Функциональный преобразователь Советский патент 1983 года по МПК G06G7/26 

ИзЬбретение относится к информационно-измерительной технике и автоматическому управлению, в частности к функциональным преобразователямг и может быть .использовано при построении информацпонно-измерительных и управляющих систем. .

известен функциональный преобразователь, содержащий блок управления, блок выборки-хранения, интегратор, источник эталонного напряжения, чётыре ключа и накопительные конденсаторы. Функциональный преобразователь представляет собой итерационный преобразователь отношения двух накопительных емкостей в напряжение. Емкоети включеныВ прямую и обратную цепь преобразователя. Если емкость, включенную в обратную цепь, сделать эталонной, то измеряя выходное напряжение преобразователя вольтметром,можно получить значение емкости конденсатора, включенного в прямую цепь

Недостатком преобразователя является невозможность непосредственного преобразования емкости в цифровой код

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является функциональный преобразователь, содержащий последовательно включенные источник эталонного напряжения, первый ключ интегратор и блок выборки-хранения, преобразователь кода в интервал времени, соединенный с первым ключом и блоком синхронизации, а также второй ключ, подключенный к источнику эталонного напряжения и блоку синхрони-. зации, причем выход блока выборки,хранения соединен с выходом интегратора, а блок синхронизации соединен с ключом блока выборки-хранения, а такДе компаратор и регистр, причем к одному входу компаратора подключен .выход блока выбррки-кранения, а второй вход компаратора соединен с общейшиной преобразователя, а также включенные последовательно между источником эталонного напряжения и другим входом .интегратора третий И четвертый ключи, а акже пятый ключ, со гдиненный с вторым и четвертым ключом, а также первый конденсатор, подключенный между общей точкой устройства и точкой соединения третьего и четвертого ключей а также второй конденсатор, подключенный между общей точкой устройства и точкой соединения второго и пятого ключей, причем выход компаратора соединен с входом запуска блока синхронизации, который, в свою очередь, соединен с регистром, источником эталонного напряжения, третьим, четвертым и пятым ключами, а выход регистра соединен с преобразователем. кода в интервал времени, причем выход функционсшьного преобразователя соединен с выходом регистра 2.

К недостаткам функционального преобразователя следует отнести невоз-. можность использования его для получения различных функциональных зави-. симостей, требуемых, например,- для линеаризации характеристик емкостных 1цатчиков, совместно с которыми он может быть использован в информационноизмерительной системе. ; Цель изобретения - повыпение точности, в частности, обеспечение возможности линеаризации характеристик емкостных датчиков.

Поставленная цель достигается тем, что, в функциональный преобразователь содержащий источник эталонного напряжения, выход положительной полярности которого через последовательно соединенные первый и второй ключи подключен к первому входу интегратора,второй вход которого через третий ключ подключен к-выходу источника отрицательного эталонного напряжения, блок выборки-хранения, информационный вход .которого соединен с выходом интегратора, а выход блока выборки-хранения подключен к третьему входу интегратора и первому входу компаратора, вто, рой вход которо.го подключен к шине . нулевого потенциала, а выход которого соединен с входом запуска блока синхронизации, первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с управляющими входами блока выборки-хранения, первого и второго ключей, регистра поразрядного уравновешивания и преобразователя кода в интервал времени, выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа, выход регистра поразрядного уравновешивания, являющийся выходом преобразователя, соединен с информационным входом преобразователя кода в интервал времени, накопительный конденсатор, подключенный между общей шиной и точкой соединения первого и второго ключей, введены даиифратор, коммутатор и кодоуправляемая резистивная матрица. Причем выходы коммутатора подключены к соответствующим входам кодоуправляемой резистивной матрицы, выход которой Соединен с третьим входом интегратора, информационные и управляtoircHe входы коммутатора подключейы соответственно к выходу положительной и отрицательной полярности источника эталонного напряжения и соответствующим выходам дешифратора, вход которого подключен к выходу преобразовате,пя

