RU2170939C2

RU2170939C2 - Method of capacitance to frequency conversion

Info

Publication number: RU2170939C2
Application number: RU99118831A
Authority: RU
Inventors: С.В. Елягин
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2001-07-20

Abstract

FIELD: conversion equipment. SUBSTANCE: invention refers to conversion units of capacitive pickups of information take-off and can be used to construct various instruments. Method is based of employment of processes occurring in RCL circuit under periodic action of rectangular voltage pulses which are formed from constant voltage by alternation of interval of its commutation to RCL circuit and of intervals of processing of current of transition process in RCL circuit which includes pickup with converted capacitance C. In processing current of transition process is integrated and constant component is extracted from it. Commutation frequency is set such that zero increment of constant component of integrated current is provided. EFFECT: high sensitivity of conversion as integrated processing of current of transition period is conducted as a result of which accumulation of conversion errors of each processing interval takes place. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к преобразующим устройствам емкостных датчиков съема информации, и может использоваться для построения различных измерительных устройств. The invention relates to the field of instrumentation, in particular to converting devices of capacitive sensors for information retrieval, and can be used to build various measuring devices.

Известен способ преобразования емкости в частоту, основанный на изменении частоты генерации автоколебательной системы при включении в нее преобразуемой емкости [См. а.с. N 913280 СССР, МКИ G 01 R 27/26, 1982, Бюл. N 10] . A known method of converting capacitance to frequency, based on a change in the frequency of generation of a self-oscillating system when a convertible capacitance is included in it [See A.S. N 913280 USSR, MKI G 01 R 27/26, 1982, Bull. N 10].

Недостатками описанного аналога, снижающими чувствительность преобразования, являются собственный дрейф частоты генерации автоколебательной системы и конечное значение добротности этой системы. The disadvantages of the described analogue that reduce the sensitivity of the conversion are their own drift of the frequency of generation of the self-oscillating system and the final value of the quality factor of this system.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ преобразования RCL-параметров в частоту, основанный на использовании процессов в RCL-цепи при периодическом воздействии и интегрировании указанных процессов [См. а.с. N 375585 СССР, МКИ G 01 R 27/26, 1973, Бюл. N 16]. The closest in technical essence to the claimed invention is a method of converting RCL parameters to frequency, selected as a prototype, based on the use of processes in an RCL circuit with periodic exposure and integration of these processes [See A.S. N 375585 USSR, MKI G 01 R 27/26, 1973, Bull. N 16].

Недостатком описанного аналога является то, что частота преобразования формируется на основе сравнения проинтегрированного напряжения переходного процесса с порогом, то есть по единственному отсчету. Таким образом, чувствительность преобразования определяется чувствительностью элемента, выполняющего указанное сравнение, и принципиально ограничена его параметрами и воздействием внешних дестабилизирующих факторов, приводящих к изменению значения порога. The disadvantage of the described analogue is that the conversion frequency is formed based on a comparison of the integrated transient voltage with a threshold, that is, on a single count. Thus, the sensitivity of the transformation is determined by the sensitivity of the element performing the specified comparison, and is fundamentally limited by its parameters and the influence of external destabilizing factors leading to a change in the threshold value.

Техническая задача изобретения заключается в повышении чувствительности преобразования емкости в частоту. The technical task of the invention is to increase the sensitivity of the conversion of capacitance to frequency.

Поставленная техническая задача решена изобретением. Как и в прототипе, в соответствии с предлагаемым способом используют процессы в RCL-цепи при периодическом воздействии и интегрирование указанных процессов. В отличие от прототипа, на RCL-цепь производят периодическое воздействие прямоугольными импульсами напряжения, которые формируют из постоянного напряжения путем чередования интервалов его коммутации на RCL-цепь и интервалов обработки тока переходного процесса RCL-цепи, в интервалах обработки ток переходного процесса интегрируют, а затем выделяют из него постоянную составляющую, которую используют при управлении частотой коммутации, до получения нулевого приращения постоянной составляющей проинтегрированного тока за интервалы коммутации и обработки, полученную таким образом частоту коммутации противопоставляют преобразуемой емкости. The technical problem is solved by the invention. As in the prototype, in accordance with the proposed method using processes in the RCL-circuit with periodic exposure and integration of these processes. Unlike the prototype, the RCL circuit is periodically exposed to rectangular voltage pulses, which are formed from a constant voltage by alternating the intervals of its switching on the RCL circuit and the processing intervals of the transient current of the RCL circuit, integrate the transient current in the processing intervals, and then isolate a constant component from it, which is used to control the switching frequency, until the constant component of the integrated current increases in zero for the switching intervals and processing and thus obtained switching frequency converted contrast container.

