ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЙ И ПРИРАЩЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01R27/02 G01R17/02 H01C17/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при измерении сопротивлений резистивных датчиков различного типа, а также в сфере производства изделий электронной техники, в частности при производстве интегральных микросхем ГИС, наборов резисторов, делителей напряжения, на технологической операции подгонки нормируемых параметров.

Уровень техники

Известны различные устройства измерения сопротивлений и приращения сопротивления (см., например, "Измерения в электронике: Справочник", В.А.Кузнецов. В.А.Долгов, B.М.Коневских и др.; Под ред. В.А.Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 512 с., с.194-217, а также Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. от-ние, 1983. - 320 с., с.53-65).

Недостатком всех описанных в указанных источниках технических решений является то, что они имеют невысокую точность измерения сопротивлений и приращения сопротивления и/или не позволяют полностью автоматизировать производственный процесс подгонки резисторов. Так, например, известно стандартное решение, когда для обеспечения автоматической балансировки измерительного моста в одно из его плеч устанавливают последовательный кодоуправляемый делитель (КУД) напряжения типа, например, LF 13006/13007 с дискретностью установки 0,1 и погрешностью установки коэффициента деления 0,5% (см. Чернов В.Г. Устройства ввода-вывода аналоговой информации для цифровых систем сбора и обработки данных. М.: Машиностроение, 1988 г. - с.32). Такие метрологические параметры недостаточны при производстве прецизионных резисторов, а создавать последовательные кодоуправляемые делители с меньшей дискретностью установки проблематично.

Известен преобразователь отклонения сопротивления в код (см. А.С. 1698826, G 01 R 27/02, БИ №46, 1991 г.), содержащий измеряемый и образцовый резисторы, источник постоянного тока, операционный усилитель, переключатель, интегратор, компаратор, таймер, триггер и цифровой блок, который представляет собой достаточно сложное цифровое устройство с внутренним генератором.

Недостатком такого технического решения является невысокая точность преобразования отклонения измеряемого сопротивления от образцового в цифровой код. Погрешность (точность) преобразования напрямую связана с погрешностями операционного усилителя (смещение нуля, небесконечное значение коэффициента усиления и др.) и в такой же степени зависит от погрешности таймера (например, прецизионный таймер 1006ВИ1 не позволяет формировать импульс с погрешностью временного интервала менее 0,5%. См., например, Алексенко и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985. - с.38), кроме того, на точность преобразования оказывает прямое влияние девиация частоты генератора цифрового блока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является цифровое устройство для измерения сопротивлений и отношения сопротивлений (см. А.С. 1597771, G 01 R 27/02, БИ №37, 1990 г.), содержащее кодоуправляемый делитель, выполненный на базе резисторной матрицы R-2R, источник постоянного тока, измеряемый и образцовый резисторы, два операционных усилителя, компаратор напряжения, генератор импульсов и двоичный счетчик.

Недостатком этого устройства является невысокая точность из-за синфазной погрешности компаратора напряжения (получить точность компарирования во всем диапазоне измерения выше 0,1% при стандартном для операционного усилителя коэффициенте подавления синфазного сигнала 66-80 дБ весьма проблематично. См., например, Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. - К.: Технiка, 1983. - с.36; Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985. - 256 с. с.34, 66). Кроме того, данное устройство не формирует сигнал, равный или пропорциональный абсолютной разности приращения сопротивления измеряемого резистора, что ограничивает использование этого устройства в датчиковой аппаратуре, а невозможность отключения измеряемого резистора из цепи обратной связи операционного усилителя без нарушения работоспособности устройства также ограничивает его применение для определенных технологий подгонки резисторов.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей.

