Аналого-цифровой преобразователь параметров диэлькометрического датчика

,8015 51)5 НОЗМ 1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯПРИ ГННТ СССР АН/248О. Во у 8литехническии скин Никиш ашош электроизичеспомощью емкостение позволяет ерений и расшиия, Это достиобразователь,.8) видете 01 М детел 01 И) Изобретение относится к измериьной технике и может быть использовано для измеренияких свойств веществных датчиков. Изобреповысить точность изрить диапазон измерегается тем, что в пр+ К 1 СОК д содержащий диэлькометрический датчик 1; операционный усилитель 6,нуль-орган 7, аналоговый сумматор 10,счетчик 16, компараторы 8, 9, 25,одновибратор 20, цифроаналоговыйпреобразователь 13, генератор 18 импульсов, суммирующие счетчики 29,33, КБ-триггер 21, элементы И 22, 32,Изобретение относится к измериТельной технике р может быть исполь зовано для измерения влажности, концентрации, соле содержания. Цель изобретения - повьппение точ, ности и расширение диапазона преоб разования,На фиг. 1 изображена функциональ, ная схема. предлагаемого преобразователя; на Фиг. 2 - функциональная,схема цифрового дискриминатора; на 25 , фиг. 3 - фиг. 5 - временные диаграммы работы преобразователя. Преобразователь содержит диэлькометрический датчик (ДД) 1, токоог,раничивающие элементы, выполненныена резисторах 2 и 3, накопительныеэлементы, выполненные на конденса,торах 4, токоограничивающий элемент,выполненный на резисторе 5 у оцерационный усилитель 6, нуль"орган 7, компараторы 8 и 9, аналоговый сумматор(ЦАП) 24, компаратор 25, управляемыйинтегратор 26, КБ-триггер 27, элементИ 28, суммирующий счетчик 29, делитель 30 частоты, осуществляющий деление на два, блок 31 выделения импульса, элемент И 32, суммирующий счетчик33 и распределитель 34 импульсов,Цифровой дискриминатор 12 содержитодновибратор 35, КБ-триггеры 36 и 37,П (с) вСЯ (1е с) + Поось- еП (Е) 0к "=.,01 о 28, блок 17 запуска и управляемыйинтегратор 26, введены цифровой дискриминатор 12, коммутатор 19 кодов,КБ-триггер 27, цифроаналоговые преобразователи 14, 15, 24, вычитающийсчетчик 23, делитель 30 напряжения,блок 31 выделения импульса и распределитель 34 импульсов. 5 ил. одновибраторы 38 и 39, реверсивный счетчик 40 и элементы И 41-43.Преобразователь работает следующим образом.При включении напряжения питания выходное напряжение усилителя 6 устанавливается в одно из состояний насыщения, например, в области отрицательных напряжений -У сНа выходе нуль- органа 7 устанавливается напряжение +Па = 0 . Одновременно с включением напряжения питания срабатывает блок 17 и импульс с его выхода устанавливает на выходах реверсивного счетчика 16 максимальный код Мыкс, в результате чего на выходах ЦАП 13 и 14 формируются максимальные напряжения Пьмшмынс 1 Ро и П цап и .шмаксм 0 о ф макс 1 зи шмаков 14 максимальные коэф фициенты передачи ЦАП 13 и 14, соответствующие максимальному коду реверсивного счетчика 16. Значение К выбирают таким, что во всем заранее известном диапазоне изменения значений К 1 составляющая выходного напряжения усилителя 6 от влияния этого параметра по абсолютной величине была меньше, чем сумма составляющих напряжений от влияния компенсирующих резисторов Ки К , т.е, значения В о " Ккн Благодаря этому, начиная с момента формирования этих компенсирующих напряжений; усилитель 6 выходит из насыщения и напряжение на его выходе начинает увеличиваться. При достижении напряжением Пщ нулевого уровня скачкообразно изменяется полярность напряжения на выходе нуль-.органа 7 и напряжение П(с), начиная с этого момента времени, изменяется в соответствии с выражением47063 пульсов,30 которые подается код с КК 19. Одно- вибратор 35 также формирует импульс в момент равенства входных напряжений компаратора 8, устанавливающий 35КБ-триггеры 36 и 37 в единичное состояние. Напряжение логической единицы с прямого выхода ВЯ-триггера 37 разрешает прохождение импульсов с выхода генератора 18 через элемент 40 И 41 на вход счетчика 40, которыйработает до момента обнуления. Импульс обнуления устанавливает КБ-триг-, гера 37 в состояние логического нуля, завершая тем самым формирование 45 опорного интервала времени Л. Попереднему фронту П(й) одновибратор 38 запускается и формирует импульс, устанавливающий КБ-триггер 36 в состояние логического нуля, завершая 50 формирование интервала времени Дй.