Способ функционального аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ ЕСПУБЛИК 9). 03 М 1/( сится укции образо в терм зобретение отн ехнике и конст измерительстройств для ния аналогопар и термосостоит в повыщениии области применеазования сигналовью,к-схема фуня; на фиг.2 -ля. УДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНО ОМСТВО СССРСПАТЕНТ, СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ) СПОСОБ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО АНАГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕЯИзобретение относится к измерительй технике и конструкции устройств функонального преобразования аналоговыхгналов, Цель - повышение точности и расирение области применения за счет преразования сигналов с большой ункционального пр в х сигналов (сигнал с противлений).Цель изобретени т чности и расширеия за счет преобр лысой нелинейнос На фиг. 1 представлена бл кционального преобразовател харэктеристика преобразоват,1837397 А нелинейностью. Устройство содержит нормалиэатор, блок изменения опорного напряжения, выполненный на двух сумматорах, источнике опорного напряжения и переменным резисторе, аналого-цифровой преобразователь и цифровой индикатор. Аналого-цифровое функциональное преобразование включает нормирование входного сигнала, формирование опорного напряжения пронормированным сигналом непрерывно по формуле Гоп = Мод + К(Овх - Овх"), где Ооп - сформированное опорное напряжение(на входе опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя); Овх, - нап ряжение пронормированного сигнала; Ооп - напряжение источника опорного напряжения; Овх." - максимальное значение напряжения пронормированного сигнала (на входе устройства изменения опорного напряжения); К- масштабный коэффициент(коэффициент усиления первого сумматора). 2 н.з,п. ф-лы, 2 ил. Функциональный преобразователь содержит нормализатор 1, устройство 2 изменения опорного напряжения, источник 3 опорного напряжения, переменньй резистор 4, первый сумматор 5, второй сумматор 6, аналого-цифровой преобразователь 7; цифровой индикатор 8. Вход устройства соединен со входом нормализаторэ 1, выход которого соединен с входом первого сумматора 5 и входом аналого-цифрового преобразователя 7 Источник 3 опорного напряжения соединен со вторым входом второго сумматора 6 и через переменныйрезистор 4 соединен со вторым входом первого сумматора 5, выход которого соединенс первым входом второго сумматора 6. Выход второго сумматора б соединен с входомопорного напряжения аналого-цифровогопреобразователя 7, выход которого соединен с цифровым индикатором 8.Устройство работает следующим образом. Сигнал от датчика (например, от термопары) поступает в нормализатор 1,нормализуется до определенного уровня ипоступает на второй вход аналото-цифрового преобразователя 7, На выходе аналогоцифрового преобразователя 7 и наиндикаторе 8 появится числоК = 1000 (1),Оопгде Овх - напряжение на входе аналого-цифрового преобразователя 7;Ооп - напряжение на входе опорногонапряжения аналого-цифрового преобразователя 7.Сигнал с нормализатора 1, пройдя через схему 2 изменения опорного напряжения, на вь 1 ходе устройства 2 реализуетуравнениеО,: О,+ К(О,- О,х х), (г)где Ооп - опорное напряжение источникаопорного напряжения 3;Ов" - величина, равная максимальному значению напряжения на входе устройства 2 изменения опорного напряжения,соответствующему максимальному значению измеряемого параметра (температуры);К - коэффициент усиления первого сумматора 5.Причем первый сумматор 5 реализуетзависимость К(Овх Овх ")Напряжение Овх" получается путемизменения значения переменного сопротивления 4, и тогда при входном сигналеустройства. соответствующем максимальному значению измеряемой величины (температуры) на выходе первого сумматора 5напряжение должно быть равно нулю, Второй сумматор 6 реализует зависимостьОоп+ К(Овх - Овхвх) = Ооп,т.