Преобразователь емкости в частоту

 

Изобретений относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения емкостей в электрических цепях. Цель изобретения - повышение точности и расширение области применения. Алгоритм преобразования задается блоком 1 управления и определяется тактом работы ключей 22 и 23. Генератор 10 опорной частоты формирует прямоугольные импульсы, задающие счетный режим логических состояний триггера 11 и счетчика 12. Выходные сигналы триггеров 13 и 14, работа которых синхронизируется с помощью дифференцирующей цепи 15, диода 16 и реэистсра 18, управляют работой коммутаторов 3 и 4, подключающих

СОЮЗ СО8ЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (м)5 G 01 R 27/26

ГОСУДАРСТ8ЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4603859/21 (22) 09.11.88 (46) 15.02.91. Бюл. йв 6 (71) Ленинградский политехнический институт им.М,И.Калинина (72) В.с.гутников и А.Л,Соловьев (53) 621,317.75(088.8) (56) Мартяшин А,И„Шахов Э.К., Шляпдин В.М, Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М.: Энергия, 1976, с,291, Авторское свидетельство СССР

ЛЬ 1205065, кл. G 01 R 27/26, 1986. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЕМКОСТИ В ЧАСТОТУ. Ы 1628013 А1 (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения емкостей в электрических цепях.

Цель изобретения — повышение точности и расширение области применения. Алгоритм преобразования задается блоком 1 управления и определяется тактом работы ключей 22 и 23. Генератор 10 опорной частоты формирует прямоугольные импульсы, задающие счетный режим логических состояний триггера 11 и счетчика 12. Н ыходные сигналы триггеров 13 и 14, работа которых синхронизируется с помощью дифференцирующей цепи 15, диода 16 и реэистсра 18, управляют работой коммутаторов 3 и 4, подключающих

1628013

45 измеряемый и образцовый конденсаторы 5 и 6 к источнику 2 опорного напряжения, Напряжение с выхода усилителя 7 заряда через управляемый детектор 8 поступает на первый вход триггера 9, инверсный выход которого является выходом преобраИзобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения емкостей в электрических цепях.

Цель изобретения — повышение точности и расширение области применения, На фиг,1 представлена блок-схема преобразователя емкости в частоту; на фиг,2— временные диаграммы, поясняющие его работу, Преобразователь емкости в частоту содержит блок 1 управления, источник 2 опорного напряжения, коммутаторы 3 и 4, измеряемый и образцовый конденсаторы 5 и 6, усилитель 7 заряда, управляемый детектор 8 и триггер 9. Выход источника 2 опорного напряжения соединен с вторым (информационным) входом коммутатора 3 и вторым (информационным) входом коммутатора 4, первый (информационный) вход коммутатора 3 и первый (информационный) вход коммутатора 4 соединены с общей шиной преобразователя емкости в частоту. Выходы коммутаторов 3 и 4 соответственно через измеряемый и образцовый конденсаторы 5 и 6 соединены с входом усилителя 7 заряда, выход которого через управляемый детектор 8 соединен с первым (управляющим) входом триггера 9, второй (тактовый) вход которого соединен стретьим входом (управления) коммутатора 3 и с вторым выходом блока 1 управления, Третий вход (управления) коммутатора 4 соединен с первым выходом блока 1 управления.

Третий и четвертый выходы блока 1 управления подключены соответственно к второму и третьему входам (управления) óïравляемого детектора 8. Инверсный выход триггера 9 является выходом преобразователя емкости в частоту и соединен с входом блока 1 управления, Блок 1 управления содержит генератор 10 опорной частоты, выход которого соединен со счетными входами триггера 11 и счетчика 12 с дешифрированными выходами. Инверсный выход триггера 11 соединен со счетным входом триггера 13, прямой выход триггера 11 соединен со счетным входом триггера 14, прямой выход триггера 13 является первым выходом блока 1 управления, прямой выход

25 зователя. Преобразователь содержит также элементы 2ИЛИ 17, ЗИЛИ вЂ” НЕ 19, дифференцирующую цепь 20, конденсаторы 21 и 24, ключи 22 и 23, операционный усилитель 25, резистор 26, диод 27. 2 ил. триггера 14 является вторым выходом блока

1 управления и через дифференцирующую цепь 15 соединен с анодом диода 16 и первым входом г огического элемента 2ИЛИ 17.

Катод диода 16 соединен с входом установки в нулевое состояние триггера 13 и через резистор 18 с общей шинои преобразователя емкости в частоту. Первый вход логического элемента ЗИЛИ-НЕ 19 является входом блока 1 управления., второй и третий входы элемента ЗИЛИ-НЕ 19 соединены соответственно с инверсными выходами триггеров 13 и 14. Выход логического элемента

ЗИЛИ вЂ” НЕ 19 через дифференцирующую цепь 20 соединен с вторым входом логического элемента 2ИЛИ 17, выход которого подключен к входу установки в нулевое состояние счетчика 12 с дешифрованными выходами, причем выход счетчика 12 с дешифрированными выходами, соответствующий его нулевому состоянию, является тртьим выходом блока 1 управления, а выход, соответствующий второму состоянию счетчика 12, является четвертым выходом блока 1 управления.

