Цифровой мост переменного тока

ЮЗ СОВЕТСКИХЦИАЛИСТИЧЕСКИСПУБЛИК17 Ц 5 О О 1 В 17ВТОРСКОМУ СН ЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Институт электродинамики АН УССР(56) Гриневич Ф.Б. Автоматические мостыпеременного тока. Новосибирск, 1964.Новик А.И. Системы автоматическогоуравновешивания цифровых экстремальных мостов переменного тока. Киев: Наукова думка, 1983,Приборы и системы управления, 1971,аз, с. 3-18,(54) ЦИФРОВОЙ МОСТ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения комплексных электрических сопротивлений. Цель - повышение точности измерения. Устройство содержит масштабирующий усилитель 1, блок 3 автоматического уравновешивания, образцовую меру 4 сопротивления, генератор 5, регистр 6 результата, вычислительный блок 7, блок 8 управления, ключ 9., дополнительную меру 10 сопротивления, цифровой отсчетный блок 11. Точность повышается на 2 - 3 порядка.2 ил.Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения комплексных электрических со-. противлений и может найти широкое применение при измерении параметров комплексных сопротивлений, неэлектрических величин, в научных исследованиях, в различных технологических процессах.Известен ряд устройств, обеспечивающих измерение параметров комплексного сопротивления, в основу которых положены уравновешенные цепи переменного тока, включающие активные элементы - операционные усилители (ОУ), Эти устройства обладают небольшими габаритами и весом, технологичны.Однако известные устройства характеризуются недостатком - погрешностью измерения, возникающей за счет неидеальности используемых ОУ, а именно конечного значения коэффициента передачи ОУ.Известны устройства, реализующие способы измерения, обеспечивающие уменьшение погрешности определения сопротивления.Однако улучшение метрологических характеристик в этом случае достигается путем усложнения измерительной цепи в результате введения дополнительнцх активных элементов (ОУ) и точных мер сопротивления, т, е, значительных аппаратурных затрат.Наиболее близким к предлагаемому является устройство, представляющее собой микропроцессорный мост переменного тока, измерительная цепь которого реализована на ОУ.На фиг. 1 изображена упрощенная функциональная схема устройства; на фиг. 2 - расширенная схема предлагаемого устройство.Устройство содержит мостовую измерительную цепь, плечи которой образованы инвертирующим масштабирующим усилителем 1 (ИМУ), состоящим из делителя обратной связи (21, 22) и операционного усилителя (ОУ), инвертирующий вход которого и общая точка делителя соединены, выход которого соединен с.одним из выводов объекта 2 измерения (2 х), второй вывод которого соединен с входом системы 3 автоматического уравновешивания (САУ) и с одним иэ выводов образцовой меры 4 сопротивления Ро), другой вывод которой соединен с выходом генератора 5 (Г) и входом инвертирующего масштабирующего усилителя 1, Выход системы 3 автоматического уравновешивания соединен с цифровым входам образцовой меры 4 сопротивления,(3) где К - коэффициент передачи реальногоОУ.Решая совместно уравнения (2) и (3),получаемОг 2 гх2,21 (1 + - )рКУчиты вая (1) входом цифрового отсчетного устройства 6,а общий провод генератора 5 соединен собщим проводом.Известное устройства работает следую 5 щим образом.Пад действием вырабатываемого генератора 5 напряжения в ветвях измеритель.ной цепи протекает ток 4 в образцовойветви, образованной инвертирующим мас 10 штабирующим усилителем 1 и объектом 2измерения.На цифровые входы образцовой меры2 о с выхода САУ поступают последовательности кодов, в соответствии с которыми из 15 меняется величина сопротивления 2 о и,следовательно, ток образцовой ветви 1 о.Меняя код на входах управления 2 о ианализируя токиобразцовой ветви и ветвиобъекта 1 х, САУ устанавливает равенство20 о = х. (1)При этом код сопротивления поступаетна вход цифрового отсчетнога устройства,которое индицирует значение измеряемогокомплексного сопротивления.25 Ток в образцовой ветви определяетсяследующим образом:1 о = - ,Ог(2)2 огде Ог - напряжение генератора;30 2 о - значения сопротивления образцовой мерц 2 о,Ток в цепи объекта;Ох = -2 хгде 2 х - значение сопротивления объекта;О 1 - напряжение на выходе инвертирующего масштабирующего усилителя,Можно показать, что01 2 г . 