ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЕМКОСТИ В ЧАСТОТУ
HIGH-SENSITIVE CONVERTER OF CAPACITANCE INTO FREQUENCY

Предлагаемое изобретение относится к цифровой измерительной технике, а именно к устройствам преобразования емкости в частоту, и может быть использовано в устройствах первичной обработки информации емкостных преобразователей микро- и наномеханических гироскопов и акселерометров.
Функциональным аналогом заявляемого изобретения является преобразователь емкости в частоту [Суетин В.Я. Цифровые измерительные приборы. - М.: Радио и связь, 1984. - 80 с.; рис. 22, с. 36], содержащий измеряемую емкость, образцовый конденсатор, усилитель постоянного тока, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом образцового конденсатора и с первым выводом измеряемой емкости, а выход - со вторым выводом образцового конденсатора, зарядовый усилитель, вход которого соединен с выходом усилителя постоянного тока, делитель напряжения, компаратор, первый вход которого соединен с выходом зарядового усилителя, а второй вход - с выходом делителя напряжения, формирователь прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом компаратора, а выход является выходной шиной устройства и при этом соединен со входом делителя напряжения и со вторым выводом измеряемой емкости.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются измеряемая емкость и образцовый конденсатор.
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, усилителя постоянного тока, зарядового усилителя, делителя напряжения и компаратора, а также высокая чувствительность к шумам усилителя постоянного тока и зарядового усилителя.
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.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению 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 прототипа, 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.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение чувствительности, снижение погрешности преобразования измеряемой емкости в частоту и снижение чувствительности к шумам.
Для достижения необходимого технического результата в высокочувствительный преобразователь емкости в частоту, содержащий измеряемую емкость, образцовый конденсатор, генератор опорной частоты, счетчик импульсов, введены генератор прямоугольных импульсов, в частотозадающую цепь которого включены образцовый конденсатор и параллельно ему измеряемая емкость, второй образцовый конденсатор, второй генератор прямоугольных импульсов, в частотозадающую 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 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.
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 увеличении чувствительности, снижении погрешности преобразования измеряемой емкости в частоту и снижении чувствительности к шумам.
На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого высокочувствительного преобразователя емкости в частоту. На фиг. 2 приведены временные диаграммы предлагаемого высокочувствительного преобразователя емкости в частоту.
X
1
1
X
2
1
2
Высокочувствительный преобразователь емкости в частоту содержит измеряемую емкость C, образцовый конденсатор G, генератор прямоугольных импульсов 1, в частотозадающую цепь которого включены образцовый конденсатор С и параллельно ему измеряемая емкость C, второй образцовый конденсатор С=С, второй генератор прямоугольных импульсов 2, в частотозадающую цепь которого включен второй образцовый конденсатор С, генератор опорной частоты 3, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, первый вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов 1, а второй вход - с выходом второго генератора прямоугольных импульсов 2, логический элемент 2И-НЕ 5, первый вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты 3, а второй вход - с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, логический элемент 2ИЛИ-НЕ 6, первый вход которого соединен с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, а второй вход - с выходом генератора опорной частоты 3, логический элемент НЕ 7, вход которого соединен с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, счетчик импульсов 8, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента 2И-НЕ 5, а вход сброса в начальное состояние - с выходом логического элемента НЕ 7, второй счетчик импульсов 9, счетный вход которого соединен с выходом логического элемента 2ИЛИ-НЕ 6, а вход сброса в начальное состояние - с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, асинхронный RS-триггер 10, первый вход которого соединен с выходом старшего разряда счетчика импульсов 8, второй вход - с выходом старшего разряда второго счетчика импульсов 9, а выход является выходной шиной устройства.
Работает устройство следующим образом.
1
X
1
2
1
При подаче на элементы устройства напряжения питания на выходе генератора прямоугольных импульсов 1, в частотозадающую цепь которого включен образцовый конденсатор С и параллельно ему измеряемая емкость C<<С, появятся прямоугольные импульсы с частотой следования  и со скважностью S=2 (фиг. 2,а), на выходе второго генератора прямоугольных импульсов 2, в частотозадающую цепь которого включен второй образцовый конденсатор С=С, появятся прямоугольные импульсы с частотой следования  и со скважностью S=2 (фиг. 2,б), на выходе генератора опорной частоты 3 появятся прямоугольные импульсы с частотой следования  и со скважностью S=2 (фиг. 2,в).
X
Выходные прямоугольные импульсы генераторов 1 и 2 подаются соответственно на первый и второй входы логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, в результате чего на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 появится последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 2,г), скважность которых будет периодически изменяться во времени с частотой  пропорциональной измеряемой емкости C:
X
1
Учитывая, что C<<С, выражение для разностной частоты  может быть представлено в виде:
Импульсы с изменяющейся во времени скважностью с выхода логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 (фиг. 2,г) поступают на первый вход логического элемента 2ИЛИ-НЕ 6 и на второй вход логического элемента 2И-НЕ 5. При этом на второй вход логического элемента 2ИЛИ-НЕ 6 и на первый вход логического элемента 2И-НЕ 5 поступают прямоугольные импульсы с генератора опорной частоты 3 (фиг. 2,в) с частотой следования  В результате на выходе логического элемента 2И-НЕ 5 формируются серии импульсов с частотой  (фиг. 2,д) с числом импульсов в каждой серии, пропорциональным длительности выходных импульсов логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, а на выходе логического элемента 2ИЛИ-НЕ 6 формируются серии импульсов с частотой  (фиг. 2,е) с числом импульсов в каждой серии, пропорциональным длительности интервалов между выходными импульсами логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4.
