Цифровой термометр

СОЮЗ СОВЕТСОЦИАЛИСТИЧРЕСПУБЛИК ИЮ И А С 01 К 7/32 САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ СТВУ КОМУ СВ(54) ЦИФРОВОЙ ТЕ (57) Изобретение ных измерений с разователей с ча зволяет повысить температуры. Пре ратуры в частоту ствительный квар нератор 3, первь запоминающее уст чик 6 адресов в ратор 7 с резист В 22 техническ о комсомо инс.Л. Котляров тельство СССР К 7/32, 1984. ельство СССР К 7/32, 1986. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свиВ 1245086, кл. С 0Авторское свидеУ 1397748, кл. 6,0 РМОМЕТРкасается температур- помощью термопреобстотным выходом и по- точность измерения образователь 1 темпесодержащий термочувцевый резонатор 2, гей ключ 4, постоянное ройство ПЗУ) 5, счетспомогательный гене- орами 11, 12 и 13 в1571427 частотно-задающей цепи, подключаемыми вторым ключом 14, формирует частотный сигнал, пропорциональный температуре, а также кодовые сигналы, несущие информацию о параметрах термочунстви 5 тельного кварцевого резонатора 2, Цифровой измеритель 16, содержащий формирователь 17 сигнала, блок 8 фазоной автоподстройки, первый и второй реэис-О торы 19, 20, счетчик 2 результата Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использо" вано для измерения температуры контактным методом с помощью термопреоб 2 О разователей с частотным выходом, в частности пьезокварцевых датчиков температуры.Цель изобретения - повышение точности измерения температуры за счет устранения погрешности от старения термопреобразователя в процессе эксплуатации;На фиг. 1 представлена схема цифрового термометра; на фиг. 2 - схема блока фазовой автоподстройки частоты; на фиг. 3 - схема формирователя импульса сброса; на фиг. 4 - схема измерителя отношения длительности паузы к длительности импульса; на фиг, 5 - временная диаграмма процесса передачи данных от датчика в циф-ровой измеритель температуры; на фиг. 6 - временные диаграммы, поясняющие работу измерителя отношения дли.тельности паузы к длительности им 4 О пульса.ьЦифровой термометр содержит преобразователь 1 температуры н частоту, включающий термочувствительный кварцевый резонатор 2, генератор 3, пер"45 ный ключ 4, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 5, счетчик б адресов, вспомогательный генератор 7, состоящий из первого инвертора 8, второго инвертора 9, конденсатора 10 и первого резистора 11, второй резистор 12, переменный резистор 13 и второй клюн 14, Преобразователь 1 температуры в частоту соединен, линией 15 связи с цифровым измерителем 16,55 включающим формирователь 17 сигнала, блок 18 фазовой автоподстройки, первый регистр 19, второй регистр 20,с индикаторным регистром 22, блок 23сравнения кодов, опорный генератор 25со счетчиком 24 измерительного ичтервала, измеритель 31 отношения длительности паузы к длительности импульса,сумматор 32, триггер 26, формирователь 29 импульса сброса и счетчик 30,преобразует сигналы с выхода преобразователяв цифровой код, пропорциональный температуре. 6 ил. счетчик 21 результата, индикаторныйрегистр 22, блок 23 сравнения кодовсчетчик 24 измерительного интервала,опорный генератор 25, триггер, 26,одновибратор 27, ключ 28, формирователь 29 импульса сброса, счетчик 30,измеритель 31 отношения длительности паузы к длительности импульса исумматор 32.Блок 18 фазовой антоподстройкичастоты (фиг,2) содержит дифференцирующую цепь 33, первый триггер 34,второй триггер 35, коммутатор 36,одновибратор 37, управляемый генера-Фтор 38, резисторы 39, 40 и 41, конденсатор 42,Формирователь 29 импульса сброса(фиг.3) содержит элемент И 43, ключ44, резисторы 45, 46 конденсатор 47.Измеритель 31 отношения длительности паузы к длительности импульса(фиг. 4) содержит фазочунстнительныйдетектор 48, состоящий из первого 49и второго 50 инверторов, элементовИ 51 и 52, двух ключей 53 и 54, резисторов.55 и 56, тактирующее устройство 57, управляемый генератор 58, счет.