ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЕМКОСТЬ-НАПРЯЖЕНИЕ
CAPACITANCE-VOLTAGE MEASURING TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения средств измерения физических величин с помощью емкостных датчиков.
вых
ос
ос
оп1
оп2
оп
оп1
оп2
оп
вых
оп1
оп2
оп
ос
Известен преобразователь емкость-напряжение, выбранный в качестве аналога, опубликованный в статье "Measurement and control circuit collection: Diapers and designs on the night shift" Linear Technology Corp., Milpitas, Calif., Application Note 45, Jun. 1991. стр. AN45-9, содержащий источник опорного напряжения, первый и второй масштабные преобразователи, опорный конденсатор, конденсатор обратной связи, емкостный датчик, первый, второй, третий и четвертый двухпозиционные переключатели, интегратор. В таком преобразователе выходное напряжение устанавливается равным U=ΔQ/С, где ΔQ - разность зарядов, инжектируемых в интегратор из опорного конденсатора и емкостного датчика при их одновременном подключении к суммирующему входу интегратора; С - емкость конденсатора обратной связи, так же подключаемой к суммирующему входу интегратора одновременно с опорным конденсатором и емкостным датчиком. Поскольку ΔQ=U*C-U*С, где U - напряжение на выходе первого масштабного преобразователя, U - напряжение на выходе второго масштабного преобразователя, С - емкость емкостного датчика, С - емкость опорного конденсатора, то выходное напряжение определяется выражением: U=(U*C-U*С)/С. Устройство имеет низкую точность преобразования, обусловленную влиянием паразитных емкостей двухпозиционных переключателей.
Наиболее близким аналогом является преобразователь емкость-напряжение, описанный в авторском свидетельстве SU №1144010, опубликованном 07.03.1985 г. Устройство для измерения давления, в котором емкостный датчик и опорный конденсатор своими вторыми обкладками подключены к первому интегратору, на первую обкладку опорного конденсатора подается напряжение прямоугольной формы фиксированной амплитуды, а на первую обкладку емкостного датчика подается противофазное напряжение, амплитуда которого пропорциональна интегралу разности зарядов опорного конденсатора и емкостного датчика. Такое техническое решение обеспечивает существенное снижение влияния паразитных емкостей. Однако в цепи формирования напряжения, пропорционального разности зарядов опорного конденсатора и емкостного датчика, используется двухпозиционный переключатель, который при переключении заряжает проходной конденсатор дополнительным зарядом, что приводит к появлению существенной погрешности в величине выходного напряжения. На точность преобразования также влияет и напряжение смещения операционного усилителя, на котором построен интегратор, величина которого, как известно, зависит от температуры окружающей среды.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационных характеристик.
Технический результат - повышение точности преобразования величины емкости в напряжение за счет увеличения амплитуды напряжения, подаваемого на вход двухпозиционного переключателя, что обеспечивает уменьшение влияния на величину выходного напряжения заряда, вносимого двухпозиционным переключателем, а также уменьшение влияния напряжения смещения интегратора.
Это достигается тем, что в измерительный преобразователь емкость-напряжение, содержащий переходной конденсатор, источник опорного напряжения, выход которого подключен к входу генератора импульсов и входу масштабного преобразователя, первый двухпозиционный переключатель, управляющий вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а первый контакт подключен к выходу масштабного преобразователя, первый операционный усилитель с конденсатором в цепи обратной связи, вход которого через опорный конденсатор подключен к выходу генератора импульсов, а через емкостный датчик вход первого операционного усилителя подключен к выходу первого двухпозиционного переключателя, второй двухпозиционный переключатель, управляющий вход которого подключен к выходу генератора импульсов, а второй контакт к общей шине, второй операционный усилитель с накопительным конденсатором в цепи обратной связи, вход которого соединен с первым контактом второго двухпозиционного переключателя, а выход подключен ко второму контакту первого двухпозиционного переключателя, в отличие от известного добавлен усилитель, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, а выход через переходной конденсатор подключен к входу второго двухпозиционного переключателя.
