Многопредельный усилитель заряда

 

1. МНОГОПРЕДЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ЗАРЯДА, содержащий операционный усилитель , между инвертирующим входом и выходом которого включен ключ и через контакты первой и второй секций галетного переключателя подсоединено Л- масштабных конденсаторов, блок управления, выход которого подключен к управляющему входу ключа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования входного квазистатического заряда в выходное напряжение, в него введены источник опорного напряжения и h потенциапозадающих резисторов с сопротивлениями в диапазоне от единиц до сотен кштоомов, а переключа-тель вьшолнен с металлическими разделительными элементами, вмонтированными между неподвижными и подвижными изоляционными платами разноименных секций, причем потенциальный вход источника опорного напряжения подключен к выходу операционного усилителя, синхронизирующий вход - к выходу блока управления, а выходной вывод соединен с клеммой для подключения одного из электродов датчика входного сигнала , экранирующей оплеткой соединительного кабеля между инвертирующим вхо-г дом операционного усилителя и клеммой для подключения другого электрода датчика входного сигнала, метеллическими разделительными элементами переключателя и через потенциалес § задающие резисторы - с обкладками (О масштабных конденсаторов, расположенными со стороны второй секции переключателя . 2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что источник опорного напряжения выполнен в виде ячейки памяти с входным дифференциальным усилителем, запоминающим конденОд сатором, подключенным к выходу диффе О1 ренциального усилителя через ключ с синхронизирующим входом, и выход4 ным повторителем напряжения.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1113754 A

ЗБ1) Ь 01 К 29/ р,,,/" /

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOlVlV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3513302/18-21 (22) 18. 11.82 (46) 15. 09. 84. Бюл. -34 (72) А.Ф.Терещенко (53) 621.317.745(088.8) (56) 1.Messen und prufen", 1967,,Marz, s.130, АЪЬ.21.

2. "Messen und prufen", 1967, Marz, s.131, Abb.22. (54) (57) 1. МНОГОПРЕДЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

ЗАРЯДА, содержащий операционный усилитель, между инвертирующим входом и выходом которого включен ключ и через контакты первой и второй секций галетного переключателя подсоединено К масштабных конденсаторов, блок управления, выход которого подключен к управляющему входу ключа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования входного квазистатического заряда в выходное напряжение, в него введены источник опорного напряжения и и потенциалозадающих резисторов с сопротивлениями в диапазоне от единиц до сотен килоомов, а переключатель выполнен с металлическими разделительными элементами, вмонтированными между неподвижными и подвижными изоляционными платами разноименных секций, причем потенциальный вход источника опорного напряжения подключен к выходу операционного усилителя, синхронизирующий вход — к выходу блока управления, а выходной вывод соединен с клеммой для подключения одного из электродов датчика входного сигнала, экранирующей оплеткой соединительного кабеля между инвертирующим вхо-r дом операционного усилителя и клеммой для подключения другого электрода датчика входного сигнала, метеллическими разделительными элементами переключателя и через потенциало- < щ

Ф задающие резисторы — с обкладками масштабных конденсаторов, расположенными со стороны второй секции переключателя.

2. Усилитель по п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что источник

Э опорного напряжения выполнен в виде ячейки памяти с входным дифференциальным усилителем, запоминающим конден сатором подключенным к выходу диффе-

Э с ренциального усилителя через ключ с синхронизирующим входом, и выходным повторителем напряжения.

20 существенное унеличение эквивалентного сопротивления в каждой "С -цепочке и снижение скорости паразитно- 5 го разряда рабочего конденсатора °

Однако н случае измерения квазистатическога заряда, в особенности

1 1113 !!забретеиие от!»Осится к алек> роизмерительной теxnèêå и ItðåänàзначеHQ для использования при соглясона= нии пьезоэлектрических кварцевых датчиков с регистрирующими приба5 рами, а также при реализации измерительных интеграторов входного тока и микроамперного диапазона с временем регистрации порядка нескольких минут.

1О

Известен многопредельиый усилитель заряда, содержащий операционный усилитель, между иинертирующим входом и выходом которого включен ключ, и через контакты перекл!очателя, рас!

5 положенные со стороны выхода усилителя, подсоединено П масштабных конденсаторан, блок управления, выход которого подключен к упранляющему входу ключа C1;i.

Недостаток известного устройства заключается в большой погрешности преобразования входного квазистатического заряда в выходное напряжение, вызванной аразитиой проводимостью изоляционной платы переключателя и, следовательно, подключением через соответствующ»»е участки этой платы нерабочих масштабных конденса.— торов параллельно рабочему с парязитиым разрядом последнего, увеличивяю30 щимся с течением времени.

