Измеритель электрических зарядов

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат заключается в повышении устойчивости при регулировке чувствительности. Измеритель (фиг.10) содержит входной операционный усилитель (ОУ) (1), параллельные RC-цепи (3), инвертор (2), вход которого соединен с выходом ОУ (1), при этом первая RC-цепь (3) включена между инвертирующим входом ОУ (1) и входом инвертора (2), а вторая RC-цепь (3) - между неинвертирующим входом ОУ (1) и выходом инвертора (2). Параллельно первой и второй RC-цепям (3) подключены во входной цепи ОУ (1) через разделительные конденсаторы (К) (6), а на выходе гальванически, две группы из k цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого электронного ключа (КЛ), К и второго КЛ, причем к выводу К, который соединен с вторым КЛ, подключен резистор (Р), соединенный с землей. Аналогично k цепочкам подключены две группы из m цепочек, состоящих из последовательно соединенных первого КЛ, Р и второго КЛ, причем к выводу Р, который соединен с вторым КЛ, подключен Р, соединенный с землей. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - упрощение регулировки чувствительности. В дифференциальном усилителе заряда используются последовательно включенные входной операционный усилитель 1, неинвертирующий усилитель 2 с регулируемым коэффициентом усиления, инвертор 3. При этом между выходом усилителя 2 и инвертирующим входом входного операционного усилителя 1 включена первая параллельная RC-цепь 4, а между выходом инвертора 3 и неинвертирующим входом входного операционного усилителя 2 включена вторая параллельная RC-цепь 4. Варьируя величину коэффициента усиления неинвертирующего усилителя 2, можно изменять чувствительность дифференциального усилителя заряда без изменения полосы пропускания в области нижних частот.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - пример реализации устройства.

Устройство содержит входной операционный усилитель 1, неинвертирующий усилитель 2 с регулируемым коэффициентом усиления, инвертор 3, первую и вторую параллельные RC-цепи 4.

Дифференциальный усилитель заряда работает следующим образом.

Симметричный датчик заряда подключается к симметричному входу дифференциального усилителя заряда. Основой усилителя заряда является входной операционный усилитель 1 с большим входным сопротивлением и дифференциальным входом, выход которого является выходом устройства. Выходной операционный усилитель 1 охвачен двухпетлевой параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, причем первая петля обратной связи - с выхода входного операционного усилителя 1, через неинвертирующий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 2, через первую параллельную RC-цепь 4 замыкается на инвертирующий вход входного операционного усилителя 1, а вторая петля обратной связи - через инвертор 3 и через вторую параллельную RC-цепь 4 замыкается на неинвертирующий вход входного операционного усилителя 1.

Коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи входного операционного усилителя 1 в инвертирующем включении по любому из входов определяется в следующем виде:

где К_р - коэффициент передачи неинвертирующего усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 2;

К_ос - коэффициент передачи цепи обратной связи;

Z_q - комплексный входной импеданс датчика;

Z_oc - комплексный импеданс цепи обратной связи. При этом:

где C_q - емкость датчика;

С - емкостные элементы в первой и второй параллельных RC-цепях 4;

R - резистивные элементы в первой и второй параллельных RC-цепях 4.

имеет окончательно:

Коэффициент преобразования заряда при условии К_рК≫1, где К - коэффициент передачи входного операционного усилителя 1 определяется следующим выражением:

В полосе пропускания:

Из выражения (2) следует, что изменять чувствительность дифференциального усилителя заряда можно, варьируя величину коэффициента усиления неинвертирующего усилителя 2 с регулируемым коэффициентом усиления. Полоса пропускания в области нижних частот определяется постоянной величиной τ_Н=RC.

Из (1) видно, что в коэффициент преобразования заряда величина К_р входит как коэффициент, постоянная времени сохраняет свое значение и не зависит от К_р.

Окончательно имеем.

На фиг.2 представлен пример реализации устройства. В качестве входного операционного усилителя можно использовать операционный усилитель с большим коэффициентом усиления и малыми входными токами. Неинвертирующий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления выполнен на базе перемножающего цифроаналогового преобразователя КР572ПА1А в типовом включении. В качестве инвертора можно использовать операционный усилитель с большой площадью усиления в инвертирующем включении.

