ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК H03K5/00 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно: к измерительным преобразователям различных физических параметров на основе датчиков или чувствительных элементов, имеющих выходной сигнал в виде частоты (или периода) периодических импульсов. К разновидности таких преобразователей относятся, например, виброчастотные (струнные или с вибрирующим цилиндром), пьезорезонансные измерительные преобразователи и другие. Основным элементом этих преобразователей является генератор периодических импульсов, в обратную связь которого включен резонатор, резонансная частота которого изменяется под действием измеряемого параметра. В измерительный преобразователь входит также второй генератор, являющийся либо нечувствительным к измеряемому параметру (опорный генератор), либо имеющий чувствительность противоположного знака.

Прототипом предлагаемого устройства является датчик, который содержат два генератора AF₁ и AF₂ с частотными выходными сигналами и представляет собой генератор частотного сигнала (разностной частоты), зависящего от измеряемого параметра. Частотная форма выходного сигнала является удобной при построении цифровых приборов и систем. Однако, для большого количества практических применений в современной технике требуется амплитудная форма выходного сигнала. При этом необходимо сохранить ту высокую точность и стабильность, которой обладают частотные измерительные преобразователи.

Кроме того, частотные преобразователи в большинстве случаев имеют нелинейную рабочую характеристику. В цифровых приборах и системах нелинейность учитывается в микропроцессоре или ЭВМ вычислительными средствами. В случае амплитудного выходного сигнала проблема линеаризации приводит к чрезмерному усложнению схемы преобразователя и снижает его стабильность.

Целью изобретения является создание частотных измерительных преобразователей, сочетающих высокую точность, стабильность и линейность рабочей характеристики в амплитудной формой выходного сигнала.

Изобретение иллюстрируется прилагаемым чертежом, на котором (см. фиг. 1) показана схема предлагаемого измерительного преобразователя.

Измерительный преобразователь содержит два генератора 1 и 2 с двумя соответственно резонаторами 3 и 4. Частота одного из генераторов (например, 1) зависит от измеряемого параметра (например, температуры), а другого (2) является опорным генератором. Выходы генераторов 1 и 2 соединены с входом схемы 5, служащей для формирования сигнала разностной частоты F F₁ - F₂ (по существу схема 5 является генератором разностной частоты). Схема формирования разностной частоты 5 соединена с выходом С D-триггера 6, выход которого соединен с D входом второго D-триггера 7. Выход D-триггера 7 соединен с входом разрешения счета делителя частоты 8. Выход делителя 8 соединен с входом схемы 9, служащей для формирования импульса сброса, выход которой соединен с R входами триггеров 6 и 7 и делителя 8. Выход генератора 2 соединен с выходами С D-триггера 7 и делителя 8. Прямой выход триггера 7 соединен с входом разрешения прохождения сигнала через ключ 10, а инверсионный выход соединен с входом разрешения прохождения сигнала через ключ 11. Вход ключа 10 подсоединен к источнику стабильного напряжения Е_ст. Вход ключа 11 заземлен. Выходы ключей 10 и 11 соединены с входом фильтра низких частот 16.

Для линеаризации рабочей характеристики преобразователь снабжен дополнительными элементами: ключами 12, 13, 14, 15, фильтрами низких частот 17, 18 и сумматором 19. При этом прямой выход D-триггера 7 соединен с входом разрешения прохождения сигнала через ключи 12 и 14, а инверсный выход D-триггера 7 соединен с входами разрешения прохождения сигнала через ключи 13 и 15. Входы ключей 13 и 15 заземлены. Выход фильтра низких частот 16 соединен с входом ключа 12, а выход фильтра низких частот 17 с входом ключа 14. Выходы фильтров низких частот 16, 17 и 18 соединены с входом сумматора 19.

Устройство работает следующим образом.

