Цифровой измеритель отношений электрических емкостей

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения линейных перемещений путем преобразования электрических емкостей в цифровой код. Цифровой измеритель отношений электрических емкостей содержит источник опорного напряжения, тактовый генератор, три коммутатора, рабочую и образцовую емкости, усилитель, синхронный детектор, компаратор, делитель частоты, элементы задержки и совпадения, счетчик, регистр, цифровой индикатор, триггер и RC- фильтр. Измеритель обеспечивает измерения во всем диапазоне без переключения пределов измерения, при значительно большем динамическом диапазоне измерений, и имеет меньшую относительную погрешность . 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s G 01 R 27/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОП И САН И Е И ЗО БР ЕТЕ Н ИЯ р.- ек л т;! в, !; г.яЯ."Г..:мь: т:,"::,;у

I т г,р j (- (Q

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4848228/21 (22) 03,07.90 (46) 23.08.92, Бюл. N. 31 (71) Московский инструментальный завод

"Калибр" (72) С.Л.Беседин (56) Авторское свидетельство СССР

N - 1057882, кл. G 01 8 27/26, 1982.

Патент США 1Ф 4187459, кл. 6 01 R

27/26, 1980. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ОТНОШЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЕМКОСТЕЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения линейных перемещений путем

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения линейных перемещений путем преобразования электрических емкостей в цифровой код,, Известны устройства, предназначенные для преобразования отношения электрических емкостей в напряжение постоянного тока, содержащие рабочий и образцовый конденсаторы, усилитель, синхронный детектор,.источник опорного напряжения, два коммутатора и генератор прямоугольного напряжения. Дальнейшее преобразование выходного напряжения s цифровой код можно осуществить с помощью стандартного АЦП, ..; Известные схемы ймеют повышенную погрешность за счет двукратного преобразования информационного сигнала, имеет Ы,1756835 А1 преобразования электрических емкостей в цифровой код. Цифровой измеритель отношений электрических емкостей содержит источник опорного напряжения, тактовый генератор, три коммутатора; рабочую и образцовую емкости; усилитель, синхронный детектор, компаратор, делитель частоты, элементы задержки и совпадения, счетчик, регистр, цифровой индикатор, триггер и RCфильтр. Измеритель обеспечивает измерения во всем диапазоне беэ переключения пределов измерения, при значительно большем динамическом диапазоне измерений, и имеет меньшую относительную погрешность. 1 ил. ке ся погрешность преобразования отношения емкостей в напряжение и погрешность пре- 4 образования в цифровой код. Сл

Известны также устройства для прямого () преобразования отношения емкостей в (ф цифровой код, содержащие источники опор- () ного напряжения, коммутаторы. рабочий и (Л образцовый конденсаторы, усилитель, синкронный детектор, интегратор, комларатор,, Q тактовый генератор, цифровую логическую ъ схему, счетчик, регистр памяти и цифровой индикатор.

Известные устройства обладают тем недостатком, что на точность и стабильность: этих устройств оказывает влияние дрейф и шумы интегратора и комйаратора, что связано с тем, что сравнение рабочей и образцовой емкости происходит на постоянном токе.

1756835

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство, которое выбрако в качестве прототипа.

Прототип, однако, не обеспечивает да- 5 статочную точность измерения.

Цель изобретения — повышение точности изм-ерения.

Указанная цель достигается техническим решением, представляющим собой но- 10 . вое устройство, в которое введены триггер, третий коммутатор и RC-фильтр, вйход которого соединен с первым входом второго .."коммутатора; выход тактового генератора соединен с входом сийхронизации тригге-. 15 ра, информационный вход которого соеди: нен с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом синхронного детектора, второй «в«ход"компаратора заземлен; выход триггера с«оединен с вторым входом элемента совпадения и управляющим 20 входом третьего коммутатора, второй вход котоаого заземлен, выход источника опорного мапряженйя соединен С первым вхо-. дом третьего коммутатора, выход которого соединен с входом RC-фильтра. . 25.

На чертеже изображен предлагаемый измеритель.

Измеритель содержит источник 1 опорного напряжения, тактовый генератор 2, первый коммутатор 3 и второй коммутатор 30

4, рабочую емкость 5 и образцовую емкость

6, усилитель 7, синхронный детектор 8, ком- паратор 9, делитель 10 частоты, элемент t1 задержки, элемент 12 совпадекйя, счетчик

13, регистр 14, цифровой индикатор 15, 35 триггер 16. третий коммутатор 17 и RCфильтр 18.

