9.26. Кулонометр

Схема, показанная на рис. 9.66, представляет собой токовый интегратор с уравновешиванием заряда, или «кулонометр». Этот прибор можно использовать для измерения интегрального тока (полного заряда) за определенный интервал времени; он может найти применение в области электрохимии или для электрофореза. Начнем с нижнего левого угла, где интегрируемый ток протекает через мощный прецизионный -проводный резистор, образуя пропорциональное напряжение. ИМС2 является сравнительно недорогим (менее 5 долл.) прецизионным операционным усилителем с одним источником питания, с низким начальным сдвигом напряжения и малым дрейфом сдвига во времени и по температуре (менее на градус и в месяц).

Рис. 9.65. Однокристальный «3 1/2-знаковый» цифровой вольтметр с двухстадийным интегрированием. В - высокий; Н - низкий.

(см. оригинал)

Рис. 9.66. Кулонометр (счетчик накопленного заряда). К.Т. - контрольная точка интегратора; Пр - предохранитель; НК - неподключенный контакт; МЗЦ - младшая значащая цифра; СЗЦ - старшая значащая цифра.

Он формирует выходной ток, программируемый измеряемым током и запускает зарядоуравновешивающий интегратор на ИМСЗ. С помощью поворотного переключателя на входе выбирается один из пяти декадных пределов чувствительности, причем на любом диапазоне полному входному сигналу соответствует ток в коллекторе Транзистор - это полевой МОП-транзистор (а не биполярный плоскостной транзистор), используемый для исключения ошибки управляющего тока.

Схема уравновешивания заряда является обычной дельта-сигма-схемой с полевым -канальным транзистором , работающим в режиме обогащения, который выдает порции заряда в соответствии с состоянием триггера после каждого такта синхронизации. ИМС56 работает как одновибратор, увеличивая состояние двоичной пересчетной схемы ИМС7 на каждом такте, в течение которого находится в проводящем состоянии.

Эта схема не подсчитывает какое-то определенное число тактов синхронизации, а просто накапливает до тех пор, пока не остановится. -разрядные счетчики ИМС9 и отслеживают общий заряд и управляют -разрядным дисплеем на светодиодах.

Если измеряемый ток превышает максимальный ток выбранного диапазона, то ток не способен уравновесить ток даже если транзистор будет постоянно включен; при этом зафиксированное на счетчиках значение заряда будет содержать ошибку. проверяет условие выхода за пределы диапазона и зажигает светодиод, если выходной сигнал интегратора превышает фиксированный уровень опорного напряжения (который выбирается с запасом по отношению к нормальным условиям работы интегратора).

Некоторые подсчеты при проектировании.

При проектировании схемы типа этой следует принять несколько решений. Например, большинство элементов КМОП-логики работают от напряжения для того, чтобы упростить коммутацию транзистора . Поскольку -разрядные счетчики работают от напряжения , для сопряжения высокоуровневых сигналов КМОП-логики с уровнями счетчика использована схема 4049. ИМС4 работает от одного источника питания и ее выходной сигнал изменяется от нуля до , что упрощает подключение к . Для того чтобы обеспечить достаточный диапазон работы транзистора , опорное напряжение для интегратора и компаратора устанавливается с помощью стабилитрона на уровне ; здесь подойдет самый простой стабилитрон, поскольку точность не требуется. Обратите внимание на то, что прецизионное опорное напряжение зависит от напряжения , использованного для масштабирования тока, коммутируемого в интеграторе. Рабочий ток источника используется заодно и для смещения стабилитрона.

Ключ может оказать существенное влияние на общую точность прибора. Если он обладает слишком большой емкостью, то дополнительный заряд на его стоке приведет к погрешности. Схемное решение, использованное в предыдущем примере (коммутация на землю во время циклов отклонения тока), в данном случае не подойдет, поскольку ошибки напряжения сдвига ИМСЗ приведут к постоянной ошибке при очень малых токах. Используя однополюсный однонаправленный переключатель, показанный на схеме, можно увеличить динамический диапазон за счет некоторого снижения точности (что вызвано избыточным зарядом на стоке транзистора , который интегрируется на каждом такте). Выбранный операционный усилитель интегратора представляет собой усилитель на полевых МОП-транзисторах с малыми токами смещения и поэтому пренебрежимо малой погрешностью по току (10 пА тип.). Поскольку операционные усилители на полевых транзисторах имеют, как правило, большие напряжения сдвига, чем усилители на биполярных транзисторах, такой выбор усилителя только обострит только что рассмотренную проблему динамического диапазона при использовании однополюсного ключа на два направления.

Динамический диапазон.

Важно понимать, что этот прибор спроектирован в расчете на большой динамический диапазон с точным интегрированием тока, изменяющегося в процессе эксперимента на несколько порядков по величине. Именно по этой причине большое внимание уделяется схеме «переднего края» на прецизионном операционном усилителе с цепью подстройки сдвига, обеспечивающей прецизионную регулировку (обычная схема подстройки имеет, как правило, полный диапазон в несколько милливольт, что затрудняет точную подстройку сдвига на нуле). При подстройке ИМС2 на сдвиг или менее динамический диапазон прибора будет превышать .