Масштабный измерительный преобразователь

 

Использование: изобретение относится к электрометрии и может быть использовано в прецизионных схемах измерения, контроля, аналого-цифровых преобразователях. Сущность изобретения: масштабный измерительный преобразователь содержит основной, два дополнительных и разностный усилители, три ключа, резистивный делитель напряжения на резисторах, тактовый генератор, согласующие резисторы, разделительный и запоминающие конденсаторы, при этом ключи соединены с выходами усилителей, работают с большими усиленными сигналами, позволяют выделить и обеспечить взаимокомпенсацию собственных шумов и дрейфа активных элементов на выходе устройства. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам электрометрии и предназначено для измерения слабых напряжений и токов. Такие преобразователи широко используются в аналого-цифровых преобразователях, прецизионных средствах измерения и др.

Одним из основных требований, предъявляемых к таким устройствам, является обеспечение повышенных значений точности и стабильности преобразования слабых электрических сигналов микровольтовых уровней в широком частотном диапазоне постоянного тока, инфразвуковых и звуковых электрических сигналов.

Предельные значения точности и стабильности известных устройств ограничены уровнем собственных шумов и дрейфа используемых элементов.

Известно устройство (аналог) (см. а. с. N 742807, кл. G 01 R 19/00, 1980), которое основано на формировании среднего значения компенсирующего воздействия. Однако степень такой компенсации пропорциональна квадрату числа используемых каскадов, недостаточно эффективна и требует усложнения устройства.

Известно устройство (аналог) (см. а. с. N 1441316, кл. G 01 R 19/00, 1988), содержащий позиционный переключатель, разрядные ключи, конденсаторы, резисторы, отличается сложностью построения и значительным уровнем нескомпенсированного дрейфа и шумов.

Известно устройство (см. а. с. N 1673996, кл. G 01 R 19/00, 1989), которое по совокупности существенных признаков наиболее близко к заявляемому устройству и принято за прототип.

Известное устройство содержит основной усилитель, делитель напряжения, разностный усилитель, два конденсатора, два ключа, резисторы, тактовый генератор, с помощью которых достигается снижение собственных шумов и дрейфа основного усилителя.

Однако известному устройству свойственны следующие недостатки. На выходе устройства выделяется остаточная нескомпенсированная составляющая дрейфа и шумов, определяемая серий однополярных коротких импульсов, по амплитуде пропорциональных собственным шумам и дрейфу основного усилителя и первого ключа. Указанная последовательность выбросов связана с искажением, завалом фронтов импульсов из-за положительной обратной связи основного усилителя и имеет низкочастотную шумовую составляющую на выходе устройства, что снижает точность и стабильность преобразования слабых электрических сигналов.

Кроме того, основной усилитель формирует последовательность прямоугольных импульсов и должен отвечать сложным требованиям широкополосного каскада с высококачественной импульсной и переходной характеристикой и полосой пропускания в несколько раз шире, чем это требуется для нормальной передачи всего спектра полезных сигналов.

Помимо усложнения устройства и сужения области его использования это приводит к увеличению спектра и уровня собственных шумов и дрейфа основного усилителя и их недокомпенсации на выходе устройства.

Таким образом, известное устройство отличает недостаточная точность и стабильность преобразования слабых электрических сигналов и ограниченная область его использования.

Целью изобретения является повышение точности и стабильности преобразования слабых электрических сигналов и расширение области его использования.

Предлагаемое устройство содержит основной усилитель, входную клемму для подключения источника полезного входного сигнала, первый и второй ключи-коммутаторы с замкнутым, разомкнутым и средним контактами, делитель напряжения на последовательно соединенных входном и выходном резисторах с коэффициентом преобразования, обратным коэффициенту усиления основного усилителя, десять резисторов, два конденсатора, разностный усилитель, тактовый генератор, выход которого соединен с управляющими входами ключей. При этом неинвертирующий вход разностного усилителя через первый резистор соединен с выходом основного усилителя, через второй резистор - с замкнутым контактом первого ключа - коммутатора и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого через первый конденсатор соединен с общей шиной, выход разностного усилителя соединен с выходной клеммой, вывод выходного резистора делителя напряжения соединен с общей шиной. Устройство снабжено также двумя вспомогательными усилителями с неинвертирующими и инвертирующими входами, третьим ключом-коммутатором с замкнутым, разомкнутым и средним контактами, третьим конденсатором. При этом выход основного усилителя соединен с замкнутым контактом второго ключа-коммутатора, разомкнутый контакт которого через четвертый резистор соединен с выходом разностного усилителя, а средний контакт - с входным резистором делителя напряжения, входная клемма соединена с неинвертирующими входами основного, первого вспомогательного усилителей и первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с общей точкой входного и выходного резисторов делителя напряжения и с инвертирующим входом первого вспомогательного усилителя, выход которого через шестой резистор соединен с неинвертирующим входом второго вспомогательного усилителя, выход которого соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого через седьмой резистор соединен с общей шиной и непосредственно - со средним контактом первого ключа-коммутатора, разомкнутый контакт которого через восьмой резистор и третий конденсатор соединен с общей шиной, замкнутый контакт первого ключа-коммутатора соединен с разомкнутым контактом третьего ключа-коммутатора, замкнутый контакт которого через девятый резистор соединен с общей шиной, а средний через десятый резистор - с инвертирующим входом второго вспомогательного усилителя, а управляющий вход третьего ключа-коммутатора соединен с выходом тактового генератора.

