АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК H03M1/50 

Изобретение относится к области цифровой измерительной техники и может быть использовано для преобразования аналоговых величин в цифровые при построении портативных медицинских приборов.

Известно измерительное устройство электронного медицинского термометра, содержащее датчик, аналого-цифровой преобразователь двойного интегрирования, блок индикации, аккумуляторную батарею, выключатель питания [1]
Недостатком известного устройства является большая погрешность нелинейности, определяемая нелинейностью датчика, большое энергопотребление, ограниченные функциональные возможности (отображение только текущего значения измеряемой величины).

Наиболее близким к предлагаемому устройству является аналого-цифровое устройство (интегрирующий преобразователь), содержащее датчик, первый вывод которого подключен к выходу первого ключа, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока анализа и обработки информации, группа выходов которого подключена к группе информационных входов блока индикации, вход питания которого подключен ко второму выходу блока анализатора и обработки информации, первый и второй входы питания которого подключены соответственно к шинам питания и нулевого потенциала, информационный вход подключен к выходу детектора нулевых пересечений, первый вход питания которого подключен к шине питания, информационный вход подключен к выходу компаратора, первый вход питания которого подключен к шине питания, неинвертирующий вход подключен к выходу операционного усилителя и через интегрирующий конденсатор подключен к первому выводу первого токозадающего резистора, первый вход питания операционного усилителя подключен к шине питания, инвертирующий вход подключен к выходу второго ключа, управляющий вход которого подключен к третьему выходу блока анализа и обработки информации, третий, четвертый и пятый ключи, управляющие входы третьего и четвертого ключей подключены к четвертому и пятому выходам блока анализа и обработки информации, а информационный вход пятого ключа подключен к первому выходу источника опорных напряжений, аккумуляторную батарею, положительный вывод которой через выключатель питания подключен к шине питания [2]
К недостаткам устройства следует отнести высокую погрешность, обусловленную нелинейностью датчика, высокое энергопотребление, особенно при необходимости хранения предыдущих измерений, невозможность непосредственного использования с датчиками, которые по своему характеру являются источниками тока, т. е. невозможность использования в комплексе с электрохимическими датчиками тока, которые для своей работы требуют кроме всего прочего подачи на них определенной питающей разности потенциалов. В ряде задач медицинского приборостроения, например, при экспресс-анализе крови на содержание глюкозы, состоятельным является результат, полученный через определенный интервал времени от момента воздействия капли крови на электрохимический датчик, следовательно, отсутствие автоматического обнаружения начала взаимодействия контролируемого вещества с датчиком и таймирования процесса измерения будет снижать достоверность результатов в широком классе прикладных задач. На достоверность результатов влияет также и состояние аккумуляторной батареи, поэтому желателен автоматический контроль питания прибора с соответствующей сигнализацией пользователю.

Техническим результатом предложения является повышение точности преобразования за счет линеаризации характеристик датчика, повышение достоверности результатов измерения за счет обеспечения требуемого оптимального времени взятия отсчета и контроля питания, снижение энергопотребления при обеспечении хранения ряда предыдущих измерений, т.е. при постоянно включенном питании прибора обеспечение возможности использовать в качестве датчиков электрохимических источников тока, т.е. расширение области применения.

