SU913280A1 - Измерительный преобразователь электрической емкости в интервал времени 1 - Google Patents

Description

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения емкости конденсаторов посредством цифрового измерителя интервалов времени и может быть использовано для дистанционного измерения неэлектрических величин, преобразованных в электрическую емкость.

Известен преобразователь электрической емкости е пропорциональный интервал времени, содержащий автоколебательную систему с резистивноемкостной времязадающей цепью, в которую включают измеряемую емкость, релаксационный генератор на однопереходном управляемом транзисторе, преобразователь формирует на выходе импульсы, интервал времени между которыми линейно зависит от измеряемой емкости конденсатора, включенного во времязадающую цепь. При подключении к цифровому измерителю интервалов времени преобразователь позволяет

2

измерять емкость в диапазоне от 0,005 до 10 и более микрофарад с точностью не хуже 1% [1].

Недостатком известного преобразователя является значительное ограничение нижнего'предела преобразования паразитными емкостями. Расширение диапазона преобразования в область малых величин измеряемых емкостей обычно связано с существенным усложнением устройства.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является измеритель емкости, в котором автоколебательная система содержит генератор опорного пилообразного напряжения на однопереходном транзисторе, два триггера Шмитта, эмиттерный повторитель, инвертор и резистивно-емкостную времязадающую цепь с включенной в нее измеряемой емкостью, а логический вентиль И-НЕ формирует на выходе прямоугольные импульсы с длительностью, пропорциональной величине изме3 913:

ряемой емкости, которая заряжается до порога переключения одного триггера Шмитта, разряжается опорным пилообразным напряжением до порога переключения другого триггера Шмитта, в результате чего формируются сигналы управления логическим вентилем И-НЕ [23.

Недостатками измерителя являются низкая точность изменения и ограни- ι ценный диапазон преобразования. Наименьшая емкость, которая может быть измерена посредством устройства, равна 100 пФ. Нижний предел ограничен паразитными емкостями и временем переходных процессов в преобразователе.

Устройство содержит значительное число дискретных функциональных элементов, что ограничивает использование его в системах многоточечного измерения, где простота конструкции измерительного преобрзователя может иметь решающее значение.

Целью изобретения является расширение диапазона преобразования в области малых величин емкости, повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в измерительный преобразователь электрической емкости в ин- ₃₀ тервал времени, содержащий автоколебательную систему с включенной на входе резистивно-емкостной времязадающей цепью и первый логический элемент И-НЕ, автоколебательная Система выполнена в виде несимметричного мультивибратора на трех логических элементах И-НЕ, причем вход второго логического элемента Й-НЕ через резистивно-емкостную времяза- ₄₀ дающую цепь подключен к затвору Долевого транзистора, а выход - со входом первого и выходом третьего логических элементов И-НЕ, вход последнего соединен с выходом четверто- & го логического элемента И-НЕ, включенного параллельно нагрузке полевого транзистора.

На фиг. 1 приведена функциональная электрическая схема измерительного преобразователя электрической емкости в интервал времени; на фиг. 2 - временные диаграммы, на которых воспроизведены осциллограммы напряжений в отдельных точках схемы.

Преобразователь содержит логичес- ^я кие элементы И-НЕ 1-4 (логические элементы И-НЕ показаны в функции НЕ)^ принадлежащие одной интегральной

I 4

схеме, измеряемый конденсатор 5, подключенный через зарядный резистор 6 постоянной величины и регулируемой резистор 7 между выходом и входом логического элемента И-НЕ 1, истоковый полевой транзистор 8, например МОП-транэистор с изолированным затвором и каналом п-типа, к резистору 9 нагрузки которого Подключен вход логического элемента И-НЕ 2,. выход которого соединен с входом логического элемента И-НЕ 3, связанного по выходу с логическими элементами И-НЕ 1 и 4,источник литания 10, выключатель 11.

