Преобразователь неэлектрических величин в цифровой код

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в автоматике и измерительной технике. Техническим результатом является повышение чувствительности преобразователя неэлектрических величин в цифровой код и получение более удобной для обработки цифровыми устройствами формы представления информативного параметра. Устройство содержит два генератора электрических колебаний, четырехполюсник связи, резистивный датчик, фазовый детектор релейного типа, делитель частоты на два, счетчик импульсов за период биения. 5 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в автоматике и измерительной технике.

Известно цифровое тензометрическое устройство, преобразующее неэлектрическую величину в цифровой код, содержащее мостовой тензодатчик, источник питания, выход которого соединен с входом делителя напряжения и с первым входом коммутатора, второй вход которого подключен к выходу делителя напряжения, а выход включен в диагональ питания тензодатчика, выход которого через предусилитель соединен с выходом время-импульсного преобразователя, две схемы совпадения, реверсивный счетчик и блок памяти, а также генератор импульсов, делитель частоты и блок управления, причем выход генератора импульсов подключен к управляющему входу блока управления, первому входу первой схемы совпадения, а через делитель частоты к первому входу второй схемы совпадения, выход время-импульсного преобразователя соединен со вторыми входами схем совпадения, выход первой схемы совпадения соединен с входом обратного счета реверсивного счетчика, выход второй схемы совпадения - с входом прямого счета реверсивного счетчика, а его выход соединен с входом блока памяти, управляющие входы коммутатора, схем совпадения, время-импульсного преобразователя, блока памяти и реверсивного счетчика подключены к соответствующим выходам блока управления (см. авторское свидетельство СССР N 1195261, кл. G 01 P 7/00, 1985).

Однако известное устройство не обеспечивает высокой разрешающей способности, а следовательно, и высокой точности измерения вследствие воздействия на вход время-импульсного преобразователя избыточного шумового напряжения, характеризующего шум предусилителя.

Наиболее близким по технической сути (прототипом) является преобразователь неэлектрических величин в частоту электрических колебаний, состоящий из двух высокочастотных LC-генераторов, частоты которых расстроены одна относительно другой и стабилизированы. Генераторы взаимно синхронизированы с помощью двух четырехполюсников связи, в каждом из которых установлены резистивные датчики, изменение сопротивления которых под внешним воздействием вызывает пропорциональное изменение коэффициентов передачи четырехполюсников. Выход каждого из генераторов через четырехполюсник и датчик подключен к входу синхронизации другого генератора так, что коэффициент передачи четырехполюсника пропорционален сопротивлению датчика (см. авторское свидетельство СССР N 455478, кл. H 03 К 13/02, 1973).

Недостатком указанного устройства является низкая чувствительность, т.к. относительное изменение частоты синхронизации не превышает несколько процентов, кроме того, на выходе получается аналоговый сигнал, что затрудняет подключение преобразователя к цифровым устройствам обработки информации.

Сущность изобретения заключается в том, что в преобразователь неэлектрических величин в цифровой код, содержащий два генератора электрических колебаний и четырехполюсник связи с резистивным датчиком, введены фазовый детектор релейного типа, счетчик импульсов за период биения и делитель частоты на два, вход которого соединен с выходом фазового детектора релейного типа, а выход с управляющим входом счетчика импульсов за период биения. Счетный вход счетчика импульсов за период биения соединен с выходом одного из генераторов электрических колебаний. При этом входы фазового детектора релейного типа подключены к выходам обоих генераторов электрических колебаний, а генераторы связаны между собой через четырехполюсник связи.

Техническим результатом является повышение чувствительности преобразователя неэлектрических величин в цифровой код и получение более удобной для обработки цифровыми устройствами формы представления информативного параметра.

Повышение чувствительности преобразователя к измеряемой неэлектрической величине обеспечивается использованием высокочувствительного режима биений с частичным увлечением частот (см. Седалищев В.Н., Физические основы пьезорезонансных МСК-датчиков, Барнаул, издательство АлтГТУ, 1997 г.). Этот режим является промежуточным между асинхронным и синхронным режимами, а количество импульсов за период биения, которое в предлагаемом изобретении используется в качестве информативного параметра, определяется коэффициентом взаимодействия между резонаторами.

Получение более удобной для обработки цифровыми устройствами формы представления информативного параметра достигается путем введения в преобразователь фазового детектора релейного типа, делителя частоты на два и счетчика импульсов за период биения, позволяющего подсчитывать количество импульсов за период биения. Управляющий вход счетчика импульсов за период биения подключен к выходу делителя частоты на два, а счетный вход к выходу одного из генераторов. Вход делителя частоты на два подключен к выходу фазового детектора релейного типа, входы которого подключены к выходам обоих генераторов электрических колебаний. Такое подключение обеспечивает получение на выходе информативного параметра в двоичном цифровом коде.

На фиг.1 схематично изображен данный преобразователь неэлектрических величин в цифровой код; на фиг. 2, 3, 4 и 5 - диаграммы зависимостей частоты колебаний f1 первого генератора электрических колебаний, частоты колебаний f2 второго генератора электрических колебаний, сигнала Д детектора релейного типа и сигнала счета-хранения С/Х соответственно от времени.

