Цифровой измерительный прибор

 

Союз Соеетскик

Социалистических

Республик

Оп ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ()892309 (6l) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено 11,03.74 (21) 2004308/18 21 (51) М. Кл. с присоединением заявки №вЂ”

G 01 R 13/02

Ваударстааакый каеатат

СССР

Oв Aolall кзабратанкй я етармткй (23) Приоритет

Опубликовано 23 12.81 Бюллетень ¹ 47

Дата опубликования описания 23.12.81 (53) УДК 621.317..7 (088.8) (72) Авторы изобретения

Г. А. Кпйков и Ю. А. Замрыка

Краснодарский ордена Трудового Красного Знаменй завод (электроизмерительных приборов,.1 (71) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЪНЫЙ ПРИБОР

Изобретение относитсч к электроизмеритель- ной технике и может быть использовано в цифровых вольтметрах и омметрах постоянно го тока.

Известны цифровые измерительные приборы, 5 содержащие аналого-цифровой преобразователь, схему совпадения, счетчики, цифроаналоговый преобразователь, ключ и усилитель с определенным весовым множителем (1).

Недостатки этих приборов — наличие усилиI0 теля с определенным весовым множителем сигнала разности, что является источником дополнительных погрешностей преобразователя н усложняет схему, и принцип суммирования токов в цифроаналоговом преобразователе, фор15 мируемых путем подключения к опорному источнику точных резисторов с соответствуищими весовыми коэффициентами.

При использовании для коммутации точных резисторов высоконадежных транзисторных клю.

20 чей не представляется возможным получение высокой точности из-за остаточных токов, напряжений и большого сопротивления открытых ключей.

Прн использовании электромеханическнх ключей для коммутации точных резисторов погрешность, вносимая ключами,-исключается, но при этом снижается надежность.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является вольтметр, содержащий цифроаналоговый прсобраэователь, предусилнтель с масштабным делителем, аналого-цифровой преобразователь, включающий в себя интегратор, компаратор, ключи, опорный источник напряжения, схему управления, генератор тактовых импульсов, схемы совпадения, генератор высокочастотных импульсов, счетчик и отсчетное устройство(23.

Недостатком известного вольтметра является невысокая надежность, что определяется использованием в цифроаналоговом преобразователе принципа суммирования токов, и низкое быстродействие. Причины низкого быстродействия заключаются в том, что для реализации высокой чувствительности 1 мкВ и вь ше, входной предусилитель должен иметь достаточно узкую полосу пропускания, что приводит к понижению быстродействия предусилителя.

892309

Д чателя рода работ, выход которого, соответствующий положению R, подключен к выходу предусилителя, а выход переключателя, соответствующий положению U, подключен к выходу масштабного делителя.

При этом запоминающее устройство состоит из мостового коммутатора, конденсатора памяти и усилителя, причем конденсатор памяти подключен в диагональ мостового коммутатора, являющуюся и входом мостового коммутатора, и входом запоминающего устройства, выход мостового коммутатора соединен со входом усилителя и является другим входом запоминающего устройства, а выход усилителя является выходом запоминающего устройства.

Кроме того, каждое плечо мостового коммутатора состоит из трех звездообразно соединенных ключей, один из которых соединен с общим выводом, а два других с соседними плечами мостового коммутатора.

Цифроаналоговый преобразователь состоит из двух включенных последовательно декадных делителей, каждый из которых содержит последовательно включенные равнономинальные резисторы, декадных переключателей на ка25 нальных транзисторах, подключенных к декадным делителям, и схемы управления, подключенной к декадным переключателям, причем выходы декадных переключателей являются выходами цифроаналогового преобразователя, 30 вход схемы управления — входом цифроанах логового преобразователя, другими входами, цифроаналогового преобразователя, служащими для подключения его к опорному источнику напряжения и общему выводу, являются пер33 вый и последний резисторы декадных делителей.

На фиг, 1 изображена блок-схема цифрового измерительного прибора; на фиг. 2 — схе> ма мостового коммутатора, плечи которого

40 состоят из трех звездообразно соединенных ключей; на фиг. 3 — схема цифроаналогового преобразователя; на фиг. 4 — временные диаграммы, поясняющие работу прибора, где

0 — напряжение питающей сети; U — нас и

43 пряжение на выходе интегратора.