Коэффициент преобразования такого устройства имеет вид:

где D - десятичное значение кода от 00...0 до 11...1;

N - разрядность цифроаналогового преобразователя;

К_у - начальный коэффициент передачи, который устанавливается резистивным элементов в первой и второй параллельных RC-цепях.

Формула изобретения-прототипа. Дифференциальный усилитель заряда, содержащий входной операционный усилитель, первую и вторую параллельные RC-цепи и инвертор, при этом первая параллельная RC-цепь включена между инвертирующим входом входного операционного усилителя и входом инвертора, а вторая параллельная RC-цепь - между неинвертирующим входом входного операционного усилителя и выходом инвертора, а выход входного операционного усилителя является выходом дифференциального усилителя заряда, отличающийся тем, что, с целью упрощения регулировки чувствительности, между выходом входного операционного усилителя и входом инвертора включен неинвертирующий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления.

Критика прототипа.

Как показано в авторском свидетельстве №1670770 можно дистанционно регулировать чувствительность зарядочувствительного усилителя в широком динамическом диапазоне, сохраняя полосу пропускания как в области высоких, так и низких частот.

Недостатки приведенного устройства:

1. Низкая устойчивость ЗЧУ (склонность к возбуждению) при большем диапазоне регулирования.

2. Невозможно независимо изменять чувствительность и полосу пропускания устройства как в области высоких, так и низких частот в процессе работы или при адаптации ЗЧУ к конкретному объекту.

Причины неустойчивости прототипа.

Рассмотрим причины снижения устойчивости прототипа, описанного в авторском свидетельстве №1670770.

В цепи обратной связи, охватывающей операционный усилитель DA1 по неинвертирующему входу, последовательно включены: умножающий цифроаналоговый преобразователь, операционный усилитель DA2 и операционный усилитель DA3 (Фиг.2). Каждый операционный усилитель имеет одну постоянную времени (при условии использования полностью скорректированных операционных усилителей), кроме того умножающий цифроаналоговый преобразователь представляет собой систему с распределенными параметрами. При прохождении сигнала через 3 операционных усилителя и умножающий цифроаналоговый преобразователь возникает значительный фазовый сдвиг, определяемый частотными свойствами операционных усилителей и умножающего цифроаналогового преобразователя.

где:

f_B1 - верхняя граничная частота операционного усилителя DA1,

f_B2 - верхняя граничная частота операционного усилителя DA1,

f_B3 - верхняя граничная частота операционного усилителя DA1,

f_BYi - верхняя граничная частота умножающего цифроаналогового преобразователя.

n - число разрядов умножающего цифроаналогового преобразователя.

Следовательно, зарядочуствительный усилитель представляет собой систему 4 порядка, охваченную глубокой отрицательной обратной связью, в которой легко выполняется условие баланса фаз, т.е. склонную к самовозбуждению.

Выбором частот среза операционных усилителей можно добиться устойчивости системы с обратной связью. В процессе регулировки чувствительности зарядочуствительного усилителя будет изменяться коэффициент передачи умножающего цифроаналогового преобразователя с одновременным изменением и f_BYi (система с распределенными параметрами), т.е. будет изменяться фазовый сдвиг в цепи обратной связи и, следовательно, система будет становиться неустойчивой.

Следует также отметить, что современные умножающие цифроаналоговые преобразователи имеют крайне низкую полосу пропускания в области высоких частот. Величина верхней граничной частоты составляет несколько килогерц. На практике полоса пропускания у современных зарядочувствительных усилителей может достигать сотни килогерц.

Регулировка полосы пропускания.

Как показано в описании прототипа полоса пропускания в области высоких и низких частот остается неизменной в процессе регулировки чувствительности. Такая регулировка является вполне приемлемой на хорошо изученных объектах. В ряде случаев при адаптации аппаратуры к объекту необходимо подавить помехи, лежащие вне спектра измеряемого сигнала. Изменение полосы пропускания аппаратуры возможно в прототипе только на этапе изготовления аппаратуры и только в области низких частот путем изменения номиналов резисторов в цепи обратной связи зарядочувствительного усилителя. Регулировка полосы пропускания в области высоких частот вообще не производится.

