Магазин сопротивления и проводимости

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ .РЕСПУБЛИК 6070 А 1 19) .ЬЖ. о 3)5 6 О 1 В 27/00 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) Е ИЗОБРЕТЕН СА ЕТЕЛЬСТВУ АВТОРСКОМУ л. %25 й научн ектропри Е,Я,Бади А.В.Торк идетельс 1 В 27/О идетельс 01 К 27/ о-исследоборостроентер, И,Иуновтво СССРО, 1979,тво СССР00, 1986,ВЛ ЕНИЯ тельяиша ПР 4) МАГАЗИН СОПРОТИОДИМОСТИ Изобретение относится к электроизмерительной электромоделирующей технике, а именно к многозначным мерам электрического сопротивления (магазинам),Цель изобретения - повышение точности и увеличение рабочего диапазона.На чертеже представлена структурная электрическая схема магазина сопротивления и проводимости,Магазин сопротивления содержит управляемый масштабный мультирезистор 1 с первым полюсом а и вторым полюсом Ь, первым повторителем напряжения на базе операционного усилителя 2, инвертора 3, М преобразователей 4.1. 4,2 41, 4.М напряжения в ток, М опорных резисторов 5.1, 5,2, ., 5.1,., 5.М, М групп переключателей 6.1, 6,2, 61, , 6.М, содержащих А и(А+1) ключей 7.1, 7.2 7,А: .; М.О, М,1, , М,А+ 1, резисторный делитель 8, выполненный на А одинаковых резисторах 9.1,В уст альная к клемма 1 20, четве па по чатель 2 П Пред но разделая потенцитенциальная ная клемма лемма 21 и 2, переклюсхему мож(21) 4902968/21(71) Кишиневскиский институт эл(57) Использование: в электроизмерительной и электромодулирующей технике, а именно в многозначных мерах электрических сопротивлений. Сущность изобретения: магазин сопротивления и проводимости содержит управляемый масштабный мультиреэистор, повторитель напряжения, инвертор, М преобразователей напряжения в ток, М групп переключателей (М 4), резисторный делитель. Ведение пяти токовых зажимов, пяти потенциальных зажимов и двухполюсного переключателя на два направления позволило увеличить рабочий диапазон и точность магазина, С 6 ил., 2 табл. 9.2, , 9.А с номинальным сопротивлением В = В 9,1 - 89,2 ВЭ.А (на чертеже покаэан делитель 8 для системы счисления с основанием А = 10),Инвертор Э выполнен на операционном усилителе 10, управляемом мультирезисторе 11 и подстраиваемом резисторе 12,Устройство снабжено первым токовым зажимом 13, вторым токовым зажимом 14, третьим токовым зажимом 15, четвертым токовым зажимом 16 и пятым токовым зажимом 17. ройстве имеется перв лемма 18, вторая по 9, третья потенциаль ртая потенциальная к тенциальная клемма 2 2 Н 23.ставленную на чертеж ить на две субсистемСоставитель И, ДорукТехред М.Моргентал Редакт ека орректо кольская водственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101.Заказ 2319 ВНИИПИ Госу Тира рственного ко 113035,МоПодписноета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР1) управляемый масштабный мультирезистор 1 с устанавливаемым кодом Р ступенями сопротивления:(1) 5 Вр =10 Ом,где Р - целое число (или нуль) из следующего рядаР =-3;-2;-1;0;1;2; 3, 12;(2)= -К О, Х 1, , Хь , ХмО, (3) 15 где О - входное напряжение конвертора 3;К - коэффициент преобразования конвертора 3, устанавливаемый из ряда К: 10+2 -10+ -1; -10" -102 10 з -10";(4) 20 Х 1, Хь , Хм - показания переключателей6,1, , 6.1, ., 6.М, адекватные числу включенных ступеней делителя 8,Х 1, , Х 1, Хм - показания переключателей 6,1, , 6,1, ., 6.М, адекватные числувыкл)оченных ступеней делителя 8 из корпуСОВ токов.