Управляемый детектор 8 содержит конденсатор 21, первый вывод которого является первым (информационным) входом управляемого детектора 8, второй вывод конденсатора 21 соединен с подвижными контактами ключей 22 и 23. Неподвижный контакт ключа 22 соединен с первым выводом конденсатора 24 и инвертирующим входом операционного усилителя 25, неинвертирующий вход которого соединен с вторым выводом резистора 26 и неподвижным контактом ключа 23, подключенного к общей шине. Выход операционного усилителя 25 соединен с вторым выводом конденсатора 24 и анодом диода 27, катод которого соединен с первым выводом резистора 26 и является выходом управляемого детектора 8. Входы управления ключами 23 и 22 являются соответственно вторым и третьим входами (управления) управляемого детектора 8, Преобразователь емкости в частоту работает следующим образом, 1628013

Алгоритм работы задается блоком 1 управления и определяется тактом работы ключей 22 и 23. На выходе генератора 10 опорной частоты, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором. формируются прямоугольные импульсы (выходное напряжение генератора 10 изображено на фиг.2,1). Данный сигнал задает счетный режим логических состояний триггера 11 и счетчика 12 с дешифрированными выходами. Выходное напряжение триг-ера

11 изображено на фиг.2,2. Устройство, реализованное на триггерах 13 и 14, представляет собой цифровой фазовращатель, обеспечивающий значение фазового сдвига между выходными напряжениями риггеров 13 и 14 равным <р = 90 Выход .ое напряжение на прямых выходах триггеров 14 и 13 соответственно и=:ображено на фиг.."..3 и 2.4. Синхронизация работы преобразователя емкости в частоту задается нап ряжени ем, снимаемым с выхода триггера 14.

Синхронизация работы триггера 13 осуществляется устройством сброса, которое реализовано с помощью дифференцирующей цепи 15 диода 16 и резистора 18, Диод 16 предназначен для устранения отрицательного напряжения, сформированного в результате дифференцирования выходного сигнала триггера 14. Напряжение на входе установки в нулевое состояние триггера 13 изображено на фиг.2.5. Выходные сигналы триггеров 13 и 14 управляют работой коммутаторов 3 и 4, Следовательно, на измеряемом и образцовом конденсаторах 5 и 6 формируются напряжения прямоугольной формы с амплитудой U< синхронно с выходными напряжениями триггеров 13 и 14. Измеряемый и образцовый конденсаторы 5 и

6 подключаются к источнику 2 опорного напряжения только при подаче на третий вход (управления) коммутаторов 3 и 4 сигнала логической единицы, Как следствие данной синхронизации на выходе усилителя 7 заряда формируется напряжение, изображенное на фиг.2.6. В результате коммутации ключей 22 и 23 (напряжения, подаваемые на входы управления клю.еи 22 и 23, изображены соответственно на фи. 2.9 и 2.10), осуществляемой при подаче сигналов логической единицы на входы управления ключей 22 и 23 по алгоритму, заданному работой счетчика 12 с дешифрированными выходами, достигается уравновешивание преобразова1еля емкости в частоту, При уровне напряжения rl3 выходе управляемого детектора 8 (Фиг.2.7) меньше порошкового напряжения срабатывает триггер 9, на его ичверсном выходе формируется сигнал логической единицы. Напряжение на инверсном выходе триггера 9 приведено на фиг.2.11. Выходной сигнал триггера 9, соответствующий логической единице, формирует на выходе логического элемента

ЗИЛИ-НЕ 19 сигнал логического нуля, В этом случае сброс счетчика 12 с дешифрированными выходами осуществляется только сигналом, снимаемым с выхода триггера 14.

Сигнал, формируемый на входе установки в нулевое состояние счетчика 12 с дешифрированными выходами, изображен на фиг.2.8. При этом величина заряда, формируемого на конденсаторе 21. входящим в состав управляемого детек1ора 8, определяется из выражения (Со- С,) С

Су ле Со и С, -- соответственно величины емкости образцового и измеряемого конденсагорое 5 и 6;

Cy — величина емкости конденсатора отоицател ьной обратной связи усилителя 7 заряда;

Cg1 — величина емкости конденсатора

21;

U0 — выходное напряжение источника 2 опорного напряжен, .