Источник 1 опорнаго напряжения соединен с первым входом первого коммутатора 3, второй вход которого заземлен. Выход 40 первого коммутатора 3 соедйне«й с йервым выводом рабочей емкости 5. Первый вход второго коммутатора 4 «заземлек; -а" выход соединен с первым выводом образцовой емкости 6. Вторые выводы рабочей емкости 45

5 и образцовой емкости 6 объединены исоеДинены с входом"усилителя 7, выход которого соединен с входом синхронного детектора 8, Тактовый генератор 2 сое« динен с уПрав- 50 ляющими входами первого коммутатора 3 и второго коммутатора 4, с управляющим входом синхронного детектора 8, с входом делителя 10 частоты и элемента 12 совпадекия. Bbtxод делителя 10 частоты со- 55 единен с.входом элемента 11 задержки-, и с управляющим входом регистра 14. Выход элемента 11 задержки соединен с входом сброса счетчика 13. Выход элемента 12 совпадения соединен с счетным входом счетчика 13, выходы счетчика 13 соединены с информационными входами регистра 14.

Выходы регистра 14 соединены с входами цифрового индикатора 15.

Информационный вход триггера 16 соединсн с выходом компаратора 9, первый вход которого соединен с выходом синхронного детектора 8, а второй вход заземлен.

Вход синхронизации триггера 16 соедине«н с тактовым генератором. Выход триггера 16 соединен с входом элемента 12 совпадения и с управляющим входам третьего коммутатора 17, первый вход которого соединен.с источником 1 опорнага напряжения, а второй вход заземлен. Выход третьего коммутатора 17 соединен с входом

RC-фильтра 18, выход которого соединен с вторым входом второго коммутатора 4.

Измеритель работает следующим образом, Импульсы с тактового генератора 2 со скважностью, равной 2, поступают на управляющий вход коммутатора 3, который подключает рабочую емкость 5 поочередно к общему проводу и источнику 1 опорного напряжения. Второй вывод рабочей емко-. сти 5 подключен к низкоамному токовому входу усилителя 7 (виртуальной земле).

Поэтому через каждый полупериад импульсов тактового генератора 2 рабочая емкость 5 заря>кается и разряжается на величину опорйого напряжекия.

Величина заряда, протекающего через рабочую емкость 5 при каждом ее перезаряде, пропорциональна величине опорного напряжения и величине рабочей емкости 5.

Заряд, протекающий через вход усилителя 7, усиливается и преобразуется им в йеременное напряжение, детектируется синхронным детектором 8, причем фаза за,ряда такова; чта на выходе синхронного де.- . тектора 8 получается постоянное паложителькое напря>кение.

Компаратор 9 под действием этого напряжения переключается в состояние логи-. ческой "1".

Триггер 16 переписывает зту логическую "1" во время очередного положительного фронта импульса с тактового генератора 2.

Логическая "1" с выхода триггера 16 подключает вход RC-фильтра 18 к иСточкику

1 опоркага"наггря>кения-через коммутатор

17. При этом RC-фильтр 18 начинает экспоненциально заряжаться.

Коммутатор 4 подключает образцовую емкость 6 поочередно к общему проводу и к выходу RC-фильтра 18, причем коммутация

1756835 6

5 происходит от тактового генератора 2 в прожиме. Напряжение на выходе RC-фильтра тивофазе по отношению к коммутатору 3. 18 колеблется около значения Vl.

Величина заряда, протекающего через Среднее значение:напряжения на входе образцовую емкость 6, пропорциональна RC-фильтра 18 также paleo U1, поскольку пассивный RC-фильтр 18 имеет коэффициент передачи, равный 1.

Это найряжение обесзйечйвается за счет величине напряжения на выходе RC-фильт- 5 ра 18 и величине образцовой емкости 6, Если рабочая емкость 5 не превышае1 образцовую емкость 6, то компенсация rlpo- - определенного соотнбшения периодов зативофазных зарядов, поступающих на вход .. ряда и разряда RC-фильтра. усилителя 7 от рабочей емкости 5 и образ- .10 = Nç цовой емкости 6, произойдет при ::::."":: .... 0 N

СР б .. (1): -: .-:.,гДе UP — сРеДнее ззйазчениеп напРЯжениЯ йа

01=Е

Собразц. входе RC-фильтра 18;

Когда напряжение на выходе RC-фильт- Йз — количество периодов заряда RCра 18 несколько превысит 01 противофаз- 15 фильтра 18; ный заряд образцовой емкости 6 Q — суммарноеколичесптвопериодовзапереко1лпенсирует заряд рабочей емкости""" ряда и разряда КС-фильтра 18, 5, фаза выходного напряжения усилителя 7 . Во время каждого периода заряда RCизменится на противоположную, поляр-- фильтра18элемент12совпадеййяоткрываность выходного напряжения синхронного 20 ется логической "1" с триггера 16, при этом

