Электрометрический преобразователь заряда

 

Изобретение относится к средствах преобразования малых токов и электрических зарядов, например к пьезоэлектрическим датчикам давления. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей преобразования за счет диагностики измерительной цепи. Она достигается путем введения дифференциатора 5, коммутатора 8 аналоговых сигналов, дифференцирующего конденсатора 11, программируемого источника 9 напряжения, аналого-цифрового 14 (АЦП) и цифроаналогового 15 (ЦАП) преобразователей. Измеряемый сигнал с входного зажима 17 поступает на вход усилителя 1 заряда, состоящего из электрометрического усилителя 2, интегрирующего конденсатора 3 и разрядного ключа 4, а с его выхода - на выходной зажим 18, коммутатор 8 и дифференциатор 5. В режиме коррекции сигнал с усилителя 1 через коммутатор 8, АЦП 14, ЦАП 15, генератор 13 линейно изменяющегося напряжения и конденсатор 11 создает ток коррекции. В режиме контроля входного сопротивления утечки сигнал с выхода дифференциатора 5, через блок 6 слежения хранения и усилитель 7 постоянного тока поступает на выходной зажим 19. Использованием системной шины 16, блока 10 управления и Д-триггера 12 осуществляется выбор режима работы устройства. В описании приведен пример реализации блока 10. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SIJ„„1531006

И!1 4 Г 01 R 19/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР! (21) 4121611/24-21 (22) 23.09.86 (46) 23.12.89. Бюл. М- 47 (72) А.В.Есаулов (53) 621.317.7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1104426, кл. С О! R 19/0Î, 1982.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1208513, кл. С 01 R 9/Ж, 1 983 . (54) ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИИ 11РЕОВРАЗОВАТЕЛЬ ЗАРЯДА (57) Изобретение относится к средствам преобразования малых токов и

2 электрических зарядов, например к пьезоэлектрическим датчикам давления.

1(ель изобретения — расширение функциональных возможностей преобразователя за счет диагностики измерительной цепи. Она достигается путем введения дифференциатора 5, коммутатора

8 аналоговых сигналов, дифференцирук щего конденсатора 11, программируемого источника 9 напряжения, аналогоцифрового (АЦП) 14 и цифроаналогового (11АП) 15 преобразователей. Изчеряемьп сигнал с входного зажима 17

1531006

10 поступает на вход усилителя 1 заряда, состоящего из электрометрического усилителя 2, интегрирующего конденсатора 3 и разрядного ключа 4, а с его выхода - на выходной зажим 18, коммутатор 8 и дифференциатор 5. В режиме коррекции сигнал с усилителя 1 через коммутатор 8, АЦП 14, ЦАП 15, генератор 13 линейно изменяющегося напряжения и конденсатор 11 создает ток 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- 20 ких сигналов пьезоэлектрических датI чиков давления при контроле кваэистатических и переменных давлений.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей sa счет диагностики измерительной цепи.

На фиг.1 приведена функциональная схема злектрометрического преобразователя заряда; на фиг,2 — функ- 30 циональная схема блока управления . устройства; на фиг.3 и 4 — временные диаграммы работы узлов и блоков преобразователя.

Электрометрический преобразователь 35 заряда (фиг.1) содержит усилитель 1 заряда, в который входят электрометрический усилитель 2, интегрирующий, конденсатор 3 и разрядный ключ 4, дифференциатор 5, блок 6 слежения- 40 хранения, усилитель 7 постоянного тока, коммутатор 8 аналоговых сигналов, программируемый источник 9 напряжения, блок 10 управления, дифференцирующий конденсатор 11, D-триг" 45 гер 12, генератор 13 линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 14, цифроаналоговый преорразователь (ЦАП) 15 и системную шину 16.