В эгом случае выход е напряжение управ яемого детектора 8 и.меняется практически ступенчато по линейному закону, причем амплитуда величины одного положительного приращения определяется из выражения

ЛО -U

D= о

Су С24 где С 1,Cz4 — величины емкостей конденсаторов 21 и 24, входящих в состав управляемого детектора 8.

При достижении выходным напряжением управляемого детектора 8 величины. большей или равной пороговому напряжению срабатывания триггера 9, в триггер 9 записывается сигнал логической единицы.

Это происходит синхронно с формировани ем уровня логической единицы на прямом выходе триггера 14. От триггера 9 не требуется долговременной стабильности величины порогового уровня срабатывания по входу О. На инверсном выходе триггера 9 в этом момент времени формируется сигнал логического нуля, который с помощью логического элемента ЗИЛИ-НЕ 19, а такжедифференцирующей цепи 20 производит дополнительную установку в нулевое состояние счетчика 12 с дешифрированными выходами. При этом такт работы ключей 22 и

23 смещается на величину длительности од1628013

10

Co — С» твы» — 1

Сo+С»

Со-С»

4(Со+С») ного периода генератора 10. В этом случае величина заряда, формируемого на конденсаторе 21. определяется из выражения (С а 0 С x Czo

021= 0о

Амплитуда величины отрицательного приращения на выходе управляемого детектора 8 в этот момент времени определяется выражением

+0p = Uo

С уС24

При вы1итании из выходного напряжения управляемого детектора 8 данной величины приращения и после прихода последующего высокого логического уровня с выхода триггера 14 происходит установка триггера 9 в нулевое состояние и на его инверсном выходе формируется сигнал логической единицы, Таким образом, весь процесс циклически повторяется. При этом величина погрешности, обусловленная дискретностью приращений выходного напряжения управляемого детектора 8, накапливается на конденсаторе 24 и при достижении величиной данной погрешности шага дискретизации происходит дополнительное срабатывание триггера 9. Таким образом, значение выходной частоты определяется только величиной емкости С» и Со и значением опорной частоты

В качестве значения образцовой частоты 11 целесообразно использовать значение выходной частоты генератора 10 fo = 411, где коэффициент "4" обусловлен наличием триггерое 13 и 14, а также триггера 11, В преобразователе емкости в частоту в качестве значения образцовой частоты принят выходной сигнал генератора 10. Значение выходной частоты генератора 10 делится на 4 с помощью триггеров 11,13 и 14. Поэтому коэффициент 1/4 входит в функцию преобразования преобразователя емкости в частоту.

С учетом изложенного функция преобразования принимает вид

Приведенное справедливо для первого режима измерения Co С,. При пере15

55 воде преобразователя емкости в частоту в режим измерения Co < С» требуетс, .оменять местами измеряемый и образцовый конденсаторы (измеряемым конденсатором становится конденсатор 6, образцовым конденсатором — конденса Тор 5).

В этом случае функция преобразования примет вид

Сх Со о 4(C,+C ) Алгоритм работы преобразователя емкости в частоту в этом случае идентичен приведенному алгоритму.

Увеличение чувствительности преобразования повышает разрешающую способность, что, в свою очередь, приводит к повышению точности. Метрологические исследования, проводившиеся при изменении емкости конденсатора С» в диапазоне

0,41 — 12 пФ, значении емкости образцового конденсатора Co = 13 пФ и частоте генератора fo = 50 кГц, показывают, что величина приведенной погрешности не превышает значения у 0,07 (уменьшение более чем в 2 раза ниже).

Использование преобразователя емкости в частоту позволяет обеспечить линейную характеристику преобразования как при использовании с дифференциальными емкостными датчиками изменяющегося зазора, так и с дифференциальными датчиками с изменяющейся площадью обкладок, что расширяет его функциональные возможности.

Формула изобретения

Преобразователь емкости в частоту, содержащий источник опорного напряжения, первый и второй коммутаторы, измеряемый и образцовый конденсаторы, усилитель заряда, триггер. управляемый детектор и блок управления. выходы первого и второго коммутаторов соответственно через первый и второй конденсаторы соединены с входом усилителя заряда, первый вход второго коммутатора соединен с первым входом первого коммутатора и подключен к общей шине преобразователя. второй вход первого коммутатора и второй информационный вход второго коммутатора подключены к выходу источника опорного напряжения, выход усилителя заряда соединен с первым входом управляемого детектора, выход триггера соединен с входом блока управления, первый выход которого подключен к третьему входу второго коммутатора, второй выход блока управления соединен с третьим входом

1628013

Составитель Ю. Минкин

Техред М.Моргентал Корректор М, Лароши

Редактор А. Огар

Заказ 339 Тирах: 408 Подписное

ВНИЧПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101 первого коммутатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения области применения, выход управляемого детектора соединен с первым входом триггера, второй вход которого подключен к второму выходу блока управления, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами управляемого детектора.