Функциональный преобразователь сопротивления в частоту Советский патент 1984 года по МПК H03K13/20 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при построении широкоди пазонных измерителей различных физических величин с применением резистивных датчиков, а также для линеаризации характеристик датчи ков. Известен частотный преобразователь сопротивления, содержащий источник питания, генератор тока, усилитель-повторитель, пороговое устройство и конденсатор, причем выход генератора тока через преобразуемое сопротивление соединен с конденсатором, входом порогового устройства и входом усилителя-повт рителя, а выход последнего подключен к выходу генератора тока непосредственно Cii. Недостатком устройства является то, что расширение диапазона измерений возможно только в сторону малых-сопротивлений, причем погрешность от влияния омического сопротивления соединительных проводов при этом большая. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является преобразователь сопротивления в частоту следования импульсов,.содержащий резистивный делитель, усилитель с переключаемым коэффициентом усиления и преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ), выход крторого является выходом устройства и подключе к упоавляютему входу усилителя. ин; (Ьормаиионный вход котооого соединен с.выходом оезестивного делителя. выход усилителя соединен с входом ПНЧ, причем выход источника опорного напряжения ПНЧ соединен с входом резестивного делителя C2J, Недостатком известного устройства являются низкая точность преобра зования при расширении диапазона пр образуемых сопротивлений, влияние на погрешность преобразования омического сопротивления соединительны проводов датчика. Мощность рассеива ния на преобразуемом сопротивлении не является постоянной величиной при изменении величины сопротивлени I Цель изобретения - расширение ди апазона измерений. Поставленная цель достигается те что в функциональный преобразовател сопротивления в частоту, содержащий усилитель, к входу которого подключ первый вывод преобразуемого сопроти ления, второй вывод которого.подклю чен к общей шине устройства,выход усилителя соединен с входом преобра зователя напряжения в частоту, выхо которого подключен к выходной шине устройству, введены преобразователь периода в напряжение и преобразователь напряжения в ток, причем вход преобразователя периода в напряжение подключен к выходной шине устройства а выход преобразователя периода в напряжение - к входу преобразователя напряжения в ток, выход-которого соединен с первым выводом преобразуемого сопротивления. На фиг,1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - эпюры, поясняющие принцип работы устройства; на фиг.З - вариант структурной схемы преобразователя периода в напряжение; на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие прйнтхип работы преобразователя. Функциональный преобразователь сопротивления в частоту содержит усилитель 1, преобразователь 2 напряжения в частоту, преобразователь 3 периода в напряжение, преобразователь 4 напряжения в ток и преобразу-г емое сопротивление 5, которое подключено к входу усилителя 1, выход которого .соединен с входом преобразователя 2 напряжения в частоту. Выход последнего, являющийся выходной шиной устройства, соединен с входом преобразователя 3 периода в напряжение, выход которого подключен к входу преобразователя 4 напряжения в ток, а выход последнего подключен к преобразуемому сопротивленйю 5. Преобразователь 3 периода в напряжение содержит распределитель б импульсов, источник 7 опорного напряжения, ключи 8-10, интеграторы 11-13, ключи 14-16 (Лиг.З). Выход источника опорного напряжения 7 подключен к входам ключей 8-10, выходы последних соединены с зходдми интеграторов 11-13 соответственно, в свою очередь выходы интеграторов связаны с выходом преобразователя периода в напряжение соответственно через ключи 14-16. При этом .первый выход распределителя 6 импульсов связан с управляющими, входами интегратора 12 и ключей 8 и 16,второй выход - с управляющими входами интегратора 13 и ключей 9 и 14, а третий - с управляющими входами интегратора 11 и ключей 10 и 15. Вход распределителя импульсов 6 является одновременно- входом преобразователя периода в напряжение. Усилитель 1 может быть построен на базе микросхемы 14ОУД7, этот же тип микросхем можно применить в качестве интегратора преобразователя 2 напряжения в частоту, а также интеграторов преобразователя 3 периода в напряжение и при построении преобразователя 4 напряжения в ток. В качестве.компаратора преобразователя 2 напряжения в частоту можно использовать микросхему 521САЗ. При построении формирователя импульсов обратной связи преобразователя 2 напряжения в частоту, а также распределителя импульсов преобразователя 3 периода в напряжение могут быть применены микросхемы серий 561 и 176 с целью уменьшения энергопотребления. В качестве ключей преобразователя

3периода, в напряжение могут быть использованы, мокросхемы серии. 168, а в качестве ключей преобразователя 2 напряжения в частоту и в схеме преобразователя 4 напряжения в токполевые транзисторы КП305 и КПЗОЗ.

Функциональный преобразователь сопротивления в частоту работает следующим Образом.

