Аналого-цифровой преобразователь сопротивления

 

1. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОПВОТИВЛЕНИЯ, содержащий источник измерительного напряжения, формирователь эталонного напряжения, блок управления, операционный усилитель , нелинейную интегрирующую цепь, коммутатор, причем выход источника измерительного напряжения соединен с одним входным зажимом устройства и с формирователем эталонного напря ,жения, второй входной зажим через коммутатор соединен с инвертирукмцим входом операционного усилителя и входом нелинейцой интегрирующей цепи, выход которой соединен с выходом операционного усилителя и входом блока управления, а второй выход источника измерительного напряжения, второй выход формирователя эталонного напряжения и неинвертирующий вход операционного усилителя соединены с земляной клеммой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и помехозащищенности, в него введены токоограничивающий элемент, ячейки памяти и помехозащитная цепь, причем вход токоограничивающего элемента соединен с входом помехозащитной цепи и с инвертирующим входом операционного усилителя, Ьыход токоограничивающего элемента через первый ключ коммутатора соединен с выходом формирователя эталонного напряжения, через второй ключ с выходом операционного усилителя, через третий ключ - с входом ячейки памяти, через четвертый ключ - с выходом помехозащитной цепи, выходы ячейки г памяти и помехозащитной цепи соединены с земляной клеммой, а вьпсоды блока 00 управления соединены с управляющими со э входами ключей коммутатора. 2. Преобразователь по п.1, о т л и чающийся тем, что параллельно нелинейному элементу интегрирующей цепи подключен ключ коммутатора.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

З(51) G 01 R 27/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCNOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР пО делАм изОБРетений и ОтнРытий (21) 3539390/18-21 (22) 12.01.83 (46) 15.08.84. Бюл. № 30 (72) Ю,Я.Бревде (53) 62 1.317.322(088.8) (56) 1. Диденко Б.М., Евланов А.И., Малиновский В.Н. Цифровой интегрирующий вольтметр с автоматической коррекцией дрейфа. Приборы и системы управления. M., 1973, № 2, с.14.

2. Коган Б.М., Войтелев A.È., Лукьянов Л.M. Системы связи УВМ с объектами управления в АСУ ТП. М., "Советское радио", 1978, с.259 (прототип). (54) (57) 1. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ, содержащий источник измерительного напряжения, формирователь эталонного напряжения, блок управления, операционный усилитель, нелинейную интегрирующую цепь, коммутатор, причем выход источника измерительного напряжения соединен с одним входным зажимом устройства и с формирователем эталонного напря.жения, второй входной зажим через коммутатор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и входом нелинейной интегрирующей цепи, выход которой соединен с выхо„.SU„„» ОВЗ69 А дом операционного усилителя и входом блока управления, а второй выход источника измерительного напряжения, второй выход формирователя эталонного напряжения и неинвертирующий вход операционного усилителя соединены с земляной клеммой, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повьпыения точности и помехозащищенности, в него введены токоограничивающий элемент, ячейки памяти и помехозащитная цепь, причем вход токоограничивающего элемента соединен с входом помехозащитной цепи и с инвертирующим входом операционного усилителя, йыход токоограничивающего элемента через первый ключ коммутатора соединен с выходом Формирователя эталонно- Q)

ro напряжения, через второй ключ с выходом операционного усилителя, через третий ключ — с входом ячейки Я памяти через четвертый ключ — с выхо. р

Вррррй дом помехозащитной цепи, выходы ячейки".

Фаад памяти и помехозащитной цепи соединены с земляной клеммой, а выходы блока р управления соединены с управляющими ОО входами ключей коммутатора. С4

2. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что параллельно (; } нелинейному элементу интегрирующей цепи подключен ключ коммутатора. лы, т.е. за эталонное время сначала интегрировать эталонное напряжение, изводить измерительным сигналом. Поскольку величина измеряемого сопротивления пропорциональна длительности интервала противоположного интегрирования, не связанной с периодом помехи, помехоподавление в этом сл лу— чае резко снижается.

Цель изобретения — повышение точности преобразования и помехоустойчивости преобразователя. что в аналого-цифровой преобразователь сопротивления, содержащий источник измерительного напряжения, формирователь эталонного напряжения, блок мутатор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и входом нелинейной интегрирующей цепи, выход измерительного напряжения, формирователя эталонного напряжения и неинвервыи ключ коммутатора соединен с выходом формирователя эталонного напряжепамяти и помехозащитной цепи соедине2

Изобретение относится к области воидет в интегрирующую цепь интеграизмерения электрических величин, а тора. Схема в этом случае имеет низименно к измерению сопротивления элек- кую помехоустойчивость, так как при трических цепей с использованием измеРении сопротивлений необходимо источника измерительного напряжения, «М«» M«»ìH интегрируемые сигнаи может применяться в различных областях измерительной техники.