Достигаемый технический результат обеспечивается тем, что в цифровое устройство, содержащее источник опорного напряжения, измеряемый и образцовый резисторы, кодоуправляемый делитель напряжения, выполненный на базе резисторной матрицы R-2R, двоичный счетчик, генератор импульсов, выход которого подключен к первому (счетному) входу счетчика, второй вход которого является входом "обнуления", а третий - входом установки в определенное состояние n-разрядного счетчика, n выходов которого соединены с соответствующими разрядами n-разрядного КУД, дополнительно введены нуль-орган, образцовые дополнительные делитель напряжения и резистор, блок регистрации результата измерения и управления инструментом подгонки, а также сдвоенный переключатель, входом которого является шина управления, к его первым неподвижным контактам подключен измеряемый резистор, к вторым - образцовый резистор, а подвижные контакты включены последовательно с КУД типа R-2R в одно из плеч измерительного моста, другие плечи которого образованы дополнительными образцовыми делителем напряжения и резистором и соответствующими выводами подключены к полюсам опорного источника постоянного тока, выходная клемма дополнительного образцового делителя напряжения является первой клеммой диагонали моста, к которой подключен первый вход нуль-органа, а его второй вход соединен с второй клеммой диагонали моста, с выводом дополнительного образцового резистора и с одним подвижным контактом сдвоенного переключателя, второй подвижный контакт которого соединен с третьей клеммой и с выходом КУД, первые неподвижные контакты переключателей разрядных токов которого подсоединены к положительному полюсу опорного источника постоянного тока, а вторые неподвижные контакты разрядных переключателей КУД и вывод дополнительного разряда матрицы R-2R подключены к отрицательному полюсу источника постоянного тока, выход нуль-органа соединен с входом управления генератором импульсов и с блоком регистрации результата измерения и управления подгоночным инструментом, другой вход которого является n-разрядным выходом счетчика.

Перечень фигур

На фиг.1-2 представлены эквивалентные схемы измерителя сопротивлений и приращения сопротивления. На фиг.3 представлена схема цифрового устройства для измерения сопротивлений и приращения сопротивления.

Элементы схем обозначены следующим образом.

1, 2 - клеммы измерительной диагонали моста, 2, 3 - клеммы подключения измеряемого резистора, 4₀-4_n - нулевой (дополнительный) и разрядные резисторы с величинами сопротивлений R₀-R_n, 4*₁-4*_n-1 - резисторы связи с величинами сопротивлений R*₁-R*_n-1, 4-5 - КУД R-2R с резисторной матрицей 4 типа R-2R и разрядными ключами 5, 5₁-5_n - разрядные переключатели, 6 - опорный источник постоянного тока, 7 - внутреннее сопротивление опорного источника постоянного тока, 8 - дополнительный образцовый резистор с сопротивлением R_m, 9-10 - сопротивления r₀ и дополнительного образцового делителя напряжения соответственно, 11 - нуль-орган (гальванометр), 12 - внутреннее сопротивление r гальванометра, 13 - измеряемый (образцовый) резистор с сопротивлением R_x (R_o), 14₁-14_n - эквивалентные разрядные источники с ЭДС, равной Eβ₁-Eβ_n, 15 - блок регистрации результата (БРР), 16 - формирователь импульса, 17 - управляемый генератор импульсов, 18 - двоичный счетчик, 19 - сдвоенный переключатель, Упр - сигнал управления сдвоенным переключателем, Устан - шина установки счетчика. Сброс - шина обнуления счетчика.

НО - нуль-орган (гальванометр, миллиамперметр); r - внутреннее сопротивление НО; r₀ и - сопротивления плеч дополнительного образцового делителя напряжения, R_m - сопротивление дополнительного образцового резистора; R_x - измеряемый (подгоняемый) резистор; R(N), , R*(N) - элементы схемы замещения резистивной матрицы R-2R, выполненной четырехполюсником типа "звезда", E, r_i - напряжение опорного источника постоянного тока и его внутреннее сопротивление, соответственно; КУД - кодоуправляемый делитель на базе резисторной матрицы типа R-2R; N - двоичный код управления КУД; N_x - код, пропорциональный сопротивлению подгоняемого (измеряемого) резистора; N₀₁ - код, пропорциональный сопротивлению образцового резистора;.

