Аналого-цифровой преобразователь сопротивления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН зд) С 01 К 27/02 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЬЗЙ КОМИТЕТ СССРпО делАм изОБРетений и ОтнРытий(56) 1. Диденко Б.М., Евланов А.И., Малиновский В.Н. Цифровой интегрирующий вольтметр с автоматической коррекцией дрейфа. Приборы и системы управления. М., 1973, У 2, с.14.2, Коган Б,М., Войтелев А.И Лукьянов Л,М, Системы связи УВМ с объектами управления в АСУ ТП. М., "Советское радио", 1978, с,259 (прототип).(54) (57) 1. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ, содержащийисточник измерительного напряжения,формирователь эталонного напряжения,блок управления, операционный усилитель, нелинейную интегрирующую цепь,коммутатор, причем выход источникаизмерительного напряжения соединенс одним входным зажимом устройстваи с формирователем эталонного напря.жения, второй входной зажим черезкоммутатор "оединен с инвертирующимвходом операционного усилителя ивходом нелинейной интегрирующейцепи, выход которой соединен с выхоЯО 1108369 А дом операционного усилителя и входом блока управления, а второй выход источника измерительного напряжения, второй выход формирователя эталонного напряжения и неинвертирующий вход операционного усилителя соединены с земляной клеммой, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повьпдения точности и помехозащищенности, в него введены токоограничивающий элемент, ячейки памяти и помехозащитная цепь, причем вход токоограничива" ющего элемента соединен с входом помехозащитной цепи и с инвертирующим входом операционного усилителя, йыход токоограничивающего элемента через первый ключ коммутатора соединен с выходом вормнровнтелн этелонно- дрр го напряжения, через второй ключ с выходом операционного усилителя, через третий ключ - с входом ячейки Я памяти через четвертый ключ - с выхо рВрррй дом помехозащитной цепи, выходы ячейки тщюй памяти и помехозащитной цепи соединены с земляной клеммой, а выходы блока Ю управления соединены с управляющими ОО входами ключей коммутатора. М2. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что параллельно (;ф нелинейному элементу интегрирующей цепи подключен ключ коммутатора.лы, т.е. за эталонное время сначала интегрировать эталонное напряжение,изводить измерительным сигналом, Поскольку величина измеряемого сопротивления пропорциональна длительности интервала противоположного интегрирования, не связанной с периодом помехи, помехоподавление в этом сллу - чае резко снижается.Цель изобретения - повышение точности преобразования и помехоустойчивости преобразователя,что в аналого-цифровой преобразователь сопротивления, содержащий источник измерительного напряжения, формирователь эталонного напряжения, блок мутатор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и входом нелинейной интегрирующей цепи, выход измерительного напряжения, формирователя эталонного напряжения и неинвервыи ключ коммутатора соединен с выходом формирователя эталонного напряжепамяти и помехозащитной цепи соедине 2Изобретение относится к областивоидет в интегрирующую цепь интеграизмерения электрических величин, а тора. Схема в этом случае имеет низименно к измерению сопротивления элек- кую помехоустойчивость, так как притрических цепей с использованиемизмерении сопротивлений необходимоисточника измерительного напряжения,оменять месами интегрируемые сигнаи может применяться в различных областях измерительной техники.Известен цифровой интегрирующийа противоположное интегрирование провольтметр с автоматической коррекциейдрейфа, содержащий входной усилитель, 10интегратор, нуль-орган, коммутаторизмеряемого и эталонного напряжений,блок управления работой коммутационных элементов, блок отсчета, цепькомпенсации дрейфа смещения 1 1 3.15Однако данный вольтметр, использующийся для измерения сопротивления,имеет точность из-за влияния дрейфанапряжения смещения интегратора нульоргана и входного усилителя, а также20дрейфа входного тока входного усилителя, которые не компенсируются цепью компенсации, пониженную помехоустойчивость. управления, операционный усилитель,Наиболее близким к предлагаемаму нелинейную