На чертеже приведена структурная схема заявляемого устройства.

Устройство содержит основной усилитель 1, входную клемму 2 для подключения источника полезного входного сигнала, три конденсатора 3,10,28, десять согласующих резисторов 4, 6, 11, 16, 17, 24, 25, 26, 29, 32, три ключа-коммутатора 12, 18, 33, первый и второй вспомогательные усилители 5,9, делитель напряжения на резисторах 22, 23, тактовый генератор 27, разностный усилитель 30, выход которого соединен с выходной клеммой 31.

Входная клемма устройства 2 непосредственно соединена с неинвертирующими входами основного усилителя 1, первого вспомогательного усилителя 5 и первым выводом пятого резистора 4, второй вывод которого соединен с инвертирующим входом усилителя 5 и общей точкой соединения резисторов 22, 23 - выходом делителя напряжения, вход которого - второй вывод резистора 22 соединен со средним контактом 21 ключа 18, замкнутый контакт 19 которого соединен с выходом основного усилителя 1, а разомкнутый контакт 20 через четвертый резистор 25 соединен с выходом усилителя 30.

Вход усилителя 30 (неинвертирующий) через первый резистор 17 соединен с выходом усилителя 1, через второй резистор 29 - с контактом 36 ключа 33, контактом 14 ключа 12 и первым выводом третьего резистора 24, второй вывод которого через конденсатор 28 соединен с общей шиной, Выход усилителя 5 через шестой резистор 6 соединен с неинвертирующим входом 7 усилителя 9, инвертирующий вход которого через десятый резистор 26 соединен со средним контактом 35 ключа 33, замкнутый контакт 34 которого через девятый резистор 32 соединен с общей шиной.

Выход усилителя 9 через второй конденсатор 10 соединен с первым выводом седьмого резистора 11 и с контактом 13 ключа 12, разомкнутый контакт 15 которого через восьмой резистор 16 и третий конденсатор 3 соединен с общей шиной, с которой соединен также второй вывод резистора 11. Управляющие входы ключей-коммутаторов 12, 18, 33 соединены с выходом тактового генератора 27.

Выход разностного усилителя 30 соединен с выходом устройства клеммой 31, при этом коэффициент преобразования К_д делителя напряжения на резисторах 22, 23 выбран обратным коэффициенту усиления К₁ основного усилителя 1: K_д= = (1) Работа устройства состоит в следующем.

В первом такте работы генератора 27 (в момент замыкания контактов 14,19,34 ключей 12,18,33) полезный сигнал Y₂ с источника полезного сигнала поступает на неинвертирующий вход основного усилителя 1 и усиливается им в К₁ раз. С учетом всего спектра собственных шумов и дрейфа основного усилителя (временной и температурный дрейф, инфразвуковые шумы и др. наиболее значимые составляющие, представляемые в виде приведенного к входу эквивалентного генератора е_ш1) полный сигнал Y_1вых. на выходе основного усилителя 1 можно представить в виде Y_1вых. = К₁(Y₂+e_ш1) (2) На выходном резисторе 23 делителя напряжения при условии (1) выделяется импульс напряжения первого такта Y^I₂₃= = Y₂+e_шI (3) В этом случае резистор 4 и вход усилителя 5 по полезному сигналу Y₂включены между равными эквипотенциальными точками с напряжением Y₂. Поэтому токовая составляющая полезного сигнала Y₂ по цепи резистора 4 и входа усилителя 5 отсутствует.

