Цифровой измерительный мост

(56) Приборы и сисМ 9,с.20,750 практическСправочное рукоР,Фелпс. М.: Мир,8,8)темы управления, 1985,х электронных схемодство. Сост, и ре986, с. 58. ОВОЙ ИЗМЕ ретение относ может быть зометрическ я,в цифровы т,д, Целью из ие точности изкомпенсаци тик измерит ия разрешаю(54) ЦИФР (57) Изоб рениям и ровых тен и давлени метрах и повышен можности рактерис повышен РИТЕЛЬНЫИ МОСТ ится к электроизмеиспользовано в цифих измерителях силы х термометрах, фото- обретения является мерения за счет вози нелинейности хаельных резисторов, щей способность и ерительный резииэ вершин измериГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ Изобретение относится к электроизмерениям и может найти применение, в частности, в цифровых тензометрических измерителях силы и давления, в. цифровых термометрах, фотометрах.Целью изобретения является повышение точности измерения за счет возможности цифрового преобразования с коррекцией нелинейности характеристик элементов измерительного моста, повышения разрешающей способности и уменьшения погрешности дискретности преобразователя.На чертеже представлена функциональная электрическая схема цифрового измерительного моста.Мост содержит измстивный мост 1, к одной уменьшения погрешности дискретности преобразователя. В цифровой измерительный мост введены третий и четвертый изме. рительные резисторы 12 и 13, усилительный блок 2, второй умножающий цифроаналоговый преобразователь (УЦАП) 7, два масштабирующих резистора 4 и 5 и делитель 3 напряжения. Корректировка нелинейности характеристик резисторов с измерительного моста возможна благодаря тому, что связь напряжения на выходе УЦАП 7 и напряжения на входе УЦАП 6 описывается функцией, имеющей квадратичную зависимость. В результате зависимость эквивалентного сопротивления (проводимости) от кода также имеет квадратичную зависимость, что дает возможность скомпенсировать квадратичную зависимость характеристики измерительного резистора (например, платинового термометра сопротивления 14). 1 ил,тельнои диагонали которого подсоединен неинвертирующий вход усилительного блока 2, выход которого соединен с выводом делителя 3 напряжения, а между выходом 0 делителя 3 и инвертирующим входом усили- Фф тельного блока 2 включены масштабирую- О щие резисторы 4 (Й 4) и 5 Щ, п ри этом между К выходом делителя 3 и средним выводом резисторов 4 и 5 подсоединены последовательно соединенные умножающие цифроаналоговые преобразователи 6 и 7, к измерительной диагонали моста 1 подсоединен компаратор 8 напряжений, выходы регистра счетчика 9 импульсов соединены с цифровыми входами преобразователей 6 и 7, а счетный вход счетчика 9 соединен с выходом блока 10 управления и синхронизации.Измерительный мост 1 состоит из четырех резисторов 11-14 (В 11-В 14), часть из которых или все могут быть активными, т.е.изменять свое сопротивление под действием некоторой физической величины.Усилительный блок 2 реализован наоперационном усилителе 15 и резисторе 16обратной связи,Делитель 3 напряжения выполнен нарезисторах 17 (В 17) и 18 (В 18), Умножающиецифроаналоговые преобразователи 6 и 7выполнены на базе кодоуправляемых резистивных матриц. 19 и 20 с суммирующимиусилителями 21 и 22 соответственно. Существенно, что резисторы 23 и 24 могут входить в состав матриц 19 и 20.К диагонали питания измерительногомоста 1 подключен источник 25 опорногонапряжения,Счетчик 9 имеет установочный вход, накоторый подается сигнал "Сброс",Блок 10 управления и синхронизациипредставляет собой по сути генератор тактовых импульсов и цифровой ключ, управляемый сигналом компаратора 8, Высокийуровень на выходе компаратора 8 разрешает прохождение импульсов на счетный входсчетчика 9.Мост работает следующим образом.Для работоспособности моста необходимо резисторы с положительным приращением сопротивления включать на месторезисторов 11 и 14, а резисторы с отрицательным приращением сопротивлений - наместо резисторов 12 и 13.В исходном состоянии измерительныймост 1 разбалансирован за счет действиявнешних измеряемых физических величин.На установочном входе счетчика 9 действует сигнал "Сброс", а на выходе счетчика 9установлен нулевой код. Сигнал разбалансаизмерительного моста 1, действующий навходе компаратора 8, устанавливает на еговыходе высокий (положительный) уровень,который запускает блок 10. Блок 10 начинает вырабатывать тактовые импульсы, поступающие на счетный вход счетчика 9.