HHBppTирующий вход усилителя 1 заряда и первая обкладка дифференцирующего конденсатора 1 1 соединены с входным зажимом 17 электрометрического преобразователя заряда. Выход

55 усилителя 1 заряда, вход дифференциатора 5, первый вход коммутатора 8 аналогоньж сигналов соединены с аналоговым нь кодным зажимом 18 преобравходного сопротивления утечки сигнал с выхода дифференциатора 5 через блок 6 слежения-хранения и усилитель 7 постоянного тока поступает на выходной зажим 19. Использованием системной шины 16, блока 10 управления и

D-триггера 12 осушествляется выбор режима работы устройства. В описании приведен пример реализации блока 10,, 4 ил. эователя заряда. C аналоговым выходным 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 слежения-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 напрякения. Выход блока 6 слекения-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 соеди нен с входом управления блока 6 слеа кения-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 D-триггера 12 соединены с шестым выходом блока 10 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 D-триггера 12 и с входом стробирования шимомент времени t появляется сигнал

bIcoKoFo уровня U р(фиг. Зв) . Этот игнал поступает на вход тактироваия D-триггера 12 и переводит его состояние с высоким логическим уровнем на прямом выходе. Выходной игнал D-триггера 12 стробирует входые данные ЦАП 15, при этом выходной од АЦП 14 записывается в ЦАП 15, ыходное напряжение которого скачкобразио увеличивается.

Логический уровень знакового разяда АЦП 14 определяется полярностью

ыходного напряжения дифференциатора логическая единица в знаковом разяде соответствует положительной поярности выходного напряжения диференциатора 5 и отрицательному току мещения усилителя 1 заряда и, наобоот, логический нуль в знаковом разяде АЦП 14 соответствует отрицательой полярности выходного напряжения ифференциатора 5 и положительному оку 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 смещенияусилителя 1 заряда.

На аналоговый выходной зажим 19 контроля параметров электрометрического преобразователя заряда поступает напряжение, пропорциональное 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 П1 конца преобразования АЦП 14. После съема данных внешним устройством с системной шины 16 блок 10 управления в момент времени t формирует команду сброса в виде сигнала Ц,,(фиг.3а).

Так как выходное напряжение ЦАП 15 пропорционально величине входного тока смещения усилителя 1 заряда, Устройство работает следующим образом.

После подачи питания на аналого- 30 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 t, — g с шестого выхода блока 10 управления поступает сигнал начальной установки, про- 40 исходит сброс усилителя 1 заряда и

"обнуление" ГЛИН 13 (фиг.3г, д) выходное напряжение которого и скорость его изменения близки к нулю. При появлении сигнала синхронизации, на 45 пятом выходе блока 10 управления появляется сигнал высокого уровня, который поступает на второй вход коммутатора 8 аналоговых сигналов, при этом выходное напряжение дифференциатора 5, поступающее на второй вход -коммутатора 8, подается на вход АЦП 14 ° В момент времени t на вход запуска АЦП 14 поступает сигнал высокого уровня (фиг.3б). Происходит

55 преобразование выходного напряжения дифференциатора 5 в цифровой код.

После окончания преобразования на выходе "Конец пре образования" АЦП 14

1531006 ны 16, Информационный вход D-тригге- в ра 12 соединен с источником логичесв кой единицы (не показан), прямой выход П-триггера 12 соединен с входом стробирования данных ЦАП 15. Выход в

ЦАП 15 соединен с входом управления

ГЛИН 13. Блок 10 управления (фиг.2) с содержит регистр 20, дешифратор 21 н и элемент ИЛИ 22. Входы данных ре10 к гистра 20 поразрядно соединены с инв формационными входами блока 10 управо ления, а вход тактирования регистра

20 соединен с первым входом синхрониP зации блока 10 управления. Выходы ре15 в гистра 20 поразрядно соединены с входами дешифратора 21, первый и третий

P выходы дешифратора 21 соединены с вхол дами элемента ИЛИ 22, его выход соединен с первым выходом блока 10 уп- 20 с равления. Второй, третий, четвертый, P пятый и шестой выходы дешифратора 21

P соединены с одноименными выходами н блока 10 управления, а второй вход д синхронизации блока 10 управления сое-25 т динен с седьмым выходом блока 10 управления.

1531006 выходное напряжение последнего остается близким к нулевому уровню. Начиная с момента времени t,т.е. после окончания импульса сброса, электрометрический преобразователь заряда переходит в режим измерения.

В момент времени t на вход пре9 обраэователя заряда поступает входной сигнал в виде электрического

I заряда 0 (фиг.3е). Выходное напряжение U, усилителя 1 заряда пропорционально уровню выходного сигнала (фиг.

Зг). Длительность цик. а измерения 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 течение интервала времени t, — С (фиг.4а) производится начальная установка электрометрического преобразователя заряда: сброс усилителя 1 заряда, установка в нуль D-триггера 12 и генератора 13 линейно изменяющегося напряжения. Затем поступает первая команда управления программируемым источником 9 напряжения (фиг. 4б). На, Ф выходе источника 9 напряжения появляется эталонный уровень напряжения отрицательной полярности (фиг.4д).