140 О, 21 1к)где 21. 2 г - значение сопротивлений образцовых мер 7 и 8 соответственно, входящихв состав инвертирующега масштабирующега усилителя 1;К - коэффициент усиления напряженияОУЕ 1ф 21+2 г(4)50(5)Е 1 (1 + - )Величина произведения ВК в выражении (4) является неизвестной и вносит систематическую неучиты ваемую погрешность при определении значения сопротивления объекта измерения, Кроме того, вследствие частотной зависимости ВК, ухудшается точность измерения Ъ в широком диапазоне частот, что снижает функциональные воэможности устройства,Например, в диапазоне частот 10 - 100 кГц значение р К реального ОУ (например К 544 УД 2) изменяется в пределах от 1000 до 100, вследствие чего, погрешность определения Е составляет 0,11 .Таким образом, недостатком известного устройства является низкая точность измерения сопротивления объекта,Целью изобретения является повышение точности измерения.Поставленная цель достигается тем, что цифровой мост переменного тока, содержащий генератор, блок автоматического уравновешивания, первую и вторую клеммы для подключения объекта измерения, образцовую меру сопротивления, цифровой отсчетный блок и масштабный усилитель, выход которого соединен с первой клеммой для подключения объекта измерения, а вход - с первым выводом образцовой меры сопротивления и с первым выводом генератора, второй вывод которого соединен с общей шиной, при этом вторая клемма для подключения объекта измерения и второй вывод образцовой меры сопротивления соединены с входом блока автоматического уравновешивания, выходы которого соединены с входом управления образцовой меры сопротивления, снабжен последовательно соединенными ключом и дополнительной образцовой мерой сопротивления, регистром результата, вычислительным блоком, блоком управления, состоящим из последовательно соединенных тактового генератора и счетного триггера, при этом второй вывод ключа соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод дополнительной образцовой меры сопротивления соединен с общей шиной, управляющий вход ключа соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом вычислительного блока, выходы5 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 блока автоматического уравновешивания соединены с информационными входами вычислительного блока регистра результата, вход записи которого соединен с первым выходом блока управления, выход регистра результата соединен со вторым входом вычислительного блока, выход которого соединен с входом цифрового отсчетного блока,Отличительными признаками предложенного устройства являются: дополнительная образцовая мера сопротивления, ключ, блок управления, регистр результата, вычислительное устройство совместно с но- ВЫМИ СВЯЗЯМИ,Образцовая мера, ключ, вычислительное устройство, регистр результата - это известные признаки, широко используемые в цифровых мостах переменного тока. Однако функции, выполняемые ими в предлагаемом устройстве, отличаются от обычных,В частности, вычислительное устройство в предлагаемом цифровом мосте переменного тока используется для вычисления значения измеряемого сопротивления по выведенной авторами формуле,Регистр результата служит для запоминания результата одного из двух измеренных значений искомого сопротивления Е,Образцовая мера сопротивления Ед, соединенная последовательно с ключом, служит для изменения коэффициента обратной связи инвертирующего масштабирующего усилителя с последующим повторным уравновешиванием цифрового моста переменного тока, Это дает возможность получить второе уравнение равновесия мостовой цепи с последующим исключением неизвестного коэффициента передачи К.Положительный эффект объясняется тем, что при вариации коэффициента обратной связи инвертирующего масштабирующего усилителя получено дополнительное уравнение равновесия мостовой цепи, что дает воэможность исключить из расчетов неизвестный коэффициент усиления ОУ, входящего в состав этого усилителя.