Электрометрический преобразователь заряда

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерению малых токов и преобразованию электрических зарядов, например сигналов с пьезоэлектрических датчиков . Цель изобретения - повышение точности преобразования достигается ISO СО со Од

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1239610 А1

yg 4 G 01 R 19/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) ЭЛЕКТРО14БТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЗАРЯДА

Сброс

Фиа1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3821104/24-21 (22) 3 О. 10. 8.4 (46) 23.06.86. Бюл. N - 23 (72) A.Â. Есаулов (53) 621.317.7(088.8) (5á) Илюкович А.M. Техника электрометрии-M.: Энергия, 1976, с ° 268, рис. 13-2.

Авторское свидетельство СССР

9 1145292, кл. С 01 R 19/00, 1983. (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерению малых токов и преобразованию электрических зарядов, например сигналов с пьезоэлектрических датчиКоВ Цель изобретения. - повышение точности преобразования достигается

4» (д введением новых блоков и функциональ. ныл связей между элементами и блоками устройства. Устройство содержит электрометрический усилитель 1, разрядный ключ 2, фиксаторы нижнего 3 и верхнего 4 уровней сигнала, блок .5 управления, реверсивный регистр 6 сцвига, источник 7 опорного напряжения, аналоговые сумматоры 8 и 9, аналоговые ключи 10 и 1 1, аналоговые пе9610

Реключатели 12 и 13, аналоговый переключатель 14 И-го диапазона, тактируемые D-триггеры 15 и 16, масштабные конденсатсры 17 и 18 и масштабный кон,енсатор 19 N-ro диапазона. Функци >напьные схемы блока управления, тактируемогo D-триггера, а также временные диаграммы, r.:oÿñHÿþùèå работу ус.;ройства, приводятся в описании изобретения. 5 ил,. 1 табл.

Il

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, в частности к области измерения малых токов и преобразования электрических зарядов, например сигналов с пьезоэлектрических датчиков.

Цель изобретения — повышение точности преобразования.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, имеющего три 1О поддиапазона измерений (N-3).; на фиг. 2 — временные диаграммы его работы; на фиг. 3 — функциональная схема блока управления; на фиг. 4 — функциональная схема тактируемого Б-триг- »5 гера; на фиг. 5 — передаточная харак. теристика устройства.

Устройство содержит электрометрический усилитель 1, разрядный ключ 2, фиксатор 3 нижнего уровня сигнала, 20 фиксатор 4 верхнего уровня сигнала, блок 5 управления, реверсивный ре гистр 6 сдвига, источник 7 опорного напряжения, первый и второй аналоговые сумматоры 8 и 9, первый и второй 2> аналоговые ключи 10 и 11, первый и второй аналоговые переключатели 12 и

13, аналоговый переключатель 14 N-ro поддиапазона, первый и второй тактируемые Э-триггеры 15 и 16, первый и 30 второй масштабные конденсаторы 17 и

18, масштабный конденсатор 19 N-го поддиапазона.

К входу усилителя 1, соединенного с входом устройства, подключень ; первый информационный вывод ключа 2 л первые обкладки конденсаторов 17

19, вторые обкладки которых подключены соответственно к выходам сумматоров 8 и 9 и к выходу переключающего контакта N-ro переключателя 14„ К выходу электрометрического усилителя 1 подключены вь»ход устройства, первые входы фиксаторов 3 и 4 и выводы замы. кающих контактов переключателей .1214. К выходу отрицательной полярности источник: 7 опорного напряжения подключены первые информационные вывоцы ключей 10 и 11. Второй вход фик" сатора 4 подключен к выходу положительной полярности источника 7 опорного напряжения,, Выводь» размыкающ»лх контактов переключателей 12 — 14, второй информационный вывод клю:а 2 и второй вход фикса ора 3 нижнего уровня сигнала подключены к общей шине преобразователя. Выходы фиксаторов 3и 4 подключены соответственно к первому и второму информационным входам блока 5 управления, тактовый выход которого подключен к тактовому входу 0 регистра 6 сдвига, а выход управления 7 соединен с информационными D — и управляющими Vвходами .D-триггеров 15 и 16 и входом управпения режимом работы регистра 6 сдвига. Вход управления разрядного ключа 2,:входы R установки в ноль 3 †триггер 15 и 16„ вход уста. новки в ноль блока 5 управления и вход 5 установки в единицу разряда регистра 6 сдвига подключены к шине

20 "Сбрсс" устройства. Вход блокиров. ки » блока 5 управления соединен с выходом первого разряда регистра 6 сдвига. Выходы с первого по М-1 и

N-ый выход регистра 6 сдвига соединены соответственно с тактовыми Свходами D-триггеров 15 и 16 и с входами управления переключателей 12—

14. К первым и вторым входам суммато ров 8 и 9 подключены соответственно

3 1?39 вторые информационные выводы ключей

10 и 11 и переключающие контакты переключателей 12 и 13. Входы управления аналоговых ключей 10 и 11 соединены с прямыми выходами D-триггеров

15 и 16.