Пути решения поставленных задач

Регулировку полосы пропускания в области низких частот можно осуществить, регулируя по отдельности величину резистора в цепи обратной связи при независимой регулировке чувствительности, как в прототипе (фиг.3а).

В схему добавлены дополнительный умножающий аналого-цифровой преобразователь DD2 со своей цепью управления и операционным усилителем DA4 и инвертор на операционном усилителе DA5. Эта часть схемы полностью идентична описанной в прототипе. Зарядочувствительный усилитель отличается от прототипа тем, что величина емкости в цепях обратной связи и резисторов обратной связи могут регулироваться независимо друг от друга, причем резистор первой параллельной RC-цепи включается между инвертирующим входом операционного усилителя и входом первого инвертора, емкость первой параллельной RC-цепи подключена ко входу дополнительного инвертора, а резистор второй параллельной RC-цепи подключен между неинвертирующим входом операционного усилителя и выходом инвертора, емкость второй параллельной RC-цепи подключена между неинвертирующим входом операционного усилителя и выходом дополнительного инвертора.

На фиг.3б приведена амплитудно-частотная характеристика зарядочувствительного усилителя с регулировкой частотной характеристики в области низких частот.

На фиг.3в приведена амплитудно-частотная характеристика зарядочувствительного усилителя с регулировкой чувствительности и с неизменной полосой пропускания в области низких частот.

Регулировка полосы пропускания в области высоких частот.

Необходимость регулировки полосы пропускания в ЗЧУ вызвана тем, что часто полезный сигнал располагается в относительно низкочастотной области, а излишняя полоса пропускания самого усилителя приводит или к перегрузкам или к потере динамического диапазона полезного сигнала. Полоса пропускания ЗЧУ в области ВЧ определяется частотными свойствами используемого операционного усилителя (его площадью усиления). Введение корректирующих элементов в операционный усилитель позволяет уменьшить полосу пропускания, но при этом существенно уменьшается скорость нарастания, и следовательно, полоса пропускания в режиме работы с большим сигналом, что не допустимо.

На фиг.4 представлена схема ЗЧУ с регулируемой полосой пропускания в области ВЧ. На схеме приняты следующие обозначения:

7 - блок, состоящий из высокоомного резистора, включенного на вход усилителя 1 через разделительную цепь 6 на входе ЗЧУ.

8 - блок, включенный параллельно блоку 7 и состоящий из последовательных цепочек, состоящих из коммутируемых ключами резисторовов.

1 - ОУ - операционный усилитель типа TL062 или К544УД1(2) с пренебрежимо малыми паразитными параметрами и площадью усиления более 10 МГц и с достаточно большим коэффициентом усиления и высокой скоростью нарастания сигнала на выходе.

3 - цепь обратной связи, состоящая из резистора цепи параллельной отрицательной обратной связи (ООС) по напряжению, обеспечивающий стабильность рабочей точки ОУ и совместно с емкостью, включенной параллельно этому резистору, полосу пропускания в области низких частот (f_H=1/(2πR_ocC_oc)). Величина R_oc не оказывает влияние на полосу пропускания в области ВЧ, где

С_ос - емкость в цепи ООС ОУ. Величина этой емкости определяет коэффициент передачи ЗЧУ. U_вых=(U_вх*С_д)/С_ос.

Здесь - U_вх - эквивалент входного сигнала, равный произведению чувствительности датчика на величину приложенного напряжения и деленного на емкость датчика С_д (на схеме не показан).

На фиг.5 представлена амплитудно-частотная характеристика ЗЧУ в предположении, что величина ограничительных резисторов равна нулю. Как видно из чертеже полоса пропускания в области высоких частот равна 500 килогерцам по уровню - 3 дБ. В эту полосу неминуемо попадает собственная резонансная частота пьезодатчика, на которой коэффициент преобразования выше на 15-30 дБ, чем на более низких частотах, что приведет или к перегрузке, или к потере динамического диапазона полезного сигнала.

