Устройство для измерения малых токов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК щ) С 01 R 9/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

lIO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Вк гг

ZJ (21) 4603797/21 (22) 09„11„88 (46) 30,03.91. Бюл. Р 12 (72) А.В. Есаулов (53) 621.317„2(088.8) (561 Авторское свидетельство СССР

Н 73I388, кл. С 01 R 19/00, 1978. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ

ТОКОВ

I (57) Изобретение предназначено для измерения малых токов. Цель изобретения — расширение частотного диапазона в область низких частот и повышение точности измерений, Устройство содержит интегратор 1 тока, включающий электрометрический усилитель 2 и интегрирующий конденсатор 3, усилитель 4 напряжения, дифференциатор 5, выполненный на операционном усилите„„SU„„1638647 A 1

2 ле 6, инвертирующий Вход которого через диАференцирующую цепь 7 соединен с входом дифференциатора 5, а через масштабный резистор 8 — с выходом операционного усилителя, являющимся выходом дифференциатора 5, три резистора 9-11, дифференциальный усилитель 12, фиксатор 13 уровня, компаратор 14 зоны, генератор 15 импульсов, элементы И 16 и 17, элемент

И-НЕ 18, реверсивный счетчик 19, цифроаналоговый преобразователь 20 и элемент ИЛИ 21. В устройстве обеспечивается непрерывный сброс интегратора 1 тока, что позволяет измерять постоянные токи, за счет автоматического выбора поддиапазона преобразо3 вания достигается уменьшение относительной погрешности преобразования.

2 ил. С:

1638647

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных электронных и радиотехнических устройствах для измерения малых токов.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона в область низких частот и повышение точности измерений..

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для измерения малых токов; на фиг. 2 и 3 — временные диаграммы функционирования блоков устройства.

Устройство содержит интегратор 1 тока, включающий электрометрический усилитель 2 и интегрирующий конденсатор 3, усилитель 4 напряжения, дифференциатор 5, выполненный на операционном усилителе 6, инвертирующий вход которого через дифференцирующую

1 цепь 7 соединен с входом дифференциатора 5, а через масштабный резистор

8 — с выходом операционного усилителя 25

6, выходом соединенного с выходом дифференциатора 5, первый 9, второй 10 и третий 11 резисторы, дидференциальный усилитель 12, фиксатор 13 уровня, компаратор 14 зоны, генератор 15 импульсов, первый и второй элементы

И 16 и 17, элемент И-НЕ 18, реверсивный счетчик 19, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 20 и элемент

ИЛИ 21.

К входу 22 устройства подключены вход интегратора 1 тока и первьпi вывод первого резистора 9. К выходу интегратора 1 тока присоединены входы усилителя 4 напряжения и дифферен40 цнатора 5, выход которого соединен с выходной клеммой 23 устройства. К выходу усилителя 4 напряжения подключены первый вывод второго резистора

10 и неинвертирующий Вход дифферен 4 циального усилителя 12, к выходу которого присоединен второй вывод nepsoro резистора 9. К инвертируюцему входу дифференциального усилителя 12 подключены первый вывод третьего резистора 11 и выход ЦАП 20. Вторые вы50 воды второго 10 и третьего 11 резисторов подключены к инвертируюцему входу операционного усилителя 6. ВхоI ды фиксатора 13 уровня и компаратора

14 зоны присоединены к выходу диф55 ференциатора 5. К выходу фиксатора

13 уровня подключены первые входы первого и второго элементов И 16

1+К КгКэ (1 КЧ)R9C5 М7 выходное напряжение интегратора 1 тока в первый момент после подачи питающих напряжений; коэффициент усиления электрометрического усилителя 2; коэффициенты усиления соответственно усилителя 4 напряжения и дифференциального усилителя 12; сопротивление первого резистора 9; емкость интегрирующего конU (где U о

К

К3

Р 9

С денсатора 3„

Изменение выходного напряжения V интегратора 1 тока вызывает протекание тока через дифференцируюцую цепь

7„ Однако изменения выходного напряжения операционного усилителя 6 не и 17. К выходу компаратора 14 зоныприсоединены второй вход первого элемента И 16 и вход управпения направлением счета реверсивного счетчика

19. К выходу первого элемента И 16 подключены первый вход элемента

И-HF. 18 и N+1-й вход элемента ИЛИ 21„

К второму, третьему и четвертому входам второго элемента И 17 присоединены соответственно выход генератора

15 импульсов, выход элемента ИЛИ 21 и выход элемента И-НЕ 18, а к выходу второгс элемента И 17 подключен тактовый вход С реверсивного счетчика

19„ Вход начальной установки реверсивного счетчика 19 соединен с клеммой "Сброс" 24, N выходов реверсивного счетчика 19 соединены соответственно с одноименными входами цифроаналогового преобразователя 20, с клеммами 25 кода поддиапазона и с входами элемента ИЛИ 21, а N+1-й выход реверсивнorо счетчика 19 соединен с клеммой "Перегрузка" 26.