интегрирующую цепь, ком 25по технической сущности и достигаемо- мутатоР, пРичем выход источника изму результату является бескомпаратор- мерительного напряжения соединен сный аналого-цифровой преобраз тель одним входным зажимом устройства исопротивления, содержащий источник с формирователем эталонного напряжеизмерительного напряжения, формипо- ния, второй входной зажим через комватель эталонного напряжения, блок30управления, операционный усилитель,нелинейную интегрирующую цепь, коммутатор, причем выход источника из- которой соединен с выходом операцимерительного напряжения соединен с онного усилителя и входом блока уподним входным зажимом устройства и с З 5 равления, а вторые выходы источникаформирователем эталонного напряжения,второй .входной зажим через коммутатор соединен с инвертирующим входомтирующий вход операционного усилитечоперационного усилителя и входом не- ля соединены с землянои клеммой,линейной интегрирующей цепи, выкод 40 введены токоограничивающий элемент,которой соединен с выходом операцион- ячейка памяти и помехозащитная цепь,ного усилителя и входом блока управ- пРичем вход токоограничивающего элеления а второй выход источника из-. мента соединен с входом помехозащитФмерительного напряжения, второй выход ной цепи и с инвертирующим входомформирователя эталонного напряжения 45 операционного усилителя, выход токои неинвертирующий вход операционного огРаничивающего элемента через перусилителя соединены с земляной клеммой 12.Известный аналого-цифровой преоб- ния, чеРез второй ключ - с выходомразователь может быть использован 50 операционного усилителя, через тредля измерения сопротивлений электри- тий ключ - с входом ячейки памяти,ческих цепей, но при этом он облада- чеРез четвертый ключ - с выходом поет пониженной точностью преобразова- мехозащитной цепи, выходы ячейкиния из-за наличия дрейфа напряжениясмещения и входного тока операционноны с земляной клеммой, а выходы блого усилителя кроме того он обладает ка упРавления соединены с управляюй Фпогрешностью, зависящей от величины щими входами ключей коммутато,измеряемого сопротивления, которое ра,Параллельно нелинейному элементу интегрирующей цепи подключен ключ коммутатора.На чертеже приведена функциональная схема устройства. 5Преобразователь содержит источник 1 измерительного напряжения, формирователь 2 эталонного напряжения, блок 3 управления, токоограничивающий элемент 4, ячейку памяти 5, помехоза щитную цепь 6, операционный усилитель 7, конденсатор 8, нелинейный элемент 9, резистор 10, ключи коммутатора 11- 16, (ячейка памяти 5 состоит из резистора 17 и конденсатора 18, номе хозащитная цепь 6 из конденсатора 19 и резистора 20), электрическую цепь 2 1 измеряемого резистора, резистор 22 токоограничителя 4, нелинейную 23 интегрирующую цепь. 20Источник 1 измерительного напряжения подключен одним выводом к земляной клемме, а другим - к электрической цепи 21 измеряемого сопротивления. Параллельно источнику 1 измернтельно го напряжения включен формирователь 2 эталонного напряжения. Второй вывод электрической цепи 21 подключен через ключ 11 коммутатора к инвертирующему входу операционного усилителя 7, неинвертирующий вход которого связан с земляной клеммой. Функцию управления элементами схемы осуществляет блок управления 3, Между инвертирующим входом и выходом операционного усилиетля 7 включены три цепи, одна из которых, представляющая собой нелинейную 23 интегрирующую цепь, состоит из последовательно включенных конденсатора 8 и нелинейного элемента 9, 4 О в общую точку которых включен резистор 10. Нелинейный элемент 9 шунтирован ключом 16 коммутатора, резистор 10 вторым выводом соединен с земляной клеммой. Операционный усили тель совместно с нелинейной 23 интегрирующей цепью выполняет функцию интегратора и нуль-органа. Токоограничивающий элемент 4 второй цепи одним выводом подключен к инвертирующему входу, а другим через ключ 13 коммутатора - к выходу операционного усилителя, Третья цепь - помехозащитная 6 - одним выводом подключена к инвертирующему входу, а другим через ключ55 15 коммутатора - к выходу операционного усилите.