CS254278B1

CS254278B1 - Small direct-current electric currents' measuring connection

Info

Publication number: CS254278B1
Application number: CS8410151A
Authority: CS
Inventors: Karel Knapp
Original assignee: Karel Knapp
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1984-12-21
Publication date: 1988-01-15
Also published as: CS1015184A1

Abstract

Zapojení pro měření malých stejnosměrných elektrických proudů spočívá ve využití upravené metody dvojí integrace, v němž je místo nestabilního vysokoobjemověho odporu použito stabilnějšího nízkokapacitního kondenzátoru. Vliv dlouhodobých nestabilit použitého kondenzátoru je odstraněn právě použitím metody dvojí integraceThe wiring for measuring small DC current is based on the use of a modified dual integration method in which a more stable low capacity capacitor is used instead of the unstable high volume resistance. The effect of long-term instabilities of the capacitor used is eliminated by using the dual integration method

Description

Vynález se týká zapojení pro měření malých stejnosměrných elektrických proudů upravenou metodou dvojí integrace.The invention relates to a circuit for measuring small DC electrical currents by a modified dual integration method.

Dosud běžně používaná zapojení pro měření malých proudů využívají jako měřící elementy zpravidla málo stabilní vysokoohmové odpory. Výstupní signál mívá většinou formu napětí a k jeho digitalizaci je potřeba příslušných převodníků.Commonly used circuits for measuring low currents have generally used low-resistance high-resistance resistors as measuring elements. The output signal usually takes the form of a voltage and its digitalization requires appropriate converters.

Uvedený problém vhodnějším způsobem řeší zapojení pro měření malých stejnosměrných elektrických proudů upravenou metodou dvojí integrace podle vynálezu. Podstatou vynálezu je, že zdroj měřeného proudu je připojen k prvému kontaktu prvního přepínače, jehož druhý kontakt je uzemněn a třetí kontakt je připojen jednak na invertující vstup elektrometrického operačního zesilovače, jehož neinvertující vstup je uzemněn a jeho výstup je připojen jednak na jeden vývod druhého zpětnovazebního kondenzátoru, jehož druhý vývod je připojen na invertující vstup elektrometrického operačního zesilovače, jednak na první kontakt druhého spínače a jednak na neinvertující vstup komparátoru, na jehož invertující vstup je připojen zdroj prahového napětí, přičemž výstup komparátoru je spojen se vstupem řídicího obvodu, přitom zdroj referenčního napětí je připojen přes odpor na invertující vstup operačního zesilovače, jehož neinvertující vstup je uzemněn a jehož výstup je připojen jednak na jeden vývod prvého zpětnovazebního kondenzátoru, jehož druhý vývod je spojen s invertující vstupem operačního zesilovače, jednak na první kontakt prvního spínače, jehož druhý kontakt je rovněž spojen s invertujícím vstupem operačního zesilovače a jednak přes kondenzátor na první kontakt druhého přepínače, jehož druhý kontakt je uzemněn a třetí kontakt je připojen na invertující vstup elektrometrického operačního zesilovače.This problem solves in a more appropriate manner the circuitry for measuring small DC electrical currents by the modified dual integration method of the invention. The principle of the invention is that the measured current source is connected to the first contact of the first switch whose second contact is grounded and the third contact is connected to the inverting input of an electrometric opamp, whose non-inverting input is grounded and its output is connected to one terminal of the second feedback the second output is connected to the inverting input of the electrometric operational amplifier, the first contact of the second switch and the non-inverting input of the comparator, the inverting input of which is connected to a threshold voltage source, the comparator output being connected to the control circuit input the voltage is connected via a resistor to an inverting input of an operational amplifier whose non-inverting input is grounded and whose output is connected to one terminal of the first feedback capacitor, the other terminal of which is connected to by inverting the operational amplifier input, first to the first contact of the first switch, the second contact of which is also connected to the inverting input of the operational amplifier, and through the capacitor to the first contact of the second switch, the second contact of which is grounded;

Zapojení podle vynálezu neobsahuje jako měřicí elementy nestabilní vysokoohmový odpor, ale stabilnější nízkokapacitní kondenzátor. Vliv dlouhodobých nestabilit tohoto kondenzátoru je navíc použitou metodou odstraněn.The circuit according to the invention does not contain, as measuring elements, an unstable high ohmic resistor, but a more stable low-capacity capacitor. Moreover, the effect of long-term instabilities of this capacitor is eliminated by the method used.

