Электрометрический преобразователь заряда

 

Изобретение относится к технике измерения малых токов и зарядов и может быть использовано для преобразования сигналов с пьезоэлектрических датчиков при контроле импульсных и квазистатических давлений. Пель изобретения - повышение надежности устройства . Электрометрический преобраеихвв / зователь заряда содержит усилитель 1 заряда, состоящий из электрометрического усилителя 2, интегрирующего конт денсатора 3 и разрядного ключа 4, усилитель 5 постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь 6 и цифроаналоговый преобразователь 7. Введение переключателя 8 одновибратора 9, таймера. 10, генератора 11 импульсов с внешним запуском элементов 2и13 запрета, элемента ИЛИ 14, эЛемента И 15 и нелинейного резистора 16, в качестве которого могут быть .использованы встречно и параллельно включенные змиттерные переход транзисторов 17 и 18, обеспечивает защиту входа устройства от пробоя при перегрузках и делает возможным представить .- результат преобразования в цифровой форме. 2 з.п.ф-лы, 2 ил. . Рели eafpffrH Ш.. 1 с 00 с fut.t

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

/ (1% 01) 2 А1

Ш4 G 01 R 19/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

-/ . l

Рамии ра&тч

64а Ф

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4154124/24-21 (22) 01.12.86 (46) 30. 12. 88. Бюл. М 48 (72) А.В.Есаулов (53) 621. 31 7 . 7 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1260862, кл. G 01 R 19/00, 1984.

Патент Австрии 11- 377132, кл. Н 03 F 3/70, 1985. (прототип . (54) ЗЛЕКТРОИЕТРИЧЕСКИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЗАРЯДА (57) Изобретение относится к технике измерения малых токов и зарядов и может быть использовано для преобразования сигналов с пьезоэлектрических датчиков при контроле импульсных и квазистатических давлений. Цель изобретения — повышение надежности уст" ройства, Электрометрический преобразователь заряда содержит усилитель 1 заряда, состоящий из электрометрического усилителя 2, интегрирующего кон-. денсатора 3 и разрядного ключа 4, усилитель 5 постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь 6 и цифроаналоговый преобразователь 7. Введение переключателя 8 одновибратора 9, таймера 10, генератора 11 импульсов с внешним запуском элементов l 2 и 13 запрета, элемента ИЛИ 14, эЛемента

И 15 и нелинейного резистора 16, в качестве которого могут быть,использованы встречно и параллельно включенные эмиттерные переходы транзисторов 17 и 18, обеспечивает защиту вхо- Q да устройства от пробоя при перегрузках и делает возможным представить результат преобразования в пифровор форме. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.! 448292

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к области измерения малых токов и зарядов, и может быть использовано для

5 преобразования сигналов с пьезоэлектрических датчиков при контроле импульсных и кваэистатических давлений, Цель изобретения — повышение надежности устройства за счет обеспече- 10 ния защиты его входа от пробоя при перегрузках и расширение функциональНых возможностей sa счет дополнительНого представления результата преобразования в цифровой форме, 15

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства; на фиг,2,- временные диаграммы, поясняющие его работу, Электрометрический преобразователь заряда содержит усилитель заряда 1, включающий в себя электрометрический усилитель 2 и подключенные между его инвертирующим входом и выходом параллельно соединенные интегрирующий кон"

25 денсатор 3 и разрядный ключ 4; неин-.-.. вертирующий вход усилителя 2 соединен с общей шиной, усилитель постоянного тока 5, инвертирующий вход которого и выход усилителя 1 присоединены к аналоговому выходу устройства, а неинвертирующий вход подключен к общей шине, последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6

Н цифроаналоговый преобразователь (UAII) 7, переключатель 8, одновибратор 9, таймер 10, генератор импульсов 11 с внешним запуском, два элемента "Запрет" 12 и 13 элемент

ИЛИ 14 элемент И 1 5 нелинейный pet У

40 зистор 16 с симметричной экспоненциальной вольт-амперной характеристикой, в качестве которого использованы эмиттерные переходы транзиторов 17. и 18, и резистивный делитель напряжения 19. Общий контакт переключателя 8 соединен с информационным входом преобразователя 6, а его нормально разомкнутый и нормально замкнутый контакты соединены соответственно с аналоговым выходом устройства и с выходом, усилителя 5. Вход управления переключателя 8 соединен с клеммой

"Режим работы" устройства, К клемме

"Сброс" устройства подключен вход 3Gxi пуска одновибратора 9, вщход которого соединен с входом сброса усилигеля 1 и с входом запуска таймера 10.