На фиг.1 приведена блок-схема преобразователя; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Функционгшьный преобразователь содержит источник 1. эталонного напрлжения, ключи 2 и 3, интегратор 4, блок 5 вы(5орки-хранения, компаратор б, блок 7 синхронизации, регистр 8 поразрядного уравновешивания, преобразовател 9 кода в интервал времени, ключ 10, накогштельный конденсатор 11, коммутатор 12, кодаэуправляемая резистивная матрица 13, дешифратор 14. Преобразователь работает следующи образом.- . Преобразователь работает циклично IB два этапа. В каждом цикле 1-гр эта па осущеот.вляется заряд накопительно го конденсатора 11 от источника 1 эталонного нйЬряжения положительной полярности с последующим разрядом . на вход интегратора 4, выборка выходного напряжения интегратора 4 бло ком 5 выборки-хранения с последующим запоминанием в течение времени цикла Тц, интегрирование интегратором 4 выходного напряжения блока 5 выборки хранения в .течение врегдани цикла Тц, интегрирование интегратором 4 компен сирующего напряжения отрицательной полярности источника 1 эталонного на пряжения, причем интервал времени компенсации Ту формируется с помощью регистра 8 поразрядного уравновешива (ния и преобразователя 9 в интер вал времени. . Предположим, что перед началом преобразования напряжение на выходе блока 5 выборки-хранения равно (Зц и заряд на накопительном конденсаторе 11 СX равен нулю. Тогда после окончания первого цикла работы преоб разователя напряжение на выходе блока 5 выборки-хранения будет равно, Чг(0- } „-йё--- х( г 4-17ё. .- напряжение источника 1 этагде Е, лонного напряжения ; -время, на которое замыкается ключ 3 IT раз за время Тц, . . -постоянная цепи заряда конденсатора , -емкость конденсатора интегратора 4, -коэффициент передачи блока 5 выборки-хранения, -длительность цикла преобразования, . -сопротивление интегратора . 4 по входу отрицательной .обратной связи, - интервал времени компенсации, -сопротивление интегратора 4 по входу компенсации. Аналогично, после окончания И-го цикла преобразования и учитывая, что TO , напряжение на выходе блока 5 выборки-хранения становится равным - %h-%p- f ; - ,, Выражение (1) состоит из двух частейi геометрической прогрессии, сходящейся при условии и убывакицего члена, при том же усло « - ТПри выполнении условия (.2) в установившемся режиме{И- |) напряжение на выходе блока 5 выборки-хранения определяется выражением ЕоК.1Г -t , реально процесс сходится за 4-6 циклов. ., С помощью регист1)а- 8 пора:з рядного уравновешивания осуществляется преобразование напряжения на выходе блока 5 выборки-хранения в код по следуюаде- му алгоритму. Сначала записывается 1.в старший разряд регистра 8 поразрядного уравновешивания при пометит блока 7 синхронизации.. Этот код управляет преобразователем 9 кода в интервал времени, который, в свою очередь, замыкает ключ. 10. Если произошла перекомпенсация - изменился знак напряжения на выходе компаратора 6, то 1 записывается, в следующий разряд регистра, а 1 в старшем разряде стирается. Если пвреко|« тёнсации не было, то 1 в старшем разряде остается. Затем снова определяется знак напряжения на выход компаратора 6. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение на выходе блока 5 выборки-хранения не станет равным нулю или точнее, пока оно ие попадет в.область нечувствительности компаратора 6 . В результате осушестгвлвння уравновешивания, которое длится в течение Н(4-6)и циклов (где и - количество разрядов в регистре 8 поразряднохх) уравновешивания) , код на выходе этбго регистра определяется выражением . И). где Тц- длительность единичного (с6ответствующегр единице младшего раз- ряда регистра 8 поразрядного уравновешивания) интервала когтенсации. i На этом завершается первый этап работы функционального преобразователя. Второй этап работы функционал ного преобразователя отличается от первого только тем, что в каждом цик ле второго этапа осуществляется до полнительное интегрирование интегратором 4 напряжения отрицательного или положительного источника 1 эталонного напряжения в течение всего времени цикла Тц через один из резис торов -кодо управляемой резистивной матрицы 13. Причем, знак напряжения и номер Подключаемого резистора