Постоянное напряжение на преобразуемом сопротивлении 5 усиливается усилителем 1 и поступает на вход преобразователя 2 напряжения в частоту с импульсной обратной связью. Выходной сигнал преобразователя, представляет собой импульсную последовательность (фиг.2Б). Эта последовательность поступает на вход преобразователя 3 периода в напряжение фиг.З). По мере поступления импульсов на вход распределителя б импуль сов, поочередно на трех его выходах появляется разрешающий уровень, открывающий соответствующие ключи.. преобразователя 3. Пусть, например, разрешающий уровень появился на первом выходе распределителя 6 импульсов, при этом открыты ключи 8 и 16, выходное напряжение UQ источника опорного напряжения 7 поступает на вход интегратора 11. При этом напряжение на его выходе линейно возрастает в течение интервала между двумя последующими импульсами преобразователя 2 напряжения в частоту. В это время виходной сигнал интегратора 13 . через открытый ключ 16 поступает а, вход преобразователя 4 напряжения в toK, а интегратор 12 приводится в исходное состояние. Во втором такте работы распределителя 6 разремаЮ1ЧИЙ уровень на втором, его выходе открывает ключи 9 и 14, при этом напряжение на выходе интегратора 12 в течение времени Т линейно возрастает, выходной сигнал интегратора 11 поступает на вход преобразователя

4напряжения в ток, а интегратор 13. обнуляется. В третьем такте открыты ключи 10 и 15, напряжение интегрируется интегратором 13, интегратор

11обнуляется, а выход интегратора

12подключен к входу преобразователя 4 напряжения в ток. Этот процесс циклически повторяется. Напряжение, прстухтйющее на вход преобразователя 4 напряжения в ток, постоянно (фиг.

2В) и изменяется пропорционально изменению периода следования импульсов с выхода преобразователя 2 напряжения в частоту. Постоянное напряжение преобразуется в постоянный

ток с помощью преобразователя 4 напряжения в ток. Этот ток. протекая по преобразуемому сопротивлению 5, создает падение напряжения, которое затем усиливается усилителем 1.

Для выходного сигнала устройства справедливо выражение

(Я

5

fx Ux

где

-выходная частота устройства; ,

-напряжение на преобразуемом сопротивлении;

коэффициент усиления уси0лителя 1 ;

и.

амплитуда и длительность импульса достоянной вольтсекундной площади на выходе преобразователя 2

5 напряжения в частоту. Нап1 яжение на преобразуемом сопротивлении:

(11/ т

U 11

п.и -V 1

где RX преобразуемое сопротивление;U(3(, - выходное напряжение

источника опорного . напряжения 7; - постоянная времени

интегратора преобразования периода в на пряжение:

kjiHT коэффициент преобразования прео разователя напряжения в

ток Кпнт 1/РНмт 1

Tj( упериод выходного сиг, л нала устройства.

С учетом (2) выра5кение (1) приобретает вид .

-1

YR;. (31 Го

Корнеквадратическая зависимость, выходной частоты устройства от величины преобразуемого сопротивления по.дучена благодаря наличию в цепи обратной связи устройства преобразования вида -у- , В данном случае это преобразование осуществляет преобразователь 3 периода в напряжение.

Принимая во внимание, что подставляем (3 -в выражение (21 :

4KnWVo. Vn..

(4).

Мощность, рассеиваемая на преобразуемом сопротивлении в процессе преобразования;

р .к

()

расе R,

vc-ппн

рассеиваемая мощность не изменяется во всем диапазоне переобразуемых сопротивлений, поскольку вырал е.низ (5) не зависит от R Реактивные параметры преобразуемого сопротивления не влияют на погрешность преобразования, поскольку пр преобразуемому сопротивлению протекает постоянный ток. Так как в структуре преобразователя имеется передача частотного сигнала между выходом преобразователя 2 напряжения в частоту и преобразователем 3 периода в напряжение, то легко осуществить гальVfl

R.

д1

ваническь ю развязку между токозадагощей и измерительной частями устройства, что исключает погрешность от влияния омическогб сопротивления соединительных проводов преобразуемого сопротивления. Из выражения (4I видно, что изменение напряжения на преобразуемом сопротивлении и, еледовательнр, входного сигнала всех узлов устройства в корень квадратный

0 раз меньше изменения величины самого преобразуемого сопротивления. Это означает, что изменение Rj( на 120 дБ приводит к изменению измеряемого на нем напряжения на 60 дБ, При сохра5 нении заданной точности преобразования и требований к метрологическим характеристикам узлов устройства это позволяет расширить диапазон преобразуемых сопротивлений.

R.

д2

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ В ЧАСТОТУ содержшций усилитель, к входу которого подключен первый вывод преобразуемого сопротивления, второй вывод которого подключен к общей шине устройства, выход усилптеля соединен с входом преобразователя напряжения в частоту, выход которого подключен к выходной шине устройства, отличающийся тем, что, с целью расмирения диапазона измерений, в- него введены преобразователь периода в напряжение и преобразователь напряжения в ток. причем вход преобразователя периода в напряжение подключен к выходной шине устройства, а выход преобразователя периода в -напряжение - к входу преобразователя напряжения в ток, выход которого соединен с первым выводом преобразуеСЛ мого сопротивления.

Фиг. Z

IS

tpt/t,4