Как только перестает действовать сигнал "Сброс" начинается процесс счета. Ввыходные регистры счетчика 9 поступаютнарастающие цифровые коды, управляющие коэффициентом передачи преобразователей 6 и 7, Одновременно эти кодыпоступают на выход устройства. При этом,эквивалентное сопротивление Вэ междувходом усилительного блока 2 и общей шиной уменьшается (соответственно, проводимость возрастает), чем и достигаетсябалансировка моста, В момент баланса измерительного моста 1, полярность напряжения на выходе компаратора 8 меняется скачком на противоположную. Блок 10 перестает пропускать тактовые импульсы на вход счетчика 9, и в его выходных регистрах уста навливается устойчивое значение цифрового кода, однозначно связанное со значением относительного изменения сопротивлений резисторов измерительного моста, 10 Уравнение баланса измерительного моста 1 имеет видбэ В 12 = 811/В 13, (1) где Оэ = 1/Вэ - эквивалентная и роводимость между неинвертирующим входом операци онного усилителя 15 и общей шиной устройства.Важное практическое значение имеют следующие случаи,В 4 - ; . При этом, выражение для экви валентной проводимости приобретает вид бэ =(1 - )В, (2)А.ГУ - 1 В 4 где 0 - числовой эквивалент цифрового кода счетчика 9; 25 . В 5 В 18 В 5 В 18 + В 5 В 17 + В 17 В 18В 17 В 18В 5 В 18 + В 5 В 17 + В 17 В 18Выражение (2) получено в предположении, что входное сопротивление преобразователя 6 значительно превышает сопротивление резисторов 3, 17 и 18, Если это условие не выполняется, то необходимо учитывать параллельное соединение входного сопротивления преобразователя 6 и резистора 18, При В 5-. имеем 2(3) 40 В 141 - п 1 0 (В 16 В 4 где в - коэффициент передачи делителя 3.Как видно из формул (1) и (3), в случае если измерительный резистор (например, резистор 11) имеет собственную нелиней ность характеристики преобразования, то выбором соответствующих значений сопротивлений 4, 516-18 можно в значительной мере скомпенсировать эту нелинейность и получить линеаризованную зависимость 50 выходного кода от измеряемой физической величины. В частности, с помощью данного измерительного моста можно осуществить компенсацию нелинейности платинового термометра сопротивления. 55 По принципу действия преобразователь 6 должен инвертировать знак входного напряжения. Преобразователь 7 может быть применен как с инверсией, так и без инверсии знака входного напряжения. Выбор того или иного преобразователя 7 будетопределять знак коэффициентов перед членами высших порядков в формулах (2) и (3).Приращение выходного кода, соответствующее малому относительному приращению сопротивлений измерительных резисторов моста даже при использовании стандартного двоичного умножающего цифроаналогового преобразователя может быть сделано как угодно большим (не превышающим, естественно, максимального кода преобразователя), что достигается соответствующим выбором коэффициента деления делителя напряжения,Формула изобретения Цифровой измерительный мост, содержащий первый умножающий цифроаналоговый преобразователь, цифровые управляющие входы которого подключены к выходам счетчика импульсов и являются выходом моста, компгратор напряжений, первый вход которого соединен с общим выводом последовательно соединенных первого и второго измерительных резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с первым выводом источника опорного напряжения, второй вывод которого соединен с общей шиной и выходом первого умножающего цифроаналогового преобразователя, при этом выход компаратора напряжений соединен с входом управления блока управления и синхронизации, выход которого соединен с входом счетчика импульсов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены последовательно соединенные третий и четвертый измерительн.е резисторы, усилительный блок, второй 5 умножающий цифроаналоговый преобразователь, два последовательно соединенных масштабирующих резистора и делитель напряжения, причем общий вывод соединения третьего и четвертого измерительных рези сторов подключен к второму входу компаратора напряжений, вторые выводы этих резисторов соединены соответственно с первым и вторым выводами источника опорного напряжения, первый вход усилитель ного блока соединен с первым входомкомпаратора напряжений, второй вход усилительного блока соединен с вторым выводом первого масштабирующего резистора, а его выход соединен с первым входом де лителя напряжения, второй вход которогосоединен с общей шиной устройства, выход делителя напряжения соединен с аналоговым входом первого умножающего цифроаналогового преобразователя и вторым 25 выводом второго масштабирующего резистора, выход первого умножающего цифроаналогового преобразователя соединен с аналоговым входом второго умножающего цифроаналогового преобразователя, выход 30 которого соединен с общим выводом первого и второго масштабирующих резисторов, а цифровые входы - с выходами счетчика импульсов соответственно.