е. 0 оп - опорное напряжение на входенапряжения аналого-цифрового преобразователя 7, зависящее от входного сигналаустройства.На фиг. 2 показан механизм образования напряжения Ооп.На выходе аналого-цифрового преобразователя появляется сигнал, соответствующийОоп Овх= 1000 ------ - Ооп + К ( О., - О,". )5 1000" - Оопгде К - (4)Овх - ОвххСпособ аналого-цифрового функционального преобразования осуществляется 10 следующим образом.На вход нормализатора 1 подают сигналот источника сигнала (например, термопары). В нормализаторе 1 входной сигнал нормируется (усиливается и смещается) до 15 определенного уровня Овх, определяемого диапазоном измерения измеряемого параметра. С выхода нормализатора 1 сигнал подается на аналоговый вход аналогоцифрового преоборазователя 7, 20 Одновременно сигнал Овх с выхода нормалиэатора 1 подается на вход устройства.2 изменения опорного напряжения, на первый вход первого сумматора 5. На второй вход первого сумматора 5 подается сигнал, 25 равный по величине (-Овх ), формирующийся с помощью источника З.опорного напряжения и определяемый величиной переменного резистора.30 При коэффициенте усиления первогосумматора 1, равном К,на выходе его получается сигнал, определяемый формулой К(0 вх - Овх). Этот сигнал подается на первый вход второго сумматора 6, на второй 35 вход которого подается сигнал Ооп с источника З.опорного напряжения. При коэффициенте усиления второго сумматора 6, равном 1, на выходе второго сумматора имеем сигнал40 О = Ооп+ К(О- О.,).Этот сигнал подается на вход опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 7, в котором осуществляется преобразование в код для управления бло ком индикации 8 в соответствии с формулойИх = 1000ОвхОоп= 100050 Ооп+ К (Овх Овхгде Й - код, соответствующий величине измеряемого параметра.Очевидно, что величина йх имеет нелинейную зависимость от входного сигнала 55 Овх.Выбором соответствующего значения Кдостигается линейность зависимости Йх отвеличины измеряемого параметра,Возьмем в соответствии с ГОСТ 3044-841837397 5 10 15 ма ко до м ма 010 му ря зт 20 К ЗО н бл сх 6 го сх яв в о ис ( в н ц о н 40 45 50 з ов тби ми альные статические характеристикипр обоазования" характеристику ТХК,ХК , диапазон измерения температуры от0 100 С,Напряжение на выходе датчика (Од) изме яется от 0 до 6,86 мВ;В нормализаторе 1 сигнал датчика норизуется до уровня 0-1000 мВ, при этомффицйент усиления нормализатора (Кус)жен быть равным 145,77. При Ооп 1000/и Ох" = 1000 мВ (см. формулу.З) присимальном входном сигнале имеем Йх,О. Для расчета коэффициента К по форе (4) определяем значение Оех при измемой температуре 50 С(очевидно, что дляй температуры йх должно быть равна/ 600), При Од.врос3,306 мВ и Кур,ТТим ем Чвх.Бо = 481,92 мВ;По формуле 4: 100,0 48" 92 - 10 О 0 50,0 481 921000 0,069781 Результаты функционального преобра ания приведены в табл, 1,Максимальная погрешность не превыет 0,1 С.По предлагаемому техническому ревею разработан и испытан макет, в котором к 1 нормализатор выполнен на микроме КР 140 УД 12 08, блоки-сумматоры 5 и а микросхеме КР 140 УД 12. 08,.блок аналоцифрового преобразователя 7 на микроме КР 5 72 ПВ 2, блок индикации 8 - на кросхемах АЛС 333.Выпуск прибора, выполненного по заяемой схеме намечен на 1992 г. Сущестющий способ и устройство позволяет ществлять преобразование сигналов от очников, обладающих незначительной ,2 В 3) нелинейностью (например, платиное термосопротивления). При увеличении линейности погрешность преобразовая будет расти ввиду того, что аппроксимая нелинейной характеристики уществляется с помощью всего двух лийных участковс точкой перегиба в т. "0".