Цифровое устройство для измерения сопротивлений и приращения сопротивления, содержащее источник 6 опорного напряжения, измеряемый 13’ и образцовый 13″ резисторы, кодоуправляемый делитель (КУД) 4-5, выполненный на базе резисторной матрицы 4 типа R-2R, n-разрядный двоичный счетчик 18, формирователь импульса 16, управляемый генератор 17 импульсов, выход которого подключен к первому "счетному" входу счетчика, второй вход которого является входом "обнуления", а третий - входом установки в определенное состояние n-разрядного двоичного счетчика, n выходов которого соединены с соответствующими разрядами n-разрядного КУД. Устройство также содержит нуль-орган 11, образцовые дополнительные делитель напряжения, выполненный на резисторах 9-10, и резистор 8, блок регистрации результата (БРР) 15 и управляемый сдвоенный переключатель 19, управление которым осуществляется внешним сигналом (Упр), к первым неподвижным контактам сдвоенного переключателя 19 подключен измеряемый резистор 13', к вторым - образцовый резистор 13", а подвижные контакты этого переключателя 19 включены последовательно с КУД 4-5 в одно из плеч моста, другие плечи которого образованы резисторами 9, 10 дополнительного образцового делителя напряжения и дополнительным образцовым резистором 8 и подключены к полюсам опорного источника 6 постоянного тока, а выход дополнительного образцового делителя напряжения и первый вывод нуль-органа 11 подключены к первой клемме 1 диагонали измерительного моста, вторая клемма 2 диагонали моста соединена с вторым выводом нуль-органа 11, с одним подвижным контактом сдвоенного переключателя 19 и с первым выводом дополнительного образцового резистора, второй вывод которого подключен к отрицательному полюсу источника 6 опорного напряжения, а второй подвижный контакт переключателя 19 соединен с третьей клеммой 3 измерительной цепи и с выходом КУД R-2R 4, первые неподвижные контакты переключателей 5₁-5_n разрядных токов которого подсоединены к положительному полюсу источника 6 постоянного тока, а вторые неподвижные и вывод дополнительного разряда R-2R к его отрицательному полюсу, причем выход нуль-органа 11 соединен с входом формирователя 16 импульса, выход которого соединен с входом управления генератором 17 импульсов и с первым входом блока 15 регистрации результата (БРР), другой n-разрядный вход которого соединен с n-разрядным выходом счетчика 18.

Воспользуемся электрической схемой, представленной на фиг.1. В этой схеме осуществляется сравнение нуль-органом (между клеммами 1 и 2) выходных напряжений двух резисторных делителей: первого - составленного из резисторов r₀ и , являющегося образцовым делителем напряжения с фиксированным значением коэффициента деления К₀, лежащим в пределах 0<К₀<1, и второго - составленного из трех резисторов (дополнительного образцового R_m, измеряемого R_x и выходного сопротивления n-разрядного двоичного делителя R-2R). Переключатели S_i соединяют соответствующий i разряд двоичного делителя с ЭДС источника Е тогда, когда в подаваемом на входы двоичного делителя коде N весовой индекс β_i=1. При анализе принимаем также, что внутреннее сопротивление источника ЭДС r_i=0.

Исходная схема может быть преобразована в эквивалентную схему фиг.2. Анализируя эту схему, можно установить, что контурный ток I_но, равный току в цепи между клеммами 1 и 2 I₁₂, определяется выражением:

где n - число разрядов двоичного делителя, |D| - определитель порядка n+3, который можно представить следующей разряженной матрицей

Матрица ЭДС имеет вид:

Для определения тока в диагонали моста необходимо знать определитель |D_n+2|, который находится заменой в определителе |D| порядка (n+3) столбца под номером (n+2) на матрицу ЭДС - |Е|. Такой определитель имеет вид:

Условием баланса измерительного моста является равенство нулю тока I₁₂ в его диагонали, что равносильно выполнению условия: |D_n+2|=0. Разлагая определитель |D_n+2| по строке n+3, получим:

где Δ_n+3,n+2 и Δ_n+3,n+3 соответствующие алгебраические дополнения, определяемые выражениями

где |D_n| - определитель, составленный из первых n строк и n столбцов определителя |D_n+2|, a

где |D_nβ| - определитель, полученный из определителя |D_n| путем замены в нем последнего столбца на первые n элементов матрицы |E|. Подставив выражения (3) и (4) в формулу (2) и учитывая, что в двоичном делителе R-2R выполняются равенства: R₀=R₁=R₂=...=R_n=2R; R*₁=R*₂=...=R*_n=R, получим условие баланса (2) моста в виде