К выходу таймера 10 присоединены инверсные входы элементов "Запрет" 12 и 13, первый вход элемента И 15 и вход управления генератора 11. Выход генератора 11 и выход элемента "Запрет" 12 соединены с входами элемента ИЛИ 14., к выходу которого по„„ключен вход С запуска преобразователя 6, Выходы АЦП б соединены с цифровой выходной шиной устройства. Выход элемента "Запрет",13 и прямой вход первого,элемента "Запрет" 12 подключены соответственно к клеммам "Готовность" и "Запуск аналого-цифрового преобразователя" устройства, К выходу Р конца преобразования АЦП 6 подключены прямой вход элемента "Запрет" 13 и второй вход элемента И 15, к выходу которого присоединен вход С стробирования преобразователя 7. База транзистора 18 и эмиттер транзистора 17 соединены с входом устройства н входом усилителя 1, а эмиттер транзистора 18 и база транзистора 17 через делитель напряжения 19 соединены с выходом ЦАП 7;

Устройство функционирует следующим образом, После подачи питающих напряжений на выходе усилителя 1 заряда имеется некоторый уровень напряжения, который обусловлен "набросом" завяла на конденсатор 3. В режиме коррекции на

-клемму ".Режим работы" поступает сигнал низкого уровня, в результате чего выход усилителя 5 постоянного тока через нормально замкнутый контакт переключателя 8 соединен с информационным входом АЦП б, поэтому на его вход поступает усиленное выходное напряжение электрометрического усилителя 2. При поступлении сигнала высокого уровня на клемму "Сброс" (фиг,2а, момент времени t„ ) запускается одновибратор 9, Ключ 4 замыкается и разряжает конденсатор 3. По заднему фронту выходного импульса одновибратора 9 запускается таймер 10, формирующий интервал времени (фиг.2б),. в течение которого осуществляется коррекция тока смещения ну- . ля усилителя 1, Единичный уровень выходного напряжения таймера 10 поступает на вход управления генератора 11, выходные импульсы которого через элемент ИЛИ 14 поступают на вход запуска С АЦП 6, Результат аналого-цифрового преобразования поступает на информационные входы UAII 7. Так как на з 4482 выходе таймера 10 — сигнал высокого уровня, при поступлении сигнала с выхода P.êîíöà преобразования АЦП 6 на второй вход элемента И 15 с выхода последнего снимается сигнал высокого

5 уровня, который стробирует запись данных с АЦП 6 на ЦАП 7. Выходное напря.жение ЦАП 7 поступает на вход делителя напряжения 19, выполненного, на- 10 пример в виде последователЬно вклюЭ б ченных резисторов. Выходное напряжение делителя 19 подается через парал лельно и встречно включенные эмиттерные переходы транзисторов 17 и 18 на вход устройства. Змиттерные переходы транзисторов 17 и l8 выполняют функцию нелинейного высокоомного резистора. Таким образом, во входной цепи электрометрического усилителя 2 проте 20 кает ток компенсации, величина которого близка по величине току смещения нуля этоro усилителя, а полярность противоположна полярности тока смещения, при этом в первый момент времени после подачи сигнала сброса, выходной сигнал усилителя 5 имеет максимальное значение и, вследствие нелинейного. характера сопротивления эмиттерных переходов транзисторов l7 и 18, 30 во входной цепи усилителя 2 протекает ток компенсации, имеющий максимальное значение, что приводит к быстрому разряду конденсатора 3. Остаточный входной ток усилителя 2 равен разности его тока смещения нуля и тока компенсации и определяет токовую составляющую погрешности преобразования, Так как коэффициент усиления усилителя 5 значительно больше единицы (его вели- 40 чина определяется условиями устойчивости контура коррекцин тока смещения), то, благодаря глубокой отрицательной обратной связи в цепи коррекции, остаточный входной ток усилите- 45 ля 2 значительно (в 10-100 раз) меньше тока смещения. К концу интервала коррекции (фиг.2, момент времени t4) выходное напряжение ЦАП 7 устанавливается на уровне, определяемом ошиб- 50 кой статизма контура регулирования и его коэффициентом усиления, Переходные процессы в контуре регулирования к этому моменту времени затухают.Выходное напряжение таймера 10 принимают с момента времени и нулевой логический уровень и подается на инверсные входы элементов "Запрет" l2 и 13 на вход запуска генератора 31

92 4

С момента времени t4 генерация импульсов генератором ll (фиг.2в) прекращается, и разрешается прохождение сигналов внешнего запуска АЦП 6, которые поступают на клемму "Запуск аналого-цифрового преобразователя".