Сравнение интервалов времени, выде(2) 1 щ 1 щцП ( - + - ) КК оКо 5 15Составляющая У (С) в выражении (1) представляет собой постоянное напряжение, не изменяющееся в зависимости от времени С. Экспоненциальная составляющая Пс (С) при Т ) (5-6) КоСо достигает установившегося значения и после этого тоже не является функцией времени , Составляющие П й,(С), Пяо 1(С) и П,) описываются линейными функциями времени Т, причем параметры к 1 щи щ 1 определяют кру тизну соответственно У я =, ПУо"Нй,Бощ ц Б,тп- причемо о в момент скачкообразного измененияопорного напряжения По при 1 = 02 П (12 По Со Преобразование начинается с момента поступления сигнала "Пуск" на распределитель 34, На первом этапе преобразования с выхода распределителя 34 подается управляющий импульс на установочные входы счетчиков 23, 29 и 33 и на первый управляющий вход коммутатора 19 кодов (КК 19), при этом в счетчиках 29 и 33 устанавливается "нулевой" код, в счетчике 23 - максимальный код, а на выходе коммутатора 19 кодов устанавливается код У 1. Цифровой, дискриминатор (БД) 12 автоматической следящей системы компенсации составляющей Й, в состав которой входят усилитель 6, нуль-орган 7, компаратор 8, ПЛ 12,.КК 19, реверсивный счетчик 16, ЦАП 13, ; ЦАП 14 и резисторы 2 и 3, начинает отрабатывать код 9 1. Происходит это следующим образом. На один из входов компаратора 8 подается 0 о(е), на другой вход - опорное напряжение Бо выбираемое таким, чтобы оно не превышало П . Интервал времени от1 МЧНфФФ момента равенства входных напряжений компаратора 8 до момента равенства Поой) = О определяется какПопо 5 10 15 20 лишь Пс (0) Ф О, соответственно и Проб(С - Ф 0) = Бц т,е, В выходном напряжении усилителя 6 возникает скачок, амплитуда которого определяется только параметром С,. Затем напряжение Б о(1) изменяется по экспоненциальному закону и через некоторое время начинает убывать по абсолютному значению (вследствие того, что крутизна составляющих Б о ио Б оо больше, чем крутизна составляющей Уо ) и достигает нулевого значения. При этом вновь скачком изменяется напряжение на выходе нуль- органа 7 и цикл работы схемы повторяется в области отрицательных значений напряжения У (С), которое в этом полупериоде описывается выраже- нием Бй Н щ. .аи 1 д + Бошмцис 1 Сзует их разность в количество имРассмотрим работу ПД 12 (фиг, 2), Одновибратор (ОВ) 39 запускается по заднему фронту Би формирует импульс, управляющий записью кода по установочным входам счетчика 40, на ление их разности и заполнение импульсами опорной частоты генератора 18 реализуется на элементах И 42 и 43 При малой крутизне линейно изменя ПД 12 сравнивает интервал времени Вй,ц (фиг. 5,а) с заданным опорным интервалом времени д С формируемым с помощью кода Ии преобрающейся составляющей разность й, -- ЙСвыделяется и кодируется элементом И 42, а при большой - разностьЬ, - бС выделяется и кодируется1547063 Ц крутизна 06 И) у (чр )1 ч 0Ноп элементом И 43. Увеличение или уменьшение выходного кода счетчика 16 приводит к увеличению или уменьшению компенсирующего выходного напряженияЩП 13 и ЦАП 14, что соответственноуЬеличивает, уменьшает крутизну линейнэ изменяющейся составляющей 00 6(С),Таким образом поддерживается постоянне значение дй= 4 й т.