Предлагаемый цифровой мост переменного тока (фиг. 2) содержит масштабирующий усилитель 1, состоящий из делителя обратной связи 1,22) и операционного усилителя (ОУ), инвертирующий вход которого и общая точка делителя соединены, выход которого соединен с одним из выводов объекта 2 измерения ), второй вывод которого соединен с входом блока 3 автоматического уравновешивания (БАУ) и с одним иэ выводов образцовой меры 4 сопротивления (20), другой вывод которой соединен с выходом генератора 5 (Г) и входом масштабирующего усилителя 1. Выход блока 3 автоматического уравновешивания соединен с цифровым входом образцовой меры 4 сопротивления и информационнымвходом 1 регистра б результата и информационным входом 2 вычислительного блока7, информационный вход 1 которого соединен с выходом регистра б результата. Выход2 блока 8 управления соединен с управляющим входом 3 вычислительного блока 7, авыход 1 блока управления 8 соединен с входом 2 управления регистра 6 результата иуправляющим входом ключа 9. Последнийпоследовательно с дополнительной мерой10 соединен с точкой соединения делителяобратной связи 21, 22 с инвертирующим входом ОУ, а другой вывод дополнительной образцовой меры и общий вывод генератора 5соединены с общим проводом мостовойцепи. Выход вычислительного блока 7 соединен с входом цифрового отсчетного блока 11,Цифровой мост переменного тока работает следующим образом.Процесс определения значения комплексного сопротивления объекта измерениясостоит из двух этапов,На первом этапе измерения конфигурация измерительной мостовой цепи идентична с прототипом,Пад действием вырабатываемого генератором напряжения в ветвях измерительной цепи протекают токи: о 1 - в образцовойветви, образованной образцовой мерой 4сопротивления; х 1 - в ветви объекта, образованной инвертирующим масштабирующим усилителем 1 и объектом 2 измерения,Ключ 9 разомкнут,На цифровые входы образцовой меры2 о с выхода БАУ поступают последовательности кодов, в соответствии с которым изменяется величина сопротивления 2 О и,следовательно, ток образцовой ветви 01.Ток в образцовой ветви определяетсяследующим образом;11-Г201(1)где Ог - напряжение генератора;2 о 1 - значение сопротивления образцовой меры для первого измерения,Ток в цепи объекта.1111 х 1 - -у -хгде 2 х - значение сопротивления объекта;011 - напряжение на выходе инвертирующего масштабирующего усилителя,Можно показать, что:011 22 1"(1+ля) 5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 где К - коэффициент усиления напряженияОУ,Меняя код на входах управления 2, ианализируя токи образцовой ветви и ветвиобъекта х 1, БАУ устанавливает равенство01 = х 1. (2 )При этом код сопротивления поступаетна информационный вход регистра результата, а на управляющий вход регистра результата с выхода блока управленияподается импульс, который фиксирует код врегистре результата и одновременно замыкает ключ 9,Записав выражения (1), (2), (3) и решивих совместно, определим значение 2 х2 х - (5)21(1 +)Полученное уравнение изоморфное уравнени 1 о (5 ) позволяет определить значениесопротивления объекта 2 х с учетом неидеальности ОУ, т. е. конечного значения коэффициента усиления ОУ, Отсюда следует, что2 х, определенное на основании данных первого этапа измерения, будет содержать составляющую погрешности, определяемую1сомножителем . Следовательно,+д- для нахождения точного значения необходимо исключить влияние этого сомножителя, для чего вводится второй этапизмерений. Первый этап измерения заканчивается в момент замыкания ключа 9 иподключения дополнительной образцовоймеры к инвертирующему входу ОУ и общейточке делителя обратной связи.На цифровые входы образцовой меры2 О с выхода БАУ поступают последовательности кодов, в соответствии с которыми изменяется величина сопротивления 2 О и,следовательно, ток образцовой ветви 02,Меняя код на входах управления 2 О и анализируя токи образцовой ветви и ветви объекта х, БАУ устанавливает равенствоа =х (б)При этом на вход 2 вычислительного блока7 поступает код сопротивления, полученныйна втором этапе измерения, при замкнутомключе 9; на вход 1 - код сопротивления,полученный при разомкнутом ключе.Ток в образцовой ветви определяетсяследующим образом:Г0(7)где 2 о - значение сопротивления образцовой меры.