Мостовой преобразователь аналоговой величины во временной интервал

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в программируемых контроллерах и управляющих ЭВМ в качестве многоканального преобразователя Цель изобретения - увеличение точности, уменьшение габаритов и потребления энергии схемой преобразователя. Мостовой преобразователь измеряемой величины во временной интервал содержит делитель напряжения и поочередно подключаемые полумосты с резистивными датчиками, аналоговый коммутатор, компаратор, оптроны в цепях запуска и в выходной цепи. Новым в преобразователе является то, что вершины подключаемых полумостов соединены каждая с отдельным входом мультиплексора, выход мультиплексора связан с одним из входов компаратора , постоянный полумост содержит в смежном с датчиком плече делитель напряжения, вершина постоянного полумоста соединена, с неинвертирующим входом интегратора, кроме того, выход интегратора соединен с вторым входом компаратора, а параллельно конденсатору интегратора подключен электронный ключ с оптронной развязкой, на вход которого подведено управляющее напряжение запуска преобразователя 1 ил.

ааез04л "«Вйв

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ тQ)"

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4934292/24 (22) 05.05.91 (46) 30.10.93 Бюл. На 39 — 40 (71) Краснодарский политехнический институт (72) Лебедь Б.Н.; Асмаев МП; Демченко Б.С. (73) Краснодарский политехнический институт (54) МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АНАЛОГОВОЙ ВЕЛИЧИНЫ ВО ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в программируемых контроллерах и управляющих ЭВМ в качестве мно— гоканального преобразователя. Цель изобретения — увеличение точности, уменьшение габаритов и потребления энергии схемой преобразователя.

Мостовой преобразователь измеряемой величины во временной интервал содержит делитель напря(19) RU (И) 2002365 С1 (51) 5 H03M 1 50 G01R27 00 жения и поочередно подключаемые полумосты с резистивными датчиками, аналоговый коммутатор, компаратор, оптроны в цепях запуска и в выходной цепи. Новым в преобразователе является то, что вершины подключаемых полумостов соединены каждая с отдельным входом мультиплексора, выход мультиплексора связан с одним из входов компаратора, постоянный полумост содержит в смежном с датчиком плече делитель напряжения, вершина постоянного попумоста соединена с неинвертирующим входом интегратора, кроме того, выход интегратора соединен с вторым входом компаратора, а параллельно конденсатору интегратора подключен электронный ключ с оптронной развязкой, на вход которого подведено управляющее напряжение запуска преобразователя 1 ил.

2002365

Изобретение предназначено для применения в программируемых контроллерах и управляющих 3ВМ в качестве многоканального преобразователя, входной сигнал которого — изменение сопротивления, реэистивных датчиков (термопреобразователей сопротивления, тензодатчиков и т.п.), выходная величина — интервал времени между началом (запуском) и импульсом конца цикла преобразования. Особенности функционирования; поочередное подключение датчиков к общему основному узлу и реобразователя, гальваническая развязка в дискретных линиях связи между преобразователем и цифровой частью микроЭВМ, Характерные требования для работы в составе и рограммируемых контроллеров — минимальные габариты и энергопотребление, простота, надежность, Основное затруднение при выборе способа преобразования заключается в выделении приращения сопротивления датчика, несущего информацию об измеряемой величине на фоне значительно постоянной составляющей. С этой точки зрения аналогом заявляемого устройства является преобразователь сопротивления в напряжение (ПСН) с компенсацией начального значения преобразуемого сопротивления. Данный

ПСН содержит усилитель, датчик измеряемой величины, источник опорного напряжения и входной делитель. Измеряемое сопротивление подключено к четырехпроводной схеме. К достоинствам укаэанной схемы следует отнести получение выходного напряжения, пропорционального приращению сопротивления, компенсацию влияния температуры на соединительные линии эа счет четырехпроводного включения.