Технический результат предложения достигается тем, что в аналого-цифровое измерительное устройство, содержащее датчик, первый вывод которого подключен к выходу первого ключа, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока анализа и обработки информации, группа выходов которого подключена к группе информационных входов блока индикации, вход питания которого подключен ко второму выходу блока анализа и обработки информации, первый и второй входы питания которого подключены соответственно к шинам питания и нулевого потенциала, информационный вход подключен к выходу детектора нулевых пересечений, первый вход питания которого подключен к шине питания, информационный вход подключен к выходу компаратора, первый вход питания которого подключен к шине питания, неинвертирующий вход подключен к выходу операционного усилителя и через интегрирующий конденсатор подключен к первому выводу первого токозадающего резистора, первый вход питания операционного усилителя подключен к шине питания, инвертирующий вход подключен к выходу второго ключа, управляющий вход которого подключен к третьему выходу блока анализа и обработки информации, третий, четвертый и пятый ключи, управляющие входы третьего и четвертого ключей подключены к четвертому и пятому выходам блока анализа и обработки информации, а информационный вход пятого ключа подключен к первому выходу источника опорных напряжений, аккумуляторную батарею, положительный вывод которой через выключатель питания подключен к шине питания, введены второй, третий и четвертый токозадающие резисторы, кнопка управления и блок управления, а датчик выполнен в виде электрохимического источника тока, второй вывод которого объединен с первыми выводами всех токозадающих резисторов и подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого подключен к информационному входу второго ключа, неинвертирующий вход подключен ко второму выходу источника опорных напряжений, третий выход которого подключен ко второму выводу второго токозадающего резистора и информационным входам первого и третьего ключей, четвертый выход подключен к инвертирующему входу компаратора, первый вход питания объединен с первым входом питания блока управления, с информационным входом четвертого ключа и подключен к шине питания, второй вход питания объединен со вторыми входами питания операционного усилителя, компаратора, детектора нулевых пересечений и блока управления и подключен к шестому выходу блока анализа и обработки информации, первый управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления, третий вход питания которого объединен с отрицательным выводом аккумуляторной батареи и подключен к шине нулевого потенциала, вход управления через кнопку управления подключен к шине питания, второй выход подключен ко второму управляющему входу блока анализа и обработки информации, пятый выход которого подключен к первому управляющему входу детектора нулевых пересечений, второй управляющий вход которого объединен с управляющим входом пятого ключа и подключен к седьмому выходу блока анализа и обработки информации, выход пятого ключа, а также выходы третьего и четвертого ключей подключены ко вторым выводам первого, третьего и четвертого токозадающих резисторов соответственно.

На фиг. 1 приведена функциональная схема аналого-цифрового измерительного устройства. На фиг. 2 приведена блок-схема алгоритма работы устройства. На фиг. 3 приведен пример выполнения детектора нулевых пересечений. На фиг. 4 приведен пример выполнения блока управления. На фиг. 5 приведен пример выполнения источника опорных напряжений. На фиг. 6 приведен пример выполнения блока анализа и обработки информации.

Аналого-цифровое измерительное устройство (фиг. 1) содержит датчик в виде электрохимического источника 1 тока, первый ключ 2, блок 3 анализа и обработки информации, блок 4 индикации, шину 5 питания, шину 6 нулевого потенциала, детектор 7 нулевых пересечений, компаратор 8, операционный усилитель 9, интегрирующий конденсатор 10, первый токозадающий резистор 11, второй, третий, четвертый и пятый ключи 12, 13, 14, 15, источник 16 опорных напряжений, аккумуляторную батарею 17, выключатель 18 питания, второй, третий и четвертый токозадающие резисторы 19, 20, 21, кнопку 22 управления, блок 23 управления.

Блок-схема алгоритма работы устройства (фиг.2) иллюстрирует различные режимы работы устройства и их смену под воздействием кнопки 22 управления при использовании устройства для экспресс-анализа, например, крови. Позиции 24-37 характеризуют различные режимы работы устройства и состояние трехфазного блока 4 индикации, при этом 38 соответствует любой десятичной цифре от 0 до 9, отображенной на семисегментном индикаторе, 39 соответствует мигающей цифре, 40 соответствует кратковременному нажатию кнопки 22 управления, 41 соответствует продолжительному нажатию кнопки, 42 соответствует удержанию кнопки в нажатом состоянии, 43 отпускание кнопки, 44 факт обнаружения крови.

Детектор 7 нулевых пересечений (фиг.3) выполнен на трех триггерах 45, 46, 47 Шмитта с инверсными выходами и двумя входами, объединенными логической функцией И в каждом. Детектор 7 имеет информационный вход 48, первый и второй управляющие входы 49, 50 и выход 51, первый и второй входы 52, 53 питания.

Блок 23 управления (фиг.4) выполнен на триггере 54 Шмитта с инверсным выходом, диодах 55, 56, резисторах 57, 58, 59, 60, 61, конденсаторах 62, 63 и транзисторе 64. Блок 23 имеет вход 65 управления, первый, второй и третий входы питания 66, 67, 68, первый и второй выходы 69, 70.

Источник 16 опорных напряжений (фиг.5) выполнен на стабилизаторе 71 напряжения, операционных усилителях 72, 73, диоде 74, переменном резисторе 75, резисторах 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, конденсаторах 84, 85, 86, 87, 88. Источник 16 опорных напряжений имеет первый и второй входы 89, 90 питания, первый, второй, третий и четвертый выходы 91, 92, 93, 94.