Предлагаемый преобразователь неэлектрических величин в цифровой код содержит генераторы электрических колебаний 1 и 2 (фиг. 1), четырехполюсник связи 3, резистивный датчик 4, фазовый детектор релейного типа 5 (см. Цифровые системы фазовой синхронизации.: под ред. Жодзишского. - М.: Сов. Радио, 1980, с. 35- 36), делитель частоты на два 6 и счетчик импульсов за период биения 7. Функции счетчика импульсов за период биения 7 заключаются в подсчете импульсов на выходе генератора электрических колебаний 1 в течение одного периода сигнала на выходе фазового детектора релейного типа 5 и хранении результата в течение следующего периода. Делитель частоты на два 6 необходим для того, чтобы обеспечить подсчет количества импульсов именно за период сигнала Д (фиг. 4) на выходе фазового детектора релейного типа 5 (фиг. 1). Генераторы электрических колебаний 1 и 2 соединены через четырехполюсник связи 3. Выходы генераторов электрических колебаний 1 и 2 (сигналы f1 (фиг. 2) и f2 (фиг. 3) соответственно) соединены со входами фазового детектора релейного типа 5 (фиг. 1). Выход фазового детектора релейного типа 5 соединен с входом делителя частоты на два 6. Выход делителя частоты на два 6 соединен с управляющим входом счетчика импульсов за период биения 7. Счетный вход счетчика импульсов за период биения 7 подключен к выходу генератора электрических колебаний 1.

Преобразователь неэлектрических величин в цифровой код работает следующим образом. Генераторы электрических колебаний 1 и 2, связанные через четырехполюсник связи 3, работают в режиме биений с частичным увлечением частот. В этом режиме фазы генераторов электрических колебаний 1 и 2 изменяются от полного совпадения до полной противофазы и наоборот. Фазовый детектор релейного типа 5 переключается в моменты полной фазы tl (фиг. 4) и полной противофазы t2 (фиг. 4). Таким образом на выходе фазового детектора релейного типа 5 (фиг. 1) присутствуют прямоугольные импульсы Д (фиг. 4), период которых соответствует периоду биений. Эти импульсы подаются на делитель частоты на два 6 (фиг. 1), на выходе которого получается сигнал счет-хранение С/Х (фиг. 5). Этот сигнал подается на управляющий вход счетчика импульсов за период биения 7 (фиг. 1), который подсчитывает количество импульсов, поступающих с выхода генератора электрических колебаний 1, за период биения и хранит показания в течение следующего периода, в конце которого происходит сброс показаний на 0 и цикл повторяется. Режим биений с частичным увлечением частот обеспечивается при соблюдении условия: где λ - коэффициент взаимодействия; γ - коэффициент связи; ξ = (f₁-f₂)/f_cp - относительная расстройка частот генераторов электрических колебаний 1 и 2; f_cp = (f₁+f₂)/2 - средняя частота генераторов электрических колебаний 1 и 2: f₁, f₂ - частоты колебаний генераторов электрических колебаний 1 и 2 соответственно; k = U₁/U₂ - соотношение амплитуд генераторов 1 и 2; U₁,U₂ - амплитуды выходных напряжений генераторов электрических колебаний 1 и 2 соответственно.

Значение коэффициента взаимодействия рекомендуется выбирать из условия ( λ = 0,5-0,75. В этом диапазоне наблюдаются наибольшие значения коэффициента амплитудной модуляции, максимум которой проявляется при критическом коэффициенте взаимодействия λ_к= 0,63 (см. Седалищев В.Н., Физические основы пьезорезонансных МСК-датчиков, Барнаул, издательство АлтГТУ, 1997 г., с. 37). В этом случае обеспечивается одновременно максимальная чувствительность режима биений и устойчивость от вхождения системы в синхронизм. Значение относительной расстройки выбирается из условия:
где Q - добротность резонаторов.

Например, для кварцевых резонаторов Q = 10⁴, тогда ξ = 5•10^-5. Соотношение амплитуд k выбирается таким, чтобы обеспечить надежное возбуждение генератора с меньшей амплитудой и не допустить перегрева резонатора в цепи генератора с большей амплитудой. Для кварцевых резонаторов k ≈ 5 - 6. Таким образом диапазон изменения коэффициента связи γ для кварцевых резонаторов составит γ≈ (8 - 15) •10^-6.

При изменении величины внешнего неэлектрического воздействия сопротивление датчика 4 меняется и, следовательно, изменяется коэффициент связи между генераторами γ, что приводит к изменению частоты биений Ω
,
количество импульсов в периоде биения тоже изменится.

Так как сравнимо с ξ², частота биений Ω стремится к малой величине, следовательно, количество импульсов в периоде биения N стремится к большой величине порядка 10⁴ для приведенного выше примера с кварцевыми резонаторами. Значит, чувствительность стремится к величине порядка 10⁹ для рассмотренного выше примера.

Предлагаемый преобразователь неэлектрических величин в цифровой код позволяет значительно повысить чувствительность по сравнению с существующими аналогами за счет введения фазового детектора релейного типа, делителя частоты на два и счетчика импульсов за период биения, необходимых для измерения информативного параметра - количества импульсов за период режима биений с частичным увлечением частот. Кроме того, цифровой код, получаемый на выходе, легко ввести в ЭВМ для дальнейшей обработки.

Формула изобретения

Преобразователь неэлектрических величин в цифровой код, содержащий два генератора электрических колебаний, связанных между собой через четырехполюсник связи с резистивным датчиком, отличающийся тем, что в него введены фазовый детектор релейного типа, делитель частоты на два и счетчик импульсов за период биения, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты на два, а счетный вход - с выходом одного из генераторов электрических колебаний, при этом входы фазового детектора релейного типа подключены к выходам обоих генераторов электрических колебаний, вход делителя частоты на два соединен с выходом фазового детектора релейного типа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5