Ток в цепи объектаОг2 куда определяем 2 х 2 х 202 22 21 (1+,фк овМестное решен 1 озволяет получит висящее от коэфур ыр ци д+2 г(12 р-д тсюда1 2 х Для являет образцоренное в можно заде 2 о вой ко случае Тасать мого сопрости ОУ. Р К)= тив 2 х 2 ои 1)решность изующим обраЛ 2 оипределяе(14 огда значен я выражение О 121 хг (8)2 хгде О 1 г - напряжение на выходе инвертирующего усилителя,ЗапишемО 12 22(9)О 21(1+ ")фкгде Р - коэффициент обратной связи;2 д - сопротивление добавочной образцовой меры,- (0)21 2 г+2,22+21 2Учитывая (6) и (9), можем записатьО 12 Ог2 х 202следовательно пределяем погрешность измеренияэтого вначале предполагаем, что ОУся идеальным, т, е, К-: оо22- 2 ои 2 6 з)и - значение сопротивлениядоуправляемой меры, измеидеального ОУ.ким образом, уравнение (5)=(2 ои+Л 2)(1 +-)Ы - приращение измеряения (20) за счет неидеально2 ои+Л 2 22 ( + Очевидно, что с учетом (13) мерения 2 х определяется с 22 1х - УоиИспол ьзуя уравнения (5) и (11), определяем,1чему равно значение Кр+ - 11-Ь =З 1 М10 7 2 оиЖ=202 2 ои,где Ж - приращение измеряемого (20) сопротивления за счет неидеального ОУ длявторого измерения.15 Таким образом" - = д 20 - погрешность изл 1 ерения20 20Можно записать201 22 1 д2Кр д 2 2,+2я реального существующего случ2 г 1- Тд 2 о -1 2 д40 С учетом (14) погрешность, с которойрассчитывается 2 х (д 2 х) для рассматриваемого устройства, определяется точностью используемой для вариации добавочной меры сопротивления 2 д, точностью измерения 45 значения 20 и классом постоянных л 1 ер сопротивления 21, 22,Меры 21, 22, 20 заданы с высокой точностью и поэтому их вкладом в погрешность измерения можно пренебречь, учить 1 вая 50 лишь влияние 2 д.Например, для того, чтобы вычислить 2 хна частоте 100 кГц (где К-.100) с погрешностью не более 104, достаточно выбрать дополнительную меру 2 д с точностью 10 .55 Тогда, учитывая, что погрешность определения ддолжна быть 10 . В этом случае1(14) д 2 х = 10 . Из этого следует, что дополнительная образцовая мера может быть вы1758564 12 Составитель И. Третякисина Техред М.Моргентал Редактор тор Н. Ре каз 2997 ВНИИП Тираж Подписноеударственного комитета по изобретениям и открыт113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 и ГКНТ ССС Производственноательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 брана на 2 - 3 порядка менее точной, чем меры Ъ, Е 2.Таким образом, в предлагаемом устройстве, по сравнению с прототипом, на 2 - 3 порядка повышена точность определения измеряемого сопротивления. Формула изобретения Цифровой мост переменного тока, содержащий генератор, блок автоматического уравновешивания, первую и вторую клеммы :для подключения объекта измерения, образцовую меру сопротивления, цифровой отсчетный блок и масштабный усилитель, выход которого соединен с первой клеммой для подключения объекта измерения, а вход - с первым выводом образцовой меры сопротивления и с первым выводом генератора, второй вывод которого соединен с общей шиной, при этом вторая клемма для подключения объекта измерения и второй вывод образцовой меры сопротивления соединены с входом блока автоматического уравновешивания, выходы которого соединены с входами управления образцовой меры сопротивления, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены последовательно соединенные ключ и дополнительная 5 образцовая мера сопротивления, регистррезультата, вычислительный блок, блок управления, состоящий из последовательно соединенных тактового генератора и счетного триггера, при этом второй вывод ключа 10 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод дополнительной образцовой меры сопротивления соединен с общей шиной, управляющий вход ключа соединен с первым выходом 15 блока управления, второй выход которогосоединен с управляющим входом вычислительного блока, выходы блока автоматического уравновешивания соединены с информационными входами вычислитель ного блока и регистра результата, вход записи которого соединен с первым выходом блока управления, выход регистра результата соединен с вторым входом вычислительного блока, выход которого соединен с 25 входом цифрового отсчетного блока,