Способ функционального аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления

 

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl) s Н 03 М 1/62

ЯЬЗЮЗИИ

МОЮ

F; ° n

УДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

OMCTBQ СССР

СПАТЕНТ, СССР) АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 ) 4923249/24 (2 ) 01.04.91 (4 ) 30.08.93. Бюл. М 32 (7 ) Северодонецкое опытно-конструкторск е бюро автоматики Научно-производств нного объединения "Химавтоматика" (7 ) Ю.А,Кибирев, И,В.Михайлов, B.Н.Кучугу а, Е,В.Почтарев и В.Н.Посошко (5 ) 1. Гутников В.С. Интегральная электрон ка в.измерительных устройствах. Л.: нергоатомиздат", 1988, с. 260.

2. "Приборы и системъг управления", 1 87, М 4. с. 25; (5 ) СПОСОБ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО АНАЛ ГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И

У ТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕН Я (5 Изобретение относится к измерительн и технике и конструкции устройств функц онального преобразования аналоговых с гналов. Цель — повышение точности и расирение области применения за счет прео разования сигналов с большой

Изобретение относится к измерительной технике и конструкции устройств для ункционального преобразования аналогох сигналов (сигналов термопар и термопротивлений).

Цель изобретения состоит в повышении чности и расширении области применеия за счет преобразования сигналов с лысой нелинейностью.

На фиг. 1 представлена блок-схема функционального преобразователя; на фиг. 2—

L х арэктеристика преобразователя.

«, ЯЛ„, 1837397 А1 нелинейностью. Устройство содержит нормалиэатор, блок изменения опорного напряжения, выполненный на двух сумматорах, источнике опорного напряжения и переменным резисторе, аналого-цифровой преобразователь и цифровой индикатор. Аналого-цифровое функциональное преобразование включает нормирование входного сигнала, формирование опорного напряжения пронормированным сигналом непрерывно по формуле Гоп = Ugd

+ K(Max — Vex "}. где О on — сформированное опорное напряжение (на входе опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя); U8 .— нап ряжение пронормированного сигнала; 14п — напряжение источника опорного напряжения;

08 " — максимальное значение напряжения пронормированного сигнала (на входе устройства изменения опорного напряжения); К- масштабный козффициент(коэффициент усиления первого сумматора). 2 н.з.п. ф-лы, 2 ил.

Функциональный преобразователь содержит нормализатор 1, устройство 2 изменения опорного напряжения, источник 3 опорного напряжения, переменнь|й резистор 4, первый сумматор 5, второй сумматор

6, аналого-цифровой- преобразователь 7; цифровой индикатор 8. Вход устройства соединен со входом нормализаторэ 1, выход которого соединен с входом первого сумматора 5 и входом аналого-цифрового преобразователя 7..Источник 3 опорного напряжения соединен со вторым входом второго сумматора 6 и через переменный

1837397 резистор 4 соединен со вторым входом первого сумматора 5, выход которого соединен с первым входом второго сумматора 6. Выход второго сумматора б соединен с входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 7, выход которого соединен с цифровым индикатором 8.

Устройство работает следующим образом. Сигнал от датчика (например, от термопары) поступает в нормализатор 1, нормализуется до определенного уровня и поступает на второй вход аналого-цифрового преобразователя 7, На выходе аналогоцифрового преобразователя 7 и на индикаторе 8 появится число

Nx = 1000 (1), Uon где Usx — напряжение на входе аналого-цифрового преобразователя 7;

0*on — напряжение на входе опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 7.

Сигнал с нормализатора 1, пройдя через схему 2 изменения опорного напряжения, на выходе устройства 2 реализует уравнение

U,.„= Uon+ K(Usx — U., x), (г) где Uon — опорное напряжение источника опорного напряжения 3;

U x " — величина, равная максимальному значению напряжения на входе устройства 2 изменения опорного напряжения, соответствующему максимальному значению измеряемого параметра (температуры);

К вЂ” коэффициент усиления первого сумматора 5.

Причем первый сумматор 5 реализует зависимость К(0вх Овх ")

Напряжение Vsx " получается путем изменения значения переменного сопротивления 4, и тогда при входном сигнале устройства. соответствующем максимальному значению измеряемой величины (температуры) на выходе первого сумматора 5 напряжение должно быть равно нулю, Второй сумматор 6 реализует зависимость

Uon+ К(0вх — Usx ») = U on, т.е. U on — опорное напряжение на входе напряжения аналого-цифрового преобразователя 7, зависящее от входного сигнала устройства.