-детектора 8 станет отрицательной. Компа- .. один импульс "поступает на вход счетчика ратор 9 переключится в состояние логиче-". 13. ского "0". .;:::: .,: Через каждые М импульсов тактового

Во время очередного положительногоп ",: - генератора 2, которые отсчитыва1отся. делифронта импульса тактового генератора 2 25 телем 10 частоты, сяостояиние счетчика 13 петриггер 16 переключится в состояние логи- репйсывается в регйстр . 14 и отображается ческого "0".. : ";:;: на цифровом индйкаторте 15.

При этом вход RC-фильтра 18 подклю- - Через время; определяемое-элементом чится к общему проводу через коммутатор " 11 задер>кки, счетчик 13 сбрасывается и на17. ::,.:; .. :.: .: - - 30 чинается новый цикл отсчета.

RC-фильтр 18 начнет разряжаться"и:ког -: . Приравййвают формулы (1) и (2) и полда напряжейиет на его выходе станет не- учают из них втыражиение для йз, ко.:орое сколько меньше О1, заряд рабочей емкости - отображается на цифровом ийдикаторе 15; б превысит противофвзный заряд обрвзцо- ": . Сруб

ВОй ЕМКОСТИ 6. .. .:"".: 35....,.:.. Собртазц ф

Мз=

Фаза выходного напряжения детеяктоира . Ф о р м у;л а и з о б р ет е н и.я

8 вновь изменится на противоположную, — . Цифровой измеритель огношенйй элекполярйость выходного напряжения сйнх- трических емкостей, содзержащий йСточнрик рон ного детектора 8 станет положительной; . опорного напряжения, та сто@ый генератор, компаратор 9 переключится в состоянйело- 40 первый и второй коммутаторь1, рабочую и гической "1". Триггер 16 переключится в со; образцовую емкости,. уСилитель; синхронстояние логической и1* во .время ный детектор, комдпсараТор, делитвль частоследующего положительного фронта им- ; ты, элемент задержки, эмеменыт совпадения, пульса с тактового генератора 2..::.: . счетчик, регистр и цифровой индикатор,.

При этом вход RC-фильтра 18 подклю- 45 вход которого соединен с выходом регистчится к источнику 1 опорного напряжезнйя - ра, информационный вход которого соедичерез коммутатор 17. Напря>кение на выхо- нен с выходом счетчика, вход сброса де RC-фильтра 18 будет нарастать и черезз . которого соединен с выходом элемента занекоторое время несколько превысит U1, держки, вход котоРого соединен с управля-

При этом противофазный заряд образцовой 50 ющим входом регистра и выходом делителя емкости 6 перекомпенсирует заряд рабочей частоты, вход которого сбединен с выходом емкости 5, фаза выходного напряженияуси- тактового гейератора, первым входом эле. лителя 7.изменится на противоположную, " мента совпадения, управляющзимз в> одбм полярность выходного напряжения сйнх- синхронного детектора и.управляющими ронного детектора 8 станет отрицательной. 55 входами первого и второго. коммутаторов, Компаратор 9 переключится в состояние ло- выходы которых соединены соответственно гического "0". "- :, с первыми выводами рабочей и образцовой

Таким образом, процесс начнет повто= : емкостей, вторые выводы которых обьедиряться. Схема работает в колебательном p8" нены и соединены с входом усилителя, вы1756835

Составитель

Техред M.Ìîðãåèòàë

Редактор Е.Папп

Корректор О.Кравцова

Заказ 3086 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

11 3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ход .которого соединен с сигнальным входом синхронного. детектора, счетный вход счетчика соединен с выходом элемента cosпадения, вторые входы первого и второго коммутаторов заземлены, первый вход первого коммутатора соединен с выходом источника опорного напряжения, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены триггер, третий коммутатор и RC-фильтр, выход которого соединен с первым входом второго коммутатора, выход тактового генератора соединен с входом синхронизации триггера, информационный вход которого соединен с выходом компаратора. первый вход которого соединен с выходом синхронного

5 детектора, второй вход компаратора заземлен. выход триггера соединен с вторым входом элемента совпадения и управляющим входом третьего коммутатора, второй вход которого заземлен, выход источника опор10 ного напряжения соединен с первым входом третьего коммутатора, выход которого соединен с входом RC-фильтра.