Предлагаемые способ и устройство поляют без потери точности преобразовыь сигналы от источников со значительно льшей нелинейностью (например, терморы),В прототипе при измерении температус помощью термосопротивления ТСП 55 ОП в диапазоне температур -50,+50 С грешность составляет 0,470 2).Ь предлагаемом устройстве для ТСП ОП в диапазоне температур -50+50 С погрешность преобразования составляет не более 0,02 6 (см. расчет).ТСП 100 П Тиэм-50" +50 С Вдвтч "78,98-119,71 Ом.Если в нормалиэаторе 1 подавить начальное сопротивление 100 Ом и эапитать датчик током 1 мА, то можно говорить об изменении входного сигнала от -20,02 до 19,71 МВ,Для диапазона индикации -5050,0 О,"ш должно быть равно 500 мВ, Отсюда Кус 25,368 и О,ф"=-507,86 (значение сигнала на выходе нормализатора 1 при.измеряемой температуре -50,0 С)100,0 5 7 86 - 1000Ф Результаты функционального преобра,зования приведены в табл. 2.Максимальная погрешность преобразо-.вания не превышает 0,02 С.Формула изобретения1, Способ функционального аналогоцифрового преобразования, включающийнормирование входного сигнала, формирование опорного нап ряжения, аналого-цифровоепреобразование пронормированного сигнала в код с последующей индикацией результата преобразования; о тл и ч а ю щи й с ятем, что, с целью повышения точности и расширения области применения за счет преобразования сигналов с бол ьшойнелинейностью, формирование опорногонапряжения осуществляют сигналом непрерывно по формулеОоп = Ооп+ К(Овх - Овх),где Ооп - сформированное опорное напряжение;Ооп - . напряжение источника опорногонапряжения;К- масштабный коэффициент;Овх - напряжение прономированногосигнала;Овх - максимальное значение напряжения пронормированного сигнала.2, Устройство функционального аналого-цифрового преобразования, содержащеепоследовательно соединенные нормализатор, вход которого является входной шиной,аналого-циФровой преобразователь и цифровой индикатор, а также включенный между выходом нормализатора и входомопорного напряжения аналого-цифровогопреобразователя блок изменения опорногонапряжения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения точности и расширенияобласти применения за счет преобразова1837397 ния сигналов с большой нелинейностью, блок изменения опорного напряжения выполнен на переменном резисторе, источнике опорного напряжения и двух сумматорах, причем первый вход первого. сумматора является входом блока измерения опорного напряжения, второй вход через переменТабл ица 1 Од,мВ; йх,лин - Мх, С Оех, мВ Тизм, С Йх, Мин Йх 0 О46,3693,15140,38187,9023 Р 01 0 0 5,0 10,0+ 0,017 + 0,028 . + 0,044 + 0,052 + 0,066 + 0.058 + 0,054 + 0,041 + 0,032 3,651 60,0 3,998 65,0 4,348 70,0 4,700 75,0 5,055 75 80 85 90 95 100 5,411 80,0 85,0 5,77 90,0 6,131 6,495 95,0 100,0 6,86 0 Табл и ца 2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 284,40 333,24 382,36 431,92 481,92 532,22 582,8 633,82 685,13 736,88 788.,78 841,11 893,73 946,791000 ный резистор соединен с выходом источника опорного напряжения, которой соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого 5 сумматора, а выход второго. сумматора является выходом блока изменения опорного напряжения. О 4,966 9,944 14,934 19,919 24,93 29,9.35 34,95 39,958 44,975 50,0 55,017 60,028 65,04470,052 75,066 80,058 85 054 90,041 95,032 100,01837397 орректор А.Обруча едакт роизеодстеенноиздател ьский комбинат "Патент", г, Ужгород. Ул Гагарина, 1 3 2871ВНИИПИ Г. Составитель Н,Шальгин Техред М,Моргентал Тираж Подписноедарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4 й