Преобразователь работает следующим образом.

До включения источника питания 10 в схему измеряемый кбнденсатор 5 разряжен , что определяет исходное состояние логических элементов И-НЕ 1-4.

При подключении источника питания напряжение на входе логического элемента И-НЕ 2 оказывается ниже порога переключения, что соответствует наличию сигнала логического нуля, поэтому на выходе логического элемента И-НЕ 2 устанавливается напряжение сигнала логической единицы. В результате инвертирования этого сигнала последовательно включенными логическими элементами И-НЕ, логический элемент И-НЕ 1 в исходном состоянии принимает низкий уровень напряжения логического нуля на входе и высокий уровень напряжения логической единицы на выходе. Прямоугольный импульс напряжения, действующий на входе времяэадающей цели с измеряемым конденсатором 5 на выходе, преобразуется в,экспоненциальный и изменение напряжений на конденсаторе 5 происходит за конечное время, пропорциональное ее величине. Этот процесс иллюстирует временная диаграмма, на которой воспроизведена форма напряжения на измеряемом конденсаторе 5.

По мере роста напряжения на измеряемом конденсаторе 5, растет напряжение на резисторе 9 и достигает порога переключения логического элемента И-НЕ 2. В течение времени, равного задержкам трех логических элементов И-НЕ 1, 2, 3» автоколебательная система опрокидывается в состояние, при котором выход логического элемента И-НЕ 1 принимает сос5 913280 6

тояние логического нуля, а вход состояние логической единицы. Изменение полярности напряжения на входе времязадающей цепи вызывает процесс разряда измеряемого конден- $ сатора 5 через включенные последовательно с ним резисторы 6, 7 и малое внутреннее сопротивление открытого логического элемента И-НЕ 1.

По мере разряда измеряемого конденло сатора 5, напряжение на резисторе 9 постепенно уменьшается до порога переключения логического элемента И-НЕ 2, в результате чего система опять опрокидывается, переходя в 15 режим автоколебаний.

Логический элемент И-НЕ '4, инвертируя состояние входа логического элемента И-НЕ 1, формирует прямоугольные импульсы, длительность кото- 20 рых прямо пропорциональна емкости изменяемого конденсатора и равна времени существования прямоугольного импульса напряжения на входе времязадающей цепи. Одновременно логичес- 25 кийэлемент И-НЕ 4 предотвращает влияние импедансов линии связи и входа цифрового измерителя интервалом времени на времязадающую цепь преобразователя, существенно новы- эо шая точность измерения.

Испытания моделей устройства совместно с цифровым частотомером-хронометром Φ 5034 показывают, что нижний предел измерения емкости равен_3ί 1 пф при крутизне преобразования 1 пФ/мкс. При преобразовании емкостей от 1 до 10 пф Погрешность измерения ограничивается неопределенностью отсчета по цифровому индикатору (еди-₄₀ ницей младшего разряда) и соответствовала +0,1 пф. В диапазоне ΙΟΙ 00 пФ погрешность измерения не превышает 1%, а в диапазоне 0,001-1 мпф уменьшается до 0,13;. Указанная точность достигнута при подключении устройства к стабилизированному источнику питания, допускавшему колебания напряжения 123;.

♦

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Измерительный преобразователь электрической емкости в интервал времени, содержащий автоколебательную систему с включенной на входе резистивно-емкостной времязадающей цепью и первый логический элемент И-НЕ, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона преобразования в области малых величин емкости и повышения точности измерения, автоколебательная система выполнена в виде несимметричного мультивибратора на трех логических элементах И-НЕ, причем вход второго логического элемента И-НЕ через резистивно-емкостную времязадающуп цепь подключен к затвору полевого транзиатора, а выход с входом первого и выходом третьего логических элементов И-НЕ, вход последнего соединен с выходом четвертого логического элемента И-НЕ, включенного параллельно нагрузке . полевого транзистора.