Zapojení pro měření malých stejnosměrných elektrických proudů upravenou metodou dvojí integrace podle vynálezu je uvedeno na přiloženém výkresu. Zdroj JL měřeného proudu je připojen k prvému kontaktu 2 prvního přepínače 5, jehož druhý kontakt 2 í^e uzemněn a třetí kontakt £ je připojen jednak na invertující vstup 21 elektrometrického operačního zesilovače 24, jehož neinvertující vstup 22 je uzemněn a jehož výstup 23 je připojen jednak na jeden vývod zpětnovazebního kondenzátoru 25, jehož druhý vývod je připojen na invertující vstup 21 elektrometrického operačního zesilovače 24, jednak na první kontakt 27 druhého spínače 28 a jednak na neinvertující vstup 29 komparátoru 32, na jehož invertující vstup 30 je připojen zdroj 33 prahového napětí, přičemž výstup 31 komparátoru 32 je spojen se vstupem 34 řídicího obvodu J35., přitom zdroj 6 referenčního napětí je připojen přes odpor Ί_ na invertující vstup jí operačního zesilovače 11, jehož neinvertující vstup 2 je uzemněn a jehož výstup 10 je připojen jednak na jeden vývod prvého zpětnovazebního kondenzátoru 12, jehož druhý vývod je spojen s invertuj ícím vstupem Ej operačního zesilovače 11, jednak na první kontakt 14 prvního spínače 15, jehož druhý kontakt 13 je rovněž spojen s invertujícím vstupem operačního zesilovače 11 a jednak přes kondenzátor 16 na první kontakt ' 17 druhého přepínače 20, jehož druhý kontakt 18 je uzemněn a třetí kontakt 19 je připojen na invertující vstup 21 elektrometrického operačního zesilovače 24The circuitry for measuring low DC currents by the modified dual integration method of the invention is shown in the attached drawing. Source JL measured current is connected to the first contact 2, the first switch 5, the second contact 2 ^te grounded and third contact £ is connected both to the inverting input 21 elektrometrického operational amplifier 24 whose noninverting input 22 is grounded and whose output 23 is connected both one output of the feedback capacitor 25, the other of which is connected to the inverting input 21 of the electrometric opamp 24, the first contact 27 of the second switch 28, and the non-inverting input 29 of the comparator 32, the inverting input 30 of which the output 31 of the comparator 32 is connected to the input 34 of the control circuit J35, wherein the reference voltage source 6 is connected via a resistor Ί to the inverting input thereof of the operational amplifier 11, whose non-inverting input 2 is grounded and whose output 10 is connected feedback a capacitor 12 whose second outlet is connected to the inverting input Ej of the operational amplifier 11, on the one hand to the first contact 14 of the first switch 15, whose second contact 13 is also connected to the inverting input of the operational amplifier 11 and a switch 20 whose second contact 18 is grounded and the third contact 19 is connected to an inverting input 21 of an electrometric opamp 24

Zapojení podle vynálezu převádí elektrický proud na délku časového intervalu, kterou lze případně dále snadno převést na počet impulsů. Měřeni proudu v uvedeném zapojení má pět fází.The circuit according to the invention converts the electric current into a length of time, which can optionally be further converted into pulses. The current measurement in said circuit has five phases.

