МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ, ЕМКОСТИ И НАПРЯЖЕНИЯ В ДВОИЧНЫЙ КОД Российский патент 2015 года по МПК G01R27/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, емкости и напряжения, и может быть использовано для измерения физических величин с использованием резистивных и емкостных датчиков, а также датчиков, выходным сигналом которых является напряжение.

Уровень техники

Известно устройство микроконтроллерное для измерения емкости и сопротивления, содержащее микроконтроллер (МК), емкостный датчик, конденсатор образцовой емкости, резисторы образцового и измеряемого сопротивления, первый, второй и третий резисторы и цифровой индикатор, причем резисторы образцового и измеряемого сопротивления первыми выводами подключены к первым обкладкам соответственно емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости, цифровой индикатор подключен к МК, первые выводы первого, второго и третьего резисторов подключены к первому входу аналогового компаратора МК, вторые выводы первого и второго резисторов подключены соответственно к плюсовому и минусовому выводам питания МК, второй вывод третьего резистора подключен к первому выходу МК, первые выводы резисторов образцового и измеряемого сопротивления подключены ко второму входу аналогового компаратора МК, вторые выводы резисторов образцового и измеряемого сопротивлений подключены соответственно ко второму и третьему выходам МК, вторые обкладки емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости подключены соответственно к четвертому и пятому выходам МК (см. пат. РФ №2392629, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность, обусловленная влиянием изменения емкости под действием температуры на результат измерения активного сопротивления.

Известно устройство - микроконтроллерный измерительный преобразователь емкости и сопротивления в двоичный код, содержащий МК, емкостный датчик, конденсатор образцовой емкости, образцовый резистор, резистивный делитель напряжения и резистор измеряемого сопротивления, причем резисторы образцового и измеряемого сопротивления первыми выводами подключены к первым обкладкам соответственно емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости, первые выводы резисторов делителя напряжения подключены к первому входу аналогового компаратора МК, а вторые выводы подключены соответственно к выводам питания МК, первые выводы образцового и измеряемого резисторов подключены ко второму входу аналогового компаратора МК, вторые выводы образцового и измеряемого резисторов подключены соответственно к первому и второму выходам МК, вторые обкладки емкостного датчика и конденсатора образцовой емкости подключены соответственно к третьему и четвертому выходам МК (см. пат. РФ №2391677, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая чувствительность преобразователя, обусловленная организацией измерения относительно малого интервала времени, в течение которого осуществляется только один цикл переходного процесса в RC-цепи.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип, является микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления в двоичный код с генератором, управляемым напряжением, содержащий МК, генератор, управляемый напряжением, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первые выводы первого и второго резисторов подключены соответственно к первому и второму выходам МК, генератор, управляемый напряжением, причем первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены соответственно к третьему и четвертому выходам МК, вторые выводы всех резисторов подключены к входу управления напряжением генератора, выход которого подключен к счетному входу, встроенного в МК двоичного счетчика, пятый выход МК подключен к входу разрешения генерирования генератора (см. пат. РФ №2502076, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - низкая точность преобразователя, обусловленная тем, что преобразования образцового и измеряемого сопротивления в двоичный код производятся в разные интервалы времени, в течение которых электромагнитные помехи могут оказывать различное действие на образцовую и измерительную цепи.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению точности преобразования.

Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код, содержащий МК, управляемый напряжением первый генератор, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первые выводы всех резисторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам МК, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входу управления напряжением первого генератора, выход которого подключен к счетному входу, встроенного в МК первого двоичного счетчика, пятый выход МК подключен к входу разрешения генерирования управляемого напряжением первого генератора, введен управляемый напряжением второй генератор, причем вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу управления напряжением второго генератора, выход которого подключен к счетному входу, встроенного в МК второго двоичного счетчика, пятый выход МК подключен к входу разрешения генерирования управляемого напряжением второго генератора. Управляемые напряжением первый и второй генераторы снабжены времязадающими RC-цепями, причем в качестве одного из емкостных элементов времязадающей RC-цепи одного из генераторов может быть включен в качестве измеряемой емкости емкостный датчик.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена структурная схема микроконтроллерного измерительного преобразователя сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код.

Осуществление изобретения

Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код содержит (фиг.) первый резистор 1 (R₁), второй резистор 2 (R₂), третий резистор 3 (R₃), четвертый резистор 4 (R₄), управляемые напряжением и снабженные входами разрешения генерирования генераторы 5 и 6, и МК 7. В качестве генераторов 5 и 6 используются RC-генераторы, построенные, например, на базе микросхем NE555 (отечественный аналог КР1006ВИ1), NE556 - два NE555 выполнены на одном полупроводниковом кристалле.

Первые выводы резисторов 1, 2, 3 и 4 подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам МК 7, вторые выводы резисторов 1 и 2 подключены к входу управления напряжением генератора 5, вторые выводы резисторов 3 и 4 подключены к входу управления напряжением генератора 6, выходы генераторов 5 и 6 подключены к счетным входам встроенных в МК 7 соответственно первого и второго двоичных счетчиков (на фиг. двоичные счетчики не показаны), пятый выход МК 7 подключен к входам разрешения генерирования генераторов 5 и 6.

Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код работает следующим образом.