Выходное напряжение усилителя 1 заряда, в момент поступления на его инвертирующий вход эталонного напряжения — 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 Eo, а затем линейно нарастает по модулю, при этом емкость С„ практически не влияет на изменение выходного напряжения усилителя заряда.

В момент времени t< (фиг.4г) блок

10 управления формирует команду уп55 шИну 16 по формуле

2Eo TA у с,(+ ц„,1,, где Ко — эталонное напряжение, В;

Т,1 постоянная времени дифферей» цирования дифференциатора 5, с; равления блоком 6 слежения-хранения, производится выборка выходного напряжения дифференциатора 5. В момент

5 времени (фиг.4ж) с второго выхода блока 19 управления поступает сигнал высокого уровня на второй вход управления программируемого источника 9 напряжения и на третий вход управления коммутатора 8 аналоговых сигналов. Полярность выходного напряжения источника 9 напряжения меняется на противоположную, выходное напряжение усилителя 1 заряда также изменяется на противоположное по знаку (фиг.4д, ж). Так как управляющий сигнал поступает и на третий вход управления коммутатора 8, то выходное напряжение усилителя 7 постоянного тока поступает на информационный вход АЦП 14. Это напряжение равно разности ранее запомненного блоком 6 слежения-хранения выходного напряжения дифференциатора 5 и текущего выходного напряжения дифференциатора 5. В момент времени г.„(фиг.4е) с системной шины 16 поступает сигнал запуска АЦП 14; в момент времени АЦП 14 формирует сигнал конца преобразования П1 (см.14з), который поступает на системную шину 16 и на тактовый вход D-триггера 12.

Выходной код АЦП 14 считывается через системную шину 16 внешним устройством и одновременно с появле35 нием высокого уровня на прямом выходе D-триггера 12 он заносится в

ЦАП 15. Это приводит к появлению управляющего сигнала на входе управ40 ления ГЛИН 13 и к протеканию тока через конденсатор 11, Однако протекание тока через конденсатор 11 и соответственно изменение выходного сигнала усилителя заряда не изме45 няет результата преобразования АЦП 1 т.е. не влияет на точность определения входного сопротивления утечки.

Значение сопротивления утечки R вычисляется во внешнем специализированном устройстве, осуществляющем управление электрометрическим преобразователем заряда через системную

1531006

С вЂ” 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.4ж).

Формула изобретения

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 D-триггер, информационный вход которого соединен с источником напряжения логической единицы, о т — . л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных воз- д5 можностей эа счет диагностики измерительной цепи, в него дополнительно введены дифференциатор, программируеI мый источник напряжения, коммутатор аналоговых сигналов, аналогоцифровой 30 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 входом

40 блока слежения-хранения, инвертирующим входом усилителя постоянного тока и вторым входом коммутатора аналоговых сигналов, выход блока слежения-хранения соединен с неинвертирую45 щим входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с третьим входом коммутатора аналоговых сигналов, первый выход блока управления соединен с первым входом управления программируемого источника напряже" ния, второй выход блока управления соединен с вторым входом управления программируемого источника напряжения и третьим входом управления коммутатора аналоговых сигналов, третий выход блока управления соединен с входом управления блока слежения-хранения, четвертый и пятый выходы блока управления соединены соответственно с первым и вторым входами управления коммутатора аналоговых сигналов, выход которого соединен с зажимом аналогового выхода контроля параметров электрометрического преобразователя заряда и с информационньм входом аналого-цифрового преобразователя, выходы аналого-цифрового преобразователя поразрядно соединены с Я входами системной шины и с соответствующими входами цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом управления генератора линейно 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 входом

D-триггера и входом системной шины, вход сброса усилителя заряда и входы установки в "0" генератора линейно иэменяющегрся напряжения и D-тригге1 ра соединены с шестым выходом блока управления, вход запуска аналого-цифрового преобразователя соединен с седьмым выходом блока управления, а вход стробирования цифроаналогового преобразователя соединен с прямым выходом D-триггера.

1531006

153100á

Ю-1 0-3 г и1 Е

Ф

4 1Ч-Р

У О

Составитель В.Смирнов

Редактор А.Козориз Техред М.Ходанич . Корректор C.Øåêìàð . Заказ 7949/46 Тираж 714 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открьггиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101