Далее в табл, 1 представлены три основные компоновки (1 а, 2 а и За) масштабного 30,мультирезистора 1 в преобразователя 24напряжения О в напряжение ср(3), так жеприведены схемы замещения (1 б, 2 б и Зб)укаэанных трех агрегатов (1 аа-За),Авторы прототипа 1) и экспертиза не 35учли то, что ",входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя имеетсущественно меньшую величину,чем собственное входное сопротивление операционного усилителя" (Зб с. 77). 40В приборостроении и вычислительнойтехнике наибольшее применение нашлиоперационные усилители с выходным напряжением р= + 10 В и выходным током= 10 мА, При укаэанных выходных сигналах сопротивление В 2 з резистора 23 принимают не более10 4смкгдмакс = 0 О-)- - ааО) 10 ОМ с 5)откуда для получения коэффициентов 50конверсии необходимо иметь сопротивление:К=-10 В 22 " 102 ОмК=-10 В 22 = 10 ОмК-.-1 В 22=10 Ом 55К = -101 822 = 10 Ом (6)К=-10 . В 22=10 ОмК =. 10 з В 22 =- 10 ОмК = 10 822 - 10 Ом, Допустив ошибку (упрощение задачи) в пренебрежении (в прототипе) влиянием непосредственного шунтирования сопротивления В мультирезистора 1 сопротивлением В 22 входа инвертора 3, автор и эксперт 11 оставили беэ учета то, что взамен одного сопротивления В в создании сигнала Оэь 1 принимает в действительности параллельное соединение сопротивлЕний Вр и В 2 З.Погрешность "упрощение задачи" в прототипе дуэ определяется по форму- ле 0 уэ =(1 В +й .Вр)хВРВ 23х 100% -100%, (7) откуда следует, что в прототипе при разных значениях сопротивления Вр, а именноВР=В 23= 10 Омйр=10 ОмВр=10 ОмВр =10 ОмВ=1 ОмВ =0,1 Ом дуэ= 50% (8) дуз= 9% (9) дуз= 1% (10) дуз= 0,1% (11) гауз= 0,01% (12) ду,= 0,001%(1 3) 33 оу 2 = 10 мА, (14) то при сопротивлениях включенных ступеней мультирезистора 1разность потенциаловВр=1 Ом О=О ь=1 Ом10 А=0,01 В Вр=10 10 м О=О ь=10 2 Ом10 2 А=0,001 В Вр=1020 м О=-О ь=10 Ом 10 А= 0.0001 В йр=10 з Ом О=О ь=10 Ом10 А=-0,00001 В,и так далее, тогда как в заявляемом устройстве при совместном использовании токовых 15 и 16 рабочий ток магазина определяется величиной максимально допустимого тока для соответствующей ступени сопротивления мультирезистора 1 (2,в. фиг, 2 и 3) табл, 1), а именно: т.е. только в (12) указанной погрешностью можно пренебречь, если класс точности прототипа не лучше 0,05%.Заявляемый магазин сопротивления выгодно отличается от прототипа тем,что величина его рабочего тока (фиг. 2) при четырехэажимнам подключении (2,а; 2,в) не"ограничивается величиной максимально допустимого тока выхода первого повтоРителЯ-Усилитела 2 1 оу 2 10 мА). Если в прототипе (2 а, фиг. 2 и 1, табл, 1)рабочий ток18260 70 разность потенциаловВр = 0,1 Ом(1=1 А) О=Огнь=1 Ом 1 А=1 ВЯр10 Ом(=ЗА) 0-Оь = 10 Ом ЗА=О,ЗВйр = 10Ом 0=10 Д)О=О ь" 10 2 О 1 ОД=0.1 ВЯр=10 Ом(1=30 А) О = О,ь=10 Ом ЗОА=О,ОЗВ, 5 что соответственно в 100, 300, 1000 и 3000 раз больше, чем у прототипа. Это позволяет расширить диапазон магазина в сторону малых сопротивлений (при й = 1; 0,1; 0,01; 10 0,001 Ом и менее),Как и в прототипе (2 а.б. фиг, 2 и 1) табл.1) инвертор 3 свой входной сигнал(19) В/В 1=А = 10 й/В=А =10 й/Вм = А = 10,(20) О ь=ЯР=О (15) 15 где А = 10 - основание поинятой системысчисления;.Х 1 - число исключенных ступеней со.противления й делителя 8 из контура тока 11декадным переключателей 6.1;Х - число исключенных ступеней сопротивления й делителя 8 из контура тока 1декадным переключателем 6,1;5 Хм - . число исключенных ступеней сопротивления В делителя 8 из контура тока1 М декадным переключателем 6.