Мостовой преобразователь аналоговой величины во временной интервал

Изобретение предназначено для применения в программируемых контроллерах и управляющих ЭВМ в качестве многоканального преобразователя, входной сигнал которого - изменение сопротивления, реэистивных датчиков (термопреобразователей сопротивления, тензодатчиков и т.п.), выходная величина - интервал времени между началом (запуском) и импульсом конца цикла преобразования, Особенности функционирования; поочередное подключение датчиков к общему основному узлу и реобразователя, гальваническая развязка в дискретных линиях связи между преобразователем и цифровой частью микроЭВМ, Характерные требования для работы в составе и рограммируемых контроллеров - минимальные габариты и энергопотребление, простота, надежность,Основное затруднение при выборе способа преобразования заключается в выделении приращения сопротивления датчика, несущего информацию об измеряемой величине на фоне значительно постоянной составляющей. С этой точки зрения аналогом заявляемого устройства является преобразователь сопротивления в напряжение (ПСН) с компенсацией начального значения преобразуемого сопротивления, Данный ПСН содержит усилитель, датчик измеряемой величины, источник опорного напряжения и входной делитель. Измеряемое сопротивление подключено к четырехпроводной схеме. К достоинствам укаэанной схемы следует отнести получение выходного напряжения, пропорционального приращению сопротивления, компенсацию влияния температуры на соединительные линии эа счет четырехпроводного включения.Недостатками этого преобразователя являются невозможность подключения одного из выводов датчика к земле (плавающее включение), сложность схемы коммутации для многоканального варианта устройства. В итоге снижается точность преобразования, увеличиваются, габариты устройства,К аналогам заявляемого устройства следует отнести также мостовой преобразователь, содержащий полумост, в одном из плеч которого находится измеряемое сопротивление, повторители напряжения на операционных усилителях, подключенные к полумосту по пятипроводной схеме, что позволяет поддерживать заданные напряжения на входных точках полумоста,Недостатком данного аналога является сложность многоканального исполнения, что вызвано пятипроводным способом под опорные напряжения на неинвертирующем входе интегратора, резисторц, конденсатор и электронный ключ обеспечивают режим интегрирования с резервом. Схема применима для работы с реэистивными датчиками, если на одни входы мультиплексора подать напряжения с выхода подключаемых полумостов, в одном иэ плеч которых установлены датчики, а другие входы заземлить. При этом чувствительный элемент оказывается включенным по схеме неуравновешенного моста, Напряжение разбаланса этого моста преобразуется во временной интервал,30 35 40 Недостатком известного устройства является характерная для неуравновешенных мостов погрешность от изменения напряжения питания. Чтобы уменьшить укаэанную погрешность до приемлемых значений, необходим прецизионный источник питания, нагрузкой которого являются все подключаемые полумосты, соединенные параллельно, С учетом длины соединительных линий датчиков и вносимых ими помех источник питания измерительных цепей должен иметь низкое выходное.сопротивление и, следовательно, значительный запас по мощности, Отвечающий всем этим требованиям источник представляет собой достаточно сложное устройство, которое по размерам и энергопотреблению может превосходить рассматриваемый преобразователь,45 50 55 ключения датчика, Это увеличивает габариты устройства, Кроме того, невозможность заземления одного из выводов датчика делает схему чувствительной к помехам, что 5 снижает точность, Необходимость в дополнительном усилении выходного сигнала увеличивает габариты и энергопотребление схемы.Наиболее близким по технической сущ ности к заявляемому является выбранный вкачестве прототипа преобразователь напряжения термопар во временной интервал, выполненной на кафедре информационно-измерительной техники Ленинград ского политехнического института под руководством В.С,Гутникова. В нем термопары подключены к входам аналогового мультиплексора, Входной сигнал мультиплексора усиливается инструментальным усилите лем, методом двойного интегрированияпреобразуется во временной интервал посредством схемы, содержащей интегратор, компаратор и оптрон, гальванически отделяющий рассматриваемый преобраэова тель от входных цепей работающей с нимоднокристальной ЭВМ. Резисторы задают45 50 55 Таким образом, недостатками прототипа при работе с резистивными датчиками следует считать погрешность от изменений напряжения питания, увеличенные габариты и потребление энергии,4Для уменьшения укаэанных недостатков предлагается преобразовать схему для работы по методу уравновешенного моста, Это возможно, если вместо обычно применяемого калиброванного переменного сопротивления в плече моста установить регулируемый источник напряжения, Для этого целесообразно использовать интегратор.Целью изобретения является повышение точности, уменьшение габаритов и потребления энергии схемой преобразователя.Цель достигается тем, что в мостовом преобразователе измеряемой величины во временной интервал, содержащем постоянный полумост и поочередно подключаемые полумосты с резистивными датчиками, аналоговый мультиплексор, интегратор, компаратор, оптрон в цепях запуска и в выходной цепи, вершины подключаемых полумостов соединены каждая с отдельным входом мультиплексора, выход мультиплексора связан с одним из входов компаратора, постоянный полумост содержит в смежном с датчиком плече делитель напряжения, вершина постоянного полумоста соединена с неинвертирующим, а выход делителя напряжения - с инвертирующим входом интегратора, кроме того, выход интегратора соединен с вторым входом компаратора, а параллельно конденсатору интегратора подключен электронный ключ с оптронной развязкой, на вход которого подведено управляющее напряжение запуска преобразователя. