SU1756835A1

SU1756835A1 - Цифровой измеритель отношений электрических емкостей

Info

Publication number: SU1756835A1
Application number: SU904848228A
Authority: SU
Inventors: Сергей Леонидович Беседин
Original assignee: Московский Инструментальный Завод "Калибр"
Priority date: 1990-07-03
Filing date: 1990-07-03
Publication date: 1992-08-23

Abstract

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

Description

(Л

С

Изобретение относитс к измерительной технике, а именно к устройствам дл измерени линейных перемещений путем преобразовани электрических емкостей в цифровой код.

Известны устройства, предназначенные дл преобразовани отношени электрических емкостей в напр жение посто нного тока, содержащие рабочий и образцовый конденсаторы, усилитель, синхронный детектор, источник опорного напр жени , два коммутатора и генератор пр моугольного напр жени . Дальнейшее преобразование выходного напр жени в цифровой код можно осуществить с помощью стандартного АЦП.

Известные схемы имеют повышенную погрешность за счет двукратного преобразовани информационного сигнала, имеетс погрешность преобразовани отношени емкостей в напр жение и погрешность преобразовани в цифровой код.

Известны также устройства дл пр мого преобразовани отношени емкостей в цифровой код, содержащие источники опорного напр жени , коммутаторы, рабочий и образцовый конденсаторы, усилитель, синхронный детектор, интегратор, компаратор, тактовый генератор, цифровую логическую схему, счетчик, регистр пам ти и цифровой индикатор.

Известные устройства обладают тем недостатком , что на точность и стабильность этих устройств оказывает вли ние дрейф и шумы интегратора и компаратора, что св зано с тем, что сравнение рабочей и образцовой емкости происходит на посто нном токе.

VI

сл о

00

со сл

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату вл етс устройство, которое выбрано в качестве прототипа.

Прототип, однако, не обеспечивает достаточную точность измерени .

Цель изобретени - повышение точности измерени .

Указанна цель достигаетс техническим решением, представл ющим собой новое устройство, в которое 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 детектора, второй бхЪд компаратора заземлен , выход триггергГсоедийен с вторым входом элемента совпадени и управл ющим входом третьего коммутатора, второй вход которого заземлен, выход источника опорного напр жени соединен с первым входом третьего коммутатора, выход которого соединен с входом RC-филътра.

На чертеже изображен предлагаемый измеритель.

Измеритель содержит источник 1 опорного напр жени , тактовый генератор 2, первый коммутатор 3 и второй коммутатор 4, рабочую емкость 5 и образцовую емкость 6, усилитель 7, синхронный детектор 8, компаратор 9, делитель 10 частоты, элемент 11 задержки, элемент 12 совпадени , счетчик 13, регистр 14, цифровой индикатор 15, триггер 16, третий коммутатор 17 и RC- фильтр 18.

Источник 1 опорного напр жени соединен С первым входом первого коммутатора 3, второй вход которого заземлен. Выход первого коммутатора 3 соеди нён с первым выводом рабочей емкости 5. Первый вход второго коммутатора 4 за землен, ЗТзыход соединен с первым выводом образцовой емкости 6, Вторые выводы рабочей емкости 5 и образцовой емкости 6 объединены и соединены с входом усилител 7, выход которого соединен с входом синхронного детектора 8.

Тактовый генератор 2 соединен с управ- л ющими входами первого коммутатора 3 и второго коммутатора 4, с управл ющим входом синхронного детектора 8, с входом делител 10 частоты и элемента 12 совпадени . Выход делител 10 частоты соединен с входом элемента 11 задержки и с управл ющим входом регистра 14. Выход элемента 11 задержки соединен с входом сброса счетчика 13. Выход элемента 12 сов

падени 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 соединен с выходом компаратора 9, первый вход которого соединен с выходом синхронного детектора 8, а второй вход заземлен.