М,как итоговое падение напряжения (О) наделителе 8 определяется по формуле 20 Далее с выхода инвертора напряжение-сигнал 01 б поступает на инвертирующие входы преобразователей 4,1, 4.2 4, М нап ряжения в токи 11 = Оц/В 5,1 = К 1 ВР/В 5.1 1 Од/Й 5. = К 1 ВР/В 5. 30 35 ФЙ 5.М - сопротивление резистора 5,М. 40 Токи 1, , 1 ь ., 1 м протекают от выходов соответствующих усилителей ОУ 4.1;41, 4.М через замкнутые контактыпереключателей 6.1, , 6.1, , 6.М, включенные резисторы-ступени делителя 8опорные резисторы 5.1, 5.1, , 5,М. Каждый из указанных контурных токов задается соответствующим сопротивлением В 1,, Вь , Вм резисторов 5,1 5,1, , 5,М в 501-м, , 1-мМ-м контурах цепи устройства,(24) Каждый из токов 11, 1 ь1 м, проходя через соответствующее для него включен ное, число Х 1, .Хь , Хм резисторных ступеней делителя 8, создает на последнем соответствующие падения напряжения: преобразует в свой выходной сигнал ОЫ = КЯР = КО, (16) 1 м = Оы/В 5.м = К 1 ВР/Й 5,м, (17) где В 5. - сопротивление резистора 5.1,В 5. - сопротивление резистора 5.1,01 =1(А -. 1 - Х)В = Оы (А - 1 - Х) й В 5.О = ЦА-Хф)й = Оы (А-Х) (18) В В 5,Ом = 1 м(А - Хм) = Оы (А - 1 - Хм),В Я 5,М сумма которых. = Оц(1 - О,Х 1, , Хь , Хм), (21) которую с учетом (12) можно представитьследующим образом О= КЯр(1-0,Х 1, ., Хь, Хм), (22) При К0 напряжение О с полярностью,противоположной полярности напряжениюОаь, прикладывается между выходом и инвертирующим входом повторителя-усилителя 2 и повторяется последним междуполюсоми Ь как напряжение Оь = О, (23)также противоположное по полярности падению напряжения на включенной ступенисопротивлении ВР масштабного мультирезистора 1.Итоговое напряжение на пути прохож-.дения рабочего тока между полюсами а иравно:081 = Оаь+ Оы Оаь+ 0=-1 йр(1 + К - КО,Х 1, , Хь , Хм),откуда в соответствии с законом Ома воспроизводимое (имитируемое) между пол юсами а и 1 току 1 сопротивление йзт - Оак/1" йр(К+ 1- КО,Х 1 Хь Хм), (25)18260 ТО Особенностью заявленного магазина сопротивления является то, что при К = -1 ЕГО СОПРОТИВЛЕНИЕ йа 1, СОГЛаСНО (25), МОжЕт быть определено по предельно простой и удобной для пользования формуле Ва = + О,Х 1, Хь ХмВр ==+О,Х 1, Хь , ХМ 10 Ом, (26) йа 1(0) = О,Х 1, , ХЬ ХМ 1 ОМйа 1(-1) = О,Х 1, , Хь Хм10 Ом Вэба) = О,Х 1, ., Хь ., Хм10 Ом йа 1(-3) = О,Х 1 Х. ., Хм10 Ом, (27) т.е. от минимального сопротивления приМ=5: йа 1(-3) = 0,0000110 = 110 Ом (28) до максимального сопротивления йа 1(1) = 0,9, 9, , 91 Ом1 Ом, (29) тогда как по изложенным ранее доказательствам прототип может иметь только шкалу ДО 0,(32) йр = О,Х, Хь , Хм1 Ом, (30) в результате чего испытательное напряже 40 ние омметра или квазимоста 1. = 1.1- Д 1.1(33) б= - =-К О,Х,ХХ, (35) где Р может быть любым целым числом(или нулем) в пределах от -3 до О.При К-1 заявленное устройство может быть использовано, как и прототип, для воспроизведения отрицательных сопротивлений.По сравнению с прототипом, заявляемое устройство(вариант 2 в, фиг. 2) обладает следующими преимуществами;1) может воспроизводить любое сопротивление из следующего массива: при классах точности не лучше 0,05-0,1 (0 ) из-за погрешности упрощения задачи в 0,01% для случая (30);2) может иметь рабочие токи намного больше, чем у прототипа;3) может быть использован как низкоомная мера при четырех- и трехзажимном подключениях к внешней цепи согласно 3-4 (табл, 2, тогда как прототип предназначен только для двухзажимного подключения (1), табл. 1).