На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого измерительного преобразователя емкость-напряжение, которая содержит емкостный датчик 1, источник опорного напряжения постоянного тока 2, генератор импульсов 3, опорный конденсатор 4, первый операционный усилитель 5 с конденсатором 6 в цепи обратной связи, второй операционный усилитель 7 с накопительным конденсатором 8 в цепи обратной связи, первый двухпозиционный переключатель 9, переходной конденсатор 10, масштабный преобразователь 11, второй двухпозиционный переключатель 12, усилитель 13. Емкостный датчик 1 может быть выполнен в виде конденсатора. Выход источника опорного напряжения постоянного тока 2 подключен к входу генератора импульсов 3 и входу масштабного преобразователя 11. Управляющий вход первого двухпозиционного переключателя 9 подключен к выходу генератора импульсов 3, а первый его контакт подключен к выходу масштабного преобразователя 11. Вход первого операционного усилителя 5 с конденсатором 6 в цепи обратной связи через опорный конденсатор 4 подключен к выходу генератора импульсов 3, а через емкостный датчик 1 вход первого операционного усилителя 5 подключен к выходу первого двухпозиционного переключателя 9. Управляющий вход второго двухпозиционного переключателя 12 подключен к выходу генератора импульсов 3, а второй контакт к общей шине. Вход второго операционного усилителя 7 с накопительным конденсатором 8 в цепи обратной связи соединен с первым контактом второго двухпозиционного переключателя 12, а выход подключен ко второму контакту первого двухпозиционного переключателя 9. Вход усилителя 13 подключен к выходу первого операционного усилителя 5, а выход через переходной конденсатор 10 подключен к входу второго двухпозиционного переключателя 12.
0
0
0
0
0
0
х
x
вых
0
x
вых
Принцип действия преобразователя основан на уравновешивании токов, протекающих через емкостный датчик 1 и опорный конденсатор 4. Импульсы напряжения амплитудой U с выхода генератора 3 поступают на опорный конденсатор 4. Синхронно с этими импульсами срабатывают двухпозиционные переключатели 9 и 12, причем при наличии нулевого потенциала на выходе генератора 3 двухпозиционные переключатели 9 и 12 занимают положение, при котором у переключателя 9 первый контакт замкнут с выходом, у переключателя 12 первый контакт замкнут с входом, а при высоком потенциале у переключателя 9 второй контакт замкнут с выходом, у переключателя 12 второй контакт замкнут с входом. При этом изменение заряда на опорном конденсаторе определяется его емкостью (С) и напряжением U, т.е. ΔQ=U*С. Изменение заряда на емкостном датчике 1 определяется его емкостью (С) и разностью напряжений на входах переключателя 9, т.е. ΔQ=(U-K*U)*C, где U - выходное напряжение усилителя 7; К - коэффициент преобразования масштабного преобразователя 11. Изменение зарядов на конденсаторах 1 и 4 приводит к изменению напряжения на выходе усилителя 5
y
л
где С - емкость конденсатора 6 в цепи обратной связи усилителя 5; δ - статическая погрешность усилителя 5. После усиления напряжения U усилителем 13 с коэффициентом усиления, равным К, изменение напряжения на выходе усилителя 13 будет равно
л
В момент изменения выходного напряжения генератора 3 до 0 соответствующее изменение на выходе усилителя 13 преобразуется в приращение напряжения на выходе усилителя 7. Происходит это следующим образом. При подключении переходного конденсатора 10 через второй переключатель 12 к входу операционного усилителя 7 происходящее при этом изменение напряжения на выходе усилителя 13 приводит к изменению напряжения на переходном конденсаторе 10 на величину U+σ, где σ - приращение напряжения на переходном конденсаторе 10, обусловленное паразитной инжекцией электрического заряда переключателем 12, что, в свою очередь, приводит к приращению заряда на накопительном конденсаторе 8. Изменение напряжения на выходе усилителя 7 происходит до тех пор, пока изменение напряжения на выходе усилителя 13 не станет равным значению напряжения на входе операционного усилителя 7. Тогда при подключении переходного конденсатора 10 к входу операционного усилителя 7 передача заряда в накопительный конденсатор 8 не происходит и, следовательно, напряжение на выходе операционного усилителя 7 не изменяется.
Таким образом, в установившемся режиме выполняется соотношение
оу
где К - коэффициент усиления операционного усилителя 7, а γ - его напряжение смещения по входу. Выражение  определяет потенциал входа операционного усилителя 7. Знак минус в этом выражении определяется инвертирующей схемой включения операционного усилителя.
0
x
С учетом значений ΔQ и ΔQ равенство (1) преобразуется к виду
откуда
х
л
оу
л
оу
При выполнении условия СКК>>С, которое обеспечивается большими значениями К и К, статическое уравнение преобразования устройства имеет вид
л
л
Уравнение (3) наглядно показывает, что введение в устройство усилителя с коэффициентом усиления К уменьшает погрешность измерения, вносимую двухпозиционным переключателем 12 и напряжением смещения операционного усилителя 7 в К раз. Следует заметить, что альтернативный путь уменьшения влияния указанных погрешностей путем уменьшения отношения  на практике не всегда возможен, поскольку обычно емкость емкостных датчиков не превышает десятков пикофарад.
Таким образом, наличие усилителя, включенного между выходом первого операционного усилителя и первым выводом переходного конденсатора, позволяет достичь технического результата - повысить точность преобразования величины емкости в напряжение за счет увеличения амплитуды напряжения, подаваемого на вход двухпозиционного переключателя, что обеспечивает уменьшение влияния на величину выходного напряжения заряда, вносимого двухпозиционным переключателем, а также влияния напряжения смещения интегратора.