Устройство работает следующим образом.

После подачи питающих напряжений выходное напряжение интегратора 1 тока отлично от нулевого уровня. При отсутствии входного сигнала I, выходное напряжение интегратора 1 тока, за счет разрядной цепи, содержащей усилитель 4 напряжения, дифференциальный усилитель 12 и первый резистор 9, уменьшается, его величина U< определяется по формуле происходит, так как на его инвентирующий вход поступает ток I протекающий через резистор 10, равный по величине току через дифференцирующую цепь 7 и противоположный ему по знаку: 5 т1

I ==-К

10 (о

Ток I через дибференцирующую цепь

7 при выполнении условия 10

1/2иК С >> R. г=гв где С и R — соответственно емкость дифференцирующего конденсатора и сопротивление ограничительного резистора, включенного последовательно с дифференцирующим конденса- 20 тором

f — верхняя граничная часв тота преобразуемых сигналов, определяется по формуле

25 Ш

I=C

ddt

Токи I и I равны и противоположны по знаку, т,е. выполняется равенство

Uo Кг,1+К(КгКз — — — ехр(- — -- — — — t)

R „(1+v„) ВАС

1+K ФгК ъ 1+К КгК в

= U0 С ----- — — - ехр (— — — — t)

g (1+K )R С, (1+К,)R С, 35

Из равенства находим сопротивление резистора (1+К1 ) Ь С вК г

40 (1+К4 Кгкз) С

В момент t на вход устройства по- 4р ступает измеряемый ток I . Лротекавк ние тока Т ву .вызывает заряд конденсатора 3 (фиг. 2, ) и протекание токов через RC-цепь 7, первый 9 и второй 10 резисторы. За счет проте- 45 кания тока через первый резистор 9 происходит разряд интегрирующего конденсатора 3 в интеграторе 1 тока, однако изменения тока через РС-цепь 7, вызванные разрядом конденсатора 3, 5р компенсируются за счет протекания тока через резистор 10, и, следовательно, выходное напряжение операционного усилителя 6 соответствует уровню входного тока (фиг. 2, 5, интервал t — ty). В момент t< выходное напряжение интегратора 1 тока превышает .нижний пороговый уровень

U„U,в фикса1638647

6 тора 13 уровня скачкообразно уменьшается. Длительность интервала равна времени задержки срабатывания фиксатора 13 уровня. В момент t3 выходной сигнал операционного усилителя 6 достигает порога срабатывания компаратора 14 зоны и его выходное напряжение скачкообразно увеличивается (фиг. 2, ) . В момент t < выходной сигнал операционного усилк ..еля 6 достигает верхнего порога срабатывания фиксатора 13 уровня и на его, выходе появляется сигнал " 1" (фиг.2, 2 ). Так как выходной сигнал компаратора 14 зоны имеет уровень "1", то в момент t< содержимое реверсивного счетчика 19 увеличивается на единицу, выходное напряжение ЦАП 20 скачкообразно увеличивается, и, так как оно поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 12 и на вывод третьего резистора 11, увеличивается скорость разряда интегрирующего конденсатора 3 в интеграторе

1 тока и компенсируется ток, поступающий на вход операционного усилителя 6. В момент t< выходное напряжение операционного усилителя 6 скачкообразно уменьшается (фиг. 2, ) .

В момент t выходное напряжение фиксатора 13 уровня уменьшается до нуля. Длительность интервала определяется временем переключения фиксатора 13 уровня из состояния

"I" в состояние "0". В течение интервала t4- t8 продолжается преобразование входного сигнала I „. В течение интервала t — t выходной сигнал фик6 7 сатора 13 уровня принимает уровень

"1", так как его входное напряжение превышает порог срабатывания (фиг.2, y). В момент t8 выходное напряжение операционного усилителя 6 становится меньше нижнего порога фиксатора 13 уровня и по переднему фронту импульса его выходного напряжения содержимое: реверсивного счетчика 19 уменьшается на единицу. Нри этом выходное напряжение ЦАП 20 скачкообразно уменьшается, уменьшается скорость разряда конденсатора 3 и скачкообразно увеличивается в момент . выходное напряже 8 ние операционного усилителя 6. Далее устройство функционирует на первом подциапазоне измерения. Выходной код поддиапазона поступает на входы элемента ИЛИ 21 и на выходные клеммы

25 кода поддиапазона преобразования.