В начале первого этапа при подаче на вход предусилителя измеряемого напряжения в последнем возникает переходный процесс. Включенный за ним аналого-цифровой преобразователь может произвести достоверное преобразование лишь после окончания переходного процесса в предусилителе, что вызывает необходимость введения задержки начала работы аналого-цифрового преобразователя относительно начала первого этапа. В начале второго этапа при подаче на вход предусилителя разностного сигнала в последнем возникает еще более длительный переходной процесс, так как чувствительность предусилителя на этом этапе увеличена в 100 раз и, следовательно, полоса пропускаиия его еще более сужена, что снижает быстродействие прибора, Целью изобретения является повышение бь:стродействия, надежности и расширение функциональных возможностей за счет изменения сопротивлений, а также повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что циф. ровой измерительный прибор, содержащий цифроаналоговый преобразователь, предусилитель с включенным в цепь обратной связи масштабным делителем, ключи, опорный источник напряжения, соединенный с цифроаналоговым прсобраэователем, последовательно соединенные интегратор и компаратор, выход которого соединен со входом схемы управления, другой вход которого подключен к генератору тактовы импульсов, выходы ее соединены со входами схем совпадения, к другим входам которых подключен выход генератора высокочастотных импульсов, а выходы схем совпадения соединены со счетчиком, подключенным к цифроаналоговому преобразователю и отсчетному устройству, снабжен дополнительным делителем запоминающим устройством, образцовым резистором и переключателем рода работ, причем выход предусилителя соединен со входом дополнительного делителя и одним из входов запоминающего устройства, выход делителя соединен через первый ключ с другим входом запоминающего устройства, к которому через второй ключ подключен один из выходов цифроаналогового преобразователя, а два других выхода цифроаналогового преобразователя соединены со входами запоминающего устройства, выход запоминающего устройства соединен со входом интегратора, образцовый резистор соединен одним из выводов с опорным источником напряжения, другим — co входом первого направления переключателя рода работ, выход которого соответствующий положению R, под ключен к одной из входных клемм и к входу предусилителя, а другая входная клемма подключена к входу второго направления переклюЦифровой измерительный прибор содержит входные клеммы 1 и 2, входная клемма 1 соединена со входом предусилителя 3, выход которого соединен с масштабным делителем 4, дополнительным делителем 5, и с запоминающим устройством 6, состоящим из мостового коммутатора 7 — 10, в одну диагональ которого включены конденсатор 11 памяти и первый и второй выходы цифроаналогового преобразователя 12 и усилителя 13, вход которого подключен к вершине другой диагонали мостового коммутатора, к которой также лодключены ключи 14 и 15, вход последнего соединен с третьим выходом цифроаналогового преобразователя 12, а вход ключа !4 соединен с выходом делителя 5.

Первый вход цифроаналогового преобразователя 12 соединен с первым выходом опорного источника 16 напряжения, второй выход которого соединен через образцовый резистор

17 с одним подвижным контактом переключателя 18 рода работ, неподвижный контакт которого, соответствующий положению R, со- l0 единен со входом предусилителя 3. Со вторым подвижным контактом переключателя соединена входная клемма 2, неподвижный контакт, соответствующий положению R, соединен с выходом предусилителя 3, а неподвижный контакт, соответствующий положению U, соединен с выходом масштабного делителя 4.

Выход запоминающего устройства 6 соединен с входом интегратора 19, выход которого через компаратор 20 соединен с первым входом схемы 21 управления. Второй вход схемы 21 управления соединен с генератором

22 тактовых импульсов.

Выход схемы 21 управления соединен с пер выми входами схем 23 и 24 совпадения, со уу вторыми входами которых соединен выход генератора 25 высокочастотных импульсов, счетчик 26 соединен своими входами с выходами схем 23 и 24 совпадения, а выходы счетчика

26 соединены с отсчетным устройством 27.

Выходы счетчика 26 соединены со вторым входом цифроаналогового преобразователя 12.

Цифроаналоговый преобразователь 12 содержит декадные переключатели 28 и 29, декадные делители 30 и 31 и схему 32 управления.

Цифровой измерительный прибор работает следующим образом.

