Преобразователь емкостных параметров двухполюсника в интервал времени

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения реактивных составляющих различных емкостных датчиков и конденсаторов в условиях широкого изменения сквозной проводимости. Целью изобретения является повышение точности измерений, расширение функциональных возможностей и повышение быстродействия преобразователя. Эта цель достигается тем, что в преобразователь дополнительно введены второй коммутатор, два аналоговых ключа и два резистора. Кроме того преобразователь содержит блок управления, источник опорного напряжения, аналоговый ключ, коммутатор, резисторы, двухполюсник, опорный конденсатор, операционный усилитель, нуль-орган 14, интегратор, блок формирования фронта. Преобразователь позволяет проводить измерение двух параметров двухполюсника за два такта преобразования без погрешностей, обусловленных влиянием аналогового ключа, замыкающего обратную связь операционного усилителя измерительной схемы, и его температурным дрейфом напряжения смещения и входных токов. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) (5()5 С 01 Й 27/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4393782/24-21 (22) 17,03,88 (46) 15,05.90. Бюл. 11 18 (71) Пензенский политехнический институт (72) Д.Л, Акимов, П.В. Машошин и С,В. Никишин (53) 621.317.03 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 735927, кл. G 01 F 23/26, 1978.

Авторское свидетельство СССР

817611, кл. G OI R 27/26, Н 03 K 13/20, 1979 ° (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ EMKOCTHIIX ПАРАМЕТРОВ ДВУХПОЛЮСНИКА В ИНТЕРВАЛ ВРЕMEHH (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения реактив,ных составляющих различных емкостных датчиков и конденсаторов в условиях широкого изменения сквозной проодимости. Целью изобретения являетИзобретение относится к электроизмерительной технике. Преобразователь может использоваться для измерения реактивных составляющих различных емкостных датчиков,и конденсаторов в условиях широкого изменения сквозной проводимости.

Целью изобретения является повышение точности измерений, расширение функциональных возможностей и повышение быстродействия преобразователя.

На фиг.1 приведена функциональная схема преобразователя; на фиг.2 схема блока управления; на фиг.3

2 ся повышение точности измерений, расширение функциональных возможностей и повышение быстродействия преобразователя. Эта цель достигается тем, что в преобразователь дополнительно введены второй коммутатор, два аналоговых ключа и два резистора.

Кроме того, преобразователь содержит блок управления, источник опорного напряжения, аналоговый ключ, коммутатор, резисторы, днухполюсник, опорный конденсатор, операционный .усилитель, нуль-орган, интегратор, блок формирования фронта. Преобразователь позволяет проводить измерение, двух параметров двухполюсника за два такта преобразования без погрешностей, обусловленных влиянием аналогового ключа, замыкающего обратную связь операционного усилителя измерительной схемы, и его температурным дрейфом напряжения смещения и входных токов. 3 ил. временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя.

Преобразователь емкостных параметров двухполюсника в интервал времени содержит блок 1 управления, источник 2 опорного напряжения, первый выход которого соединен с аналоговыми входами первого аналогового ключа 3, первого и второго коммутаторов 4 и 5, а второй выход — с вторыми аналоговыми входами коммутаторов

4 и 5, управляющие входы которых соединены с первыми четырьмя выходами блока I управления. Первый анало1564569. говый выход первого коммутатора 4 соединен с входными зажимами исследуемого двухполюсника 6, представленного двумя конденсаторами и двумя резисторами, выходным зажимом, кото-. рый соединен с вторым аналоговым выходом первого коммутатора 4, вторым опорным резистором 7, первым опорным резистором 8 и инвертирующим вхо- 1р дом операционного усилителя 9. Второй вывод первого опорного резистора 8 соединен с выходом второго ком-) мутатора 5, второй вывод второго опорного резистора 7 соединен с вы- 15 ходом первого аналогового ключа 3 и входом третьего аналогового ключа

10, аналоговый выход которого соединен с общей шиной, а управляющий вход — с шестым выходом блока 1 уп- 20 равления, пятый выход которого соединен с управляющим входом первого аналогового ключа 3. Третий резистор

11 подключен параллельно двухполюснику 6. В отрицательной обратной связи 25 операционного усилителя 9 включен опорный конденсатор 12> неинвертирующий вход соединен через четвертый резистор 13 с выходом интегратора

14, а выход через нуль- орган 15 соеди-3р нен с аналоговым входом второго аналогового ключа 16, выход которого соединен с входом интегратора 14, а управляющий вход соединен с седьмым выходом блока 1 управления, восьмой вход последнего соединен через блок

17 формирования фронта с выходом нульоргана 15.