е. линей 1НО ИзмеНЯющаЯсЯ составлЯющаЯ Ц 0 у 6остоянна и не зависит от измененияКод Я 1 и соответствующий ему интервал времени д , позволяет поддерживать крутизну линейно изменяющейсяс о ставляющей ц 0 6(й ) высокой и, следовательно, малый период колебанийО 0 у 6, при котором Цс -ф О. Значит,й таких условиях 00,(Й будет завиеть только от составляющей 0 ,И) 20Одновременно с установкой максиального кода счетчика 23 КЯ-триггер1 Устанавливается в "1" и через элеь 1 ент И 22 начинают поступать импульс 1 ы с инвертора 11 на счетчик 23, ВыМодное напряжение ЦАП 24 начинает сту 11 енчато уменьшаться с каждым импульсом, Компаратор 9 сравнивает напряжеия Бдп и Б 6(С), при равенствеоторйх ой срабатывает и запускает 30дновибратор 20, который устанавли- .ает КБ-триггер 21 в "0". На счетчик3 прекращается подача импульсов иксируется код И , которому соответствует напряжение Ц, = Б,УоУо Ко 116 13 14 М 0 КС дЦ. т.е. выходной код реверсивного счетчика 16 пропорционален - ,1 40К 11Преобразование параметра С элемента эквивалентной схемы датчика вКод осуществляется следующими узлами;управляемым интегратором 26, аналоговым сумматором 10, компаратором 25,КЗ-триггером 27, элементом И 28, суммирующим счетчиком 29, цифроаналогоПри положительных решен иЯ х У оу 6()и значениях времени, когдаз (5-6) 01 о ( З (5-6) СОК = Ноуа И) + 16- ч (С) +ч=( - -+ - ")(Ц + 0262 2 СЪ 6 у у о смоу оКК 19 по управляющему импульсу с одного из выходов распределителя 34 подключает на вход ЦЦ 12 код И, с помощью которого ЦД 12 формирует опорный интервал времени айдлительностью, достаточной для того, чтобы экспоненциальная составляющая Бс(С) достигла установившегося значенияАвтоматическая следящая система компенсации составляющей К, отрабатывает изменение опорного кода К. При этом интервал времени а й, выделяемыи в ЦД 12 (фиг, Зб) будет равен Брп ИяЙ 1:оа = - = -3 Ргде ч - заданная крутизна измене 3ния;1, - частота генератора 18.Приравнивая в уравнении (2) д= йи выделяя значение входныхкодов ЦАП 13 и ЦАП 14 получим:,ш 1 э ш 14 НопСо Бо+ - = ФКр 1 Ко 31-оп Цр К 1 Цо Так как управляющие входы ЦАП 13 являются младшими, а ЦАП 14 - старшими, то выбирают Кр= , где иш максмакс ь= 2 - максимальное значение кода, а и - количество разрядов ЦАП. У учетом этого полуим:К 01 УОК 01 К 01- ч +3 И К вым преобразователем 15, конденсатором 4 и резистором 5 и заключаетсяв следующем. Для исключения линейноизменяющейся составляющей напряженияБ ,(с.) оно суммируется аналоговымсумматором 10 с линейно изменяющимся в противоположном направлении напряжением, формируемым управляемыминтегратором 26 (фиг. Зв): 1 КУ, т,е. с установлением экспоненциальной составляющей;)6 АО 15 ) ( о ЦСм ОЗ 6 ) в а выходное напряжение Ц, (Т) сумм -1 оумматора 10 в установившемся состоянии определяется выражением 2 С) + 2 Сг Ьф2 С 2 С,20 с выхода делителя 30, т,е. длительность импульса с выхода блока 31 бу. дет равна периоду Т , колебанияоь( ). Выходное напряжение Цоуь в области положительных значений оп ределяется соотношениямицоуь(е) =(-ц, + ц ) + ,е;2 С,срабатывает компаратор 25, устанавли"вающий КБ-триггер 27 в состояние логического "0", в результате чегопрекращается поступление импульсовна вход счетчика 29 и на нем фиксируется код, пропорциональный параметру С,. 9 1547 0 бЗ 10.Зто напряжение сравнивается с яние логической "1", разрешая тем постоянным напряжением Ц2 С самым прохождение импульсов с инверцАп го= С, " тора 11, которые, поступая на суммих(ц + цо ом оь) компаратором 25 со рующий счетчик 29, увеличивают его . стробированием в моменты времени, выходной код. Выходное напряжение когда составляющая Ц, (С) достигает ЦАП 15, увеличиваясь ступенями, приводит к компенсации составляющейПоступивший со второго выхода Цс И), Выходное напряжение Ц (С)сгоуь р ределителя 34 импульс напряжения 1 О в области положительных значений устанавливает КБ-триггер 27 в состо- определяется выражением2 С 2о ч2 СгСо(Ц о + Цсм оуь ) СгЧЛп 15 2 СогСо(Цо + Цсмоуь ) СогПри поступлении импульса напряжения с четвертого выхода распределителя 34 на блок 31; последний осуществляет выборку одного целого импульса2 С(-Цо + Цсм ось )хс Сог 4 т.