До момента времени t< ключи 7 — 10 мостового коммутатора и ключи 14, 15 разомкнуты, 49 счетчик 26 установлен в нулевое положение, схемы 23 и 24 совпадения запрещают прохождение импульсов генератора 25 высокочастотных импульсов.

892309 4 точностью возрастает по линейному закону до момента времени

В момент времени t по команде схемы 21 управления ключ 14 размыкается, а ключ 15 замыкается, схема 23 совпадения разрешает прохождение импульсов генератора 25 высокочастотных импульсов и начинается заполнение старших декад счетчика 26 импульсами. В результате замыкания ключа 15 на вход усилителя 13 подается опорное напряжение. Это напряжение усиливается усилителем 13 и подается на вход интегратора 19. На выходе интегратора, начиная с момента t» напряжение начинает уменьшаться по линейному закону и достигает значения, равного исходному, в момент времени t При этом напряжение на выходе компаратора 20 скачком изменяет свой знак. Компаратор, воздействуя на схему 21 управления, запрещает прохождение импульсов через схему 23 совпадения в счетчик 26. Таким образом, в старших декадах счетчика фиксируется число, соответствующее длительности интервала t> — t» ключ 15 размыкается.

Одновременно с заполнением счетчика 26 производится переключение декадных переключателей 28 и 29 цифроаналогового преобразователя 12, а за время от t> до t конденсатор ll памяти заряжается до напряжения, существующего на сосответствуюших резисторах декадных делителей 30 и 31 цифроаналогового преобразователя 12. После окончания переходного процесса заряда замкнутые ключи декадных переключателей 28 и 29 токами не обтекаются и поэтому, несмотря на достаточно большие сопротивления полевых транзисторов в замкнутом состоянии, на них не создается падений напряжения. Остаточных напряжений и токов полевые транзисторы в ключевом режиме работы также не имеют. Следовательно, конденсатор 11 памяти заряжен до напряжения на соответствующих резисторах декадных делителей 30 и 31 практически без погрешности.

Измеряемое напряжение усиливается предусилителем 3 с коэффициентом усиления, равным обратному значению коэффициента передачи делителя 4 (переключатель 18 рода работ находится в положении U). Напряжение с выхода предусилителя 3 попадает на дополнительный делитель 5 и ослабляется им в 100 раэ.

В момент времени t<, определяемый тактовым генератором 22, по команде схемы 21 управления замыкается ключ 14 и напряжение с выхода делителя 5 через усилитель 13, обладающий большим входным сопротивлением, подается на вход интегратора 19. Напряжение на выходе интегратора с достаточно высокой

43

В момент t> в зависимости от полярности измеряемого напряжения замыкаются ключи

7 и 9 или 10 и 8 мостового коммутатора, в результате чего ко входу усилителя 13 прилагаются последовательно и встречно включенные напряжения на выходе предусилителя 3 и напряжение на конденсаторе 11 памяти. Это разностное напряжение усиливается усилителем 13 . и попадает на вход интегратора 19, на выходе которого начинается линейное нарастание напряжения.

Замкнутые ключи мостового коммутатора практически не обтекаются токами при достаточно большом входном сопротивлении усилителя 13, поэтому конденсатор 11 памяти не изменяет значения компенсирующего напряжения в интервале вре892309

40 где U — напряжение на выходе этого преобх разователя;

Оо — напряжение опорного источника.

Напряжение U попадает на вход цифроанах логового преобразователя 12, и в дальнейшем работа аналогична работе его в случае измерения напряжений.

Так как при измерении сопротивлений опорный источник 16 напряжения является общим для питания цепи образцового резистора и для цифроаналогового преобразователя 12, он не вносит погрешности при измерении сопротивлений, Сравнительные испытания данного устройства с известным показали; что быстродействие при применении изобретения может быть повы- 55 шено в 10 — 12 раз. Это позволяет использовать его в цифровых вольтметрах, в которых необходимо высокое быстродействие. мени t<-t>. В случае, если разомкнутые ключи мостового коммутатора имеют недостаточно высокое сопротивление, гго может вызвать изменение компенсирующего напряжения на конденсаторе 11 памяти. Для исключения этого следует каждое плечо мостового коммутатора выполнять из трех звездообразно соединенных ключей, один из которых соединен с нулевой шиной (фиг. 2). При этом требования к сопротивлениям разомкнутых ключей мостового коммутатора значительно снижаются.