Рассмотрим влияние ограничительных резисторов на полосу пропускания в области ВЧ. Для этого представим, что на входе включены блок 7 (1 МОм), и блок 8 (10 кОм) и с помощью электронного ключа будем их коммутировать. Вначале ключ Кл разомкнут. Его сопротивление стремится к бесконечности и следовательно на вход ЗЧУ включен только резистор блока 7. На фиг.6 представлена АЧХ ЗЧУ с максимальным значением ограничительного резистора. При этом полоса пропускания ЗЧУ в области высоких частот будет определяться постоянной времени τ_вч1=R1(С_д+С_каб) или τ_вч2=R1(С_д+С_каб), где С_каб - емкость соединительного кабеля. В случае если предусилитель встроен в датчик, соединительный кабель отсутствует и С_каб - равна нулю (на схеме не показана).

Как видно из фиг.6 полоса пропускания по уровню - 3 дБ менее 100 Гц. Емкость датчика совместно с ограничительным резистором представляют собой фильтр низких частот с f_в=1/(2πR1С_д).

На фиг.7 представлена АЧХ ЗЧУ в случае когда ключ Кл замкнут (его сопротивление много меньше, чем резистора, входящего в блок 8). В этом случае ко входу ЗЧУ подключены резисторы блока 7 и блока 8, включенные параллельно. Так как резистор блока 8 много меньше, чем резистор блока 7, то их общее сопротивление будет меньше меньшего. Полоса пропускания по уровню - 3 дБ составляет в этом случае 10 килогерц.

На фиг.8 представлена АЧХ ЗЧУ в случае когда величина ограничительного резистора блока 8 изменялась от 10 кОм до 1 МОм с шагом 100 кОм. Полоса пропускания соответственно изменялась от 100 Гц до 10 кГц с равномерньм шагом.

Как видно из полученных выше характеристик, что в зарядочувствительном усилителе можно осуществить регулировку электронньми методами чувствительности и полосы пропускания как в области высоких, так и низких частот.

Описание разработанного устройства

Как видно из рассмотренного выше, единственной проблемой остается низкая устойчивость зарядочувствительного усилителя при регулировке чувствительности. Проблему можно решить кардинально с помощью современных электронных коммутаторов, переключая элементы цепи обратной связи С_ос и R_oc с помощью аналоговых электронных коммутаторов типа К590КН5 или аналогичных ему CD4066BC. Такие коммутаторы имеют достаточно высокое сопротивление изоляции между сигнальной и управляющей цепями (более 10¹² Ом), сопротивление в открытом состоянии менее 100 Ом и сопротивление в закрытом состоянии порядка сотен мегаом. Используя специальные схемные решения, можно избавиться от влияния проходных емкостей электронных коммутаторов.

Для этого в измерителе электрических зарядов, содержащем входной операционный усилитель, первую и вторую параллельные RC-цепи и инвертор, вход которого соединен с выходом входного операционного усилителя, при этом первая параллельная RC-цепь включена между инвертирующим входом входного операционного усилителя и входом инвертора, а вторая параллельная RC-цепь - между неинвертирующим входом входного операционного усилителя и выходом инвертора, при этом выход входного операционного усилителя является выходом измерителя электрических зарядов, параллельно соответственно первой и второй параллельным RC-цепям подключены во входной цепи входного операционного усилителя через разделительные конденсаторы, а на выходе гальванически, две группы из k цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого электронного ключа, конденсатора и второго электронного ключа, причем к выводу конденсатора, который соединен с вторым электронньм ключом, подключен резистор, соединенный с землей.

А также параллельно соответственно первой и второй паралльным RC-цепям подключены во входной цепи входного операционного усилителя через упомянутые разделительные конденсаторы, а на выходе гальванически, две группы из m цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого электронного ключа, резистора и второго электронного ключа, причем к выводу резистора, который соединен с вторым электронньм ключом, подключен резистор, соединенный с землей.

При этом дополнительно между выходами датчика и входной цепью входного операционного усилителя подключены через упомянутые разделительные конденсаторы две группы из n цепочек, переключаемых одновременно и каждая из которых состоит из последовательно соединенных электронного ключа и резистора.

На фиг.9 представлена упрощенная схема зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ).