Поделив обе части уравнения (5) на (r₀+) и принимая во внимание, что коэффициент деления образцового делителя K₀=r₀/(r₀+), а , где N - числовой эквивалент кода, подаваемого на входы двоичного делителя, можно из выражения (5) определить величину сопротивления R_x измеряемого резистора, которое будет равно:

Если провести измерение сопротивлений нескольких резисторов, включая их поочередно между клеммами 2-3 (фиг.1-3), то можно заметить, что в выражении (6) будут пропорционально меняться лишь две величины R_x и N, с учетом высокой кратковременной стабильности остальных параметров элементов мостовой цепи. Данное обстоятельство позволяет выполнять измерения путем дифференциального сравнения с мерой, учитывая его преимущества в плане повышения точности измерений, а также проводить подгонку резистивных микросхем, например, типа HP (наборы резисторов, делители напряжения и тока) по отношению к выбранному элементу микросхемы. Пусть после измерения сопротивления R_х выполнено измерение другого резистора, принятого за образцовый. При этом:

а величину отклонения значения сопротивления резистора R_х от величины сопротивления R₀₁ можно определить, вычитая уравнения (6) и (7)

где ΔN_х - изменение числового значения кода двух последовательных измерений. R/2^n-1К₀=λ=const - постоянная величина при измерении разностей ΔR_x. Величине ΔR_x может соответствовать степень воздействия подгоночного инструмента на резистивную структуру, например при подгонке резисторов тонкопленочных микросхем, пропорциональная ΔN_x. Методическую погрешность измерения (подгонки) сопротивления предлагаемым способом можно рассчитать, полагая, что задана величина дополнительного образцового сопротивления, например, R_m=2R, a ΔN=1. При этом δR_x=ΔR_x/R_x=(ΔN_x/N_x)(1/2^n-1K₀)/((1/2^n-1K₀)-3/N_x). Если, например, n=16 разрядам, а К₀=0,5, N_x=N_max=2ⁿ, то δR_x=0,000062, что бесспорно является очень малой величиной. Инструментальная составляющая общей погрешности будет равна погрешности образцового резистора, которым замещают резистор с сопротивлением R_x.

Чувствительность по току баланса моста можно определить, используя уравнение (1), при ΔN=1, считая при этом, что определитель |D_n+2| изменяется таким образом, что из него вычеркивается верхняя строка (это соответствует исключению младшего разряда n-разрядного КУД). Если также, например, установить r₀==R_x=R, a R_m=2R, то приращение тока в диагонали измерительного моста на единицу кода N можно определить: Δi_но=Е/5·2ⁿ⁺¹R.

Т.о. чувствительность устройства по току баланса и относительную погрешность измерения приращения сопротивления можно определить по изложенной методике и подобрать оптимальные соотношения, варьируя при этом разрядностью КУД и значениями сопротивлений дополнительных образцовых делителя и резистора.

Цифровое устройство для измерения сопротивлений и приращения сопротивления работает следующим образом.

Сигнал "Упр" устанавливает сдвоенный переключатель 19 в соответствующий режим измерения неизвестного сопротивления R_x или образцового R₀₁.

Генератор 17 вырабатывает импульсы, длительность которых должна быть по крайней мере больше времени установления КУД, выполненного на резисторной матрице 4 типа R-2R и разрядных переключателях 5, которые поступают на счетный вход счетчика 18. На выходе счетчика 18 увеличивается числовое значение кода N до тех пор, пока не наступит баланс моста, плечи которого выполнены на дополнительных образцовых делителе напряжения, выполненного на резисторах 9, 10, и резисторе 8, а четвертое плечо представляет последовательное соединение КУД и измеряемые резисторы 13 с сдвоенным переключателем 19. В момент наступления баланса моста (отсутствие тока в диагонали моста, между клеммами 1 и 2) нуль-орган 11 вырабатывает сигнал, который поступает на вход формирователя 16 импульса, сигнал с выхода которого останавливает генератор 17 и поступает на вход блока регистрации результата 15, который фиксирует (запоминает) значение кода N, пропорциональное значению измеряемого сопротивления. После чего счетчик 18 устанавливается в нулевое состояние внешним сигналом "Сброс". При этом баланс моста нарушается, а нуль-орган 11 и формирователь 16 импульса снимают сигнал запрета работы с управляющего входа генератора 17. После переключения сдвоенного переключателя 19 в режим измерения другого резистора (образцового 13") процесс уравновешивания мостовой цепи повторяется. БРР 15 представляет собой стандартное арифметическо-логическое устройство для запоминания кодов, вычисления их разности и, в соответствие с этим, перенормирование кодов и их разностей в величины сопротивлений согласно формул (6-8). Для сокращения времени измерения счетчик 18 может вначале принудительно устанавливаться сигналом по шине "Устан" в соответствующее состояние. КУД высокой разрешающей способности, например, с количеством разрядов n=16 можно реализовать на серийных микросхемах типа 319НФ2(3,4) с разрядными переключателями на реле РПС32(34) или на микросхемах типа К590КН.