Блок 3 анализа и обработки информации (фиг.6) выполнен на однокристальном микропроцессоре 95, имеющем четыре байтовых порта ввода-вывода с программируемым функциональным назначением входов/выходов, внутренние ОЗУ и ПЗУ, кварцевом резонаторе 96, конденсаторах 97, 98. Блок 3 имеет первый и второй управляющие входы 99, 100, информационный вход 101, группу выходов 102, выходы с первого по седьмой 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, первый и второй входы 110, 111 питания.

Устройство работает следующим образом. Обратимся к блок-схеме алгоритма (фиг. 2) и функциональной схеме (фиг.1). При переводе выключателя 18 питания в замкнутое состояние на первом выходе блока 23 управления формируется импульс системного сброса, обеспечивающий начальную установку блока 3 анализа и обработки информации. Это исходное состояние 24 характеризуется высоким (близким к напряжению на шине питания) уровнем напряжения на шестом выходе блока 3 и погашенным табло блока 4 индикации. При этом оказываются обесточены все блоки устройства, за исключением блока 3 и частично блока 23 управления. В этом состоянии устройство потребляет очень малую энергию от аккумуляторной батареи 17, т.к. блок 3 может быть выполнен на однокристальном микропроцессоре KM 1830BE751 или KP1830BE51 (аналог Д87С51), выполненном с использованием КМОП технологии. Из этого состояния устройство выводится кратковременным нажатием кнопки 22 управления, при этом формируется импульс на первом выходе блока 23, и переходит в состояние 25 (контроль питания). При этом на шестом выходе блока 3 формируется уровень напряжения, близкий к уровню шины нулевого питания, тем самым запитываются через вторые входы питания все ранее обесточенные блоки устройства, сигнал высокого уровня с третьего выхода блока 3 размыкает ключ 12, устройство начинает работать как АЦП двойного интегрирования, при этом заряд интегрирующего конденсатора 10 осуществляется эталонным током через замкнутый третий ключ 13 и третий токозадающий резистор 20, а разряд током, зависящим от величины напряжения на шине 5 питания, через замкнутый четвертый ключ 14 и четвертый токозадающий резистор 21. Замкнутые состояния ключей обеспечиваются сигналами низкого уровня на соответствующих выходах блока 3. Во время заряда конденсатора 10, на первом и втором управляющих входах детектора 7 нулевых пересечений присутствуют сигналы высокого уровня, эта комбинация входных сигналов обеспечивает установку высокого уровня сигнала на выходе детектора 7 нулевых пересечений и запрещает смену состояния выхода в течение заряда конденсатора 10, при разряде конденсатора 10, на одном из входов управления детектора 7 появляется сигнал низкого уровня, что снимает запрет на анализ состояния информационного входа детектора 7, на котором в это время присутствует сигнал высокого уровня. После завершения разряда конденсатора 10 на информационном входе детектора 7 формируется сигнал низкого уровня, который воспринимается блоком 3 как окончание преобразования. При контроле питания время разряда конденсатора 10 обратно пропорционально величине напряжения питания. Блок 3 оценивает время разряда конденсатора 10, сравнивает результат оценки с двумя пороговыми величинами, превышение одной из которых указывает на то, что пользоваться прибором еще можно, но необходимо позаботиться о смене аккумуляторной батареи 17, превышение второй пороговой величины указывает на то, что пользоваться прибором нельзя. Если проблем с питанием пока нет, то устройство из состояния 25 переходит в состояние 27, в противном случае устройство из состояния 25 переходит в состояние 26, в котором на табло блока 4 возникает указанная на фиг.2 комбинация символов, при кратковременном нажатии кнопки 22 управления устройство переходит в состояние 24, если состояние блока питания не позволяет получить достоверный результат или в состоянии 27, дав знать при этом, что необходимо позаботиться о смене аккумуляторной батареи 17 в ближайшее время.