чик 59, регистр 60, делитель на "3"61, конденсатор 62 и резистор 63. Тактирующее устройство 57 включает два триггера и элемент И, выход которого янляется выходом тактирующего устройства 57, а первый вход соединен с инверсным выходом второго триггера, Первый триггер своим информационным входом соединен с вьгходом инвертора 49,а прямым выходом - со вторым входом элемента И и информационным входом нторого триггера. Тактовые входы первого и второго триггеров тактирующего устройства 57 соединены с выходом управляемого генератора 58.5 157Цифровой термометр работает следующим образом,Генератор 3 с резонатором 2 в егообратной связи вырабатывает сигнал,частота которого зависит от температурыо Д о- фгде Г - частота генератора при темопературе Ц =О С в началеэксплуатации датчика;ДГ о - изменение номинальной (нулевой) частоты за счет старения датчика;8 - крутизна характеристикипреобразования кварцевогорезонатора;9 - температура резонатора,Ключи 4 и 14 микросхемы управляются сигналами, поступающими с выходов вспомогательного низкочастотного генератора 7 и старшего разряда счетчика адресов 6 ПЗУ.Выход ПЗУ 5, в котором записаны параметры термочувствительного кварцевого резонатора, подключается через ключ 4 к выходу преобразователя 1 температуры в .частоту только в том случае, если на обоих управляющих входах ключа 4 будут лог. "1". В остальных случаях через ключ 4 проходит сигнал с выхода генератора 3. Переключение счетчика 6 адресов ПЗУ осуществляется задним фронтом импульсов генератора 7. Таким образом, сигнал преобразователя 1 представляет собой частотные посылки с паузами между ними, а уровень каждой паузы соответствует уровню выходного сигнала ПЗУ 5 по адресу, в котором находится счетчик 6 адресов (см, фиг.5). В ПЗУ .5 записаны в виде кода, например двоично-десятичного, число предустановки счетчика результата 21 и длительность счетного интервала, соответствующая крутизне характеристике резонатора 2. в виде числа, подаваемого на вторые входы блока 23 сравнения кодов.Ключ 14 подключает к времязадающей цепи вспомогательного генератора 7 один из резисторов 11, 12 или два последовательно включенных резистора 12, 13. Когда на выходе генератора 7 - ".О", то подключается резистор 11 с сопротивлением К 1, когда "1" - то в зависимости от состояния старшего разряда счетчика адресов 6 14276ПЗУ либо резистор 12 с сопротивлением К 2, либо последовательно включенные резисторы 12 и 13 с сопротив-.лением (К 2+КЗ). Такой принцип соеди-,динения резисторов облегчает чередование подключения И и К 2 при пере"ключениях вспомогательного генератораво время передачи информации о параметрах кварцевого резонатора и чередование подключения Ы и (В 2+ВЗ) припереключениях генератора 7 во времяпередачи паузы между циклами передачи информации о параметрах кварцевого резонатора (см. Фиг.5).Таким образом, передача информациио параметрах кварцевого. резонаторазанимает меньше времени, чем передача паузы между циклами передачи ин 20 формации в 0 разИ+Р 2+КЗ ТиК+12 Тгде ти - время передачи паузыфТ - время передачи информации о25 параметрах кварцевого резонатора,При этом емкость С 1 конденсатора 10и параметры инверторов 8 и 9 влияютна частоту генератора 7, но не влияют30 на с. Если в цифровом измерителе температуры 6 получить код, зависящийтолько от Ы, то этот код, учитывая,что К и К 2 постоянны, будет зависеть только от КЗ.Сигнал от преобразователя 1 температуры в частоту по линии 15 связи поступает на вход цифрового измерителя 6, где он формируется формирова- .телем. 17 по напряжению до стандартно 4 О го уровня логических микросхем. С выхода формирователя 17 частотные посылки с паузами между ними поступают на входы блока 8 фазовой автоподстройки частоты и первого регист 45 ра 19.