Нуль-орган 11 можно реализовать как, например, дифференциальное устройство преобразования тока в напряжение (см. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982. – 512 с., стр.469), выполненное на трех операционных усилителях по схеме динамического измерительного моста.

Устройство может быть использовано в технологической операции подгонки нормируемых параметров резисторов. Устройство содержит кодоуправляемый делитель напряжения, выполненный на основе резистивной матрицы R-2R, двоичный счетчик, генератор импульсов, нуль-орган. Измеряемый резистор включают последовательно с кодоуправляемой резистивной матрицей R-2R в одно из плеч моста. Генератор импульсов вырабатывают импульсы, которые поступают на вход двоичного счетчика. Сопротивление резистивной матрицы устанавливается в соответствии с кодом на выходе двоичного счетчика. При достижении равновесия моста запоминают цифровой код, соответствующий сопротивлению измеряемого резистора. Затем измеряемый резистор заменяют резистором с образцовым сопротивлением и процесс нахождения цифрового кода, соответствующего балансу моста, повторяют. Предлагаемый способ включает все преимущества мостовых методов измерений. 3 ил.

Цифровое устройство для измерения сопротивлений и приращения сопротивления, содержащее источник опорного напряжения, измеряемый и образцовый резисторы, кодоуправляемый делитель (КУД), выполненный на базе резисторной матрицы типа R-2R, n-разрядный двоичный счетчик, формирователь импульса, управляемый генератор импульсов, выход которого подключен к первому “счетному” входу счетчика, второй вход которого является входом “обнуления”, а третий - входом установки в определенное состояние n-разрядного двоичного счетчика, n выходов которого соединены с соответствующими разрядами n-разрядного КУД, отличающееся тем, что содержит нуль-орган, образцовые дополнительные делитель напряжения и резистор, блок регистрации результата (БРР) и управляемый сдвоенный переключатель, управление которым осуществляется внешним сигналом “Упр”, к первым неподвижным контактам сдвоенного переключателя подключен измеряемый резистор, к вторым - образцовый резистор, а подвижные контакты этого переключателя включены последовательно с КУД в одно из плеч моста, другие плечи которого образованы резисторами дополнительного образцового делителя напряжения и дополнительным образцовым резистором и подключены к полюсам опорного источника постоянного тока, а выход дополнительного образцового делителя напряжения и первый вывод нуль-органа подключены к первой клемме диагонали измерительного моста, вторая клемма диагонали моста соединена с вторым выводом нуль-органа, с одним подвижным контактом сдвоенного переключателя и с первым выводом дополнительного образцового резистора, второй вывод которого подключен к отрицательному полюсу источника опорного напряжения, а второй подвижный контакт переключателя соединен с третьей клеммой измерительной цепи и с выходом КУД R-2R, первые неподвижные контакты переключателей разрядных токов которого подсоединены к положительному полюсу источника постоянного тока, а вторые неподвижные контакты и вывод дополнительного разряда R-2R к его отрицательному полюсу, причем выход нуль-органа соединен с входом формирователя импульса, выход которого соединен с входом управления генератором импульсов и с первым входом блока регистрации результата (БРР), другой n-разрядный вход которого соединен с n-разрядным выходом счетчика.