Известен цифровой интегрирующий а противоположное интегрирование провольтметр с автоматической коррекцией дрейфа, содержащий входной усилитель, 10 интегратор, нуль-орган, коммутатор измеряемого и эталонного напряжений, блок управления работой коммутационных элементов, блок отсчета, цепь компенсации дрейфа смещения (1 ).

Однако данный вольтметр, использующийся для измерения сопротивления, имеет точность из-за влияния дрейфа напряжения смещения интегратора нульоргана и входного усилителя, а также

20 дрейфа входного тока входного усилителя, которые не компенсируются цепью компенсации, пониженную помехоустойчивость. управления, операционный усилитель, Наиболее близким к предлагаемаму нелинейную интегрирующую цепь, ком25 по технической сущности и достигаемо- мутатор, пРичем выход источника изму результату является бескомпаратор- меРительного напряжения соединен с ный аналого-цифровой преобраз тель одним входным зажимом устройства и сопротивления, содержащий источник с формирователем эталонного напряжеизмерительного напряжения, формипо- ния» второй входной зажим через комватель эталонного напряжения, блок

30 управления, операционный усилитель, нелинейную интегрирующую цепь, коммутатор, причем выход источника из- которой соединен с выходом операцимерительного напряжения соединен с онного усилителя и входом блока уподним входным зажимом устройства и с 35 РавлениЯ, а втоРые выходы источника формирователем эталонного напряжения, второй -входной зажим через коммутатор соединен с инвертирующим входом тирующий вход операционного усилитеоперационного усилителя и входом не- ля соединены с землянои клеммой, линейной интегрирующей цепи, выкод 40 ввеДены токоограничиваюЩий элемент, которой соединен с выходом операцион- ячейка памяти и помехозащитная цепь, ного усилителя и входом блока управ- пРичем вход токоограничиваюЩего элеления а второй выход источника из-. мента соединен с входом помехозащит1 мерительного напряжения, второй выход ной Цепи и с инвертируюЩим вхоДом формирователя эталонного напряжения 45 операционного усилителя, выход токои неинвертирующий вход операционного ограничивающего элемента чеРез пер— усилителя соединены с земляной клеммой 2 $.

Известный аналого-цифровой преоб- ния, чеРез второй ключ — с выходом разователь может быть использован 50 операционного усилителя, через тредля измерения сопротивлений электри- тий ключ — с входом ячейки памяти, ческих цепей, но при этом он облада- чеРез четвертый ключ — с выходом поет пониженной точностью преобразова- мехозащитной цепи, выходы ячейки ния из-за наличия дрейфа напряжения смещения и входного тока операционно-55 Hbi с земляной клеммой, а выходы блого усилителя кроме того он обладает ка упРавления соединены с управляюЭ Ф погрешностьк, зависящей от величины щими входами ключей коммутато,измеряемого сопротивления, которое ра.

1108369

Параллельно нелинейному элементу интегрирующей цепи подключен ключ коммутатора.

На чертеже приведена функциональная схема устройства. 5 Преобразователь содержит источник

1 измерительного напряжения, формирователь 2 эталонного напряжения, блок 3 управления, токоограничивающий элемент 4, ячейку памяти 5, помехоза- 10 щитную цепь 6, операционный усилитель

7, конденсатор 8, нелинейный элемент

9, резистор 10, ключи коммутатора 1116, (ячейка памяти 5 состоит из резистора 17 и конденсатора 18, номе- 15 хозащитная цепь 6 из конденсатора 19 и резистора 20), электрическую цепь

2 1 измеряемого резистора, резистор 22 токоограничителя 4, нелинейную 23 интегрирующую цепь. 20

Источник 1 измерительного напряжения подключен одним выводом к земляной клемме, а другим — к электричес— кой цепи 21 измеряемого сопротивления.