Недостатками этого. преобразователя являются невозможность подключения одного из выводов датчика к земле (плавающее включение), сложность схемы коммутации для многоканального варианта устройства. В итоге снижается точность преобразования, увеличиваются, габариты устройства, К аналогам заявляемого устройства следует отнести также мостовой преобразователь, содержащий полумост, в одном из плеч которого находится измеряемое сопротивление, повторители напряжения на операционных усилителях, подключенные к полумосту по пятипроводной схеме, что позволяет поддерживать заданные напряжения на входных точках полумоста, Недостатком данного аналога является сложность многоканального исполнения, что вызвано пятипроводным способом подопорные напряжения на неинвертирующем входе интегратора, резисторы, конденсатор и электронный ключ обеспечивают режим интегрирования с резервом. Схема применима для работы с реэистивными датчиками, если на одни входы мультиплексора подать напряжения с выхода подключаемых полумостов, в одном иэ плеч которых установлены датчики, а другие входы заземлить.

При этом чувствительный элемент оказывается включенным по схеме неуравновешенного моста, Напряжение разбаланса этого моста преобразуется во временной интервал, 30

Недостатком известного устройства является характерная для неуравновешенных мостов погрешность от изменения напряжения питания. Чтобы уменьшить укаэанную погрешность до приемлемых значений, необходим прецизионный источник питания, нагрузкой которого являются все подключаемые полумосты, соединенные параллельно, С учетом длины соединительных линий датчиков и вносимых ими помех источник питания измерительных цепей должен иметь низкое выходное сопротивление и, следовательно, значительный запас

55 по мощности, Отвечающий всем этим требованиям источник представляет собой достаточно сложное устройство, которое по размерам и энергопотреблению может превосходить рассматриваемый преобразователь, ключения датчика. Это увеличивает габариты устройства, Кроме того, невозможность заземления одного из выводов датчика делает схему чувствительной к помехам, что

5 снижает точность, Необходимость в дополнительном усилении выходного сигнала увеличивает габариты и энергопотребление схемы.

Наиболее близким по технической сущ10 ности к заявляемому является выбранный в качестве прототипа преобразователь напряжения термопар во временной интервал, выполненной на кафедре информационно-измерительной техники Ленинградт5 ского политехнического института под руководством В.С.Гутникова. В нем термопары подключены к входам аналогового мультиплексора, Входной сигнал мультиплексора усиливается инструментальным усилите20 лем, методом двойного интегрирования преобразуется во временной интервал посредством схемы, содержащей интегратор, компаратор и оптрон, гальванически отделяющий рассматриваемый преобраэова25 тель от входных цепей работающей с ним однокристальной ЭВМ. Резисторы задают

20023б5 диагонали моста.

Таким образом, недостатками прототипа при работе с резистивными датчиками следует считать погрешность от изменений напряжения питания, увеличенные габариты и потребление энергии, 4

Для уменьшения укаэанных недостатков предлагается преобразовать схему для работы по методу уравновешенного моста.

Это возможно, если вместо обычно применяемого калиброванного переменного сопротивления в плече моста установить регулируемый источник напряжения, Для этого целесообразно использовать интегратор.

Целью изобретения является повышение точности, уменьшение габаритов и потребления энергии схемой преобразователя.

Цель достигается тем, что в мостовом преобразователе измеряемой величины во временной интервал, содержащем постоянный полумост и поочередно подключаемые полумосты с резистивными датчиками, аналоговый мультиплексор, интегратор, компаратор, оптрон в цепях запуска и в выходной цепи, вершины подключаемых полумостов соединены каждая с отдельным входом мультиплексора, выход мультиплексора связан с одним из входов компаратора, постоянный полумост содержит в смежном с датчиком плече делитель напряжения, вершина постоянного полумоста соединена с неинвертирующим, а выход делителя напряжения — с инвертирующим входом интегратора, кроме того, выход интегратора соединен с вторым входом компаратора, а параллельно конденсатору интегратора подключен электронный ключ с оптронной развязкой, на вход которого подведено управляющее напряжение запуска преобразователя.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый мостовой преобразователь отличается тем, что вершины подключаемых полумостов соединены каждая с отдельным входом мультиплексора, выход мультиплексора связан с одним из входом компаратора, постоянный полумост содержит в смежном с датчиком плече делитель напряжения, вершина постоянного полумоста соединена с неинвертирующим входом интегратора, кроме того, выход интегратора соединен с вторым входом компаратора, а параллельно конденсатору интегратора подключен электронный ключ с оптронной развязкой, на вход которого подведено управляющее напряжение запуска преобразователя. Таким образом, заявляемый мостовой преобразо5