При несложном выборе следующих соотношений: R_вх.5>>R₄>>R₂₃>>R₂, (4) где R₂, R_вх.5 - соответственно выходное и входное сопротивления источника 2 и усилителя 5, полностью исключается положительная обратная связь основного усилителя 1 и на резисторе 4 из сигнала Y₂₃ (3) выделяется только импульс напряжения е_ш1, который инвертируется и усиливается усилителем 5 с его коэффициентом усиления К₅ и затем усилителем 9 без инверсии с коэффициентом К_9-7 по его входу 7.

При несложном выборе соотношений между периодом Т_и и частотой F_иуправляющих импульсов тактового генератора 27 и параметрами RC-цепочки на элементах 11-10 из условий обеспечения минимальных искажений и спада плоской вершины импульса за счет выброса напряжения Yвыбр, с одной стороны:
₁= R₁₁C₁₀>>T_и, например, 0,01 (5),
Y Y₉ (6)
и, с другой стороны, обеспечения условий заграждения прохождению напряжения дрейфа и собственных шумов усилителей 5,9 с периодом Т_ш5-9верхней граничной частотой F_ш5-9 через конденсатор 10:
T_ш5-9>>R₁₁C₁₀, , 10² (7),
Т_ш5-9>> Т_и (8) на резисторе 11 выделяется импульс напряжения
Y₁₁= -K₅K_9-7е_ш1 (9).

При выполнении условий (5), (7), (8) составляющими напряжения Y_выбр(6) и собственным дрейфом и шумами усилителей 5,9 в выражении (9) можно пренебречь.

Напряжение Y₁₁(9) через замкнутые контакты 13,14 ключа 12 и резистор 29 поступает совместно с напряжением Y_1вых (2) через резистор 17 на вход усилителя 30 и формирует на его выходе сигнал Y_30вых.

Одновременно напряжение Y₁₁(9) через резистор 24 поступает на конденсатор 28 и при выполнении несложных условий
Т_и > 3 ₂, ₂= R₂₄C₂₈, C2₈<, R₂₄>>R₁₁
(10) запоминается на конденсаторе 28
Y₂₈= Y₁₁= -K₅K_9-7е_ш1 (11)
На выходе усилителя 30 сигнал Y_30вых с учетом его коэффициента усиления К₃₀ представляется следующим выражением:
Y_30.вых= (R₂₉K₁Y₂+R₂₉K₁e_ш1-R₁₇K₅K_9-7e_ш1) (12)
При выборе соотношения
K_I= K₅K_9-7 (13) составляющие сигнала еш1 в выражении (12) взаимоподавляются и напряжение на выходе усилителя и устройства в первом такте приводится к виду
Y^I₃₀= Y^I₃₁= K_IK₃₀Y₂. (14)
При выборе К₁>>100 собственными шумами и дрейфом усилителя 30 в выражении (14) можно пренебречь.

Во втором такте (на момент замыкания контактов 20-21, 13-15, 35-36 ключей) на вход усилителя 30 поступает напряжение Y_1вых (2) с выхода усилителя 1 (как и в первом такте) и напряжение Y₂₈ (11) с конденсатора 28, приводящие согласно выражениям (12), (14) к значению напряжения на выходе усилителя 30, адекватного его значению в первом такте при выполнении следующих несложных соотношений
R₂₉>>R₂₄, R₂₆>>R₂₉ (15)
Y¹_30вых. = Y¹¹_30вых. (16)
Напряжение Y¹¹_30вых. через резистор 25 и замкнутые контакты 20-21 ключа 18 поступает на вход делителя напряжения 22-23.

При выборе резистора 25 из условия
R₂₅= K_IK₃₀-(R₂₂+R₂₉) (17) на выходе делителя напряжения на резисторе 23 формируется напряжение Y¹¹₂₃ второго такта, равное
Y¹¹₂₃= Y₂ (18).