Наиболее близким к изобретению является мнагопредельный усилитель заряда, содержащий операционный усилитель, между иивертирующим входом " и выходом которого включен ключ, и через контакты первой и второй секции галетнаго переключателя подсоеди— иена !1 масштабных конденсаторов, блок управления, выхог. которого подключен к управляющему входу ключа j2)

В указанном устройстве обкладки нсех масштабных конденсаторон имеют двустороннюю гальваническую развязку от операционного усилителя, благода- 45 ря,ему шунтирование рабочего конденсатора происходит параллельно подключенными Q цепочками, образованными нерабочими конденсаторами и сопротивлениями изоляции участков как первой, так и второй секций переключателя. Это обеспечивает

1lP1! 1! ямеPI! е !11: 1 !o 1>е I 11 . Г)1! >ч!о!Цем IIP оцессе,, г»ревыш!>!ощем иескалько де! ятKoII секунд, 3 также при работе уcH лителя в режиме иитсгрировяиия г»яль»х

Бх О!»иь!х то! . !! н либо и!» стадии 3 япoMH гения (хране и>»>1) розу:»ьтя a интегрирования,. урс>неи>: искажений вьгходного сигнала, обусловлен>,1»х !tapàçnòиым перезярядом рябачегс> конденсатора на нерабочие, оказывается о»!»утимь»м

Вследствие конечной щ301»од»»масти изоляционных плат перек:почателя „

Цель!о изобретения является повышение точности преобразования входного квазистатического заряда н гыходиое напряжение.

Наставленная цель достигается тем, что в многопредельиый усилитель заряда, содержащий операционный усилитель, между ииверт»»руощим входам и выходом которого включен ключ и через контакты первой и второй секций гялетиаго переключателя подсае-. дииеиа г> масштаоиы| хкоидег!сяторан блок упранления, выход которого падключеи к управляющему входу кл!оча, внедеиы источник опорного напряжения и г» патенциалозадающих резисторов с сог!ративлениями в диапазоне oт

-"диниц до сотен килооман, я переключатель выполнен с металлическими разделительными элементами, вмаитировн!»!»ыми между иепадниж>гыми и падвижиым»» изоляционными платами разноименных секций, причем потенциальный вход исто и»ика апариога .!апряжеиия подключе:» к выходу операционного усилителя, сиихронизиру>ощий вход — к вь»ходу блока управления, а выходной нынад соединен с клеммой для г.адкл!очеиия одного из электродов датчика входного сигнала, экраиируюшеи оплеткой соединительного кабеля между иинертирующим входом Операцисииага усилителя и клеммой для подключения другого электрода датчика входного сигпала, разделительными металлическими элементами переключателя и через готенциялозадаюшие резисторы — с обкладками масштабпьгх конденсаторов, рañïîëîжениыми са стог>аиы второй секции пер еключ ат ел я

Кроме того, источник опорного напряжения ныполнен в виде ячейки памяти с входным дифференциальным cHJIH» телем запоминающим конденсатором, подключенным к выходу,циффереициального усилителя через ключ с сиихро3 1113 низирующим входом, и выходным повторителем напряжения.

На фиг.1 представлена функциональная схема предложенного многопредельного усилителя заряда; на фиг.2 предпочтительная конструкция (в функциональном изображении) использованного в устройстве источника опорного напряжения.

Многопредельный усилитель заряда реализован по схеме интегратора тока и содержит операционный усилитель

1 (фиг.1), ключ 2, двухгалетный переключатель 3 с секциями, состоящими из неподвижных 4,5 и подвижных 6,7 контактов, неподвижных 8,9 и подвижных 10, 11 изоляционных плат, и с металлическими разделительными элементами 12, 13, вмонтированными между платами 8 и 9, 10 и 11,п масштабных конденсаторов 14, и потенциалозадающих резисторов 15 с сопротивлениями в диапазоне от единиц до сотен килоом, потенциометр l6, включенный между полюсами двухполярного вспомогатель25 ного источника питания и служащий для задания желаемого начального уровня напряжения на выходе операционного усилителя 1, блок 17 управления, источник 18 опорного напряжения с входным потенциальным выводом 19, входным ЗО синхронизирующим выводом 20 и выходным выводом 21. Клеммы 22,23 служат для подключения электродов датчика входного сигнала (показан пунктиром), а клеммы 24,25 — для подключения 35 нагрузки. Ключ 2 включен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 1 непосредственно а масштабные конденсаторы 14 подсоединены через контакты 4 и 6 и 5 и 7 секций переключателя 3. Выход блока

17 управления подключен к управляющему входу ключа 2. Потенциальный вход (вывод 19 — шина нулевого потенциала) источника 18 опорного напряжения подключен к выходу операционного усилителя 1, си»хронизирующий вход (вывод 20 — шина нулевого потенциала) — к выходу блока

17 управления, а выходной вывод 21 50 соединен с клеммой 22 для подключения одного из электродов датчика входного сигнала, экранирующей оплеткой соединительного кабеля между инвертирующим входом операционного 55 усилителя 1 и клеммой 23 для подключения другого электрода датчика входного сигнала, металлическими раз754 4 делительнымн элсментямн f 2, f 3 переключателя 3 и через потенциялозяпяющпе резисторы 15 — с обкладками масштабных конденсаторов 14, расположенными со сгороны секции переключателя 3 с контактами 5,7. Выход потенциометря 16 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 1.