Дополнительным преимуществом заявленного устройства является то, что оно может быть использовано как широкодиапазонная многозначная мера электрической проводимости малых значений (электрического сопротивления больших значений).указанное новое применение заявляемого устройства реализуется при приведен- а ном в табл, 1 соединении 3 управляемого масштабного мультирезистора 1 и преобразователя 23 напряжения 0 в напряжение р При этом данный вариант рассматриваемо го устройства к внешнему омметру подключается по схеме согласно фиг. 3, а к более точному квазимосту согласно фиг, 4.Работу трехзажимного устройства согласно фиг, 2 в схемах на фиг. 3 и 4 лучше 10 всего рассматривать после замены блоксхемы ДТаТсТд в указанных схемах на эквивалентный треугольник проводимостей. а именно,15 ДТаТсТд = Дбсдбасбад, (31) где бсд - входная проводимость ДТаТсТд;бас - ПрОХОдНая ПрОВОдИМОСтЬ ДТаТсТд; бад - ВЫХОДНая ПРОВОДИМОСТЬ Д ТаТсТд;20 т,е. после получения схем на фиг. 5 и 6, изкоторых видно следующее:1) измеряемой является проходная проводимость бас,2) ВХОдмая ПрОВОдИМОСтЬ бсд яВЛяЕтСя 25 лишь нагрузкой для источников питания 24,ее влиянием можно пренебречь;3) ВЫХОдНая ПрОВОдИМОСтЬ бад В ОММЕтре шунтирует вход операционного усилителя 26, в квазимосте - вход нулевого органа 30 30, ее влиянием при условии малости этогоэффекта можно пренебречь.Особенностью мер проводимости (сопротивления) типа ДТаТсТд является то, что они применяются в измерительных цепях 35 при эквипотенциальных зажимах 12 и 11, т.е.при равно напряжению 0 источника 24,При выполнении условий (3) и (32) 45 представляющий интерес выходной ток ДТаТсТд1 а - -=-КО,Х 1, ., Хь ., ХмО/Вр,(34)50 откуда следует, что проходная проводимость 55прямо пропорциональна коэффициенту конверсии К, цифровому показанию О,Х 1, , Хь , Хм" преобразователя 23, Включенной проводимости Вр масштабного мультире1826070 10 15 20 б(р,к) = 10К,(40 а) зистора 1 с виртуальным множеством ступеней сопротивления 10+1, 10+2, 10+3. , 10+Р, , 10+11, 10 р 12 О(37) При К = -1 воспроизводимая проводимость определяется по наиболее простой формуле ък=+о,х 1,зо,.:хмйя, Р 81 которая при учете изменения масштаба Яя по ряду (37) представляет следующий массив образцовых проводимостей: бас(1) = О,Х 1, , Хь Хм10 см бас(2) = О,х 1, , хь ., хч10 2 см бас(Р) =О,Х 1,. ХлХм 10 см (39) б(11) = О,Х 1, ., Хл , Хм10 см бас(12) = О,Х 1, , Хл , Хм10 см Информационный массив (39) может быть при 1 К Ф 1 сдвинут в К раз, т.е, в самом общем виде воспроизводимая проводимость определяется по формуле: бас(Р, К) = О,Х 3, , ХлХмб(р,к), (40) где масштабный множитель В табл, 2 приведены значения масштабного множителя б(р,к) для возможных сочетаний Вр = 10 д и К разных значений-Рсогласно (37) и (6).Следует отметить, что при измерении К в сторону уменьшения растет мощность рассеяния на имитируемой проводимости в . К, поскольку в К раз увеличивается рабо-. чее (испытательное) напряжение магазина при том же рабочем токе.Например, при К = -1 при рабочих токе 1 = 0,01 А и напряжении р = 10 В мощность рассеяния имитируемой проводимости бу- дет Р = д) 1, = 10 В х 0.01 А = 0,1 Вт, (41) При К = -0,1 и тех же рабочих токах и напряжении ОУ 2 испытательное напряжение Оса = ф: К = 10 у 7 = 10 х 10 В - 100 В, (42) а мощность рассеяния имитируемой проводимости в К раз меньшей согласно (35)будетР = Оаа1 а = 100 В0.01 А. - 1 Вт. (43) и т.