Блок 5 управления (фиг. 3) содержит элементы НЕ 21 и 22, входы кото рых являются первым и вторым входами блока» а выходы подключены к входам !О элемента И 23, элемент И 24, входы которого соединены с первым и вторым выходами блока, а выход подключен к одному из входов элемента ИЛИ 25, другой вход которого соединен с С15 входом ждущего мультивибратора 26, V-вход мультивибратора 26 подключен к V-входу блока, а выход — к С-входу блока, и триггер 27, R-вход которого соединен с выходом элемента И 23, 20

D-вход — с общей шиной устройства, S-вход — с выходом элемента И 24, Свход — с входом установки в ноль блока, а выход — с выходом управления D блока.

Тактируемый П-триггер (фиг. 4) содержит элементы НЕ 28 и 29, входы которых подключены соответственно к Си V-входам триггера, а выходы — к первому входу элемента И-НЕ 30 и первому входу элемента И-НЕ 31, вторые входы элементов И-НЕ 30 и 31 соединены соответственно с U- и С-входами триггера, а выходы — с входами элемента И-НЕ 32, выход которого подключен к первым входам элементов -HE 3335 и 34, второй вход элемента И-НЕ 33 подключен к D-входу триггера, а выход — к второму входу элемента И-HE

34 и первому входу элемента И-HE 35, второй вход которого соединен с вы- . 40 ходом элемента И-НЕ 36, а выход — с первым входом элемента И-НЕ 36 и выходом триггера, второй вход элемента И-HE 36 подключен к выходу элемента И-НЕ 34, а третий вход — к R-входу45 триггера.

Устройство работает следующим об" разом.

В начальный момент времени масштабные конденсаторы 17 — 19 разряжены и входной сигнал отсутствует (фиг. 2а). На выходах фиксаторов 3 и 4 нижнего и верхнего уровней сигнала — потенциалы низкого уровня. После подачи сигнала низкого уровня (ло- гического "0") на шину 20 "Сброс" Dтщ геры 15 и 16 переводятся в нулевое состояние, на их прямых выходахА В С D

I Сдвиг вправо

I 0 Сдвиг влево

П р и м е ч а н и е д и — сигналы фиксаторов 3 и 4 верхнего и нижне

ro уровней сигнала;

С и Э вЂ” выходные сигналы блока 5 управления.

610 4 сигналы логического "0" (ф|п . 2я и)) .

Реверсивный регистр 6 сдвига устанавливается в исходное состояние (фиг. 2 6 ) . На его первом выходе имеется сигнал логической "1", а на остальных выходах — сигналы логического

"0". Аналоговые ключи 10 и 11 разомкнуты. На второй вход сумматора 9 через переключатель 13 поступает выходной сигнал электрометрического усили- . теля 1 ° На управляющем выходе D блока

5 управления имеется сигнал высокого уровня (фиг. 2 О ). Ha вторую обкладку конденсатора 19череэ размыкающий контакт переключателя 14 поступают выходной сигнал электрометрического усилителя 1.Выходное напряжение аналоговых сумматоров 8 и 9 близко к нулевому уровню и определяется напряжениями смещения нуля (фиг. 2 4 и k ).

При поступлении входного сигнала на вход электрометрического усилителя 1 (фиг. 2 а ) начинает заряжаться входным током конденсатор 17 первого паддиапазона, так как потенциал его второй обкладки практически равен потенциалу общей шины, устройства. По мере заряда масштабного конденсатора

17 увеличивается выходное напряжение электрометрического усилителя 1,интервал времени t1 — t (фиг. 2 е ).