Вход синхронизации триггера 16 соединен с тактовым генератором. Выход триггера 16 соединен с входом элемента 12 совпадени и с управл ющим входом третьего коммутатора 17, первый вход которого

соединен с источником 1 опорного напр жени , в 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 управл ющий вход коммутатора 3, который подключает рабочую емкость 5 поочередно

к общему проводу и источнику 1 опорного напр жени . Второй вывод рабочей емкости 5 подключен к низкоомному токовому входу усилител 7 (виртуальной земле). Поэтому через каждый полупериод импульсов тактового генератора 2 рабоча емкость 5 зар жаетс и разр жаетс на величину опорного напр жени .

Величина зар да, протекающего через рабочую емкость 5 при каждом ее перезар де , пропорциональна величине опорного напр жени и величине рабочей емкости 5. Зар д, протекающий через вход усилител 7, усиливаетс и преобразуетс им в переменное напр жение, детектируетс

синхронным детектором 8, причем фаза зар да такова, что на выходе синхронного детектора 8 получаетс посто нное положительное напр жение.

Компаратор 9 под действием этого наг (р &енм переключаетс в состо ние логической 1.

Триггер 16 переписывает эту логическую 1 во врем очередного положительного фронта импульса с тактового

генератора 2.

Логическа 1 с выхода триггера 16 подключает вход RC-фильтра 18 к источнику 1 опорного напр жени через коммутатор 17. При этом RC-фильтр 18 начинает экспоненциально зар жатьс .

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

происходитот тактового генератора 2 в про- тивофазе по отношению к коммутатору 3.

Величина зар да, протекающего через образцовую емкость 6, пропорциональна величине напр жени на выходе RC-фильт- ра 18 и величине образцовой емкости 6.

Если рабоча емкость 5 не превышав образцовую емкость 6, то компенсаци противофазных зар дов, поступающих на вход усилител 7 от рабочей емкости 5 и образ- цовой;емкости б, произойдет при

Сраб

(1)

Србразц

Когда напр жение на выходе НС-фильтра 8 несколько превысит Ui противофаз- ный зар д образцовой емкости б перекомпенсйрует зар д рабочей ё мкости 5, фаза выходного напр жени усилител 7 изменитс на противоположную, пол рность выходного напр жени синхронного детектора 8 станет отрицательной. Компаратор 9 переключитс в состо ние логического О.Ч . -. . , ,

Во врем очерёдного положительного фронта импульса тактового генератора 2 триггер 16 переключитс в состо ние ческогб О. .:

При этом вход RC-фильтра 18 подключитс к общему проводу через коммутатор 17. . ,-Ч -: V.:.V -

КС-фильтр 18 начнет разр жатьс и когда напр жение на его выходе станет не: сколько меньше Ui, зар д рабочей емкости 5 превысит противофазный зар д образцовой емкости 6.

Фаза выходного напр жени детектора 8 вновь изменитс на противоположную, пол рность выходного напр жени синхронного детектора 8 станет положительной, компаратор 9 переключитс в состо ние логической 1. Триггер 16 переключитс в состо ние логической во врем следующего положительного фронта импульса с тактового генератора 2.

При этом вход RC-фильтра 18 подклю- .читс к источнику 1 опорного напр жени через коммутатор 17. Напр жение на выходе RC-фильтра 18 будет нарастать и через некоторое врем несколько превысит Ui. При этом противофазный зар д образцовой ёмкости б перекомпенсирует зар д рабочей емкости 5, фаза выходного напр жени усилител 7 изменитс на противоположную, пол рность выходного напр жени синхронного детектора 8 станет отрицательной. Компаратор 9 переключитс в состо ние логического О.

Таким образом, процесс начнет nosfcF р тьс . Схема работает в колебательном режиме . Напр жение на выходе RC-фильтра 1.8 колеблетс около значени Ui.

Среднее значение напр жени на входе RC-фильтра 18 также равно Ui, поскольку пассивный RC-фильтр 18 имеет ко эффици- ент передачи, равный 1.

Это напр жение обеспечиваетс за счет определенного соотношени периодов зар да и разр да RC-фильтра.

Uo EJj|.(2)

где Uo - среднее значение напр жени на входе RC-фильтра 18;

Na - количество периодов зар да RC- фильтра 18; -,5

NU- суммарное количество периодов зар да и разр да RC-фильтра 18.

