ЧАС-ІМПУЛЬСНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ДЛЯ ЄМНІСНИХ ПАРАМЕТРИЧНИХ СЕНСОРІВ

Анотація

Розглянуто актуальне питання метрологічного обґрунтування вибору схемотехнічних рішень для побудови час-імпульсних перетворювачів ємнісних параметричних сенсорів, що застосовуються у сучасних системах промислової автоматизації та контрольно-вимірювальній техніці. У роботі проведено детальний порівняльний аналіз трьох поширених варіантів апаратної реалізації вимірювальних каналів: на базі дискретних компараторів напруги, спеціалізованого інтегрального одновібратора SN74ALS123 та прецизійного інтегрального таймера серії NE555. Обґрунтовано доцільність використання таких рішень як надійної та значно дешевшої альтернативи спеціалізованим інтегральним перетворювачам ємності в цифру, які часто мають надлишкову складність для типових інженерних задач.

Дослідження основано на розробці уніфікованої математичної моделі функції вимірювального перетворення, що базується на аналізі експоненціального перехідного процесу заряду часозадавальної RC-ланки. Доведено математичну подібність функцій перетворення для всієї досліджуваної групи схем, що дає змогу використовувати єдині алгоритми обробки сигналів. За допомогою комп’ютерного моделювання в аналітичному середовищі Maple виконано метрологічний аналіз впливу технологічних допусків пасивних компонентів та варіації внутрішніх параметрів мікросхем на кінцевий результат вимірювання. Побудовано тривимірні характеристичні поверхні, які ілюструють залежність вихідного цифрового коду від ємності сенсора та апаратних параметрів схеми.

Встановлено, що за використання тактової частоти квантування 100 МГц відносна похибка дискретизації не перевищує 0,09 % у діапазоні близько 1 нФ, що є нехтовно малим порівняно з похибками аналогової частини. Визначено, що переважним чинником сумарної похибки є технологічний розкид параметрів опорного резистора (±5 %) та власного коефіцієнта пропорційності мікросхеми (±2 %). Для нівелювання цих впливів запропоновано методику дворівневої програмної корекції, що базується на процедурі індивідуального калібрування кожного екземпляра пристрою. Запропонований підхід забезпечує високу точність вимірювання за використання доступної елементної бази.