С учетом напряжения Y₂ с источника 2 разность потенциалов на резисторе 4 и входе усилителя 5 равна нулю. Т. е. на вход усилителя 5 напряжение во втором такте не поступает и режим на выходе усилителя 5 по постоянному току с учетом его собственных шумов и дрейфа такой же, как и в первом такте, что при условиях (7), (8) конденсатор 10 их не пропускает. На инверсный вход 8 усилителя 9 через замкнутые контакты 36, 35 и резистор 26 поступает импульс напряжения Y₂₈ (11) с конденсатора 28. При несложном выборе соотношения между резисторами 6,26 и коэффициентов усиления каскада 9 по входу 7,8 из условия обеспечения передачи напряжения Y₂₈ (11) на выход каскада 9, равного по амплитуде составляющей е_ш1 в первом такте и противоположной ей по фазе
R₂₆= /(R₆+R_вх.7)K_9-8-R_вх.7/, (19) где R_вх.7, R_вх8 - входные сопротивления каскада 9 по входам 7,8;
К_9-8 - коэффициент усиления каскада 9 по входу 8, через конденсатор 10, резистор 11, через замкнутые контакты 13-15 и цепочку R₁₆-C₃ проходит импульс напряжения составляющей е_ш1, равный по амплитуде и противоположный по фазе импульсу составляющей е_ш1 в первом такте. Целесообразно при зтом выполнить соотношения R₃₂= R₂₄= R₁₆, С₃= C₂₈(20)
В результате условий (19), (20) компенсируется напряжение и запас энергии на конденсаторе 10 из-за выброса Y_выбр (6) первого такта. При этом конденсатор 10 обнуляется по составляющей е_ш1, приводится к исходному состоянию перед каждым нечетным тактом, предотвращая тем самым выделение постоянной составляющей и смещение пьедестала на конденсаторе 10 от воздействия последовательности усиленных импульсов е_ш1 с выхода каскада 9.

Таким образом на выходе 31 устройства обеспечивается в каждом такте согласно (14), (16) неискаженное усиление полезного входного сигнала Y₂
Y₃₁= Y^I_{30 вых.}= Y^II₃₀ K_IK₃₀Y₂ (20) за счет эффективного подавления более чем на порядок, собственных шумов и дрейфа активных элементов устройства, в том числе и ключей, работающих в предлагаемом устройстве при больших усиленных сигналах.

При этом достижение цели в предлагаемом устройстве не обуславливается особыми требованиями к характеристикам используемых элементов, ограничивающим область применения, свойственную известному устройству.

Реализация и экспериментальная апробация предлагаемого устройства выполнены следующим образом.

Основной 1, вспомогательные 5,9 и разностный усилители 30 выполнены по схеме операционного усилителя на микросхемах 544УД1Б (см. , например, И. Достал. Операционные усилители. М. : Мир, 1982), ключи-коммутаторы 12,18, 33 выполнены на микросхемах типа К190КТ2, резисторы типа МЛТ, конденсаторы типа МБМ, тактовый генератор на микросхеме типа 133ЛАЗ.

Экспериментальная проверка трех образцов предлагаемого устройства подтвердила более, чем на порядок, подавление собственных шумов и дрейфа устройства, повышение точности и стабильности преобразования слабых электрических сигналов при существенном расширении области использования устройства.

Формула изобретения

МАСШТАБНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий основной усилитель, тактовый генератор, резистивный делитель напряжения, два ключа, разностный усилитель, выход которого соединен с выходной клеммой преобразователя, десять резисторов, два конденсатора, входную клемму для подключения источника измеряемого сигнала, выход тактового генератора соединен с управляющими входами ключей, неинвертирующий вход разностного усилителя соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод второго резистора соединен с первым выводом третьего резистора и с размыкающим контактом первого ключа, второй вывод третьего резистора через первый конденсатор соединен с общей шиной, первый вывод четвертого резистора соединен с подвижным контактом первого ключа, второй вывод четвертого резистора соединен с общей шиной, первый вывод пятого резистора соединен с выходом разностного усилителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, введены два дополнительных усилителя, третий ключ, третий конденсатор, причем неинвертирующие входы основного и первого дополнительных усилителей и первый вывод шестого резистора соединен с входной клеммой, второй вывод шестого резистора соединены с инвертирующим входом первого дополнительного усилителя и выходом резистивного делителя напряжения, вход которого соединен с подвижным контактом второго ключа, размыкающий контакт которого соединен с выходом основного усилителя и вторым выводом первого резистора, замыкающий контакт соединен с вторым выводом пятого резистора, первый вывод второго резистора соединен с неинвертирующим входом разностного усилителя, второй вывод второго резистора соединен с замыкающим контактом третьего ключа, размыкающий контакт которого через седьмой резистор соединен с общей шиной, подвижный контакт через восьмой резистор соединен с инвертирующим входом второго дополнительного усилителя, а управляющий вход - с выходом тактового генератора, выход первого дополнительного усилителя через девятый резистор соединен с неинвертирующим входом второго дополнительного усилителя, выход которого через второй конденсатор соединен с подвижным контактом первого ключа, замыкающий контакт которого через последовательно соединенные десятый резистор и третий конденсатор соединены с общей шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1