пя 7. Ячейка памяти 5 одним выводом подключена к земляной клемме, а другим ч,роз ключ 14 комм; татора к общей точке соединения токоограничивающего элемента 4 и ключа 13 коммутатора . Конденсатор 18 ячейки памяти 5 включен последовательно с резистором 17. Резистор 20 помехозащитной цепи 6 одним выводом подключен к общей точке соединения конденсатора 19 и ключа 15 коммутатора, а другим - к земляной клемме.В основу работы устройства положен принцип двухтактного интегрирования. Устройство работает циклично. Весь цикл разбит. на несколько временных интервалов. В первом интервале происходит преобразование сопротивления измеряемой электрической цепи в напряжение, обратно пропорциональное величине сопротивления. В этом интервале усилитель 7 работает в качестве входного масштабного усилителя-инвертора. Ключи 11, 15, 13, 14 коммутатора замкнуты, ключ 12 разомкнут. Резистор 22 токоограничивающего элемента 4 в этом интервале работает как резистор отрицательной обратной связи. Конденсатор 18 ячейки памяти 5 заряжается выходным напряжением усилителя 7, содержащим составляющую, соответствующую величине измеряемого сопротивления, и составляющие напряжения смещения и входного тока усилителя 7 и их дрейфа. Резистор 17 ограничивает зарядный ток конденсатора 18 и дополнительно ограничивает величину напряжения помехи, запоминаемого конденсатором 18 совместно с полезным сигналом. Длительность этого интервала достаточна для устранения влияния переходных процессов на точность работы преобразователя, В следующем интервале усилитель 7 совместно с внешними цепями работает в режиме интегратора с входным резистором 22 и интегрирующим конденсатором 8, Этот интервал разбивается на два подинтервала, На первом подинтервале происходит интегрирование эталонного напряжения, пропорционального измерительному напряжению, подаваемого с резистивного делителя формирователя 2 эталонного напряжения через ключ 2 коммутатора на вход интегратора - на резистор 22. В этом интервале ключ 12 замкнут, остальные разомкнуты. Происходит интегрирование эталонного напряжения до определенной величины в течение эталонного промежутка времени. Полярность включения нелинейного элемента 9 такова, что интегрирующий кон1108369 О ЭТ 5денсатор 8 в это время подключен квыходу усилителя 7 через низкое пря- "мое сопротивление диода 9, Длительность эталонного промежутка времени(длительность данного подынтервала)задается блоком управления 3. Поокончании времени интегрированияэталонного напряжения ключ 12 размыкается, замыкается ключ 14, остальные разомкнуты. Начинается второй подинтервал интегрирования противоположного интегрирования напряжения конденсатора 18.. Таким образом, в обоих подынтервалах интегрирования, в которых работает нелинейная 23 интегрирующая цепь,интегрирование происходит при отключенной входной цепи, что устраняетвоздействие входных помех на интегратор и нуль-орган. Подынтервал обратного интегрирования длится до техпор, пока напряжение на выходе усилителя 7 не достигнет величины егонапряжения смещения. В этот моментдиод 9 разрывает отрицательную обрат ную связь цепи интегрирующего конденсатора 8, и на выходе усилителя 7скачкообразно появляется напряжениевысокого уровня, после чего блок управления 3 восстанавливает исходноесостояние схемы, при котором усилитель 7 работает в качестве входногомасштабного усилителя, преобразующе"го изйеряемое сопротивление в напряжение, За время противоположного35интегрирования блок управления 3 формирует код измеряемого сопротивления.Напряжение ( О ), до которого зарядится конденсатор 18 ячейки памяти5 в конце интервала преобразованияизмеряемого сопротивления в напряжение, определяется из выражения,ц изм 22 +О 1+ -3 й (1О18Смо ЯЬХ 22"х45где О иэм - измерительное напряжениеОсмо - напряжение смещения опе"рационного усилителя 7,Зв - входной ток инвертирующего входа операционногоусилителя 7;50Рх - измеряемое сопротивление21,Р - сопротивление 22 токоограничительного элемента4, являющееся в данной55схеме сопротивлением обратной связи, а в схемах,собираемых в последующих тактах входным сопротивлением интегратора на операционном усилителе 7.Работа схемы в.