RU2182338C1

RU2182338C1 - Capacitance-to-time interval converter

Info

Publication number: RU2182338C1
Application number: RU2000132400A
Authority: RU
Inventors: С.В. Елягин
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-05-10

Abstract

FIELD: instrumentation, specifically, converting devices of capacitive pickups of information collection. SUBSTANCE: in proposed converter positive and negative leads-out of direct voltage source are connected via third and fourth keys correspondingly to second lead of first key which first lead is linked to measurement two-terminal network incorporating induction coil and shunting resistor connected in series, measured capacitor being connected in parallel to shunting resistor. Integrator and comparator with hysteresis which opposite phase outputs are connected to controlling inputs of third and fourth keys are connected in series to measurement two-terminal network via second key. Successive commutation of first and second keys is provided by generator with opposite phase outputs. Time interval in which voltage across opposite phase outputs of comparator remains invariable corresponds to capacitance of measured capacitor. EFFECT: increased sensitivity of conversion of small capacitance thanks to accumulation by voltage integrator of conversion error and to its comparison with threshold value in comparator with hysteresis. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к преобразующим устройствам емкостных датчиков съема информации, и может использоваться для построения 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 measuring devices.

Известен преобразователь емкости в интервал времени, содержащий источник постоянного напряжения, генератор, первый ключ, измеряемый конденсатор, включенный посредством зажима в измерительный двухполюсник, содержащий катушку индуктивности [см. а.с. СССР 1195291, МКИ G 01 R 27/26, 1985, БИ 44]. A known converter of the capacitance in the time interval containing a constant voltage source, a generator, a first switch, a measured capacitor included by clamping in a measuring two-terminal device containing an inductor [see A.S. USSR 1195291, MKI G 01 R 27/26, 1985, BI 44].

Недостатком описанного аналога, снижающим чувствительность преобразования малой емкости измеряемого конденсатора является то, что измерительный двухполюсник содержит емкостные элементы, которые частично шунтируют емкость измеряемого конденсатора. The disadvantage of the described analogue, which reduces the sensitivity of the conversion of the small capacitance of the measured capacitor, is that the measuring two-terminal device contains capacitive elements that partially shunt the capacitance of the measured capacitor.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа преобразователь емкости в интервал времени, содержащий источник постоянного напряжения, генератор, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго ключей, первые выводы которых подключены к измерительному двухполюснику, который состоит из последовательно соединенных катушки индуктивности и шунтирующего резистора, параллельно которому через зажим подключен измеряемый конденсатор, второй вывод второго ключа соединен с входом интегратора [см. патент РФ 2153176, МКИ G 01 R 27/26, 2000, БИ 20 (II ч.)]. The closest in technical essence to the claimed invention is the selected as a prototype capacitance converter in the time interval containing a constant voltage source, a generator, the out-of-phase outputs of which are connected to the control inputs of the first and second keys, the first conclusions of which are connected to the measuring two-terminal device, which consists of a series connected inductance coils and a shunt resistor, parallel to which a measured capacitor is connected through a clamp, the second output q the second key is connected to the input of the integrator [see RF patent 2153176, MKI G 01 R 27/26, 2000, BI 20 (II hours)].

Недостатком прототипа является то, что в нем производится обработка тока переходного процесса в течение времени коммутации первого и второго ключей, которое тем меньше, чем меньше емкость измеряемого конденсатора. Поэтому необходимо иметь быстродействующие ключи и интегратор, что приводит к снижению чувствительности преобразования в силу задержек коммутации ключей и неидеальности процесса интегрирования. The disadvantage of the prototype is that it transient current is processed during the switching time of the first and second switches, which is the smaller, the smaller the capacitance of the measured capacitor. Therefore, it is necessary to have high-speed keys and an integrator, which leads to a decrease in the sensitivity of the conversion due to delays in switching keys and imperfect integration process.

Техническая задача изобретения заключается в повышении чувствительности преобразования малой емкости в интервал времени. The technical task of the invention is to increase the sensitivity of the conversion of small capacity in the time interval.