На фиг. 2 показан механизм образования напряжения U or.

На выходе аналого-цифрового преобразователя появляется сигнал, соответствующий

Nsx = 1000

Uon

Usx

= 1000 — — — — — — -„-0on + K (0вх — Usx )

5 1000 - — " — Uon где К— (4)

Usx — 0вхвх

Способ аналого-цифрового функционального преобразования осуществляется

10 следующим образом.

На вход нормализатора 1 подают сигнал от источника сигнала (например, термопа. ры). В нормализаторе 1 входной сигнал нормируется (усиливается и смещается) до

15 определенного уровня Usx определяемого диапазоном измерения измеряемого параметра. С выхода нормализатора 1 сигнал подается на аналоговый вход аналогоцифрового преоборазователя 7.

20 Одновременно сигнал 0вх с выхода нормалиэатора 1 подается на вход устройства.2 изменения опорного напряжения, на первый вход первого сумматора 5. На второй вход первого сумматора 5 подается сигнал, 25 равный по величине (-0в ), формирующийся с помощью источника З.опорного напряжения и определяемый величиной переменного резистора.

30 При коэффициенте усиления первого сумматора 1, равном К, на выходе его получается сигнал, определяемый формулой

K(Usx 0вх х). Этот сигнал подается на первый вход второго сумматора 6, на второй

35 вход которого подается сигнал Uon с источника 3.опорного напряжения. При коэффициенте усиления второго сумматора 6, равном 1, на выходе второго сумматора имеем сигнал

40 0Ъ = Uon+ К(0.. — 0» ").

Этот сигнал подается на вход опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 7, в котором осуществляется преобразование в код для управления бло45 ком индикации 8 в соответствии с формулой х = 1QQQ

Овх

Uon

= 1000

50 Uon + К (0вх Овх ) где Nx — код, соответствующий величине измеряемого параметра.

Очевидно, что величина Nx имеет нелинейную зависимость от входного сигнала

55 0вх.

Выбором соответствующего значения К достигается линейность зависимости Nx от величины измеряемого параметра, Возьмем в соответствии с ГОСТ 3044-84

"Преобразователи термоэлектрические. Но1837397

15 ма ко до м ма

:10 му

PsI зт

К

30 н бл сх

6 го сх яв в о ис (< в н ц о н

45

50 з о в т б и ми альные статические характеристики пр обоазования" характеристику ТХК, ХК L). диапазон измерения температуры от

0 100ЯС, Напряжение на выходе датчика (Ug изме яется от 0 до 6,86 мВ;

В нормализаторе 1 сигнал датчика нор изуется до уровня 0-1000 мВ, при атом ффицйент усиления нормализатора (Ку ) жен быть равным 145,77. При 0ол -1000

/ и U>7I " = 1000 мВ (см. формулу.3) при симальнам входном сигнале имеем Nx,O. Для расчета коэффициента К по форе (4) определяем значение Uex при измемой температуре 50 С(очевидно, что для и температуры Nx должно быть равна

/ 600). ПРи Вдррос =3,306 мВ и КУ0-146,77 им ем Vax.50 = 481,92 мВ;

По формуле 4:

100,0 48" 92 — 1ооо

50,0

481 92 — 10оо 0,069781

Результаты функционального преобра- 25 ания приведены в табл. 1.

Максимальная погрешность не превыет 0,1 С.

По предлагаемому техническому ревею разрабатан и испытан макет, в котором к 1 нармализатар выполнен на микроме КР 140 УД12 08, блоки-сумматоры 5 и а микросхеме КР14ОУД12. 08,.блок аналоцифрового преобразователя 7 на микроме KP 5 72 ПВ 2, блок индикации 8 — на кросхемах АЛС 333.

Выпуск прибора, выполненного по заяемой схеме намечен на 1992 r. Сущестющий способ и устройство позволяет ществлять преобразование сигналов от ачников, обладающих незначительной ,2%) нелинейнастью (нап ример, платинае термосапративления). При увеличении линейности погрешность преобразавая будет расти ввиду того, что аппраксимая нелинейной характеристики уществляется с помощью всего двух лийных участков с точкой перегиба в т. "0".