момент появления сигнала нуль-органа описывается выра- жением где Оэт - эталонное напряжение,О- напряжение смещения операционного усилителя (прикотором срабатывает нульорган)- длительность подынтервалапротивоположного интегрирования напр.жения Она конденсаторе 18.Решая уравнение относительно к получаемОизм 22 Из выражения (3) видно, что длительность интервала противоположногоинтегрирования прямо пропорциональнай и с заданной точностью не зависитот дрейфа напряжения смещения и входного тока операционного усилителя вшироком диапазоне измеряемых сопротивлений. Реализация функций входного усилителя, интегратора и нуль-органа на одном операционном усилителесовместно с другими указанными мерами позволяет в данной схеме преобразователя компенсировать влияние дрейфа напряжения смещения и входноготока всех функциональных узлов, чтоне достигается в схемах с раздельнымисполнением.Для работы преобразователя с сигналами низкого уровня при наличиипомех в измеряемых электрическихцепях необходимо нелинейную интегрирующую цепь оградить от воздействияпомех, так как если не принять мер,выпрямленное диодом напряжение помехи ухудшает точность преобразования,оказывая влияние на нее во всех интервалах работы преобразователя - винтервалах преобразования измеряемого сопротивления в напряжение интегрирования и в момент срабатываниянуль-органа,Для устранения влияния помехи винтервале преобразования измеряемогосопротивления в напряжение нелинейная интегрирующая цепь шунтируется конденсатором 19 помехозащитной цепи 6, подключаемым ключом 15. Конденсатор 19 включен в этом интервале параллельно резистору обратной связи 22 и одновременно служит фильтровым конденсатором, уменьшающим величину напряжения помехи, запоминаемой конденсатором 18 ячейки памяти 5. Ем О кость конденсатора 19 определяется требуемой степенью подавления помехи для нормальной работы диода 9 нелинейной интегрирующей цепи. В остальные интервалы работы преобразователя 15 конденсатор 19 отключен, что позволяет повысить быстродействие преобразователя при требуемом уровне подавления помех. Резистор 20 служит для разряда конденсатора 19 при отключе нии ключа 15.Кроме того, если необходимое помехоподавление обеспечивается величиной емкости интегрирующего конденсатора 8 (при сниженных требованиях к быстро действию схемы) схема помехоподавления может быть упрощена за счет шунтирования нелинейного элемента ключом 16, что устраняет выпрямление напряжения помехи в интегрирующей цепи, О оказывающее влияние на точность преобразователя, При этом появляется возможность отказаться от цепи, содержащей конденсатор 19, ключ 15 и резистор 20. Резистор 10, подгружая35 диод 9, улучшает линейность преобразователя, а также разряжает конденсатор 8 при закрытии нелинейного элемента 9. Влияние помехи в остальные интервалы работы схемы (интегрирование и срабатывание нуль-органа) устраняется отключением измеряемой цепи - источника помехи. При этом входным сигналом интегратора,становится напряжение конденсатора 18 ячейки памяти 5, свободное от переменной составляющей помехи.Поскольку в предлагаемом преобразователе один и тот же резистор 22 является во входном усилителе резистором отрицательной обратной связи, определяющим величину напряжения дрейфа и величину входного сигнала, запоминаемым на конденсаторе 18, и входным резистором интегратора, на который подается напряжение с конденсатора 18 в интервале противоположного интегри- рования, входной ток и напряжение смещения являются одинаковыми для входного усилителя, интегратора и нуль-органа; так как они выполнены на одном и том же усилителе, происходит компенсация дрейфа входного тока и напряжения смещения усилителя в широ. ком диапазоне измеряемых сопротивлений, в результате совмещения нескольких функций в одном усилителе повьппается экономичность схемы. Таким образом, предлагаемый аналого-цифровой преобразователь сопротивления обладает повышейными точнос тью, помехоустойчивостью и экономичностью.1108369 орректор.Л.Авраменк 5857/31 Тира ВНИИИИ Госуда по делам из 11303.5, Москва, одписное митета С ткрытии ственног бретении Ж, Ра д.4/ ая н тент", г.ужгород, ул.Проектная,нлиал 1 ПП 1 Составитель О. Панчерниковдактор К.Волощук Техред Ж. Кастелевич