дпо мере уменьшения К,При агрегировани заявляемого устройства с управляющей микро-ЗВМ можно его низкоомные шкалы сопротивления и дольносимеисные шкалы проводимости конвертировать в соответствующие шкалы больших проводимостей с большими рабо чими.1 оками и больших сопротивлений с большими рабочими напряжениями, что представляет интерес для многих случаев метрологической практики и измерительной техники. Формула изобретения Магазин сопротивления и проводимости, содержащий управляемый масштабный мультирезистор, два токовых зажима, по вторитель напряжения, выполненный в виде операционного усилителя с источником питания со средней точкой, резистивный делитель, выполненный в виде последовательно соединенных й равнономинальных 30 резисторов с (И + 1) промежуточными выводами (где К (А - 1), а А - основание принятой системы счисления), М разрядных однополюсных коммутаторов (где М 4), каждый из которых выполнен в виде (й+ 1) 35 кодоуправляемых ключей (или шаговых переключателей) с(й+ 1) выходами, М разрядных преобразователей напряжение в ток, каждый из которых выполнен в виде операционного усилителя, общий. вывод и неин вертирующий вход которого обьединен ичерез опорный резистор соединен с общей шиной, выходы разрядных преобразователей напряжения е ток соединены с соответствукицими входами-полюсами разрядных 45 однополюсных коммутаторов, выходы которых соединены с соответствующими промежуточными выводами резистивного делителя, вход которого соединен с третьим токовым зажимом, который соединен с вы ходом повторителя напряжения, инвертиру-ющий вход которого соединен с выходом резистивного делителя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что. с целью увеличения точности и рабочего диапазона, в него введены три 58 токовых и пять потенциальных зажимов,двухполюсный переключатель на два направления и инвертор, выполненный на операционном усилителе с биполярным источником питания, управляемом мультире 182600 12зисторе и подстраиваемом резисторе, первый токовый зажим магазина соединен с токовым выводом первого полюса управляемого масштабного мультирезистора,.токовый вывод второго полюса которого соединен с вторым токовым зажимом, третий токовый зажим подключен к токовыводу общей вини биполярного источника питания инвертора, вход которого соединен с четвертым токовым зажимом и первым выходом аереого направления двухполюсного переключателя, первый полюс которого соединен с второй потенциальной клеммой, вторым потенциальным выводом первого полюса управляемого масштабного мультирезистерэ, первый потенциальный вывод первого полюса которого соединен с первой потенциальной клеммой, пятый токовый зажим соединен с объединенным неинвертирующим входом и выводом средней точки питания операционного усилителя повтори теля напряжения, с пятой потенциальнойклеммой и вторым выходом второго направления двухполюсного переключателя, второй полюс которого соединен с четвертой потенциальной клеммой и вторым потенциальным 10 выводом второго полюса управляемогомасштабного мультиреэистора, первый потенциальный вывод второго полюса которого соединен с третьей потенциальной клеммой, первый выход второго направления 15 двухполюсного переключателя соединен спервым потенциальным выводом полюса общей шины питания инвертора.Таблица 1