Потенциалы вторых обкладок масштабных конденсаторов 18 и 19 равны по величине выходному сигналу электрометрического усилителя 1, поэтому заряд их не происходит. Если уровень входного сигнала достаточен для заряда масштабного конденсатора 17 до напряжения, превышающего порог срабатывания фиксатора 4 верхнего уровня сигнала, то при достижении порога срабатывания блок 5 управления формирует сигналы управления реверсивным регистром 6 сдвига. Блок 5 управления функционирует в соответствии с таблицей логических переходов.

1239610

Реверсивный регистр 6 сдвига вырабатывает сигнал высокого уровня на (>6Ъ втором выходе — напряжение П iфиг. 2r) на интервале времени t < — t>. По переднему фронту этого сигнала происходит запись информации с выходов блока 5 управления в первый тактиру-. емый D-триггер 15, потому что на входе управления 1 имеется высокий 1о уровень напряжения (фиг. 2a). Так как в момент времени и на управляющем выходе блока 5 управления имеется высокий уровень напряжения, то запись информации в D-триггер 15 происходит по переднему фронту сигнала,, поступающего с второго выхода реверсивного регистра 6 сдвига, Триггер 15 переходит в состояние логической "I," (ie) на прямом выходе, напряжение U на интервале времени t > — t < (фиг . 2 w ), при этом аналоговый ключ 10 замыкает-! ся и напряжение с выхода отрицательной полярности источника 7 опорного напряжения поступает на первый вход аналогового сумматора 8, на второй его вход поступает выходное напряжение электрометрического усилителя 1.

Диаграмма напряжений на второй обкладке масштабного конденсатора 17 приведена на фиг. 2u . Второе уравнение Кирхгофа для цепи заряда масштабного конденсатора 17 первого попдиапазона имеет вид

Uc Uon въ| где U — входное напряжение электвх рометрического усилителя 1; — напряжение на выводах конс

40 денсатора 17 первого поддиапазона;

U — выходное напряжение источника 7 опорного напряже— ния;

4!)

U — выходное напряжение электьы рометрического усилителя 1.

Из уравнения следует, что сумма входного напряжения U „ электрометрического усилителя 1 и напряжения на масштабном конденсаторе 17 Б равна сумме выходного напряжения источника 7 опорного напряжения U„ и выходного напряжения U ö„ усилителя 1.

При равенстве по модулю напряжений на масштабном конденсаторе 17 Бс и выходного напряжения источника 7 U„ разряда конденсатора не происходит, не происходит также стекания заряда с конденсатора 17 во входную цепь преобразователя заряда. При работе на втором подциапазоне происходит за ряд конденсатора 18, так как при поступлении управляющего сигнала с второго выхода реверсивного регистра 6 о61 сдвига (напряжение U на интервале времени с — t ), второй вход аналогового сумматора 9 через замыкающий контакт аналогового переключателя 13 подключается к общей шине (фиг. 2г).

Это эквивалентно подключению второй обкладки конденсатора 18 второго подциапазона к общей шине устройства.

При достижении выходным напряжением злектрометрического усилителя 1. величины порога срабатывания фиксатора

4 верхнего уровня блок 5 управления реверсивным регистром б сдвига формирует сигналы управления, которые переводят тактируемый Э-триггер 16 по переднему фронту импульса высокого уровня (фиг. 2 g) в состояние логической "1" на:интервале времени - .

Ключ:11 замыкается и остается замкнутым до прихода команды .управления триггером 16, которая переведет его

1 в состояние логического "0" (момент времени t4). Аналоговый переключатель 13 переходит в исходное состояние и ка второй вход аналогового сумматора

9 поступает выходной сигнал электро1 метрического усилителя 1. Работа электрометрического преобразователя заряда на последнем N-ом поддиапаэоне (в данном случае N-3) происходит после поступления сигнала высокого уровня с N-го (3-го) выхода реверсивного регистра 6 сдвига на вход управления

N-ro аналогового переключателя 14, 0r) напряжение U на интервале времени и *- t . Порог срабатывания фиксато.ра 3 нижнего уровня равен потенциалу общей шины преобразователя заряда.