Параллельно источнику 1 измепнтельно- 25 го напряжения включен формирователь 2 эталонного напряжения. Второй вывод электрической цепи 21 подключен через ключ 11 коммутатора к инвертирующему входу операционного усилителя 7, неинвертирующий вход которого связан с земляной клеммой. Функцию управления элементами схемы осуществляет блок управления 3. Между инвертирующим входом и выходом операционного усилиетля 7 включены три цепи, одна из которых, представляющая собой нелинейную 23 интегрирующую цепь, состоит из последовательно включенных конденсатора 8 и нелинейного элемента 9, 4О в общую точку которых включен резистор 10. Нелинейный элемент 9 шунтирован ключом 16 коммутатора, резистор 10 вторым выводом соединен с земляной клеммой. Операционный усили- 45 тель совместно с нелинейной 23 интегрирующей цепью выполняет функцию интегратора и нуль-органа. Токоограничивающий элемент 4 второй цепи одним выводом подключен к инвертирующему входу, а другим через ключ 13 коммутатора — к выходу операционного усилителя. Третья цепь — помехозащитная

6 — одним выводом подключена к инвертирующему входу, а другим через ключ

15 коммутатора — к выходу операционного :силитсля 7. Ячейка памяти 5 одним выводом подк;Ib)÷oío к земляной клемме, а другим ч.роз ключ 14 комм; татора к общей точке соединения токоограничивающего элемента 4 и ключа 13 коммутатора . Конденсатор 18 ячейки памяти 5 включен последовательно с резистором 17. Резистор 20 помехозащитной цепи 6 одним выводом подключен к общей точке соединения конденсатора 19 и ключа 15 коммутатора, а другим — к земляной клемме.

В основу работы устройства положен принцип двухтактного интегрирования. Устройство работает циклично.

Весь цикл разбит. на несколько временных интервалов. В первом интервале происходит преобразование сопротивления измеряемой электрической цепи в напряжение, обратно пропорциональное величине сопротивления. В этом интервале усилитель 7 работает в качестве входного масштабного усилителя-инвертора. Ключи 11, 15, 13, 14 коммутатора замкнуты, ключ 12 разомкнут. Резистор 22 токоограничивающего элемента 4 в этом интервале работает как резистор отрицательной обратной связи. Конденсатор 18 ячейки памяти

5 заряжается выходным напряжением усилителя 7, содержащим составляющую, соответствующую величине измеряемого сопротивления, и составляющие напряжения смещения и входного тока усилителя 7 и их дрейфа. Резистор 17 ограничивает зарядный ток конденсатора

t8 и дополнительно ограничивает величину напряжения помехи, запоминаемого конденсатором 18 совместно с полезным сигналом. Длительность этого интервала достаточна для устранения влияния переходных процессов на точность работы преобразователя. В следующем интервале усилитель 7 совместно с внешними цепями работает в режиме интегратора с входным резистором 22 и интегрирующим конденсатором 8, Этот интервал разбивается на два подинтервала. На первом подинтервале происходит интегрирование эталонного напряжения, пропорционального измерительному напряжению, подаваемого с резистивного делителя формирователя 2 эталонного напряжения через ключ 12 коммутатора на вход интегратора — на резистор 22.

В этом интервале ключ 12 замкнут, остальные разомкнуты. Происходит интегрирование эталонного напряжения до определенной величины в течение эталонного промежутка времени. Полярность включения нелинейного элемента 9 такова, что интегрирующий кон1108369 К ЭТ

О ЭТ

S денсатор 8 в это время подключен к выходу усилителя 7 через низкое пря- " мое сопротивление диода 9. Длительность эталонного промежутка времени (длительность данного подынтервала) задается блоком управления 3. По окончании времени интегрирования эталонного напряжения ключ 12 размыкается, замыкается ключ 14, остальные разомкнуты. Начинается второй под- )0 интервал интегрирования противоположного интегрирования напряжения конденсатора 18. .Таким образом, в обоих подынтервалах интегрирования, в которых работа- 15 ет нелинейная 23 интегрирующая цепь, интегрирование происходит при отключенной входной цепи, что устраняет воздействие входных помех на интегратор и нуль-орган. Подынтервал об- 20 ратного интегрирования длится до тех пор, пока напряжение на выходе усилителя 7 не достигнет величины его напряжения смещения. В этот момент диод 9 разрывает отрицательную обрат-2 ную связь цепи интегрирующего конденсатора 8, и на выходе усилителя 7 скачкообразно появляется напряжение высокого уровня, после чего блок управления 3 восстанавливает исходное состояние схемы, при котором усилитель 7 работает в качестве входного масштабного усилителя, преобразующего изйеряемое сопротивление в напряжение, За время противоположного

35 интегрирования блок управления 3 формирует код измеряемого сопротивления.