Во врем каждого периода зар да RC- фильтра 18 элемент 12 совпадени открываетс логической 1 с триггера 16, при этом один импульс поступает на вход счетчика

13. ., ,k

Через каждые N импульсов тактового генератора 2, которые отсчитываютс делителем 10 частоты, состо ние счетчика 13 переписываетс в регис тр 14 и отображаетс на цифровом индикаторе 15.

Через врем , определ емое элементом 11 задержки, счетчик 13 сбрасываетс и начинаетс новый цикл отсчета.

Приравнивают формулы (1) и (2) и получают из них выражение дл №, ко-эрое отображаетс на цифровом индикаторе 15: Ср$б

..

Собразц Ј

Формул а изобретени Цифровой измеритель отношений электрических емкостей, Содержащий источник опорного напр жени , тактовый генератор, первый и второй коммутатору, рабочую и образцовую емкости, усилитель, синхронный детектор, компаратор, делитель частоты , элемент задержки, элемент совпадени , счетчик, регистр и цифровой индикатор, вход которого соединен с выходом регистра , информационный вход которого соединен с выходом счетчика, вход сброса которого соединен с выходом элемента задержки , вход которого соединен с управл ющим входом регистра и выходом делител частоты, вход которого соединен с выходом тактового генератора, первым входом элемента совпадени , управл ющим бходом синхронного детектора и управл ющими входами первого и второго коммутаторов, выходы которых соединены соответственно с первыми выводами рабочей и образцовой емкостей, вторые выводы которых объединены и соединены с входом усилител , выход которого соединен с сигнальным входом синхронного .детектора, счетный вход счетчика соединен с выходом элемента совпадени , вторые входы первого и второго коммутаторов заземлены, первый вход первого коммутатора соединен с выходом источника опорного напр жени , отличающийс тем, что, с целью повышени точности измерени , в него введены триггер , третий коммутатор и RC-фи ьтр, выход которого соединен с первым входом второго коммутатора, выход тактового генерато0

ра соединен с входом синхронизации триггера , информационный вход которого соединен с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом синхронного детектора, второй вход компаратора заземлен , выход триггера соединен с вторым входом элемента совпадени и управл ющим входом третьего коммутатора, второй вход которого заземлен, выход источника опорного напр жени соединен с первым входом третьего коммутатора, выход которого соединен с входом RC-фильтра.

Claims

Ф о рм ул а и з о б р етен и я Цифровой измеритель отношений электрических емкостей, содержащий источник опорного напряжения, тактовый генератор, ¹ первый и второй коммутаторы, рабочую и образцовую емкостй, усилитёль, синхронный детектор, компаратор, делитель частоты, элемент задержки, элемент совпадения, счетчик, регистр и цифровой индикатор, ¹ вход которого соединен с выходом регистра, информационный вход которого соединен с выходом счётчика, вход сброса которого соединен с Выходом элемента задержки, вход которого соединен с управля¹ ющим входом регистра и выходом делителя частоты, вход которого соединен с выходом . тактового генератора, первым входом элемента совпадения, управляющим входом синхронного детектора и управляющими > входами первого и второго' коммутаторов, выходы которых соединены соответственно с первыми выводами рабочей и образцовой ёмкостей, вторые выводы которых объединены и соединены с входом усилителя, вы55 ход которого соединен с сигнальным входом синхронного.детектора, счетный вход счетчика соединен с выходом элемента совпадения, вторые входы первого и второго коммутаторов заземлены, первый вход первого коммутатора соединен с выходом источника опорного напряжения, отличающ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены триггер, третий коммутатор и RC-фильтр, выход которого соединен с первым входом второ10 ра соединен с входом синхронизации триггера, информационный вход которого соединен с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом синхронного детектора, второй вход компаратора заземлен, выход триггера соединен с вторым входом элемента совпадения и управляющим входом третьего коммутатора, второй вход которого заземлен, выход источника опорного напряжения соединен с первым входом третьего коммутатора, выход которого

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101