На вход С D-триггера 6 с выхода генератора разностной частоты 5 поступает сигнал с частотой F. Передний фронт импульса этого сигнала устанавливают D-триггер 6 в единичное состояние. При этом логическая единица появляется на входе D D-триггера 7. Передний фронт первого, следующего после импульса частоты F₂ сигнала, поступающего с генератора 2 на вход С D-триггера 7, устанавливает этот триггер в единичное состояние. В результате этого разрешается работа делителя 8 частоты F₂. По окончании процесса деления на выходе делителя появляется изменение логического уровня, которое преобразуется схемой 9 формирования импульса сброса в импульс, устанавливающий оба триггера и делитель в исходное состояние. В результате на выходе D-триггера 7 появляется импульс, длительность которого τ = N•T₂, где N - коэффициент деления делителя частоты, а Т₂ 1/F₂. Таким образом, сигналы на выходах D-триггера 7 представляют собой последовательности импульсов с частотой F. Сигналы с выходов D-триггера 7 поступают на ключи 10 и 11. В результате на входе фильтра низких частот 16 образуется последовательность импульсов, калиброванных не только по длительности, но и по амплитуде (величиной Е_ст). Поэтому напряжение на выходе фильтра низких частот 16 пропорционально F с высокой точностью:
U₁= E_см•τ/T = E_смτF
где Т 1/F.

Поскольку опорным сигналом на участке преобразования частоты F в напряжение U₁ является кварцованная частота F₂, стабильность предлагаемого преобразователя с выходом по напряжению практически такая же высокая, как и по выходной частоте у прототипа. Напряжение U₁ на выходе фильтра низкой частоты 16 является выходным сигналом преобразователя, реализованного по п. 1 формулы изобретения.

Для напряжений U₂ и U₃ на выходах фильтров 17 и 18 можно определить аналогично выражению (1):
U₂= U₁•τ/T = E_см(τ/T)²= E_смτ²F² (2)
U₂= U₂τ/T = E_см(τ/T)³= E_смτ³F³ (3).
Суммирование сигналов U₁, U₂ и U₃ в сумматоре 19 с соответствующим весовым коэффициентом позволяет линеаризовать характеристику, описанную полиномом третьей степени. Если нелинейность имеет более высокую степень, то преобразователь снабжается дополнительными преобразователями "скважность-напряжение".

Изобретение позволяет реализовать частотные преобразователи, имеющие амплитудный выход и точность на уровне 0,01-0,05% и линейность характеристики на уровне 0,1% и лучше.

Использование: изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям различных физических параметров на основе датчиков или чувствительных элементов, имеющих выходной сигнал в виде частоты периодических импульсов. Сущность изобретения: с целью обеспечения высокой точности, стабильности и линейности рабочей характеристики, измерительный преобразователь содержит два генератора частотных сигналов, частота, по крайней мере, одного из которых зависит от измеряемого параметра. Для достижения поставленной цели в генератор введены два D-триггера, счетчик импульсов, схема формирования импульса сброса и преобразователь "скважность-напряжение", включающий фильтр низких частот и два ключа, вход первого из которых соединен с источником стабильного напряжения, вход второго заземлен, а выходы подсоединены к входу фильтра низких частот. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Измерительный преобразователь, содержащий два генератора частотных сигналов, частота по крайней мере одного из которых зависит от измеряемого параметра, отличающийся тем, что в него введены два D-триггера, счетчик импульсов, схема формирования импульса сброса и преобразователь скважность-напряжение, включающий фильтр низких частот и два ключа, вход первого из которых соединен с источником стабильного напряжения, вход второго заземлен, а выходы подсоединены к входу фильтра низких частот, причем вход D первого D-триггера соединен с источником напряжения, соответствующего логической единице, вход D второго D-триггера соединен с выходом первого D-триггера, а выходы второго D-триггера подсоединены к входам разрешения прохождения сигнала ключей преобразователя скважность-напряжение и к входу разрешения счета счетчика импульсов, выход счетчика импульсов соединен со схемой формирования импульса сброса, выход которой соединен с входом R сброса обоих триггеров и счетчика импульсов, причем вход синхронизации С первого D-триггера подключен к выходу одного генератора, а вход синхронизации С второго D-триггера и счетный вход счетчика импульсов подключены к выходу другого генератора. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительно одним или несколькими включенными последовательно преобразователями скважность-напряжение, причем выход каждого предыдущего преобразователя соединен с входом первого ключа каждого последующего преобразователя, а выходы каждого из преобразователей скважность-напряжение соединены с входами сумматора.