Блок 8 фазовой автоподстройкичастоты. предназначен для выработкисигнала, частота которого равна частоте входного сигнала, Выходной сиг 50 нал блока 18 должен сохраняться и егочастота должна быть неизменной прикратковременном пропадании входногосигнала на. время передачи очередногобита информации о параметрах датчика.55 Кроме того, блок 18 фаэовой автоподстройки частоты выдает на своем вторым выходе сигнал о том, что наступила пауза между частотными посылками, уровень которой (О или 1) являет1571427ся уровнем бита передаваемой информации,По сигналам на втором выходе блока 18 производится сдвиг в первыйрегистр 19 и в него бит за битом поступает информация о параметрах квар цевого резонатора, Каждый поступающий в первый регистр 19 бит информа ции соответствует уровню сигнала во10время паузы между частотными посылка-,,ми, которая вызывает на втором выходеблока 18 сигнал "Сдвиг" на тактовомвходе первого регистра 19 и добавле,ние "1" в счетчик 30. Установка в "1"1старшего разряда счетчика 30 вызываетперенос принятой о параметрах кварцево го резонатора информации из первого ре".гистра 19 во второй регистр 20, причем часть информации поступает во20второй регистр 20 непосредственно,а часть - через сумматор 32, на вторые входы которого поступает числос выходов измерителя 31 отношениядлительности паузы к длительности 25импульса. Установка в "0" счетчика 30производится по сигналу формирователя 29 импульса сброса, который вырабатывает этот импульс в ответ на импульс на втором выходе блока 18, когда этот импульс поступит после длительной паузы, т,е, после того, какстарший разряд счетчика 6 ацресовПЗУ перейдет из состояния "0" в состояние "1",Счетчик 24 измерительного интер 35вала непрерывно подсчитывает импульсыопорного генератора 25. При переполкении счетчика измерительного интервала 24 триггер 26 устанавливаетсяв "0". При этом запускается одновибратор 27 и передним фронтом своегоимпульса переносит полученный в счетчике 21 результата результат измерения в индикаторный регистр 22. Кроме того, импульс одновибратора 27 переносит число из части разрядов,второго регистра 20 в счетчик результата 21, осуществляя тем самым егопредварительную ненулевую установку,Когда число в счетчике 24 измеритель 50ного интервала станет равным числу,записанному в части разрядов второгорегистра 20, поданных на входы устройства 23 сравнения кодов, триггер 26становится в "1" и ключ 28 замыкает 55ся. С этого момента начинается подсчет импульсов от преобразователя 1счетчиком 21 результата,Результат измерения зависит от чисел, передаваемых по линии связи из ПЗУ 5,Блок 18 фазовой автоподстройки частоты (фиг.2) работает следующим образом.Входные импульсы через дифференцирующую цепь . 33 устанавливают первый триггер 34 в "1", а импульсы управляемого генератора 38 - в "0". В это время второй триггер 35 каждым импульсом управляемого генератора 38 устанавливается в "1", так как в момент прихода каждого импульса управляемого генератора 38 первый триггер 34 находится в "1".При установке первого триггера 34 в "1" к выходу коммутатора 36 через резистор 40 подключается источник питания и конденсатор 42 на входе управляемого генератора 38 заряжается, При установке первого триггера 34 в "0".импульсом от управляемого генератора 38 коммутатор 36 подключает ко входу управляемого генератора 38 через резистор 4 общую шину и конденсатор 42 на входе управляемого генератора 38 разряжается, В состоянии динамического равновесия напряжение на конденсаторе 42 устанавливается таким, что частота управляемого генератора 38 равна входной, Таким образом, при наличии входных импульсов работа блока 18 фазовой автоподстройки частоты не отличается от обычной. Если частота управляемого генератора 38 начинает по каким-либо причинам уменьшаться, т.е. начнет становиться меньше входной, то первый триггер 34 будет дольше находиться в "1", что приведет к росту частоты управляемого генератора 38 и наоборот.