1638647

При работе на первом поддиапазоне преобразования на всех выходах реверсивного счетчика 19 присутствуют сигналы нулевого уровня. Выходной сигнал элемента ИЛИ 21 также имеет нулевой уро5 вень и поступает на третий вход элемента И 17, запрещая при этом прохождение сигналов фиксатора 13 уровня и генератора 15 импульсов на тактовый вход реверсивного счетчика 19. Таким образом, в момент t содержимое счетчика 19 не изменяется при переходе фиксатора 13 уровня из состояния "0" в состояние " 1". Если в момент включения устройства входной сигнал I и„ превьппал верхний уровень первого поддиапазона и соответствовал, например, уровню третьего поддиапазона, то вначале фиксатор 13. уровня находится в состоянии "1"„ В состоянии "1" находится также компаратор 14 эоны, поэтому на выходе логического элемента И 16 появляется сигнал "1", который поступает на 0+1-й вход элемента ИЛИ 21. Выходной сигнал элемента

ИЛИ 21 поступает на третий вход элемента И 17. Так как íà N+1-м выходе счетчика 19 присутствует в этот момент сигнал "0", то на выходе элемента

И-НЕ 18 присутствует сигнал "1" и, следовательно, выходные сигналы генератора 15 импульсов могут проходить на выход элемента И 17 и поступать на тактовый вход С реверсивного счетчика 19, Если после поступления первого импульса с генератора 15 выходное напряжение дифференциатора 5 не уменьшается, то рь»ходнь»е импульсы генератора 15 вызывают дальнейшее увеличение содержимого реверсивного счетчика 19 и соответственно увеличение уровня сигнала компенсации,поступающего на инвертирующий вход диффе ренциального усилителя 12. Если входной сигнал Хп„ превьппает. предельно допустимую величину. для данного устройства, то происходит запись единицы

s N+1-й разряд счетчика 19, на клемме

"Перегрузка" 26 появляется сигнал

"1", сигнализирующий о невозможности

50 измерения .входного сигнала. Так как при этом на второй вход элемента

И-НЕ 18 поступает сигнал "1", то его выходное напряжение принимает уровень

"0", запрещая при этом прохождение выходных импульсов генератора 15 на тактовый вход реверсивного счетчика

19. Пля перезапуска устройства на клемму "Сброс" 24 поступает сигнал, которьп» обнуляет реверсивньп» счетчик

19, и поиск поддиапаэона преобразования повторяетоя.

Формула изобретения

Устройство для измерения малых токов, содержащее интегратор тока, вход которого соединен с входом устройства, усилитель напряжения, вход которого соединен с выходом интегратора тока, к которому подключен также вход дифференциатора, выход которого соединен с выходом устройства, два резистора, первые выводы которых соединены соответственно с входом интегратора тока и выходом усилителя напряжения, причем дифференциатор содержит дифференцирующую цепь,. вход которой соединен с его входом, а выход подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, соединенному также через резистор с его выходом, подключенным к выходу дифференциатора, а неинвертирующий вход операционного усилителя связан с общим проводом устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона в область низких частот и повышения точности измерений, в устройство введены дифференциальный усилитель, третий резистор, фиксатор уровня, компаратор зоны, генератор импульсов, два элемента И, элемент

И-НЕ, элемент ИЛИ, реверсивньп» счет, чик и цифроаналоговый преобразователь, причем неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с выходом усилителя напряжения, к инвертирующему входу дифференциального усилителя подключены первьп» вывод третьего резистора и выход цифроаналогового преобразователя, выход дифференциального. усилителя соединен с вторым выводом первого резистора, вторые выводы второго и третьего резисторов соединены с неинвертирующим входом операционного усилителя, входы фиксатора уровня и компаратора зоны соединены с выходом дифференциатора, к выходу фиксатора уровня подключены первые входы первого и второго элементов И, к выходу компаратора зоны — второй вход первого элемента И и вход управления направлением счета реверсивного счетчика, к выходу первого элемента И подключены первый вход элемента И-НЕ

1638647

10 д

Ью и (N+1)-й вход элемента ИЛИ, к второму, третьему и четвертому входам второго элемента И подключены соответственно выход генератора импульсов, выход элемента ИЛИ и выход элемента И-НЕ, с выходом второго элемента И соединен тактовый вход реверсивного счетчика, вход начальной установки реверсивного счетчика соеОв иО

uf

Vg динен с клеммой "Сброс", причем выходы реверсивного счетчика соединены соответственно с одноименными входа» мн цифроаналогового преобразователя, с клеммами кода поддиапазона и с соответствующими входами элемента

ИЛИ, а (И+1) -й выход реверсивного счетчика соединен с клеммой " Перегрузка".

1638647

Vi4

Составитель В.Степанкин

Редактор А.Лежнина Техред С.Мигунова Корректор Л ° Патай

Тираж 417

Заказ 925

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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