На чертеже изображена эквивалентная схема, описывающая способ преобразования емкости в частоту. The drawing shows an equivalent circuit describing a method of converting capacitance to frequency.

Способ осуществляется следующим образом: в интервале коммутации от 0 до Т производят коммутацию постоянного напряжения на RCL-цепь, а в интервале обработки от Т до 2Т осуществляют интегрирование тока переходного процесса RCL-цепи. Ток переходного процесса на интервале обработки меняет свой знак, следовательно, его можно представить в виде положительного и отрицательного импульсов, следующих друг за другом. Данный вид тока переходного процесса обусловлен тем, что емкостной датчик с преобразуемой емкостью C включен в последовательную RL-цепь параллельно элементу с параметром R, что известно из [Конторович М.И. Операционное исчисление и процессы в электрических цепях. Изд-е 4-е - М.: Советское радио, 1975, 320 с., с. 22, рис. 3.2]. Интеграл сигнала указанной формы в момент времени 2Т равен сумме площадей положительного и отрицательного импульсов тока. Эта сумма площадей представляет собой ошибку преобразования емкости в частоту. Интегрирование тока переходного процесса каждого последующего интервала обработки приводит к накоплению ошибок преобразования, что отражается в линейном изменении постоянной составляющей проинтегрированного тока. В зависимости от соотношения площадей положительного и отрицательного импульсов тока ошибка преобразования будет положительной, отрицательной или равной нулю. Таким образом, постоянная составляющая проинтегрированного тока будет положительной линейно возрастающей, отрицательной линейно спадающей или равномерной соответственно. Для получения частоты коммутации, соответствующей преобразуемой емкости, выделяют постоянную составляющую проинтегрированного тока, которую используют при управлении частотой коммутации, чтобы получить нулевое приращение постоянной составляющей за время t от 0 до 2Т. Полученную таким образом частоту коммутации противопоставляют преобразуемой емкости. The method is as follows: in the switching interval from 0 to T, DC voltage is switched to the RCL circuit, and in the processing interval from T to 2T, the transient current of the RCL circuit is integrated. The transient current on the processing interval changes its sign, therefore, it can be represented in the form of positive and negative pulses following each other. This type of transient current is due to the fact that a capacitive sensor with a convertible capacitance C is included in the serial RL circuit parallel to the element with parameter R, which is known from [Kontorovich M.I. Operational calculus and processes in electrical circuits. Publishing house 4th - M.: Soviet Radio, 1975, 320 p., P. 22, fig. 3.2]. The signal integral of this form at time 2T is equal to the sum of the areas of positive and negative current pulses. This sum of the areas represents the error of converting capacitance to frequency. Integration of the transient current of each subsequent processing interval leads to the accumulation of conversion errors, which is reflected in the linear change in the constant component of the integrated current. Depending on the ratio of the areas of positive and negative current pulses, the conversion error will be positive, negative, or equal to zero. Thus, the constant component of the integrated current will be positive linearly increasing, negative linearly decreasing or uniform, respectively. To obtain the switching frequency corresponding to the converted capacitance, a constant component of the integrated current is isolated, which is used to control the switching frequency in order to obtain a zero increment of the DC component for a time t from 0 to 2T. The switching frequency obtained in this way is opposed to the converted capacitance.

Выражение установившегося тока переходного процесса в интервале обработки в замкнутой форме при воздействии периодических прямоугольных импульсов напряжения на RCL-цепь имеет вид

E1 - амплитуда импульсов;
p1, p2 - корни характеристического уравнения

R, C, L - параметры RCL-цепи;
C - преобразуемая емкость;
Т - интервал обработки;
t - текущее время, которое меняется от Т до 2Т.The expression of the steady-state transient current in the processing interval in a closed form when exposed to periodic rectangular voltage pulses on the RCL circuit has the form

E1 is the amplitude of the pulses;
p1, p2 are the roots of the characteristic equation

R, C, L - parameters of the RCL circuit;
C is the convertible capacity;
T is the processing interval;
t is the current time, which varies from T to 2T.