40 ватель соответствует критерию изобретения "новизна",Сравнение заявляемого решения с другими техническим решениями показывает, что элементы схемы широко известны. Однако при их введении в указанной в отличительной части связи в заявляемом мостовом преобразователе измеряемой величины во временной интервал новая взаимосвязь известных элементов позволяет проявить новое техническое свойство, а именно возможность уравновешивания образуемого моста с помощью интегратора, при этом снижается влияние колебаний напряжения питания на результат измерений и, следовательно. достигается повышение точности преобразователя, а снижение требований к источнику питания уменьшает габариты и потребление энергии схемой мостового и реобразователя.

На чертеже представлена схема мостового преобразователя измеряемой величины во временной интервал.

Преобразователь включает измерител ьный мост, образованный постоянным полумостом с вершиной А и одним из подключаемых полумостов с вершинами В1, В2„.„Вм. Одно из плеч постоянного полумоста — резистор R1. другое — делитель напряжения R2, Вз. Подключаемые полумосты

R11 Йт1 ° R12 т2 R1N RyN СОдвржИт ПОСтОяН ные сопротивления R11, R12 ... R1N йт1, В2... R N — резистивн ые датчики, и рео6разующие измеряемую величину в изменение сопротивления датчика. Датчики установлены в плечо, смежное с делителем R1, Кз постоянного полумоста. Вершины подключаемых полумостов В1, В2.„В1ч соединены с входами аналогового мультиплексора 1, выход которого связан с одним из входов компаратора 2. Компаратор является индикатором равновесия моста, Таким образом, вершины В1, B2."BN могут быть поочередно подключены к измерительной

Для уравновешивания моста в схеме предусмотрен интегратор 3. Резистор R u емкость С задают постоянную времени интегрирования. Неинвертирующий вход интегратора связан с вершиной А постоянного полумоста, инвертирующий — с выходом делителя R2, Вз. Выход интегратора подключен к второму входу компаратора 2, Для начальной установки и запуска интегратора предусмотрен электронный ключ

4 с гальванической развязкой. К выводам входной цепи ключа 4 подведен управляющий сигнал U x. Выходная цепь ключа включена параллельно емкости С для замыкания выводов конденсатора по сигналу Uex.

2002365

U3 = Ua+

1 Rz1 2 2Ro Йс

Rz t Ro+h,R

RC 2R +ЪВ т=

RoRС 2Ro J2RR

Rt1=Ro+ hR

ОВ1 > ОЗ = Оа

Й11

Для гальванического отделения преобразователя от работающей с ним микроЭВМ или программируемого контроллера выход компаратора 2 соединен с входом оптрона 5. Выводы выходной цепи оптрона подключены к соответствующему входу микроЭВМ (программируемого контроллера), Мостовой преобразователь измеряемой величины во временной интервал работает следующим образом, Пусть Ro — сопротивление датчика на нижнем значении диапазона измерений, Объясним работу устройства для случая, когда сопротивления плеч моста выбраны из условия Й1 = Й11 = Ro, При этом сопротивления делителя должны отвечать условию Rz +

+ Йз=Йо.

Исходным для преобразователя является состояние U»< > О, при этом ключ 4 закорачивает емкость С, происходит разряд емкости, Кроме того. через ключ 4 выход операционного усилителя интегратора 3 оказывается соединенным с неинвертирующим входом, переключая интегратор в режим повторителя, На выходе операционного усилителя и соответственно на входе компаратора 2 устанавливается напряжение

Й2+ЙЗ Roo «Uo

Оз= Оа= Оо

R1+Й2+ЙЗ 2Ro 2

=Uo — o где Ua — напряжение вершины А постоянного полумоста;

Uo — напряжение питания полумостов, Пусть на цифровом входе мультиплексора 1 задан код первого канала, При этом мультиплексор подключит вершину В1 первого полумоста к инверсному входу компаратора 2. Допустим, что значение измеряемой величины таково, что где hR — приращение сопротивления, несущее информацию об измеряемой величине, При этом измерительный мост находится в исходном состоянии разбаланса:

Йо+ЬЙ U Ro+hR >Uo

" сФлтю; "тчтъи и на выходе компаратора 2 устанавливается значение логического "0".