Состояние 27 характеризуется тем, что на табло поочередно демонстрируются два числа. Эти числа должны соответствовать числам в паспортных данных на датчик. Эти числа используются в блоке 3 для линеаризации программным путем характеристики датчика аппроксимированной квадратичной зависимостью. Если числа на табло соответствуют паспортным числам, то коротким нажатием кнопка 22 управления устройство переводится в состояние 28, если соответствия нет, то продолжительным нажатием кнопки 22 управления (время удержания, например, порядка 3 сек.), устройство переводится в последовательность состояния 33, 34, 35, 36, 37, в которых поочередно осуществляется изменение мигающих цифр при удержании кнопки и переход к очередной цифре при отпускании кнопки. После прохождения всех этих состояний устройство возвращается в состояние 27, убедившись, что несоответствие между паспортными данными на датчике и введенными коэффициентами устранено, кратковременным нажатием кнопки 22 управления устройство переводится в состояние 28 измерения тока датчика. Последующая последовательность смены состояний, приведенная на фиг.2, соответствует применению устройства для экспресс-анализа крови, например, на содержание глюкозы. В процессе измерения с периодичностью, задаваемой блоком 3, осуществляется заряд конденсатора 10 током датчика 1, через замкнутый первый ключ 2, затем разряд конденсатора 10 током через замкнутый пятый ключ 15 и первый токозадающий резистор 11, результат измерения формируется в блоке 3, затем осуществляется калибровка характеристики преобразования, путем поочередного преобразования аддитивной составляющей тока заряда конденсатора 10, формируемой вторым токозадающим резистором 19, и эталонного тока, протекающего через замкнутый третий ключ 13 и третий токозадающий резистор. Результаты калибровки используются в блоке 3 для коррекции результатов измерения тока датчика.

Результаты измерения тока датчика сравниваются с заданным порогом для автоматического обнаружения попадания капли крови на датчик. При наступлении события 44 (факт обнаружения крови) устройство переходит в состояние 29, которое соответствует отсчету заданного временного интервала, например, 30 сек. от момента нанесения крови на датчик для получения наиболее достоверного результата измерения. В этом состоянии показанное на фиг.2 состояние табло блока 4 соответствует началу отсчета заданного временного интервала. С течением времени на табло поочередно гаснут первоначально включенные сегменты. По истечении заданного интервала времени на табло высвечивается результат измерения, что соответствует переходу в состояние 30. Из состояния 29 устройство при необходимости может быть переведено в исходное состояние 24 кратковременным нажатием кнопки 22. Такая необходимость может возникнуть, если по некоторым внешним признакам пользователь может сделать вывод о том, что результат измерения не будет достоверен (например, пузырьки в капле крови).

В ряде случаев, например, если сразу же при переходе в режим измерения устройство фиксирует ток, превышающий порог (до нанесения крови), или нарушена последовательность сначала перевод в режим измерения, а затем нанесение крови на датчик, то из состояния 29 устройство перейдет в состояние 31 -"ошибка", из которого кратковременным нажатием кнопки 22 будет переведено в исходное состояние 24. В это же исходное состояние устройство переводится из состояния 30 кратковременным нажатием кнопки 22, при этом полученный результат запоминается и ему присваивается номер 1, предыдущий результат получает номер 2 и т.д. Девять последних результатов измерений хранятся в памяти блока 3 и могут быть считаны через табло блока 4, если из состояния 30 продолжительным нажатием кнопки 22 перейти в состояние 32. При этом на табло блока 4 будут высвечиваться номер измерения и результат измерения, причем если удерживать кнопку 22 в нажатом состоянии, то на табло будут поочередно выводиться девять предшествующих результатов измерений, после чего устройство перейдет в исходное состояние. Отпустив кнопку 22 можно прекратить смену результатов, оставшись в состоянии 32. Последующим кратковременным нажатием кнопки 22 устройство переводится в исходное состояние, гаснет табло, обеспечивается вся схема за исключением блока 3 и частично блока 23. В устройстве предусмотрена возможность после перехода в режим измерения 28, до нанесения крови на датчик, кратковременным нажатием кнопки 22 перевести устройство в состояние 30 и ознакомиться с предшествующим результатом измерений. После этого можно либо ознакомиться с остальными результатами измерений через состояние 32, либо тремя кратковременными нажатиями кнопки 22 вернуться в режим измерения 28.