Поэтому при понижении уровня выходног0 напряжения электрометрического усилителя 1 ниже нулевого уровня (момент времени t4), т.е. при изменении его полярности, происходит форми.рование управляющих сигналов блоком 5 управления, по которым происходит реверсирование регистра 6 сдвига. Например, если происходит смена подциапазонов с N íà N-1, т.е. с третьего на второй (момент времени t ), то переключатель 14 переходит в исходное состояние и на вторую обклад7 1239 ку масштабного конденсатора 19 поступает выходной сигнал электрометрического усилителя 1 (фиг.. 2n), интервал времени t4 — t . Одновременно меняется логическое состояние тактируемого

D-триггера 16, он переходит в состояние логического "0" (фиг. 2.з, момент времени t ). Выходное напряжение преобразователя заряда скачкообразно увеличивается до уровня U „ источника !О

7 опорного напряжения, а затем повторяет изменение напряжения на масштабном конденсаторе 18 до момента времени t, после которого преобразователь заряда функционирует на первом поддиапазоне. На интервале времени t заряжается входным током масштабнйй конденсатор 17 первого поддиапазона. .Выходное напряжение U преобразовавых теля заряда так же, как и в момент времени tq скачкообразно увеличивается в момент времени до уровня

U » а затем повторяет изменения входного сигнала. Аналогично устройство функционирует на интервале времени д

t — t <. Если устройство функционирует на первом поддиапазоне измерения, т.е. на выходе первого разряда реверсивного регистра 6 сдвига имеется уровень логической " 1" и на выходах фиксаторов 3 и 4 уровня сигнала, имеются логическйе сигналы нулевого уровня (или происходит переход .в нулевое состояние), то сдвиг влево в реверсивном регистре 6 сдвига блокируется сигналом логической "1", поступающим на вход V блока 5 управления.,Формула изобретения I 40

Электрометрический преобразователь заряда, содержащий электрометрический усилитель, вход которого подключен к входу преобразователя и к первым обкладкам первого и второго масштабных конденсаторов, а выход подключен к выходу преобразователя и к первому входу фиксатора нижнего уровня, первый аналоговый ключ, второй информационный вывод которого соединен с перЯ1 вым входом аналогового сумматора, выход которого подключен к второй об.кладке первого масштабного конденсатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности пре- >> образования, в него введены фиксатор верхнего уровня, блок управления, = реверс.ивный регистр сдвига, источник

610 8 опорного напряжения N-2 масштабных коммутаторов, N-2 аналоговых сумматоров, N-2 аналоговых ключей, N-1 тактируемых D-триггеров; N аналоговых переключателей, разрядный ключ и шина "Сброс", причем второй вход фиксатора нижнего уровня подключен к общей шине преобразователя, а выход— к первому информационному входу блока управления, второй информационный вход которого соединен с выходом фиксатора верхнего уровня, вход блокировки - с выходом первого разряда реверсивного регистра сдвига, вход установки в "0" — с шиной Сброс", ! тактовый выход — с тактовым входом реверсивного регистра сдвига, а выход управления — с входом управления реверсивного регистра сдвига и с информационными и управляющими входами тактируемых D-триггеров, первый вход фиксатора верхнего уровня подключен к выходу злектрометрического усилителя, второй вход — к выходу положительной полярности источника опорного напряжения, выход отрицательной полярности которого соединен с первыми информационными выводами аналоговых ключей, вторые информационные выводы которых соединены с первыми входами соответствующих аналоговых сумматоров, выходы реверсивного регистра сдвига, кроме, N-го, подключены к тактовым входам соответствующих тактируемых D-триггеров и к входам управления соответствующих аналоговых переключателей, N-й выход реверсивного регистра сдвига подключен к входу управления М-ro аналогового переключателя, выводы замыкающих контактов аналоговых переключателей соединены с выходом электрометрического усилителя, выводы размыкающих контактов — с общей шиной, переключающие контакты аналоговых переключателей, кроме Й-го, соединены с вторыми входами соответствующих аналоговых сумматоров, переключающий контакт N-го аналогового переключателя соединен

:с второй обкладкой N-ro масштабного конденсатора, вторые обкладки остальных масштабных конденсаторов подклю.чены к выходам соответствующих аналоговых сумматоров, первые обкладки масштабных конденсаторов подключены к входу преобразователя, входы управления аналоговых ключей соединены с выходаМи соответствующих тактируемых

D-триггеров, входы установки в "0"

9 1239610 1О которых, a также вход упранле- га подключены к шине "Сброс" ния разрядного . ключа, вход ус- информационные вЫводы разрядного тановки в "1" первого разря- ключа подключены между входом и обда реверсивного регистра сдви- щей шиной преобразователя, 1239610

5локирс&п фиг.Ф

Редактор .Л. Гратилло

Заказ 3390/44

° Тираж 728 Подписное

ВНИИПЙ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

08 .

ll

Юион1

Составитель С. Рыбин Техред О.Сопка Корректор М. Хаксимишинец