Запуск преобразователя осуществляется задним фронтом сигнала Овх. При Овх = 0

5 ключ 4 размыкается, интегратор начинает процесс уравновешивания измерительного моста. По мере заряда конденсатора С напряжение Оз на выходе интегратора 3 линейно возрастает со временем. Считая

10 интегратор идеальным, получим

Uo R2 l Uo Й21

15 R1+Rz+RÇ ЙС. 2 2R ЙС

20 где т — время с момента пуска интегратора.

В момент равновесия, когда Оз достигает значения ОВ1, компаратор 2 переключается и через оптрон 5 во входную цепь цифровой части микроЭВМ подается сигнал

25 об окончании процесса уравновешивания.

Для этого сопротивления имеем выражения г Й. о

Сокращая на множитель Uo в обеих частях выражения, приходим к известному для уравновешенных, мостов положению о неза40 висимости результата измерений от колебаний напряжения питания моста Uo, которое остается справедливым и для уравновешивания моста с помощью интегратора, Преобразование в код интервала времени

45 между запуском и окончанием процесса уравновешивания может быть выполнено в цифровой части устройства одним из известных методов.

50 Для применения в схеме программируемого контроллера От преобразователя требуется сочетание приемлемой точности, минимальных габаритов и энергопотребления, С этой точки зрения предлагаемое тех55 ническое решение благодаря указанным отличительным признакам повышает точность измерений, так как исключается основной источник погрешности — колебания напряжения источника питания.

2002365

Известно, что значительную часть объема преобразующих устройств приходится отводить под источник питания, Для обеспечения заданной точности в условиях помех, воздействующих на соединительные линии датчиков, источник питания измерительных цепей должен обладать запасом мощности, что в итоге увеличивает его сложность, а следовательно, габариты и энергопотребление. Благодаря снижению требований к стабильности питающих полумосты напряжений схема источника питания измерительных цепей может быть упрощена, что дает выигрыш в габаритах и энергопотреблении.

Формула изобретен ия

МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

АНАЛОГОВОЙ ВЕЛИЧИНЫ ВО ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ, содержащий резистивный делитель, первый и второй выводы которого соответственно являются шиной опорного напряжения и шиной нулевого потенциала, а третий вывод подключен к неинвертирующему входу интегратора, выполненного на резисторе, конденсаторе и операционном усилителе, выход которого соединен с первым входом компаратора и первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом, резистора и подключен к инвертирующему

1входу операционного усилителя, неинвер уирующий вход которого является неинвертирующим входом интегратора, выход компаратора соединен с первым выводом развязывающего элемента, выполненного на онтроне, второй вывод которого является шиной нулевого потенциала, а третий и

Использование заявляемого устройства предполагается в составе модулей расширения функций программируемых микропроцессорных контроллеров МП59, 5 выпускаемых по ПО "Краснодарский ЗИП".

Предлагаемое устройство позволит применить контроллеры МП59 для управления непрерывными процессами в пищевой промышленности и других отраслях.

10 (56) Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. ЛПИ.

Энергоатомиздат, 1988, с. 79, рис. 213а.

Там же, с. 81, рис. 214а, 15 Отчет о НИР N 805.41, ЛПИ, 1986. четвертый выводы - выходной шиной, аналоговый коммутатор, адресные входы кото20 рого являются шиной. адреса, и полумостов с резистивными датчиками и ключ, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов, повышения точности и снижения энергопотребления, ключ выполнен на on25 троне, входы которого являются шиной управляющего напряжения, а выходы . соединены с соответствующими выводами конденсатора интегратора, при этом второй вход компаратора соединен с выходом

30 аналогового коммутатора, информационные входы которого соединены с первыми вершинами соответствующих полумостов с резистивными датчиками, вторые и третьи вершины которых соответственно

35 объединены и являются шинами опорного и нулевого напряжения соответственно, причем четвертый вывод реэистивного делителя соединен с вторым выводом резистора интегратора.

2002365

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

Редактор А.Бер

Заказ 3177

Составитель Б.Лебедь

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор H.Êåøåëÿ

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Рэушская наб., 4/5