Серии выходных импульсов логического элемента 2И-НЕ 5 (фиг. 2,д) поступают на счетный вход счетчика импульсов 8. При этом на вход сброса в начальное состояние счетчика импульсов 8 поступают импульсы с выхода логического элемента НЕ 7 (фиг. 2,ж), вход которого соединен с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4. В результате при установлении на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 низкого уровня напряжения логического нуля и, соответственно, на выходе логического элемента НЕ 7 - высокого уровня логической единицы счетчик импульсов 8 устанавливается в исходное нулевое состояние, а при установлении на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 высокого уровня напряжения логической единицы и соответственно на выходе логического элемента НЕ 7 - низкого уровня логического нуля счетчик импульсов 8 наращивает свое состояние по поступлению на его счетный вход очередной серии импульсов с выхода логического элемента 2И-НЕ 5 (фиг. 2,д).
Разрядность R счетчиков импульсов 8 и 9 определяет соотношение частот второго генератора импульсов 2  и генератора опорной частоты  следующим образом:
R-l
Если в очередной серии импульсов, поступающих с выхода логического элемента 2И-НЕ 5, число импульсов превысит 2, где R - разрядность счетчика импульсов 8, на выходе старшего разряда счетчика 8 появляется высокий уровень логической единицы (фиг. 2,з). В результате импульсы на выходе старшего разряда счетчика 8 (фиг. 2,з) появляются при появлении более длительных импульсов на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 (фиг. 2,г).
Серии выходных импульсов логического элемента 2ИЛИ-НЕ 6 (фиг. 2,е) поступают на счетный вход второго счетчика импульсов 9. При этом на вход сброса в начальное состояние второго счетчика импульсов 9 поступают импульсы с выхода логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 (фиг. 2,г). В результате при установлении на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 высокого уровня напряжения логической единицы второй счетчик импульсов 9 устанавливается в исходное нулевое состояние, а при установлении на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 низкого уровня напряжения логического нуля второй счетчик импульсов 9 наращивает свое состояние по поступлению на его счетный вход очередной серии импульсов с выхода логического элемента 2ИЛИ-НЕ 6 (фиг. 2,е).
R-1
Если в очередной серии импульсов, поступающих с выхода логического элемента 2ИЛИ-НЕ 6, число импульсов превысит 2, где R - разрядность второго счетчика импульсов 9, на выходе старшего разряда счетчика 9 появляется высокий уровень логической единицы (фиг. 2,и). В результате импульсы на выходе старшего разряда счетчика 9 (фиг. 2,и) появляются при появлении более длительных интервалов между импульсами на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 (фиг. 2,г).
X
Поскольку импульсы на выходе старшего разряда счетчика 8 (фиг. 2,з) появляются при появлении более длительных импульсов на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 (фиг. 2,г), а импульсы на выходе старшего разряда счетчика 9 (фиг. 2,и) появляются при появлении более длительных интервалов между импульсами на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4 (фиг. 2,г), серии импульсов на выходах старших разрядов счетчиков 8 и 9 оказываются разнесенными во времени (фиг. 2,з, и) и поступление этих импульсов соответственно на первый и второй входы RS-триггера 10, на выходе триггера, являющемся выходной шиной устройства, будут формироваться прямоугольные импульсы, частота следования которых будет равна разностной частоте  пропорциональной измеряемой емкости C.
Использование в преобразователе емкости в частоту только элементов двухуровневой логики обеспечивает нечувствительность устройства к шумам. Допустимый уровень шума определяется разностью между минимально допустимым уровнем напряжения логической единицы и максимально допустимым уровнем напряжения логического нуля.
Использование разностного принципа формирования выходного сигнала устройства в виде прямоугольных импульсов с частотой следования
обеспечивает чувствительность, определяемую как
1
В результате уменьшение емкости С образцовых конденсаторов обеспечивает квадратичное увеличение чувствительности устройства, а нечувствительность к шумам, обусловленная использованием только элементов двухуровневой логики, позволяет значительно уменьшить пороговое значение измеряемой емкости.
Использование двух идентичных генераторов прямоугольных импульсов с одинаковыми образцовыми конденсаторами и разностный принцип формирования выходного сигнала обеспечивают высокую стабильность работы устройства при воздействии дестабилизирующих факторов. Например, коэффициент температурной нестабильности генераторов прямоугольных импульсов определяется выражением
где Т - температура. При этом коэффициент температурной нестабильности выходной (разностной) частоты может быть выражен как
X
1
то есть будет в C/С раз меньше коэффициентов температурной нестабильности генераторов. Данная особенность обеспечит снижение погрешности преобразования емкости в частоту, обусловленную различными факторами нестабильности отдельных элементов устройства.
Положительный эффект, заключающийся в увеличении чувствительности, снижении погрешности преобразования измеряемой емкости в частоту и снижении чувствительности к шумам, получен за счет введения перечисленных выше новых признаков, не определяется конкретной технологией реализации устройства и обеспечивает возможность и эффективность использования высокочувствительного преобразователя емкости в частоту в устройствах первичной обработки информации емкостных преобразователей микро- и наномеханических гироскопов и акселерометров.