Поставленная техническая задача решена изобретением. Предлагаемый преобразователь содержит источник постоянного напряжения, генератор, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго ключей, первые выводы которых подключены к измерительному двухполюснику, который состоит из последовательно соединенных катушки индуктивности и шунтирующего резистора, параллельно которому через зажим подключен измеряемый конденсатор, второй вывод второго ключа соединен с входом интегратора. В отличие от прототипа в преобразователе выход интегратора подключен к входу компаратора с гистерезисом, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами третьего и четвертого ключей, первые выводы которых подключены к второму выводу первого ключа, а вторые выводы третьего и четвертого ключей подключены соответственно к положительному и отрицательному выходам источника постоянного напряжения. The technical problem is solved by the invention. The proposed converter contains a DC voltage source, a generator, the out-of-phase outputs of which are connected to the control inputs of the first and second switches, the first terminals of which are connected to a measuring two-terminal device, which consists of a series-connected inductor and a shunt resistor, in parallel with which a measured capacitor is connected through a clamp, and a second output the second key is connected to the input of the integrator. Unlike the prototype in the converter, the integrator output is connected to the input of the comparator with hysteresis, the antiphase outputs of which are connected to the control inputs of the third and fourth keys, the first outputs of which are connected to the second output of the first key, and the second outputs of the third and fourth keys are connected to positive and negative, respectively outputs of a constant voltage source.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема преобразователя емкости в интервал времени. The invention is illustrated by the drawing, which shows a functional diagram of a capacitance converter in a time interval.

Преобразователь емкости в интервал времени, содержащий источник постоянного напряжения 1, генератор 2, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами первого 3 и второго 4 ключей, первые выводы которых подключены к измерительному двухполюснику 5, который состоит из последовательно соединенных катушки индуктивности 6 и шунтирующего резистора 7, параллельно которому через зажим 8 подключен измеряемый конденсатор 9, второй вывод второго ключа соединен с входом интегратора 10, выход которого подключен к входу компаратора с гистерезисом 11, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами третьего 12 и четвертого 13 ключей, первые выводы которых подключены к второму выводу первого ключа 3, а вторые выводы третьего 12 и четвертого 13 ключей подключены соответственно к положительному и отрицательному выходам источника постоянного напряжения 1. A capacitance converter in a time interval containing a DC voltage source 1, a generator 2, the antiphase outputs of which are connected to the control inputs of the first 3 and second 4 switches, the first terminals of which are connected to the measuring two-terminal 5, which consists of a series-connected inductor 6 and a shunt resistor 7 parallel to which the measured capacitor 9 is connected through clamp 8, the second output of the second key is connected to the input of the integrator 10, the output of which is connected to the input of the comparator with erezisom 11 antiphase outputs are connected to the control inputs of the third 12 and fourth 13 keys, first terminals of which are connected to the second terminal of the first switch 3 and the second terminals 12 of the third and fourth keys 13 are connected respectively to the positive and negative output DC voltage source 1.