При пропадании входных импульсов первый после этого импульс управляемого генератора 38 установит первый триггер 34 в "0". и подтвердит второй триггер 35 в "1", а второй импульс управляемого генератора 38 подтвердит нулевое состояние первого триггера 34 и установит второй триггер 35 в "О" - При этом коммутатор 36 перестанет подключать источник питания и общую шину к своему выходу и напряжение на конденсаторе 42 будет оставаться неизменным. Так будет до возобновления поступления входного сигнала, после чего второй триггер 35 будет установлен в "1", а блок 18 автоподстройки вновь25 957 4будет следить за изменением частотывходного сигнала,При установке второго григгера 35 в"0" будет запущен одновибратор 37и на втором выходе блока 8 автопод 5стройки частоты появится импульс,задний фронт которого окажется примерно в середине паузы между частотнымипосылками датчика, Этот фронт произведет сдвиг информации в первом регистре 19.Формирователь 29 импульса сброса(фиг.3) работает следующим образом,Входной импульс проходит черезэлемент И 43 и одновременно замыкает ключ .44, что приводит к разрядуконденсатора 47 через резистор 46 ина втором входе элемента И 43 устанавливается "0". Задняя часть входного 20импульса уже не проходит через элемент И 43, Следующий входной импульсне проходит через элемент И 43, так.как за время между импульсами конденсатор 47 не успевает зарядиться доединичного уровня. В то же время следующий импульс вновь разряжает конденсатор 47, тем самым препятствуетследующему входному импульсу пройтина выход. ЗОИ только после паузы между импульсами, за время которой конденсатор 47успевает зарядиться до единичногоуровня, часть входного импульса сновапройдет на выход, производя сброссчетчика 30 (фиг.1),Измеритель 31 отношения длительности паузы к длительности импульса(фиг.4) предназначен для получениячисла, зависящего только от с, а зна 40чит от регулирующего резистора КЗ,Измеритель 31 отношения длительности паузы к длительности импульсаработают следующим образом (фиг4и 6).45Импульсы с выхода старшего разряда счетчика 30 поступают на вход фазочувствительного детектора (ФЧД) 48 измерителя 31. Фазочувствительный детектор 48 чувствителен только к относительному положению фронтов сигналана выходе инвертора 49 и сигнала свыхода старшего разряда делителя на"3" 61. В зависимости от того, до илипосле возникновения фронта сигнала55с выхода инвертора 49 появится фронтвыходного сигнала старшего разрядаделителя на ".3", на выходах элементов И 52 или 51 соответственно будут 10формироваться импульсы опережения илиотставания, Длительность этих импульсов равна интервалу времени междуфронтами соответствующих сигналов.Во время действия импульсов отставания (или опережения) конденсатор 62заряжается (или разряжается) до напряжения, которое зависит от разностифаэ Если фазовые согласования отсутствуют между сигналом с выхода инвертора 49 и сигналом с выхода старшегоразряда делителя на "3" 6, конденсатор 62 действует как запоминающееустройство, сохраняя напряжение, прикотором управляемый генератор 58 поддерживает необходимую частоту,Тактирующее устройство 57 предназначено для "привязки" импульсов, поступающих с выхода инвертора 49, кимпульсам управляемого генератора 58,Импульс с выхода тактирующего устройства 57 переносит число с выходовсчетчика 59 в регистр 60, устанавливает счетчик 59 в "О", а делитель 61в состояние "2" (код 10, на выходестаршего разряда - "1"). Такая установка счетчика 59 и делителя 61 позволяет повысить надежность работы системы фазовой автоподстройки частотыза счет предварительного выравниванияфаз сравниваемых сигналов с выходаинвертора 49 и с выхода старшего разряда делителя 61, что разрешает осуществить захват частоты управляемогогенератора 58 при любом начальном соотношении фаз сравниваемых сигналов,Кроме того, это позволяет сократитьвремя на захват частоты и ускоритьпроцесс автоподстройки за счет того,что воздействие на управляемый генератор 58 всегда производится в нужномнаправлении.