ЗЧУ выполнен на операционном усилителе (ОУ) 1 с высоким входньм сопротивлением (например типа TL062C) с параллельной обратной связью на RC-цепи 3, определяющей самую высокую чувствительность по заряду. Параллельно этой цепи по переменному току подключены k цепочек 5, позволяющие изменять чувствительность по заряду в требуемое число раз и состоящие из последовательно соединенных первого электронного ключа К4, конденсатора Ck и второго электронного ключа К5, причем к выводу конденсатора Ck, который соединен с вторым электронным ключом К5, подключен резистор R, соединенный с землей, служащий для устранения связи с выхода ОУ1 через разомкнутый второй электронный ключ К5. Также параллельно RC-цепи 3 включены m цепочек 4, позволяющие изменять нижнюю граничную частоту и состоящие из последовательно соединенных первого электронного ключа К2, резистора Rm и второго электронного ключа К3, причем к выводу резистора Rm, который соединен с вторым электронным ключом К3, подключен резистор R, соединенный с землей. Когда электронные ключи К2, КЗ, К4 и К5 разомкнуты, то дополнительные цепочки не оказывают никакого влияния на работу ЗЧУ.

Дополнительно между выходами датчика измерителя электрических зарядов и входной цепью входного ОУ1 подключены через разделительные конденсаторы Ср 6 группа из n цепочек 8, переключаемых одновременно и каждая из которых состоит из последовательно соединенных электронного ключа К1 и резистора Rn.

При замыкании или размыкании ключей цепочек 4 и 5 могут быть получены различные значения постоянной времени, то есть разные полосы пропускания в области низких частот.

С помощью ключа К1 цепочки 8 изменяется величина резистора 7, включенного на входе ЗЧУ между датчиком и входной цепью ОУ1, то есть как было показано выше происходит регулировка полосы пропускания в области высоких частот.

На фиг.10 показан симметричный ЗЧУ, в котором усилитель ОУ1 с симметричным дифференциальным входом охвачен двумя цепями отрицательной обратной связи, вторая из которых содержит последовательно соединенные инвертор 2 (ОУ 2) и параллельную RC-цепь 3. Аналогично ЗЧУ на фиг.9 включены вторые группы k цепочек 5, m цепочек 4 и n цепочек 8.

Все цепи, содержащие ключи и коммутируемые ими элементы, подключены ко входной цепи ОУ1 через разделительную цепь Ср 6, что позволяет полностью исключить влияние этих цепей на стабильность нулевого уровня ЗЧУ. Емкость конденсатора Ср 6 выбирается гораздо больше чем емкость используемого датчика.

Таким образом, использование отдельных электронных ключей, имеющих диапазон рабочих частот выше, чем используемые операционные усилители, для коммутации резисторов и конденсаторов в цепи обратной связи и на входе зарядочувствительного усилителя позволяет регулировать не только чувствительность, как в прототипе, но и полосу пропускания в области высоких и низких частот.

1. Измеритель электрических зарядов, содержащий входной операционный усилитель, первую и вторую параллельные RC-цепи и инвертор, вход которого соединен с выходом входного операционного усилителя, при этом первая параллельная RC-цепь включена между инвертирующим входом входного операционного усилителя и входом инвертора, а вторая параллельная RC-цепь - между неинвертирующим входом входного операционного усилителя и выходом инвертора, при этом выход входного операционного усилителя является выходом измерителя электрических зарядов, отличающийся тем, что параллельно соответственно первой и второй параллельным RC-цепям подключены во входной цепи входного операционного усилителя через разделительные конденсаторы, а на выходе гальванически, две группы из k цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого электронного ключа, конденсатора и второго электронного ключа, причем к выводу конденсатора, который соединен с вторым электронным ключом, подключен резистор, соединенный с землей.

2. Измеритель электрических зарядов по п.1, отличающийся тем, что параллельно соответственно первой и второй паралльным RC-цепям подключены во входной цепи входного операционного усилителя через упомянутые разделительные конденсаторы, а на выходе гальванически, две группы из m цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первого электронного ключа, резистора и второго электронного ключа, причем к выводу резистора, который соединен с вторым электронным ключом, подключен резистор, соединенный с землей.

3. Измеритель электрических зарядов по п.1, отличающийся тем, что между выходами датчика и входной цепью входного операционного усилителя подключены через упомянутые разделительные конденсаторы две группы из n цепочек, переключаемых одновременно, и каждая из которых состоит из последовательно соединенных электронного ключа и резистора.