Блок 23 обеспечивает формирование на первом выходе сигнала высокого уровня при нажатии кнопки, если устройство находится в исходном состоянии 24, при всех последующих нажатиях кнопки сигнал низкого уровня формируется на втором выходе блока 23 и его длительность анализируется в блоке 3. Источник 16 опорных напряжений может быть выполнен на основе стабилизатора напряжения типа LM385, операционные усилители 9 и др. и компаратор 8 могут быть выполнены на микросхеме К140УД2Б (четыре операционных усилителя в одном корпусе), детектор 7 нулевых пересечений может быть выполнен на элементах микросхемы К561ТЛ1.

Изобретение относится к области цифровой измерительной техники и может быть использовано для преобразования аналоговых величин в цифровые при построении портативных медицинских приборов. Техническим результатом предложения является повышение точности преобразования за счет линеаризации характеристик датчика, повышение достоверности результатов измерения за счет обеспечения требуемого оптимального времени взятия отсчета и контроля питания, снижение энергопотребления при обеспечении хранения ряда предыдущих измерений, т.е. при постоянно выключенном питании прибора, обеспечении возможности использовать в качестве датчиков электрохимических источников тока, т. е. расширение области применения. Аналого-цифровое измерительное устройство содержит датчик в виде электрохимического источника 1 тока, первый ключ 2, блок 3 анализа и обработки информации, блок 4 индикации, шину 5 питания, шину 6 нулевого потенциала, детектор 7 нулевых пересечений, компаратор 8, операционный усилитель 9, интегрирующий конденсатор 10, первый токозадающий резистор 11, второй, третий, четвертый и пятый ключи 12, 13, 14, 15, источник 16 опорных напряжений, аккумуляторную батарею 17, выключатель 18 питания, второй, третий и четвертый токозадающие резисторы 19, 20, 21, кнопку 22 управления, блок 23 управления. 6 ил.

Аналого-цифровое измерительное устройство, содержащее датчик, первый вывод которого подключен к выходу первого ключа, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока анализа и обработки информации, группа выходом которого подключена к группе информационных входов блока и индикации, вход питания которого подключен к второму выходу блока анализа и обработки информации, первый и второй входы питания которого подключены соответственно к шинам питания и нулевого потенциала, информационный вход подключен к выходу детектора нулевых пересечений, первый вход питания которого подключен к шине питания, информационный вход подключен к выходу компаратора, первый вход питания которого подключен к шине питания, неинвертирующий вход подключен к выходу операционного усилителя и через интегрирующий конденсатор подключен к первому выводу первого токозадающего резистора, первый вход питания операционного усилителя подключен к шине питания, инвертирующий вход подключен к выходу второго ключа, управляющий вход которого подключен к третьему выходу блока анализа и обработки информации, третий, четвертый и пятый ключи, управляющие входы третьего и четвертого ключей подключены к четвертому и пятому выходам блока анализа и обработки информации, а информационный вход пятого ключа подключен к первому выходу источника опорных напряжений, аккумуляторную батарею, положительный вывод которой через выключатель питания подключен к шине питания, отличающееся тем, что в устройство введены второй, третий и четвертый токозадающие резисторы, кнопка управления и блок управления, а датчик выполнен в виде электрохимического источника тока, второй вывод которого объединен с первыми выводами всех токозадающих резисторов и подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого подключен к информационному входу второго ключа, неинвертирующий вход-подключен к второму выходу источника опорных напряжений, третий выход которого подключен к второму выводу второго токозадающего резистора и информационным входам первого и третьего ключей, четвертый выход подключен к инвертирующему входу компаратора, первый вход питания объединен с первым входом питания блока управления, с информационным входом четвертого ключа и подключен к шине питания, второй вход питания объединен с вторыми входами питания операционного усилителя, компаратора, детектора нулевых пересечений и блока управления и подключен к шестому выходу блока анализа и обработки информации, первый управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления, третий вход питания которого объединен с отрицательным выводом аккумуляторной батареи подключен к шине нулевого потенциала, вход управления через кнопку управления-подключен к шине питания, второй выход подключен к второму управляющему входу блока анализа и обработки информации, пятый выход которого подключен к первому управляющему входу детектора нулевых пересечений, второй управляющий вход которого объединен с управляющим входом пятого ключа и подключен к седьмому выходу блока анализа и обработки информации, выход пятого ключа, выходы третьего и четвертого ключей подключены к вторым выводам первого, третьего и четвертого ключей подключены к вторым выводам первого, третьего и четвертого токозадающих резисторов соответственно.