Устройство работает следующим образом. Пусть напряжение на противофазных выходах компаратора с гистерезисом 11 таково, что третий ключ 12 замкнут, а четвертый ключ 13 разомкнут. Тогда на второй вывод первого ключа 3 поступает напряжение с положительного выхода источника постоянного напряжения 1. Генератор 2 вырабатывает управляющие сигналы, которые попеременно с равным временем коммутации переключают первый 3 и второй 4 ключи. Таким образом, на измерительный двухполюсник 5 поступают положительные периодические прямоугольные импульсы напряжения, формируемые из источника постоянного напряжения 1. В результате этого в точке соединения первого 3 и второго 4 ключей возникает переходной процесс. В течение времени коммутации, когда замкнут второй ключ 4, на вход интегратора 10 поступает ток переходного процесса, а в течение времени коммутации, когда второй ключ разомкнут 4, ток на входе интегратора 10 равен нулю. Ток переходного процесса определяется параметрами измерительного двухполюсника 5 и емкостью измеряемого конденсатора 9. Причем ток переходного процесса на входе интегратора 10 меняет свой знак. Таким образом, можно выделить два импульса тока переходного процесса различной полярности. Характер изменения напряжения на выходе интегратора 10 во времени определяется соотношением площадей указанных импульсов тока переходного процесса. Так, если эти площади равны, то напряжение на выходе интегратора 10 в момент размыкания второго ключа 4 равно нулю. В противном случае, в момент размыкания второго ключа 4, на выходе интегратора 10 будет присутствовать напряжение ошибки преобразования, равное сумме площадей импульсов тока переходного процесса различной полярности. Напряжение на выходе интегратора 10 сохраняется в течение времени, когда второй ключ 4 разомкнут. Последующее интегрирование приводит к добавке к напряжению ошибки преобразования точно такого же значения, в результате чего происходит накопление напряжения ошибки преобразования. Напряжение ошибки преобразования зависит от соотношения емкости измеряемого конденсатора 9 и времени коммутации первого 3 и второго 4 ключей. Нулевое напряжение ошибки преобразования соответствует оптимальному времени коммутации по отношению к конкретной емкости измеряемого конденсатора 9. Причем чем меньше данная емкость, тем меньше оптимальное время коммутации. Поэтому с помощью генератора 2 устанавливают фиксированное время коммутации, которое больше оптимального времени коммутации, соответствующего наибольшей из возможных емкостей измеряемого конденсатора 9. При таком времени коммутации и положительных периодических прямоугольных импульсах напряжения напряжение ошибки преобразования будет положительным, а его величина определяться значением емкости измеряемого конденсатора 9. Накопление интегратором 10 напряжений ошибок преобразования приводит к тому, что на компаратор с гистерезисом 11 поступает положительное линейно возрастающее напряжение. Как только данное напряжение достигнет напряжения верхнего порога компаратора с гистерезисом 11 напряжение на его противофазных выходах сменится на противоположное; третий ключ разомкнется 12; четвертый ключ 13 замкнется; напряжение верхнего порога компаратора с гистерезисом 11 сменится на напряжение нижнего порога компаратора с гистерезисом 11. В результате этого на измерительный двухполюсник 5 будут поступать отрицательные периодические прямоугольные импульсы напряжения, а напряжение на выходе интегратора 10 начнет уменьшаться за счет накопления отрицательного напряжения ошибки преобразования. Как только напряжение на входе компаратора с гистерезисом 11 достигнет напряжения нижнего порога компаратора с гистерезисом 11, произойдет повторное переключение третьего 12 и четвертого 13 ключей и процесс повторится. Следует отметить, что поскольку скорость нарастания и спада напряжения на входе компаратора с гистерезисом 11 одинаковая, то смена напряжения на его выходах будет происходить через равные интервалы времени. Таким образом, формируется интервал времени, который соответствует емкости измеряемого конденсатора 9. Временным выходом преобразователя является любой из выходов компаратора с гистерезисом 11. При изменении емкости измеряемого конденсатора 9 изменяется и величина напряжения ошибки преобразования и, как следствие, интервал времени, в течение которого напряжение на входе компаратора с гистерезисом 11 изменяется от одного напряжения порога компаратора с гистерезисом 11 до другого. The device operates as follows. Let the voltage at the antiphase outputs of the comparator with hysteresis 11 be such that the third switch 12 is closed and the fourth switch 13 is open. Then, the voltage from the positive output of the constant voltage source 1 is supplied to the second output of the first switch 3. Generator 2 generates control signals that alternately switch the first 3 and second 4 switches alternately with the same switching time. Thus, positive periodic rectangular voltage pulses generated from a constant voltage source 1 are supplied to the measuring two-terminal 5. As a result, a transition process occurs at the junction point of the first 3 and second 4 switches. During the switching time, when the second switch 4 is closed, the transient current is supplied to the input of the integrator 10, and during the switching time, when the second switch is open 4, the current at the input of the integrator 10 is zero. The transient current is determined by the parameters of the measuring two-terminal 5 and the capacitance of the measured capacitor 9. Moreover, the transient current at the input of the integrator 10 changes its sign. Thus, two transient current pulses of different polarity can be distinguished. The nature of the voltage change at the output of the integrator 10 in time is determined by the ratio of the areas of the indicated transient current pulses. So, if these areas are equal, then the voltage at the output of the integrator 10 at the time of opening of the second switch 4 is zero. Otherwise, at the moment of opening of the second switch 4, the output of the integrator 10 will have a conversion error voltage equal to the sum of the areas of the transient current pulses of different polarity. The voltage at the output of the integrator 10 is maintained during the time when the second switch 4 is open. Subsequent integration leads to the addition to the voltage of the conversion error of exactly the same value, resulting in the accumulation of voltage of the conversion error. The voltage of the conversion error depends on the ratio of the capacitance of the measured capacitor 9 and the switching time of the first 3 and second 4 keys. The zero voltage of the conversion error corresponds to the optimal switching time with respect to the specific capacitance of the measured capacitor 9. Moreover, the smaller this capacity, the shorter the optimal switching time. Therefore, using a generator 2, a fixed switching time is established, which is greater than the optimal switching time corresponding to the largest possible capacitance of the measured capacitor 9. With this switching time and positive periodic rectangular voltage pulses, the conversion error voltage will be positive, and its value will be determined by the value of the capacitance of the measured capacitor 9 The accumulation by the integrator of 10 voltage conversion errors leads to the fact that the comparator with hysteresis 1 1 positive linearly increasing voltage is applied. As soon as this voltage reaches the voltage of the upper threshold of the comparator with hysteresis 11, the voltage at its antiphase outputs will be reversed; the third key will open 12; the fourth key 13 is closed; the voltage of the upper threshold of the comparator with hysteresis 11 will change to the voltage of the lower threshold of the comparator with hysteresis 11. As a result, negative periodic rectangular voltage pulses will arrive at the measuring two-terminal 5, and the voltage at the output of the integrator 10 will begin to decrease due to the accumulation of negative voltage of the conversion error. As soon as the voltage at the input of the comparator with hysteresis 11 reaches the voltage of the lower threshold of the comparator with hysteresis 11, the third 12 and fourth 13 switches will switch again and the process will be repeated. It should be noted that since the rate of rise and fall of the voltage at the input of the comparator with hysteresis 11 is the same, a change in voltage at its outputs will occur at equal time intervals. Thus, a time interval is formed that corresponds to the capacitance of the measured capacitor 9. The temporary output of the converter is any of the outputs of the comparator with a hysteresis 11. When the capacitance of the measured capacitor 9 changes, the value of the conversion error voltage and, as a result, the time interval during which the voltage at the input of the comparator with hysteresis 11 varies from one voltage threshold of the comparator with hysteresis 11 to another.

