение, снимаемое через разделительныйконденсатор 4 с выхода переключателя 2 и приложенное к резистору 5,изображено на фиг.7,в. При этом ток,протекающий через резистор 5, имеетпрямоугольную форму и фазу,совпадающую с напряжением, приложенным к нему. Для устранения насыщения усилителя б предназначен конденсатор 4, величина емкости которого выбираетсяиэ соотношения угде с- минимальная выходная 4 частота преобразования,"Р - сопротивление образцового резистора 5;С- емкость конденсатора 4.Ток, протекающий через емкостньпЪ 50 датчик 10, изображен на фиг,7,г,Усилитель 6 сигнала рассогласованиявыполнен в виде суммирующего инвертирутощего усилителя на операционномусилитепе 20, .причем для входногонапряжения, приложенного к обраэцо"вому резистора 5, он является интегрирующим звеном, а для напряжения,приложенного к емкостному датчику1 О, - пропорциональным звеном.Резис 159980 бтор 18 предназначен для задания рабочей точки усилителя 20 по постоянному току. Его величина определяетсяиэ соотношения л=С К Г сЗ Г 8 ф мин где К 1 - сопротивление резистора18;ОС- емкость конденсатора 19.При разбалансе измерительной цепи выходное напряжение усилителя б (фиг,7,д) имеет треугольную форму и амплитуду, определяемую разностью токов, протекающих через образцовьй резистор 5 и емкостной датчик 10.В качестве блока 8 стробирования используется двухпороговьй компаратор, величина порогов срабатывания которого определяется соотношением резисторов 24 - 26. Выходное напряжение блока 8, снимаемое с выхода элемента илэ-не 23, изображено на фиг.7,е, Это напряжение подается на 25 улравляющий вход синхронного детектора 7, который представляет собой дифференцирующее звено и выполняет одновременно функцию детектора.Ток, протекающий через конденсатор 27, в . 30 установившемся режиме (при равновесии измерительной цепи) равен нулю. Постоянное напряжение, присутствующее на выходе усилителя 20, блокируется конденсатором 27 и, следовательно, на точность устройства не влияет. Однополярные импульсы тока (при раэбалансе измерительной цепи) через конденсатор 27 подаются на вход интегратора 9, выходное напряжение ко торого управляет значением частоты преобразователя 3, а следовательно, и величиной тока с, протекающего через емкостный датчик 1 О, уравновешивая измерительную цепь. Знак выход ного напряжения интегратора 9 должен быть положительным, что является условием работы преобразователя З,Дпя этого в структуру интегратора 9 нвецены резисторы 29, 35 и 34, ключ 30 и компаратор 33. В момент включения преобразователя знак выходного напряжения усилителя 3 - случайная величина. При нулевом или отрицательномнапряжении на выходе усилителя 31срабатывает компаратор 33, на неинвертирующий вход которого подается напряжение с делителя, включающегорезисторы 35 и 34, равное (2-3)11 с,мщуток, протекающийчерез емкостныйдатчик 10,Выходное напряжение треугольнойФормы преобразователя 3 изменяетсяэа половину периода Т/2 на величину2 Бо (от -Поп до +По), в связиэтим выражение (1) приводится к виду 40 од--С Т хф Поп из которого определяются Жункцияпреобразования емкости данного преобразователя в длительность периодаТ = 4 Р. Си функция преобразования емкости в частоту 1 1Т 4 КосИспользование предлагаемого преобразователя по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности преобразования за счет уменьшения величины погрешности, вносимой образ цовыми мерами. В предлагаемом преобразователе используется одна образцовая мера - резистор 5, а в прото 1где 1 ,- максимальное напряжение смещения компаратора 33. При этом замыкается ключ 30, соединяя первый вывод резистора 29 с минусовым полюсом источника питания. На выходе усилителя 31 формируется линейно-изменяющееся напряжение, которое по достижении падения напряжения на резисторе 34, перебрасывает компаратор 33 в состояние логического нуля и размыкает ключ 30. В момент выхода линейно-изменяющегося напряжения интегратора 9 в положительную область запускается преобразователь 3 и далее компаратор 33 и ключ 30 в работе устройства участия не принимают,Предлагаемый преобразователь представляет собой устройство астатического уравновешивания, алгоритм работы которого основан на уравновешивании токов, протекающих через емкостный датчик 10 и образцовый резистор 5. Следовательно, условие равновесия имеет видтипе - две образцовые меры образцовая частота и образцовая емкость),поэтому суммарная погрешность, вносимая разбросом образцовых мер и ихнестабильностью, в предлагаемомпреобразователе меньше, чем в прототипе. Кроме того, в преобразователеуменьшены погрешности, вносимые соединительной линией связи. формула из обретенияПреобразователь параметров емкостных датчиков в частоту и период,содержащий разделительный конденсатор, преобразователь напряжение - частота, первый и второй входы которого соединены соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника опорных напряжений, первый выход преобразователя напряжение - частота соединен с первым выводом, предназначенным для подключения первого вывода емкостного датчика, вход усилителя сигнала неравновесия соединен с вторым выводом, предназначенным для подключения второго вывода емкостного датчика, а выход - через последовательно соединенные синхронный детектор ч интегратор - с информационным входом преобразователянапряжение - частота, второй выходкоторого является выходом преобразователя параметров емкостных датчиковв частоту и период, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования, в неговведены электронный переключатель,блок стробирования и образцовый резистор, причем выход электронного переключателя через последовательносоединенные разделительный конденсатор и образцовый резистор соединенс входом усилителя сигнала неравновесия, первый и второй входы электронного переключателя соединены соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника опорныхнапряжений, первый вход блока стробирования соединен с управляющим входомэлектронного переключателя и вторымвыходом преобразователя напряжение - 25 частота, а второй вход - с первымвыходом преобразователя напряжение -частота, выход блока стробированиясоединен с управляющим входом синхронного детектора.1599806Составитель Е.Березов тор.А.Лежнина Техред Л,лийцык КорректорриЗаказ 3141 Тираж 555 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 101