V první fázi je prvý kontakt 2 spojen s druhým kontaktem 2 prvního přepínače .5 a prvý φ kontakt 17 je spojen s druhým kontaktem 18 druhého přepínače 20 Dále je spojen druhý kontakt 13 s prvním kontaktem 14 prvního spínače 15 a druhý kontakt 26 s prvním kontaktem 27 druhého spínače 28. V této. fázi se nastaví počáteční podmínky. Ve druhé fázi se spojí prvý kontakt 2 se třetím kontaktem 4 prvního přepínače 5. a druhý kontakt 26 a první kontakt 27 druhého spínače 28 se rozpojí.In a first phase, the first contact 2 is connected to the second contact 2 of the first switch 5, and the first contact 17 is connected to the second contact 18 of the second switch 20. Further, the second contact 13 is connected with the first contact 14 of the first switch 15 and the second contact 26 with the first contact. 27 of the second switch 28. In this. the initial conditions are set in the phase. In a second phase, the first contact 2 is connected to the third contact 4 of the first switch 5, and the second contact 26 and the first contact 27 of the second switch 28 are opened.

Zůstanou spojeny prvý kontakt 1/ s druhým kontaktem 18 druhého přepínače 20 a druhý kontakt 13 s prvním kontaktem 14 prvního spínače 15. Zdroj 2 měřeného proudu je tedy připojen na vstup integrátoru, tvořeného elektrometrickým operačním zesilovačem 24 a zpětnovazebním kondenzátorem 25. Dále uvažujeme například zápornou polaritu měřeného proudu. Napětí na výstupu 23 elektrometrického operačního zesilovače 24 bude narůstat.V okamžiku, kdy toto napětí překročí velikost prahového napětí zdroje 33, komparátor 32 překlopí řídicí obvod 35, který ovládá všechny kontakty, zajistí ukončení druhé fáze .po době od tohoto okamžiku.The first contact 1 / the second contact 18 of the second switch 20 and the second contact 13 with the first contact 14 of the first switch 15 remain connected. Thus, the measured current source 2 is connected to the input of an integrator consisting of an electrometric operational amplifier 24 and a feedback capacitor 25. polarity of the measured current. The voltage at the output 23 of the electrometric operational amplifier 24 will increase. As soon as this voltage exceeds the threshold voltage of the source 33, the comparator 32 flips the control circuit 35, which controls all the contacts, to ensure termination of the second phase thereafter.

Ve třetí fázi je prvý kontakt 2 spojen s druhým kontaktem 2 prvého přepínače 5, prvý kontakt 17 zůstává spojen s druhým kontaktem 18 druhého přepínače 20, druhý kontakt 26 a první kontakt 27 druhého spínače 28 zůstávají rozpojeny a druhý kontakt 13 a první kontakt 14 prvního spínače 15 se rozpojí. Při záporném referenčním napětí začne na výstupu 10 operačního zesilovače 21, který tvoří spolu s kondenzátorem 12 a odporem Ί_ integrátor, lineárně narůstat napětí. Kondenzátorem 16 bude protékat proud úměrný velikosti kapacity kondenzátoru 16 a rychlosti změny napětí na výstupu 22.· Ve čtvrté fázi zůstane první kontakt 2 spojen s druhým kontaktem 2 prvého přepínače 5./ druhý kontakt 13 a první kontakt 14 prvního spínače 15 zůstanou rozpojeny, druhý kontakt 26 a první kontakt 27 druhého spínače 28 zůstanou také rozpojeny první kontakt 17 a třetí kontakt 19 druhého přepínače 20 se spojí.In the third phase, the first contact 2 is connected to the second contact 2 of the first switch 5, the first contact 17 remains connected to the second contact 18 of the second switch 20, the second contact 26 and the first contact 27 of the second switch 28 remain open. switches 15 open. At a negative reference voltage, the output 10 of the operational amplifier 21, which together with the capacitor 12 and the resistor Ί, begins to build up a voltage linearly. A current proportional to the capacity of the capacitor 16 and the rate of change of output voltage 22 will flow through the capacitor 16. In the fourth phase, the first contact 2 remains connected to the second contact 2 of the first switch 5. / second contact 13 and the first contact 14 of the first switch 15 remains open; the contact 26 and the first contact 27 of the second switch 28 also remain open, the first contact 17 and the third contact 19 of the second switch 20 are closed.