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый мостовой преобразователь отличается тем, что вершины подключаемых полумостов соединены каждая с отдельным входом мультиплексора, выход мультиплексора связан с одним из входом компаратора, постоянный полумост содержит в смежном с датчиком плече делитель напряжения, вершина постоянного полумоста соединена с неинвертирующим входом интегратора, кроме того, выход интегратора соединен с вторым входом компаратора, а параллельно конденсатору интегратора подключен электронный ключ с оптронной развязкой, на вход которого подведено управляющее напряжение запуска преобразователя. Таким образом, заявляемый мостовой преобразо 5 10 15 20 25 30 35 40 ватель соответствует критерию изобретения "новизна",.Сравнение заявляемого решения с другими техническим решениями показывает, что элементы схемы широко известны. Однако при их введении в указанной в отличительной части связи в заявляемом мостовом преобразователе измеряемой величины во временной интервал новая взаимосвязь известных элементов позволяет проявить новое техническое свойство, а именно возможность уравновешивания образуемого моста с помощью интегратора, при этом снижается влияние колебаний напряжения питания на результат измерений и, следовательно, достигается повышение точности преобразователя, а снижение требований к источнику питания уменьшает габариты и потребление энергии схемой мостового преобразователя,На чертеже представлена схема мостового преобразователя измеряемой величины во временной интервал,Преобразователь включает измерительный мост, образованный постоянным полу- мостом с вершиной А и одним из подключаемых полумостов с вершинами В, В 2.Вм. Одно из плеч постоянного полумоста - резистор 81. другое - делитель напряжения Вг, Вз. Подключаемые полумосты 811 - Йт 1, 812 - Вт 2, Й 1 и - Йти содержит постоянные сопротивления 81, ВаВи, Вт 1, Ва,Ви - резистивные датчики, преобразующие измеряемую величину в изменение сопротивления датчика, Датчики установлены в плечо, смежное с делителем Я 1, Вз постоянного полумоста. Вершины подключаемых полумостов В, В.Ви соединены с входами аналогового мультиплексора 1, выход которого связан с одним из входов компаратора 2, Компаратор является индикатором равновесия моста, Таким образом, вершины В 1, В 2 Ви могут быть поочередно подключены к измерительной диагонали моста,Для уравновешивания моста в схеме предусмотрен интегратор 3. Резистор Б и емкость С задают постоянную времени интегрирования. Неинвертирующий вход интегратора связан с вершиной А постоянного полумоста, инвертирующий - с выходом делителя В 2, Вз. Выход интегратора подключен к второму входу компаратора 2,Для начальной установки и запуска интегратора предусмотрен электронный ключ 4 с гальванической развязкой. К выводам входной цепи ключа 4 подведен управляющий сигнал ОБА. Выходная цепь ключа включена параллельно емкости С для замыкания выводов конденсатора по сигналу ОБх.2002365 10 Известно, что значительную часть объема преобразующих устройств приходится отводить под источник питания, Для обеспечения заданной точности в условиях помех, воздействующих на соединительные линии датчиков, источник питания измерительных цепей должен обладать запасом мощности, что в итоге увеличивает его сложность, а следовательно, габариты и энергопотребление. Благодаря снижению требований к стабильности питающих полумосты напряжений схема источника питания измерительных цепей может быть упрощена, что дает выигрыш в габаритах и энергопотреблении. ф ор мул а изобретен ияМОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АНАЛОГОВОЙ ВЕЛИЧИНЫ ВО ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ, содержащий резистивный делитель, первый и второй выводы которого соответственно являются шиной опорного напряжения и шиной нулевого потенциала, а третий вывод подключен к неинвертирующему входу интегратора, выполненного на резисторе, конденсаторе и операционном усилителе, выход которого соединен с первым входом компаратора и первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом ,резистора и подключен к инвертирующемувходу операционного усилителя, неинверуирующий вход которого является неинвертирующим входом интегратора, выход компаратора соединен с первым выводом развязывающего элемента, выполненного на онтроне, второй вывод которого является шиной нулевого потенциала, а третий и Использование заявляемого устройствапредполагается в составе модулей расширения функций программируемых микропроцессорных контроллеров МП 59,5 выпускаемых по ПО "Краснодарский ЗИП".Предлагаемое устройство позволит применить контроллеры МП 59 для управления непрерывными процессами в пищевойпромышленности и других отраслях.10(56) Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. ЛПИ.Энергоатомиздат, 1988, с, 79, рис. 213 а.Там же, с. 81, рис. 214 а,15 Отчет о НИР В 805.41, ЛПИ, 1986. четвертый выводы - выходной шиной, аналоговый коммутатор, адресные входы кото 20 рого являются шиной адреса, и полумостов с резистивными датчиками и ключ, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов, повышения точности и снижения энергопотребления, ключ выполнен на оп 25 троне, входы которого являются шиной управляющего напряжения, а выходы . соединены с соответствующими выводами конденсатора интегратора, при этом второй вход компаратора соединен с выходом30 аналогового коммутатора, информационные входы которого соединены с первыми вершинами соответствующих полумостов с резистивными датчиками, вторые и третьи вершины которых соответственно35 объединены и являются шинами опорного и нулевого напряжения соответственно, причем четвертый вывод реэистивного делителя соединен с вторым выводом резистора интегратора,2002365 Составитель Б.Лебед Техред М,Моргентал Редактор А.Бер Корректор Н,Кешел аказ 31 Тираж Подписн НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Рэушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101