В состав блока 1 управления входят четыре одновибратора 18 — 21, 40 четыре триггера 22-25 и три двухпозиционных переключателя (фиг.2). Одновибраторы 18-21 формируют импульсы управления для коммутаторов 4 и 5, Триггер 22 формирует управляющее нап- 45 ряжение для управления аналоговыми ключами 16 и 3, триггер 23 используется для управления работой триггера

22, Триггер 24 формирует импульсы управления аналоговых ключей 3 и 10, Триггер 25 управляет двухпозиционными переключателями, переключающими времязадающие цепи одновибраторов

18, 19 и 20, Преобразователь работает следующим образом.

После включения напряжения пита11 II ния и до появления импульса Пуск работа преобразователя с помощью где U „„, U „„- со ставляющие выходного напряжения операционного усилителя 9 соответственно от воздействия по неинвертирующему и инвертирующему входу.

Подставляя в (1) значения составл яющих, получим (U + I R )(-,-+ — (1 — е ) +

Ф с, с С1Я1

14 ВХ 1Ъ (С С о

+(U +Т R )(— — — +1)- )U +

C t

14 ВХ 1В см. р экв

- /С1R

+ IBx (К „ II R,) j (С /С, (1 — e ))-(V+I R) — — — =О

t см вх экв С R (2) р экв где С, С1эс.2 емко сть конденсатора

12; емкости конденсаторов исследуемого двухполюсника; сопротивления резисторов исследуемого двухполюсника; выходное напряжение интегратора; входные токи по неинвертирующему и инвертирующему входам; составляющие входного тока через двухполюсник 6:

R,,R

Вх Вх

I вх. g блока 1 управления организуется в режиме компенсации дрейфа напряжения смещения и падений напряжений от входных токов операционного усилителя 9 на его входных цепях.

В режиме компенсации входные цепи по инвертирующему входу подключаются к общей шине с помощью ключа 10 и коммутаторов 4,5 (Фиг.2) и второй аналоговый ключ 16 замыкает цепь автоматического регулирования напряжения компенсации. В нее входят операционный усилитель 9, нуль-орган 15, второй аналоговый ключ 16, интегратор 14, резистор 13. В установившемся состоянии выходное напряжение операционного усилителя поддерживается нулевым. Условие равновесия системы компенсации:!

564569

СОК (3.

sx n т (R„) и8 из . следующих

R

2 e мин

U (t2 it < (t 2 t21 а,с, -е 2 ) (t ° — t )

+ .г.

Ср Rb (0э- t2)

С2 2 ) (t2 -t,) с,(к„ II R„) Cz —,-(1—

4С (t2 -tq)

СОКО

9 11

-е 1) =(Q +

q c см (t 2 — t2)

I R +

0 9Kb иU(t= t)= — U с, С

И R )j -г- + —. (1— С С1 с, с, (t2-ti) м 0«9K 6 C p

+I К ) о экв (22-0д

С1К2

С G2 т — . гг

С, . С.

U, (1 — е (t 2 — С,) + — — — - - П (4) о 0 а 8 (Г1 1)

C, (R„ I< R2) R (R ЦR IIR IIR);

R,R„,R < — сопротивления резисторов 7,11,8.

t

tv +IbN .g (R 11 R )1 -- + --(1-е г )

Гсг Ci с а см «9

U р

14 С г Сг - t/@2Ñ

-- + -- (1-е г) + — — — + с с С0 RÓêé

Это напряжение сохраняется на выходе интегратора 14 и после того, как аналоговый ключ 16 размыкает цепь автоматического регулирования напряжения компенсации.

При поступлении импульса Пуск на блок 1 управления запускаются одновибраторы 18, 20, а триггеры 22, 25 устанавливаются в состояние "единицы". При этом двухпозиционные переключатели переключаются в первое положение и подключают определенные времязадающие цепи, аналоговый ключ

16 размыкается, одновибратор формиРУет импУльс Длительностью 0р,=

= Т, ((R С, который управляя коммутаторами 4,5, формирует на их входах опорные импульсы воздействия с амплитудами +V и -U Одновременно одновибратор 20 формирует импульс0 размыкающий коммутаторами 4 5 общую шину от резистора 8 и двухполюсника

6, резистора 11. Выходное напряжение операционного усилителя 9 в интервале времени от t, до t z будет 3 описываться с учетом подстановки в него (3): Сг (t < t (t2) Uo( (t2 — t) 2 2) +

Co(Rггl R ) КД вЂ” + -- (1 — 45 сг С, С, С, 6

Выделяя U, получим напряжение, необходимое для поддержания выходного напряжения операционного усилителя 9 нулевым:

Значения резисторов 11 (Rb) выбираются исходя условий: R „ R R тем самым даже при малых сопротив-. лениях составляющая Ь невелика и операционный усилитель 9 не выходит за пределы линейного участка работы.