е, на резульогат измерения параметра С напряжение смещения Цсм оуь не оказывает влияния.Интервал времени Т с заполняется)СС,импульсами опорной частоты генератоьра 18 элементом 32 и подсчитывается их число счетчиком 33:4 С,цоСочэ%4Таким образом, повышение точности измерений достигается тем, что результат измерения параметра С фиксируется не по одной половине периода колебания ИС одного знака (как в прототипе), а за период, когда влияние напряжения смещения, имея определенное значение одного знака в положительном полупериоде складывается, а в отрицательном - вычитается, что,приводит к компенсации его влиилиЗО- 2 С+ 2 С,(Бо + Сс ау ) 4 С,Уо( 3)яния на результат измерения. Измере 4 О ние параметров Сг и Кг проводитсяс использованием информации о пара 4 метре С, поэтому погрешность измере"ния параметра С полностью входит впогрешность измерения этих параметров, Повышая точность измерения параметра С, достигают повышение точности измерения параметра С г,Расширение диапазона соотношений 50 параметров достигается значительнымрасширением диапазона компенсирующегонапряжения введением дополнительногоЦАП. Диапазон изменения параметра Сграсширяется до значений, когда безкомпенсаЦии этой составлЯюЩей Цоу,(4.)будет входить в насьнцение из-за большого значения параметра Сг, а введение компенсации полностью исключаетэту составляющую, а следовательно,допускается увеличение составляющейнапряжения 13 (т) и соответственноСдиапазона измерения параметра С, .5Формула изобретения 1, Аналого-цифровой преобразователь параметров диэлькометрическогодатчика, содержащий первый, второй 1 Ои третий элементы И, генератор импульсов, управляемый интегратор, трикомпаратора, одновибратор, первыйМБ-триггер, два суммирующих счетчика, диэлькометрический датчик, выход 15которого соединен с первыми выводамипервого токоограничивающего элемента, выполненного на резисторе, первого накопительного элемента, выполненного на конденсаторе, и инверсным 2 ОВходом операционного усилителя, второй вывод первого конденсатора объединен с первыми входами нуль-оргаНа, первого компаратора, аналоговогосумматора и соединен с выходом операционного усилителя, второй входНуль-органа является шиной нулевогоПотенциала, а выход соединен с выходами инвертора и диэлькометрическогодатчика и первым входом первого цифро-ЗО1,Вналогового преобразователя, второйход первого компаратора являетсяпиной опорного напряжения, второйВывод первого резистора соединенс,выходом первого цифроаналоговогопреобразователя, вторые входы котороГо соединены с первыми выходами счет,чика импульсов, установочный входкоторого соединен с выходом блоказапуска, первые входы первого и второго элементов И объединены и соединены с выходом инвертора, выход третьего элемента И соединен с тактовымВходом первого суммирующего счетчика, выход генератора импульсов соединен с первым входом третьего элемента И, выход управляемого интеграторасоединен с вторым входом аналоговогосумматора, первый вход управляемогоинтегратора является шиной опорногонапряжения, выходы первого суммирующего счетчика являются выходной шиной, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышений точности ирасширения диапазона измерений, внего введены цифровой дискриминатор,коммутатор кодов, второй КБ-триггер,второй, третий и четвертый цифроаналоговые преобразователи, второй и третий токоограничивающие элементы, выполненные на резисторах, второй накопительный элемент, выполненный на конденсаторе, вычитающий счетчик, блок выделения импульса, распределитель импульсов, делитель частоты, а счетчик импульсов выполнен в виде реверсивного счетчика, причем прямой вход операционного усилителя является шиной нулевого потенциала, а выход соединен с первым входом второго компаратора, второй вход которого объединен с первым входом третьего компаратора и соединен с выходом второго цифроаналогового преобразователя, выход второго компаратора через одновибратор соединен с