Обеспечение преобразования малой емкости в интервал времени с повышением чувствительности преобразования стало возможным благодаря тому, что время коммутации больше оптимального времени коммутации, что в свою очередь приводит к возникновению ненулевого напряжения ошибки преобразования, которое накапливается интегратором 10 и сравнивается с напряжением верхнего (нижнего) порога компаратора с гистерезисом 11. По результату сравнения с помощью третьего 12 и четвертого ключей 13, а также источника постоянного напряжения 1 с положительным и отрицательным выходом происходит смена полярности периодических прямоугольных импульсов напряжения. Ensuring the conversion of small capacitance into the time interval with increasing the sensitivity of the conversion was made possible due to the fact that the switching time is longer than the optimal switching time, which in turn leads to the appearance of a non-zero voltage of the conversion error, which is accumulated by the integrator 10 and compared with the voltage of the upper (lower) threshold of the comparator with hysteresis 11. According to the result of comparison using the third 12 and fourth switches 13, as well as a constant voltage source 1 with positive and negative output reverses the polarity of periodic rectangular voltage pulses.

Заявляемое изобретение представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволит повысить чувствительность преобразования малой емкости в интервал времени. The claimed invention is of significant interest to the national economy, as it will increase the sensitivity of the conversion of small capacity in the time interval.

Заявляемое решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды и может быть реализовано на базе выпускаемых отечественной промышленностью радиоэлектронных элементов. The claimed solution does not adversely affect the state of the environment and can be implemented on the basis of electronic components manufactured by the domestic industry.

Claims

A capacitance converter in a time interval containing a DC voltage source, a generator whose antiphase outputs are connected to the control inputs of the first and second switches, the first terminals of which are connected to a measuring two-terminal device, which consists of a series-connected inductor and a shunt resistor, in parallel to which a measured capacitor, the second output of the second key is connected to the input of the integrator, characterized in that the output of the integrator is connected to the input of the computer a hysteresis oscillator whose out-of-phase outputs are connected to the control inputs of the third and fourth keys, the first outputs of which are connected to the second output of the first key, and the second outputs of the third and fourth keys are connected to the positive and negative outputs of the DC voltage source, respectively.