R определяется кодом Му , полученним в последнем цикле первого этапа преобразования (этот код запоминается в буферном регистре дешифратора 14 и хранится в течение второго этапа npe образования). Таким образом, после окончания второго этапа преобразования Функцио нального преобразователя, код на выходе регистра 8 поразрядного уравновешивания определяется выражением иЧ Кг ч т Ь где знак напряжения опреде ляется кодом NX формула 4). Как следует из выражения (5) выходной код W имеет две составляющие Первая из них /ТцС определяется накопительной емкостью Су исследуемо го конденсатора (или емкостного датчика ), а вторая, формируемая вновь введенными в функциональный преобразователь блоками,- Щ сопротивлением R и напряжением Е (которые определяются, соответственно, кодом . N , пропорциональным измеряемой емкости Су), Весь диапазон изменения емкости Су ( в случае изменения емкости емкостного датчика разбивается на поддиапазоны, в каждо из которых при помощи дешифратора 14 и коммутатора 12 между входом интегpciTopa 4 и выходом источника 1 эта- лонного напряжения в течение всего времени цикла включается соответствующий этому поддиапазону резистор. В результате в каждом поддиапазоне значения емкости к выходному коду, пропорциональному этой емкости, прибавляется или вычитается добавка. Совокупность всех добавок во всем диапазоне изменения С)( представляет собой кусочно-ступенчатую функцию, которой можно аппроксимировать различные нелинейные зависимости, Благодаря этому, в результирующую зависимость выходного кода Ы от измеряемой емкости Cy может быть введена требуемая нелинейность (методом ступенчатой аппроксимации). Таким образом, функциональный преобразователь может-быть использован д}1я линеаризации нелинейностей различных емкостных датчиков. На фиг.2 приведены кривые зависим эстей выходного кода от измеряемой емкости, причем, кривая 1 - идеаль ная зависимость Ny от Су, 2 - реальная зависимость , содержащая нелинейность, 3 - ступенчато-аппроксимированная заданная нелинейность (формируемая с помощью детаифратора 14, коммутатора 12 и резистивной матрицы 13), 4 - результирующая зависимость Nk °т %. Технико-экономический эффект заключается в том, что предлагаемый преобразователь может быть использован непосредственно для линеаризации характеристик емкостных датчиков,причем создание догюлнительных блоков т1ребует незначительных аппаратурных , затрат и может быть реализовано с использованием дешевых резисторов.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий источник эталонного напряжения, выход п ложительной полярности которого через последовательно соединенные первый и второй ключи лодключен к первому входу ий- тегратора, второй вхой которого через третий ключ подключен к выходу источника отрицательного эталонного, напряжения, блок выборки-хранения, информационный вход которого соединен с выходом интегратора, а выход блока выборки-хранения подключен к третьему входу интегратора и первому входу компаратора, второй вход которого подключен к шине нулевого потенциала, а выход которого соединен с входом запуска синхроннасщий, первый, второй, третий, четвертый и Лятый выходаа которого соединены соответственно с управляющими входами блока выборки-хранения, первого и второго ключей, регистра поразрядного уравновешивания и преобразователя кода в интервал времени, выход которого соединен с управляю1пим входом третьего ключа, выход регистра поразрядного уравновешивания, являющийся вы-, ходом преобразователя, соединен с информационным входом преобразователя кода в интервал времени, накопительный конденсатор, подключенный между , общей шиной и точкой соединения первого и второго ключей, отличающийся тем, что,, с целью повышения его точности, введены деилифратор, коммутатор и кодоуправляемая резистивная матрица, причем выходы коммуВ татора подключены к соответствующим входам кодоуправляемой резистивной матрицы, выход которой соединен с третьим входом интегратора, информационные и управляющие входы коммутатора подключены соответственно к выходу положительной и отрицательной .полярности источника эталонного наО ,пряжения и соответствуйхаим выходам дешифратора, вход которого подключен СС к выходу преобразователя. ее