В момент времени С одновибратор

18 заканчивает формирование импульса и запускает одновибратор 19, который формирует в интервале от до t импульс "„д, Т0, и, управляя коммутаторами 4, 5, формирует на их выходах опорные импульсы воздействия с амплитудами -U0 и +U Выходное напряжение операционного усилителя 9 в интервале (t — 1 ) P --- U — — V (1—

С Ср

co co

+ - 2vð + — 2vo (1 — e

С Ср

Cî С0 (t ° — t 2) (t ° — t2)

+ U U

С(К, ПК) 0 СКгр

Так как (t1-t ) = (tb — tz) = Тр и Т, ((С 2К, -. то член

Т„

С1 — U (1 —.е < 2) 0

Со

В момент времени с триггер 24 блока 1 управления устанавливается в единицу, запускается одновибратор

2.1. При этом аналоговый ключ 10 размыкается, а клич 3 замыкается, резистор 7 отключается от общей шины иподключается к источнику +Б,, и в интервале времени от t до 6 выл 4 ходное напряжение операционного усилителя 9 уменьшается до нуля.

1564569

При достижении выходным напряжением операционного усилителя 9 нулевого уровня срабатывает нуль-орган 15 и блок формирования фронта 17 формиру5 ет короткий импульс, который устанав— ливает триггеры 24 и 25 в состояние

"нуляп. При этом аналоговый ключ 3 размыкается, а аналоговый ключ 1О замыкается и резистор 7 снова подключается к общей шине. Двухпозицион— ные переключатели переключаются во второе положение и подключают времяэадаюшие цепи, позволяющие сформировать одновибраторами 18, 19 и 20 импульсы l5 управления коммутаторов 4,5:

Т )) СК и2 02 2

Длительность управляющего импуль20 са аналогового ключа б (фиг.3) будет пропорциональна емкости С

CqUyRvCo

Д t = -- — — ---- = С R х1 Сп о о

Перепад напряжения на выходе триггера 25 запускает повторно одновибраторы 18, 20, и измерение повторяется с той лишь разницей; что импульсы воздействия формируются с длительностью и 2 =Т 2»С R и в реэуль

И2 02 тате на шестом выходе блока 1 управления импульс gt,определяется следующим образом:

0 "х2 (С, + С2) Rz., Второй импульс с выхода блока 17 формирования фронта устанавливает триггеры 24 и 25 в противоположное состояние и снова подключается к 40 общей шине. Триггер 23 работает как делитель на 2 и при поступлении

11 tl второго фронта импульса из нуля в единицу" на его выходе формируется такой же фронт, который устанавливает триггер 22 в "нуль". При этом открывается аналоговый ключ 16 и замыкается цепь автоматического регулирования напряжения компенсации. До поступления следующего импульса

S0

"Пуск" преобразователь работает в режиме компенсации, Формула и з о б р е т е н и я

Преобразователь емкостных пара55 метров двухполюсника в интервал времени, содержащий источник опорного напряжения, двумя выходами соединенный с аналоговыми входами первого коммутатора, три управляющих входа которого соединены с первыми тремя выходами блока управления, а один из аналоговых выходов через исследуемый двухполюсник соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а также с первым и вторым опорными резисторами и с аналоговым выходом первого же коммутатора, в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя включен опорный конденсатор, выход которого через нуль-орган соединен с блоком формирования фронта, кроме того, второй вывод второго опорного резистора соединен с аналоговым выходом первого аналогового ключа, аналоговый вход которого соединен с одним иэ выходов источника опорного напряжения, а управляющий вход — с пятым выходом блока управления, интегратор, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности изме— рений, расширения функциональных воэможностей и повьш ения быстродействия, в него введены второй коммутатор, второй и третий аналоговые ключи, третий и четвертый резисторы, причем аналоговые входы второго коммутатора соединены с выходами источника опорного напряжения; управляющие входы которого соединены с первыми четырьмя выходами блока управления, а аналоговый выход соединен с первым опорным резистором, кроме того, третий резистор подключен параллельно исследуемому двухполюснику, а четвертый — между неинвертирующим входом операционного усилителя и выходом интегратора, вход последнего соединен с аналоговым выходом второго аналогового ключа, аналоговый вход которого соединен с выходом нуль-органа, аналоговый вход третьего аналого-, вого ключа соединен с общей шиной, а выход — с аналоговым выходом первого аналогового ключа, управляющие входы третьего и второго аналоговых ключей соединены с шестым и седьмым выходами блока управления соответственно, вход которого соединен с выходом блока формирования фронта, кроме того, третьи аналоговые входы первого и второго коммутаторов соединены с общей шиной, а четвертый управляющий вход первого коммутатора соединен с четвертым выходом блока управления, i 564569

156456<

Пуск

Я Вых

ЯВИ

48ых

58bN

КакпЕНС, 78ьа оепеес.

РА 50ТА

Комю

Тираж 556

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Редактор М. Циткина

Заказ 2275

Составитель В. Перов

Техред М.Моргентал.

Корректор М, Максимишинец

Подписное