Цифровой фазовый преобразователь емкости в двоичный код
DIGITAL PHASE CONVERTER OF CAPACITANCE IN BINARY CODE

Предполагаемое изобретение относится к цифровой измерительной технике, а именно - к устройствам преобразования емкости в двоичный код, и может быть использовано в устройствах обработки информации емкостных преобразователей микро- и наномеханических гироскопов и акселерометров.
Аналогом заявляемого изобретения является преобразователь емкости во временной интервал [Суетин В.Я. Цифровые измерительные приборы. - М.: Радио и связь, 1984. - 80 с.; рис. 12,б, с. 23], содержащий измеряемую емкость, генератор опорной частоты, логический элемент 2И-НЕ, первый вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, счетчик импульсов, вход которого соединен с выходом логического элемента 2И-НЕ, а выход является выходной шиной устройства, источник стабильного тока, к выходу которого подключается измеряемая емкость, повторитель с высоким входным сопротивлением, вход которого соединен с выходом источника стабильного тока и измеряемой емкостью, источник опорного напряжения, компаратор, первый вход которого соединен с выходом повторителя с высоким входным сопротивлением, второй вход - с выходом источника опорного напряжения, а выход - со вторым входом логического элемента 2И-НЕ.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются измеряемая емкость, генератор опорной частоты, логический элемент 2И-НЕ, счетчик импульсов, вход которого соединен с выходом логического элемента 2И-НЕ.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются низкая чувствительность и высокая погрешность преобразования емкости во временной интервал, обусловленные влиянием паразитной емкости входной цепи и суммарным влиянием коэффициентов нестабильности источника стабильного тока, источника опорного напряжения и генератора опорной частоты.
Аналогом заявляемого изобретения является преобразователь емкости в частоту [Пат. SU 1628013 А1, Союз Советских Социалистических Республик. Гутников B.C., Соловьев А.Л. «Преобразователь емкости в частоту», 1991, фиг. 1], содержащий измеряемую емкость, образцовый конденсатор, генератор опорной частоты, счетчик импульсов, источник опорного напряжения, электронный ключ, первый информационный вход которого соединен с источником опорного напряжения, второй информационный вход - с шиной нулевого потенциала, а выход - с первым выводом измеряемой емкости, управляемый детектор, управляющие входы которого соединены с выходами счетчика импульсов, второй электронный ключ, первый информационный вход которого соединен с источником опорного напряжения, второй информационный вход - с шиной нулевого потенциала, а выход - с первым выводом образцового конденсатора, зарядовый усилитель, вход которого соединен со вторым выводом образцового конденсатора и вторым выводом измеряемой емкости, а выход -с информационным входом управляемого детектора, фазовращатель, вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, первый выход - с управляющим входом электронного ключа, а второй выход - с управляющим входом второго электронного ключа, D-триггер, информационный вход которого соединен с выходом управляемого детектора, вход синхронизации - с первым выходом фазовращателя, а выход является выходной шиной устройства.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются измеряемая емкость, образцовый конденсатор, генератор опорной частоты, счетчик импульсов.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются низкая чувствительность, высокая погрешность преобразования емкости в частоту, обусловленные влиянием паразитной емкости входной цепи и суммарным влиянием коэффициентов нестабильности образцового конденсатора, источника опорного напряжения, генератора опорной частоты и зарядового усилителя, а также высокая чувствительность к шумам зарядового усилителя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является преобразователь емкости в частоту [Пат. РФ 2602493, 01.09.2015, Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., «Высокочувствительный преобразователь емкости в частоту», фиг. 1], содержащий измеряемую емкость, образцовый конденсатор, генератор опорной частоты, счетчик импульсов, генератор прямоугольных импульсов, в фазосдвигающую цепь которого включены образцовый конденсатор и параллельно ему измеряемая емкость, второй образцовый конденсатор, второй генератор прямоугольных импульсов, в фазосдвигающую цепь которого включен второй образцовый конденсатор, логический элемент 2И-НЕ, первый вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом первого генератора прямоугольных импульсов, второй вход - с выходом второго генератора прямоугольных импульсов, а выход - со вторым входом логического элемента 2И-НЕ, логический элемент 2ИЛИ-НЕ, первый вход которого соединен с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а второй вход - с выходом генератора опорной частоты, логический элемент НЕ, вход которого соединен с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента 2ИЛИ-НЕ, а вход сброса в начальное состояние - с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, асинхронный RS-триггер, первый вход которого соединен с выходом старшего разряда счетчика импульсов, второй вход - с выходом старшего разряда второго счетчика импульсов, а выход является выходной шиной устройства, причем образцовые конденсаторы имеют равные емкости, счетный вход счетчика импульсов соединен с выходом логического элемента 2И-НЕ, а вход сброса в начальное состояние счетчика импульсов - с выходом логического элемента НЕ.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются измеряемая емкость, первый образцовый конденсатор, второй образцовый конденсатор, генератор опорной частоты, генератор прямоугольных импульсов, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ, логический элемент 2И-НЕ, первый вход которого соединен с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ, счетчик импульсов.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является сложность устройства, наличие большого числа логических элементов, что является причиной высокой потребляемой мощности и дополнительной занимаемой площади на кристалле, а также влияние фазовых шумов на точность преобразования емкости.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является уменьшение числа логических элементов и, как следствие, уменьшение потребляемой мощности и занимаемой площади на кристалле, а также устранение влияния фазовых шумов на точность преобразования емкости.