Napětí na výstupu 23 elektrometrického operačního zesilovače 24 začne klesat. Za dobu T₂ poklesne na hodnotu prahového napětí zdroje .33r komparátor 32 překlopí a řídicí obvod 35 ukončí tuto fázi. V páté fázi zůstane první kontakt 2 spojen s druhým kontaktem 2 prvého přepínače 2, druhý kontakt 13 a první kontakt 14 prvního spínače 15 zůstanou rozpojeny, první kontakt 17 a druhý kontakt 18 druhého přepínače 20 se spojí a druhý kontakt 26 a první kontakt 27 druhého spínače 28 se spojí. Třetí a pátá fáze byly zařazeny z důvodů potlačení vlivu přechodových jevů při spínání kontaktů.The voltage at the output 23 of the electrometric opamp 24 starts to decrease. In time T _{2, it} drops to the threshold voltage of the source 33r, the comparator 32 flips and the control circuit 35 terminates this phase. In the fifth phase, the first contact 2 remains connected to the second contact 2 of the first switch 2, the second contact 13 and the first contact 14 of the first switch 15 remain open, the first contact 17 and the second contact 18 of the second switch 20 switches 28 are closed. The third and fifth phases were included in order to suppress the effects of transients in switching contacts.

Označíme-li kapacitu kondenzátoru 12, ^c2 kapacitu kondenzátoru 21/ R velikost odporu 2 a velikost výstupního napětí zdroje 2 referenčního napětí, bude pro velikost měřeného proudu I zdroje 2 měřeného proudu platit vztah:If capacitor capacitance 12, ^c 2 is capacitance 21 / R, the size of the resistor 2 and the output voltage of the reference voltage source 2 are equal to the following:

Z tohoto vztahu vyplývá, že velikost měřeného proudu je úměrná době trvání čtvrté fáze T₂ a do jisté míry nezávisí na velikosti měřicího druhého zpětnovazebního kondenzátoru 25. Navíc lze citlivost zapojení měnit vhodnou volbou velikosti referenčního napětí a doby spínání bez přepínání měřicího elementu.It follows from this relationship that the magnitude of the measured current is proportional to the duration of the fourth phase T ₂ and to some extent does not depend on the magnitude of the second feedback capacitor 25. Moreover, the wiring sensitivity can be varied by selecting the reference voltage and switching time appropriately without switching the measuring element.

Zapojení pro měření malých proudů podle vynálezu představuje neobvyklý princip měření malých stejnosměrných elektrických proudů. Může se stát základem pikoampérmětrů řízených mikropočítačem a určených pro experimenty na výzkumných a vývojových pracovištích v řadě oblastí vědy a techniky, například ve fyzice pevných látek, v jaderné fyzice, chemii atd.The low current measurement circuitry of the present invention is an unusual principle of measuring small direct current electrical currents. It can become the basis of microcomputer-controlled picoameters designed for experiments at research and development sites in a number of fields of science and technology, such as solid state physics, nuclear physics, chemistry, etc.

Claims

Circuit for measuring low DC currents, characterized in that the measured current source (1) is connected to the first contact (2) of the first switch (5), the second contact (3) of which is grounded and the third contact (4) of both an inverting input (21) of an electrometric opamp (24) whose non-inverting input (22) is grounded and whose output (23) is connected to one terminal of the second feedback capacitor (25), the other terminal of which is connected to the inverting input (21) and a non-inverting input (29) of a comparator (32) to which an inverting input (30) is coupled to a threshold voltage source (33), the output (31) of the comparator (32) is connected to the input (34) of the control circuit (35), the reference voltage source (6) being connected via an resistor (7) to the inverting input (8) of the ope a boost amplifier (11), the non-inverting input (9) of which is grounded and whose output (10) is connected to one terminal of the first feedback capacitor (12), the other terminal of which is connected to the inverting input (8) of the operational amplifier (11); firstly, on the first contact (14) of the first switch (15), the second contact (13) of which is also connected to the inverting input (8) of the operational amplifier (11) and secondly through the capacitor (16) to the first contact (17) of the second switch ), whose second contact (18) is grounded and the third contact (19) is connected to an inverting input (21) of the electrometric opamp (24).