В момент времени t4 третья и четвертая декады счетчика 26 устанавливаются в нулевое положение, Ключи мостового коммутатора размыкаются, ключ 15 замыкается, схема 24 совпадения разрешает прохождение импульсов генератора высокочастотных импульсов 25, и начинается заполнение младших декад счетчика

26 импульсами, На выходе интегратора, начиная с момента

t4, напряжение начинает уменьшаться по линейному закону до достижения момента времени т„когда напряжение на выходе компаратора изменяет свой знак, В младших декадах счетчика фиксируется число, соответствующее длительности интервала t5 — t4. Полученное число в результате заполнения старших декад счетчика в интервале t,-t, и младших декад в интервале tz — t4 переносится в отсчетное устройство 27 и соответствует точному значению измеряемого напряжения.

При измерении сопротивлений переключатель

18 рода работ устанавливается в положение R, предусилитель 3 совместно с образцовым резистором 17 (R ) и измеряемым резистором (R„) образует измерительный преобразователь сопротивления в напряжение

R„

U„= " U,,, Ro

Формула изобретения

1. Цифровой измерительный прибор, содержащий цифроаналоговый преобразователь, предусилитель с включенным в цепь обратной связи масштабным делителеМ, ключи, опорный источник напряжения, соединенный с цифроаналоговым преобразователем, последовательно соединенные интегратор и компаратор, выход которого соединен со входом схемы управления, другой вход которой подключен к генератору тактовых импульсов, выходы ее соединены со входами схем совпадения, к друтим входам которых подключен выход генератора высокочастотных импульсов, а выходы схем совпадения соединены со счетчиком, подключенным к цифроаналоговому преобразователю и отсчетному устройству, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения быстродействия, надежности и расширения его функциональных возможностей за счет измерения сопротивления, он снабжен дополнительным делителем, запоминающим устройством, образцовым резистором и переключателем рода работ, причем выход предусилителя соединен со входом дополнительного делителя и одним из входов запоминающего устройства,. выход делителя соединен через первый ключ с другим входом запоминающего устройства, к которому через второй ключ подключен один из выходов цифроаналогового преобразователя, .а два других выхода цифроаналогового преобразователя соединены со входами запоминающего устройства, выход запоминающего устройства соединен со входом интегратора, образцовый резистор соединен одним из выводов с опорным источником напряжения, другим— со входом первого направления переключателя рода работ, выход которого,, соответствующий положению R, подключен к одной из входных клемм и к входу предусилителя, а другая входная клемма подключена к входу второго направления переключателя рода работ, выход которого, соответствующий положению R, подключен к выходу предусилителя, а выход переключателя, соответствующий положению U, подключен к выходу масштабного делителя.

2.устройство поп. 1,о тли чающее с я тем, что запоминающее устройство состоит из мостового коммутатора, конденсатора памяти и усилителя, причем конденсатор памяти подключен в диагональ мостового коммутатора, являющуюся входом мостового коммутатора и входом запоминающего устройства, выход мостового коммутатора соединен со входом усилителя и является другим входом запоминающего устройства, а выход усилителя является выходом запоминающего устройства.

892309

3. Устройство поп. 2, о т лича ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности, каждое плечо мостового коммутатора состоит из трех звездообразно соединенных ключей, один из которых соединен с общим выводом, а два других соединены с соседними плечами мостового коммутатора.

4.Устройство поп, 1,о тличающее с я тем, что цифроаналоговый преобразователь состоит из двух включенных последовательно декадных делителей, каждый из которых содержит последовательно включенные равнономинальные резисторы, декадных переключателей на канальных транзисторах, подключенных к декадным делителям, и схемы управления, подключенной к декадным переключателям, причем выходы декадных переключателей являются выходами цифроаналогового преобразователя, вход схемы управления — входом цифроаналогового преобразователя, другими входами цифроаналогового преобразователя, служащими для подключения его к опорному источнику напряжения и общему выводу, являются первый и последний резисторы декадных делителей.

1О Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Франции N 1586885, кл. Н 03 К, 1970.

2. Цифровые измерения 1970 г. Каталог фирмы Takeda Riken Industry Co, Itd прибор — 6567, с. 7,