Технический результат достигается тем, что введены первый логический элемент НЕ, вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, выход - с первым выводом первого образцового конденсатора, второй логический элемент НЕ, вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, выход - с первым выводом второго образцового конденсатора, третий логический элемент НЕ, вход которого соединен с выходом первого логического элемента НЕ, выход - с первым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, четвертый логический элемент НЕ вход которого соединен с выходом второго логического элемента НЕ, выход - со вторым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, логический элемент 2И, первый вход которого соединен с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ, второй вход - с выходом генератора опорной частоты, причем вторые выводы первого и второго образцовых конденсаторов соединены с общей шиной, на второй вход логического элемента 2И-НЕ подается сигнал  счетный вход счетчика импульсов соединен с выходом логического элемента 2И, вход сброса - с выходом логического элемента 2И-НЕ, выход счетчика импульсов - является выходной шиной устройства.
Для достижения необходимого технического результата в цифровой фазовый преобразователь емкости в двоичный код, содержащий первый образцовый конденсатор, второй образцовый конденсатор, измеряемую емкость, которая соединена параллельно первому образцовому конденсатору, генератор опорной частоты, генератор прямоугольных импульсов, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ, логический элемент 2И-НЕ, первый вход которого соединен с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, счетчик импульсов, введены первый логический элемент НЕ, вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, выход - с первым выводом первого образцового конденсатора, второй логический элемент НЕ, вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, выход - с первым выводом второго образцового конденсатора, третий логический элемент НЕ, вход которого соединен с выходом первого логического элемента НЕ, выход - с первым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, четвертый логический элемент НЕ вход которого соединен с выходом второго логического элемента НЕ, выход - со вторым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, логический элемент 2И, первый вход которого соединен с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ, второй вход - с выходом генератора опорной частоты, причем вторые выводы первого и второго образцовых конденсаторов соединены с общей шиной, на второй вход логического элемента 2И-НЕ подается сигнал  счетный вход счетчика импульсов соединен с выходом логического элемента 2И, вход сброса - с выходом логического элемента 2И-НЕ, выход счетчика импульсов - является выходной шиной устройства.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки. Получен положительный эффект, заключающийся в уменьшении числа логических элементов и, как следствие, уменьшении потребляемой мощности и занимаемой площади на кристалле.
1
X
1
2
На фиг. приведена функциональная схема предлагаемого цифрового фазового преобразователя емкости в двоичный код. Цифровой фазовый преобразователь емкости в двоичный код, содержит генератор прямоугольных импульсов 1, первый логический элемент НЕ 2, вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов 1, образцовый конденсатор C, первый вывод которого соединен с выходом первого логического элемента НЕ 2, второй - с общей шиной, измеряемую емкость C, которая соединена параллельно первому образцовому конденсатору C, второй логический элемент НЕ 3, вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов 1, образцовый конденсатор C, первый вывод которого соединен с выходом второго логического элемента НЕ 2, второй - с общей шиной, третий логический элемент НЕ 4, вход которого соединен с выходом первого логического элемента НЕ 2, четвертый логический элемент НЕ 5, вход которого соединен с выходом второго логического элемента НЕ 3, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6, первый вход которого соединен с выходом третьего логического элемента НЕ 4, второй - с выходом четвертого логического элемента НЕ 5, генератор опорной частоты 7, логический элемент 2И 8, первый вход которого соединен с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6, а второй вход - с выходом генератора опорной частоты 7, логический элемент 2И-НЕ 9, первый вход которого соединен с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6, а на второй вход подается сигнал, счетчик импульсов 10, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента 2И 8, а вход сброса в начальное состояние - с выходом логического элемента 2И-НЕ 9, а выход является выходной шиной устройства.
Работает устройство следующим образом.
X
X
При подаче на элементы устройства напряжения питания на выходе генератора прямоугольных импульсов 1 и на выходе генератора опорной частоты 7 появляются прямоугольные импульсы с частотами следования F и  соответственно, причем  На выходе четвертого логического элемента НЕ 5 появляются прямоугольные импульсы с частотой следования F, в то время, как на выходе третьего логического элемента НЕ 4 появляются прямоугольные импульсы с частотой следования F через время τ - задержки, длительность которой пропорциональна измеряемой емкости C. Выходные прямоугольные импульсы третьего и четвертого логических элементов НЕ 4 и 5 подаются, соответственно, на первый и второй входы логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6, в результате чего на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6 появляется последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна задержке τ. Данная последовательность прямоугольных импульсов поступают на первый вход логического элемента 2И 8, а на второй вход - прямоугольные импульсы с частотой следования  Таким образом происходит разбиение длительности положительных импульсов сигнала на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6 на число импульсов частоты  опорного генератора 7, подсчет которых осуществляется счетчиком импульсов 10, сброс которого в исходное состояние осуществляется логическим элементом 2И-НЕ 9, первый вход которого соединен с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6, а на второй вход подается сигнал  Таким образом сброс счетчика импульсов 10 происходит только при отрицательных импульсах сигнала на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6, а также при отрицательных импульсах сигнала  На выходе счетчика импульсов 10 появляется двоичный код, соответствующая величина которого пропорциональна задержке τ, а значит и измеряемой емкости C.
Положительный эффект, заключающийся в уменьшении числа логических элементов и, как следствие, уменьшении потребляемой мощности и занимаемой площади на кристалле, а также устранении влияния фазовых шумов на точность преобразования емкости, получен за счет введения перечисленных выше новых признаков, не определяется конкретной технологией реализации устройства и обеспечивает возможность и эффективность использования цифрового фазового преобразователя емкости в двоичный код в устройствах обработки информации микромеханических гироскопов-акселерометров, например, а также в других сенсорах емкостного типа. Кроме того, цифровой фазовый преобразователь емкости в двоичный код содержит исключительно компоненты цифровой схемотехники, следовательно, обладает свойством масштабируемости.