Уравнение (1) получено на основании использования преобразования Лапласа. Проинтегрируем уравнение (1) в интервале от Т до 2Т. После преобразования получим уравнение, связывающее преобразуемую емкость с интервалом обработки, а следовательно, и частотой коммутации, равной 1/2Т. Equation (1) is obtained using the Laplace transform. We integrate equation (1) in the range from T to 2T. After the conversion, we obtain an equation relating the converted capacity with the processing interval, and hence the switching frequency equal to 1 / 2T.

Таким образом, периодическое импульсное воздействие прямоугольными импульсами напряжения на RCL-цепь с преобразуемой емкостью C и интегрирование тока переходного процесса обеспечивают высокую чувствительность преобразования емкости в частоту, вследствие накопления ошибки преобразования, обусловленной неравенством площадей положительного и отрицательного импульсов тока на интервале обработки. Причем преобразуемой емкости соответствует частота коммутации, при которой постоянная составляющая проинтегрированного тока имеет нулевое приращение за интервалы коммутации и обработки.

Thus, the periodic pulsed action of rectangular voltage pulses on an RCL circuit with a converted capacitance C and the integration of the transient current provide high sensitivity for converting the capacitance to frequency, due to the accumulation of the conversion error due to the inequality of the areas of the positive and negative current pulses in the processing interval. Moreover, the converted capacitance corresponds to the switching frequency at which the constant component of the integrated current has a zero increment for the switching and processing intervals.

Заявляемый способ возможно реализовать в устройстве на базе выпускаемых отечественной промышленностью радиоэлектронных элементов. В частности, интегрирование тока переходного процесса легко осуществить интегратором, построенным на операционном усилителе [П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Мир, 1993. - 413 с. С.237]. Интервалы коммутации и обработки могут быть сформированы путем использования двух аналоговых ключей [П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Мир, 1993. - 413 с. С. 149], у которых первые выводы соединяют и подключают к RCL-цепи. При этом второй вывод первого ключа подключают к источнику постоянного напряжения, а второй вывод второго ключа подключают к входу интегратора. Управляющие выводы аналоговых ключей подключают к противофазным выходам перестраиваемого генератора частоты коммутации. Постоянная составляющая выделяется фильтром низкой частоты и по ее знаку и изменению во времени производят перестройку генератора частоты коммутации. The inventive method can be implemented in a device based on manufactured by the domestic industry of electronic components. In particular, integration of the transient current is easy to carry out by an integrator built on an operational amplifier [P. Horowitz, W. Hill. The art of circuitry: In 3 volumes: T. 1. Per. from English - 4th ed. reslave. and add. - M .: Mir, 1993 .-- 413 p. P.237]. Switching and processing intervals can be formed by using two analog keys [P. Horowitz, W. Hill. The art of circuitry: In 3 volumes: T. 1. Per. from English - 4th ed. reslave. and add. - M .: Mir, 1993 .-- 413 p. P. 149], in which the first conclusions are connected and connected to the RCL circuit. In this case, the second output of the first key is connected to a constant voltage source, and the second output of the second key is connected to the input of the integrator. The control outputs of the analog switches are connected to the antiphase outputs of the tunable switching frequency generator. The constant component is distinguished by a low-pass filter and, according to its sign and change in time, the switching frequency generator is tuned.

Claims

A method of converting capacitance to frequency, based on the use of processes in an RCL circuit during periodic exposure and integration of these processes, characterized in that the RCL circuit is periodically exposed to rectangular voltage pulses, which are formed from a constant voltage by alternating the intervals of its switching to RCL- the circuit and the processing intervals of the transient current of the RCL circuit, which changes its sign at the switching and processing intervals, in the processing intervals the transient current integ iruyut and then separated therefrom a DC component, which is used in switching frequency control to produce a zero DC component embroadening current for the integrated switching and processing intervals thus obtained corresponds to the switching frequency converted capacitance C.