Напряжение (U ), до которого зарядится конденсатор 18 ячейки памяти

5 в конце интервала преобразования измеряемого сопротивления в напряжение, определяется из выражения, ц изм 22+g 1+ — К ($)

0 R К2

18 смо Я SX 22" х

45 где U > — измерительное напряжение

0 мо - напряжение смещения операционного усилителя 7, j8x — входной ток инвертирующего входа операционного усилителя 7;

50 — измеряемое сопротивление

21, — сопротивление 22 токоограничительного элемента

4, являющееся в данной

5S схеме сопротивлением обратной связи, а в схемах, собираемых в последующих тактах входным сопротивлением интегратора на операционном усилителе 7.

Работа схемы в.момент появления сигнала нуль-органа описывается выражением

Ц dt+ U а=и ..., (21 где 0эт — эталонное напряжение, U „„о- напряжение смещения операционного усилителя (при котором срабатывает нульорган) — длительность подынтервала противоположного интегрирования напр>.жения 0„ на конденсаторе 18.

Решая уравнение относительно к получаем

Оизм "22

Из выражения (3) видно, что длительность интервала противоположного интегрирования прямо пропорциональна

Я и с заданной точностью не зависит от дрейфа напряжения смещения и входного тока операционного усилителя в широком диапазоне измеряемых сопротивлений. Реализация функций входного усилителя, интегратора и нуль-органа на одном операционном усилителе совместно с другими указанными мерами позволяет в данной схеме преобразователя компенсировать влияние дрейфа напряжения смещения и входного тока всех функциональных узлов, что не достигается в схемах с раздельным исполнением.

Для работы преобразователя с сигналами низкого уровня при наличии помех в измеряемых электрических цепях необходимо нелинейную интегрирующую цепь оградить от воздействия помех, так как если не принять мер, выпрямленное диодом напряжение помехи ухудшает точность преобразования, оказывая влияние на нее во всех интервалах работы преобразователя — в интервалах преобразования измеряемого сопротивления в напряжение интегрирования и в момент срабатывания нуль-органа.

Для устранения влияния помехи в интервале преобразования измеряемого

1108369 сопротивления в напряжение нелинейная интегрирующая цепь шунтируется конденсатором 19 помехозащитной цепи 6, подключаемым ключом 15. Конденсатор 19 включен в этом интервале параллельно резистору обратной связи

22 и одновременно служит фильтровым конденсатором, уменьшающим величину напряжения помехи, запоминаемой конденсатором 18 ячейки памяти 5. Ем- 10 кость конденсатора 19 определяется требуемой степенью подавления помехи для нормальной работы диода 9 нелинейной интегрирующей цепи. В остальные интервалы работы преобразователя 15 конденсатор 19 отключен, что позволяет повысить быстродействие преобразователя при требуемом уровне подавления помех. Резистор 20 служит для разряда конденсатора 19 при отключе- 20 нии ключа 15.

Кроме того, если необходимое помехоподавление обеспечивается величиной емкости интегрирующего конденсатора 8 (при сниженных требованиях к быстро- 25 действию схемы) схема помехоподавления может быть упрощена за счет шунтирования нелинейного элемента ключом

16, что устраняет выпрямление напряжения помехи в интегрирующей цепи, gp оказывающее влияние на точность преобразователя. При этом появляется возможность отказаться от цепи, содержащей конденсатор 19, ключ 15 и резистор 20. Резистор 10, подгружая

35 диод 9, улучшает линейность преобразователя, а также разряжает конденсатор 8 при закрытии нелинейного элемента 9. Влияние помехи в остальные интервалы работы схемы (интегрирование и срабатывание нуль-органа) устраняется отключением измеряемой цепи — источника помехи. При этом входным сигналом интегратора,становится напряжение конденсатора 18 ячейки памяти 5, свободное от переменной составляющей помехи.

Поскольку в предлагаемом преобразователе один и тот же резистор 22 является во входном усилителе резистором отрицательной обратной связи, определяющим величину напряжения дрейфа и величину входного сигнала, запоминаемым на конденсаторе 18, и входным резистором интегратора, на который подается напряжение с конденсатора 18 в интервале противоположного интегри- рования, входной ток и напряжение смещения являются одинаковыми для входного усилителя, интегратора и нуль-органа; так как они выполнены на одном и том же усилителе, происходит компенсация дрейфа входного тока и напряжения смещения усилителя в широком диапазоне измеряемых сопротивлений, в результате совмещения нескольких функций в одном усилителе повьппается экономичность схемы.

Таким образом, предлагаемый аналого-цифровой преобразователь сопротивления обладает повышейными точнос тью, помехоустойчивостью и экономичностью.

1108369

Составитель О. Панчерников

Редактор К.Волощук Техред Ж. Кастелевич . Корректор.Л.Авраменко

Заказ 5857/31 Тираж 711 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ПП11 "Патент", г.ужгород, ул..Проектная, 4