Установка счетчика 59 в "0" и делителя 6 в "2" каждым положительнымфронтом импульса на выходе инвертора 49 с помощью тактирующего устройства 57 позволяет, упростить фазочувствительный детектор 48, который вданном случае состоит из логическихэлементов и ключей и не содержит запоминающих триггеров, Это происходитблагодаря искусственному совмещениюначал положительных импульсов на выходах инверторов 49 и 50.В установившемся режиме после прихода импульса с тактирующего устройства 57 первое переполнение счетчика 59 происходит за время Тц (дели13 15 первый вход которого соединен с выходом генератора, четвертый вход подключен к выходу постоянного запоминающего устройства, а выход через линию связи соединен с входом цифрового измерителя,. содержащего формирователь сигналов, вход которого соединен с входом цифрового измерителя, а выход подключен к входу первого регистра и входу блока фазовой авто- подстройки частоты, первый выход ко" торого через ключ соединен с входом счетчика результата, а второй выход подключен к входу формирователя импульса сброса счетчика, к входу "Сдвиг" первого регистра и счетному входу счетчика, вход сброса которого подключен к выходу формирователя импульса сброса, а выход старшего разряда - к входу "Перенос" второго регистра, счетчик измерительного интервала, вход которого соединен с выходом опорного генератора, а выходы подключены к первым входам блока сравнения кодов, триггер; к первому входу которого подключен выход блока сравнения кодов, а к второму - выход старшего разряда счетчика измерительного интервала, одновибратор, подключенный входом к выходу триггераи к управляющему входу ключа, а выходам - к входу "Перенос" индикаторного регистра и входу разрешения предварительной установки счетчика результата , выходы которого соединены с входами индикаторного регистра, информационные входы предварительной установки соединены с первой группой выходов второго регистра, вторая группа выходов которого подключена к вторым входам блока сравнения кодов, а вторая группа входов второго 7142714регистра соединена с второй группойвыходов первого регистра,.о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности измерения темпера.туры, в преобразователь температурыв частоту введены второй, ключ, резис"тор, последовательно .включенные второй постоянный и переменный резисторы,10а вспомогательный генератор содержитдва последовательно включенных инвертора, конденсатор, включенный междувходом первого и выходом второго инверторов и первый постоянный резистор, первый вывод которого соединенс входом первого инвертора и первымвыводом второго постоянного резистора, а второй вывод подключен к первому и третьему входу второго ключа,20 второй и третий входы которого соединены, соответственно, с выводами переменного резистора, выход подключенк выходу первого инвертора, первыйуправляющий вход соединен с первым25 управляющим входом первого ключа ивыходом старшего разряда счетчика адресов, а второй управляющий вход подключен к выходу второго инвертора,являющемуся выходом вспомогательного генератора, и второму управляющему входу первого ключа, второй итретий входы которого соединены спервым входом, а в цифровой измеритель введены сумматор и измерительотношения длительности паузы к дли 35тельности импульса, вход которогоподключен к выходу старшего разрядасчетчика, а выходы - к первой группевходов сумматора, вторая группа вхо 40 дов которого соединена с первой группой выходов первого регистра, а выходй подключены к первой группе входов второго регистра, 571427.Редакт дписн Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 акаэ 505 Тираж 510 НИИПИ Государственного комите 113035, Москвабретениям и открытиям при ГКНТ СССаушская наб д, 4/5