вторым входом третьего компаратора и К-входом первого КБ-триггера, Б-вход которого объединен с установочными входами первого и второго суммирующих счетчиков, вычитающего счетчика, первым входом управления коммутатора кодов и соединен с первым выходом распределителя импульсов, выход первого КБ-триггера соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с тактовым входом вычитающего счетчика, выходы которого соединены с соответствующими первыми входа 7 ми второго цифроаналогового преобразователя, второй вход которого является шиной опорного напряжения, третий вход третьего компаратора соединен с выходом аналогового сумматора, а выход - с К-входом второго КБ-триггера, Б-вход которого соединен с вторым выходом распределителя импульсов, а выход - с вторым входом второго элемента И, выход которого соединен с тактовым входом второго суммирующего счетчика, выходы которого соединены с соответствующими первыми входами третьего цифроаналогового преобразователя, выход которого через последовательно соединенные второй резистор и второй конденсатор соединен с первыми выводами первого и третьего резисторов, второй вывод последнего из которых соединен с выходом четвертого цифроаналогового преобразователя, первые входы которого соединены соответственно с вторыми выходами реверсивного счетчика, вторые входы третьего и четвертого и первый вход первого цифроаналоговых преобразователей объединены, тактовые входы сложения и вычитания реверсивного счетчика соеди25 30 354706иены соответственно с первым и вторымвыходами цифровога дискриминатора,первый вход которого соединен с выхадом первого компаратара, второй вход5объединен с входами инвертора и дели"теля частоты, третий вход соединенс выходом генератора импульсов, четвертые входы соединены с соответствующими выходами коммутатора кодов,информационные входы которого являются входной цифровой шиной, второй управляющий вход соединен с третьимвыходом распределителя импульсов, четвертый выход которого соединен с первым входом блока выделения импульса,второй вход которого соединен с выходом делителя напряжения, а выход -с вторым входом третьего элемента И,второй вход управляемого интегратора 20соединен с выходом инвертора, входраспределителя импульсов являетсяшиной пуск,2. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, чта цифровой дискриминатор выполнен на трех адновибраторах, двух КБ-триггерах, реверсивном счетчике и трех элементах И, вход первого однавибратара является первым входом циФрового дискриминатора, а выход соединен с Б-входами первого и второго КБ-триггеров, К-вход первого КБ-триггера 3У 4соединен с выходом второго адновнбратора, входы второго и третьего одновибратаров объединены и являются вторым входом цифрового дискриминатора, прямой выход первого КЯ-триггера соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с инверсным выходом второго ВБ-триггера, а выход является первым выходом цифрового дискриминатора, инверсный выход первого ЯБ-триггера соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с прямьм выходом второго КБ-триггера, а выход является вторым выходом цифрового дискриминатора, первый вход третьего элемента И соединен с прямым выходом второго КБ-триггера, второй вход третьего элемента И и третьи входы первого и второго элементов И объединены и являются третьим входом цифрового дискриминатора, выход третьего элемента И соединен с тактовым входом реверсивного счетчика, вход предварительной установки которого соединен с выходом третьего одновибратора, выход обнуления реверсивного счетчика соединен с К-входом второго КБ-триггера, а установочные входы реверсивного счетчика являются четвертыми входами цифрового дискриминатора.1547063 Составитель А, ТитовТехред П, Сердюкова Коррек Гирня А. Рев Ре аказ 8 аж 66 одписно ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 ственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 10 Про