Резисторы 1, 2 и 3 являются образцовыми, причем R₁=R₂, резистор 4 - датчик, например термосопротивление. МК 7 выводит на пятый выход логический уровень, запрещающий генерирование, т.е. останавливает генераторы 5 и 6 и очищает двоичные счетчики. На первый и третий выходы МК 7 выводит логические «1», а на второй и четвертый выходы выводит логические «0» и запускает генераторы 5 и 6 путем вывода на пятый выход соответствующего логического уровня. Генераторы 5 и 6 начинают генерировать прямоугольные импульсы. Генератор 5 генерирует прямоугольные импульсы с образцовым периодом T_O. Значение T_O зависит от образцового напряжения U_O на управляющем напряжением входе генератора 5. Напряжение U_O в свою очередь зависит от соотношения сопротивлений образцовых резисторов 1 и 2 и определяется выражением

$$U_O=U_H\cdot R_2/\left(R_1+R_2\right),\text{ (1)}$$

где U_H - напряжение высокого уровня, незначительно меньше (на 0,02 В) напряжения источника питания МК 7. МК 7 измеряет образцовый интервал времени, определяемый выражением: t_O=N_O·T_O, где N_O - количество образцовых периодов, подсчитываемых первым двоичным счетчиком МК 7. Количество N_O задается программным способом. Интервал времени t_O (временные ворота) заполняется счетными импульсами от внутреннего тактового генератора МК 7. МК 7 сохраняет значение образцового интервала времени t_O в памяти.

Генератор 6 генерирует прямоугольные импульсы с текущим периодом T_X. Значение T_X зависит от напряжения U_X на управляющем напряжением входе генератора 6. Напряжение U_O в свою очередь зависит от соотношения сопротивлений образцового резистора 3 и измеряемого 4 и определяется выражением:

$$U_X=U_H\cdot R_4/(R_3+R_4),\text{ (2)}$$

МК 7 измеряет текущий интервал времени, определяемый выражением: t_X=N_O·T_X, и сохраняет значение текущего интервала времени t_X в памяти.

Затем МК 6 определяет разность временных интервалов в соответствии с выражением Δt=t_X-t_O. Значение Δt зависит от значения разности напряжений, определяемого выражением ΔU=U_X-U_O. Так как в выражение (2) входит сопротивление R₄, которое является сопротивлением датчика и образцовое сопротивление R₃, а в выражение (1) входят образцовые сопротивления R₁ и R₂, значения которых известны, то Δt является функцией изменения R₄. МК 7 преобразует Δt в двоичный код и сохраняет в оперативной памяти для дальнейшего использования.

При измерении напряжения МК 7 работает следующим образом. Измеряемое напряжение подается на вход управления напряжением генератора 6. МК 7 переводит третий и четвертый выходы в высокоомное состояние. Состояние первого и второго выходов МК 7 не меняет. Затем МК 7 повторяет цикл, описанный при измерении сопротивления резистора 4, и определяет разницу между измеряемым напряжением и образцовым, а также знак изменения измеряемого напряжения относительно образцового.

Если требуется использовать внешнее образцовое напряжение, то выход источника внешнего образцового напряжения должен быть подключен к входу управления напряжением генератора 5, при этом МК 7 переводит первый и второй выходы в высокоомное состояние и повторяет ранее описанный цикл измерения сопротивления резистора 4.

Если необходимо измерять емкость, например, емкостного датчика, то этот датчик включается в качестве емкостного элемента во времязадающую RC-цепь одного из управляемых напряжением генераторов (на фиг. времязадающие RC-цепи не показаны). Второй управляемый напряжением генератор содержит во времязадающей RC-цепи образцовую емкость. Все резисторы в лучшем случае должны быть образцовыми и равны между собой, т.е. R₁=R₂=R₃=R₄. МК 7 выполняет цикл преобразования по ранее описанному алгоритму измерения сопротивления резистора 4, определяет разность частот генераторов 5 и 6 и по известным выражениям определяет приращение емкости, емкостного датчика.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями обладает повышенной точностью, в результате использования двух генераторов, выполненных на одном полупроводниковом кристалле, что позволяет избавиться от влияния внешних факторов, например температуры, электромагнитных помех, нестабильности напряжения питания, процессов старения.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, емкости и напряжения. Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код содержит четыре резистора, два генератора, управляемые напряжением и снабженные входами разрешения генерирования, и микроконтроллер; первые выводы резисторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входу управления напряжением первого генератора, вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу управления напряжением второго генератора, выходы генераторов подключены к счетным входам встроенных в микроконтроллер первого и второго двоичных счетчиков. Техническим результатом является повышение точности преобразования сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код, содержащий микроконтроллер, управляемый напряжением первый генератор, первый, второй, третий и четвертый резисторы, причем первые выводы всех резисторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входу управления напряжением первого генератора, выход которого подключен к счетному входу встроенного в микроконтроллер первого двоичного счетчика, пятый выход микроконтроллера подключен к входу разрешения генерирования управляемого напряжением первого генератора, отличающийся тем, что в него введен управляемый напряжением второй генератор, причем вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу управления напряжением второго генератора, выход которого подключен к счетному входу встроенного в микроконтроллер второго двоичного счетчика, пятый выход микроконтроллера подключен к входу разрешения генерирования управляемого напряжением второго генератора.

2. Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код по п. 1, отличающийся тем, что управляемые напряжением первый и второй генераторы снабжены времязадающими RC-цепями, причем в качестве одного из емкостных элементов времязадающей RC-цепи одного из генераторов может быть включен в качестве измеряемой емкости емкостный датчик.