После подачи сигнала "1" на клемму

"Режим работы", электрометрический преобразователь заряда функционирует в режиме измерения. При этом с аналогового выхода устройства снимаются сигналы в виде напряжения, а на цифровую выходную шину данных с выхода АЦП 6 поступают цифровые коды Н,пропорциональные измеряемой величине, В момент времени t на вход устройства поступает сигнал в виде заряда (фиг,2д),который преобразуется в напряжение (фиг.2e}, снимаемое с выхода усилителя 1 заряда, Так как электрометрический усилитель 2 охвачен отрицательной обратной связью, то происходит инвертирование знака измеряембй величины, при этом коэффициент преобразования определяется величиной емкости конденсатора 3.

В случае перегрузки электрометрического преобразователя заряда насыщается выходной каскад.электрометрического усилителя 2 и нарушается отрицательная обратная связь, что приводит к возрастанию входного потенциала этого усилителя, Однако, за счет, того, что между входом усилителя 2 и общей шиной устройства последова тельно включены параллельно и встречно включенные эмиттерные переходы транзисторов l7.и 18 и низкоомное плечо резистивного делителя напряжения )9, то напряжение между клеммой

"Вход" и общей шиной устройства не превысит единиц вольт, тем самым обеспечивается надежная sащита от пробоя входного каскада электрометрического усилителя 2. Таким образом, за счет наличия эффективной защиты входного каскада электрометрического усилителя повышается надежность электрометрического преобразователя заряда, а эа счет представления резуль" тата измерения в аналоговой и цифровой формах расширяются функциональные возможности устройства.

Формула изобретения

1. Электрометрический преобразователь заряда, содержащий усилитель заряда, вход которого подключен к

ВНИИПИ Заказ б843/50 Тираж 77) Подписное

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

5 14482 входу устройства, усилитель постоянного тока, инвертирующий вход которого и выход усилителя заряда подключены к аналоговому выходу устройства, неинвертирующий вход усилителя постоянного тока подключен к общей шине, и последовательно включенные аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, о т.л и ч а ю щ и и - 10 с я тем, что, с целью повышения надежности и расширения функциональных возможностей sa счет дополнительного представления результата преобразования в цифровой форме, в него введены 15 переключатель, одновибратор, таймер, генератор импульсов с внешним запус. ком, два элемента "ЗАПРЕТ"; элементы И и ИЛИ и нелинейный резистор, причем общий контакт переключателя сое- 20 динен с информационным входом аналого"цифрового преобразователя,а его нормально разомкнутый и нормально замкнутый контакты соединены соответственно с аналоговым выходом устройст- 2Б ва и с выходом усилителя постоянного тока, вход управления переключателя соединен с клеммой "Режим работы" устройства,к клемме "Сброс" устройства под ключен вход запуска одновибратора, вы- 30 ход которого соединен с входом запуска таймера и входом сброса усилителя заря,да, к выходу таймера присоединены ин версные входы .элементов "ЗАПРЕТ", первый вход элемента И и вход управления генератора импульсов с внешним

92 6 запуском, выход которого и выход первого элемента "ЗАПРЕТ" соединены с входами элемента ИЛИ, к выходу которого подключен вход запуска аналого цифрового преобразователя, выходы которого поразрядно соединены с цифровой выходной шиной устройства, выход второго элемента "ЗАПРЕТ" и прямой вход первого элемента "ЗАПРЕТ" подключен соответственно к клеммам готовность" и "Запуск" аналого-цифрового преобразователя устройства, к выходу конца преобразования аналого-цифрового преобразователя подключены прямой вход второго элемента

"ЗАПРЕТ 1 и второй вход элемента И, к выходу которого присоединен вход стробирования цифроаналогового преобразователя, выход которого через нелинейный резистор соединен с входом усилителя заряда.

2. Преобразователь заряда по п.l, отличающийся тем, что в качестве нелинейного резистора использованы встречно и параллельно включенные эмиттерные переходы двух транзисторов.

3. Преобразователь заряда по п,1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в разрыв связи выхода цифро-аналогового преобразователя с нелинейным резистором с симметричной экспоненциальной вольт-амперной характеристикой включен резистивный делитель напряжения.