Предлагаемые способ и устройство поляют без потери точности преабразовыь сигналы ат источников со значительно льшей нелинейнастью (например, терморы), В прототипе при измерении температус помощью термасапративления ТСП 55

ОП в диапазоне температур -50„,+50 С грешнасть составляет 0,4% (2).

Ь предлагаемом устройстве для ТСП

ОП в диапазоне температур -50...+50ОС погрешность преобразования составляет не более 0,02% (см. расчет).

ТС П 1 00 0 Тизм - -50... +50 С ЯдВ7ч

78,98-119,71 Ом.

Если в нормализаторе 1 подавить начальное сопротивление 100 Ом и запитать датчик током 1 мД, то можно говорить об изменении входного сигнала от -20,02 до

19,71 мВ, Для диапазона индикации -50...50,0

04х ш должно быть равно 500 мВ, Отсюда

КУс 25.368 и Usx "=-507,86 (значение сигнала на выходе нармализатора 1 при.измеряемой температуре -50,0 С)

1000 507 86 — 1000

50 1

Результаты функционального преобра.зования приведены в табл. 2.

Максимальная погрешность преобразо-. вания не превышает 0,02 C.

Формула изобретения

1. Способ функционального аналогоцифрового преобразования, включающий нормирование входного сигнала, формироваwe опорного нап ряжения, аналого-цифровое преобразование пранормированного сигнала в кад с последующей индикацией результата преобразования; о тл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения точности и расширения области применения за счет преобразования сигналов с бол ьшай нелинейностью, формирование опорного напряжения осуществляют сигналом непрерывно по формуле

U îï = Uon+ K(Usx — Usx ), где 0 « — сформированное опорное напряжение;

U« †. напряжение источника опорного напряжения;

К- масштабный коэффициент;

ОВх — напряжение пранамираванного сигнала; . Usx " — максимальное значение напряжения пранармированного сигнала.

2. Устройство функционального аналого-цифрового преобразования, содержащее последовательно соединенные нормализатар, вход которого является входной шиной, аналого-цифровой преобразователь и цифровой индикатор, а также включенный между выходом нормализатара и входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя блок изменения опорного напряжения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения области применения за счет преабразова1837397 ния сигналов с большой нелинейностью, блок изменения опорного напряжения выполнен на переменном резисторе, источнике опорного напряжения и двух сумматорах, причем первый вход первого. сумматора является входом блока измерения опорного напряжения, второй вход через переменТабл ица1

u„.MÂ;

Йх,лин - Nx, C

Uex, мВ

Тизм C

Nx, Лин

О

46,36

93,15

140,38

187,90

23F 01

О

5,0

10,0, — 0,034 — 0,056 — 0,064 — 0,081. — 0,07 — 0,065 — 0,05 — 0,О42 — 0,025

0,318

0.639

15,0

0,963

20,0

1,289

25,0

1,619

30.0

1,951

35,0

2.286

40,0

2,623

45,0

2,963 50.0

3,306

3,651

55,0

+ 0,017

+ 0,028

+ 0,044

+ 0,052

+ 0,066

+ 0.058

+ 0,054

+ 0,041

+ 0,032

60,0

3.998

65,0

4,348

70,0

4,700

75.0

5,055

100

5,411

80,0

85,0

5,77

90,0

6,131

95,0

6,495

100,0

6,86

Табл ица2

О

284.40

333,24

382,36

431,92

481,92

532,22

582.8

633,82

685,13

736,88

788.,78

841,11

893,73

946,7f

1000 ный резистор соединен с выходом источника опорного напряжения, которой соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого

5 сумматора, а выход второго. сумматора является выходом блока изменения опорного напряжения.

О

4,966

9,944

14,934

19,919

24,93

29,9.35

34,95

39,958

44,975

50,0

55,017

60,028

65,044 .

70,052 .

75,066

80,058

85,054

90,041

95,032

100,0

1837397

Продолжение табл. 2 .:-.

1837397. дол

Редактор

Заказ 2871 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 415

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. ул. Гагарина, 101 аа

& у(т) max

Рх. Составитель Н.Шальгина

Техред M.Моргентал Корректор А.Обручар