Источник 18 onop»oI o напряжения выполнен в виде ячейки памяти (блока выборки-хранения) с входным диф— ференцияльным усилителем 26 (фиг.2), запоминающим конденсатором 27, подключенным к выходу дифференциального усилителя 26 через ключ 28, и выходным повторителем 29 напряжения.

Работа устройства происходит следуюьцим образом.

Предварительно осуществляется выбор нужного предела преобразования с помощью переключателя 3. В исходном положенип ключ 2 находится в замкнутом состоянии, в результате чего выходное напряжение устройства, напряжение на инвертипующем входе операционного усилителя 1 и напряжение на выходе источника 18 опорного напряжения оказываются равными выходному напряжению потенциометра

16 с точностью собственного напряжения начального смещения огерационного усилителя 1 и его температурного дрейфа. Все масштабные конденсаторы

14 оказываются разряженными.

Измерительная стадия работы усилителя заряда начинается с момента размыкания ключа " по переднему фройту импульса, вырабатываемого блоком

17 управления и поступающего на синхронизирующие входы ключа 2 и источника 18 опорного напряжения. Ло начала поступления входного заряда или тока с датчика входного сигнала напряжение »а выходе устройства остается постоя IHbIM так как опорное напряжение источника 18 сохраняется равным начальному выходному напряжению усилителя заряда. Поэтому благодаря нулевой разности потенциалов между клеммой 23 и металлическ»ми разделительными элементами 12, 13 переключателя 3 ток во входной цепи усилителя заряда равен нулю, »есмотря на конечную величину .сопротивления изоляции плат 8-11 переключателя 3 и сопротивления изоляции масштабных.;конденсаторов 14 (оперяцио»ный усипряжения. По окончании процессов измерения и регистрации ключ 2 переводится в замкнутое состояние для разрядки масштабных конденсаторов

14 и осуществления очередной коррекции напряжения источника 18.

Предлагаемая схема (фиг.1) в сочетании с исполнением источника 18 опорного напряжения (фиг.2) обеспечивают автоматическое регулирование уровня опорного напряжения, увязанное с режимами работы ключа 2, Вслед за замыканием ключа 2 по команде блока 17 управления замыкается ключ 28 и производится подключение запоминающего конденсатора 27 к выходу дифференциального усилителя

26. В итоге опорное напряжение источника 18 формируется в точности равным начальному выходному напряжению устройства. Непосредственно перед началом измерения блоком 17 управления осуществляется размыкание ключеи 2,28 и отключение запоминающего конденсатора 27 от дифференциального усилителя 26.

Предложенное устройство обеспечивает по сравнению с известными повышенную точность преобразования входного квазистатического заряда в выходное напряжение. При реализации пятипредельного усилителя заряда и при выборе наименьшей емкости масштабного конденсатора 14, равной 1000 пф, погрешность преобразования составляет менее 17 для минутного интервала измерения.

S 1113754 литель 1, имеющий электрометрический входной каскад, можно принять идеальным).

С началом нагружения датчика входного сигнала под действием входного напряжения Z 0 вырабатываемый заряд Q+, поступающий на инвертирующий вход операционного усилителя

1, компенсируется зарядом рабочего масштабного конденсатора 14 с емкос- 10 тью С, так, что напряжение 4 Б,р сигнала на выходе устройства оказывается равным aU q = - Й /4», При этом потенциал клеммы 23 и потенциалы обкладок нерабочих масштабных кон- 15 денсаторов 14 со стороны секции переключателя 3 с контактами 5,7 получают незначительное приращение

b.V i не превышающее, например

+0,1 мВ при ь0 ц =-5 В. Возникшие 20 приращения л Он мгновенно передаются через нерабочие масштабные конденсаторы 14 на соответствующие нерабочие контакты 4 изоляционной платы 8 переключателя 3. В результате р5 этого на плате 8 между рабочим и нерабочими контактами 4 образуется несколько участков с индивидуальной разностью потенциалов ь Цр --ь0н., -ь 6

Между металлическими разделительными З0 элементами 12,13 и соответственно рабочим 4 и подвижным 6 контактами образуются участки с разностью потенциалов - AU« . Малость указанных разностей потенциалов обуславливает относительно небольшую скорость паразитного изменения выходного на1113754

1113754

Составитель Л. Морозов

Редактор Н. Швыдкая ехред Т. Дубинчак Корректор Г. Решетник

Заказ 6615/38 Тираж 710 Поднисное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открьггий !

13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 415

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4