Аналого-цифровой преобразователь сопротивления Советский патент 1984 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к области измерения электрических величин, а именно к измерению сопротивления эле трических цепей с использованием источника измерительного напряжения, и может применяться в различных областях измерительной техники. Известен цифровой интегрирующий вольтметр с автоматической коррекцие дрейфа, содержащий входной усилитель интегратор, нуль-орган, коммутатор измеряемого и эталонного напряжений, блок управления работой коммутационных элементов, блок отсчета, цепь компенсации дрейфа смещения l. Однако данный вольтметр, использу ющийся для измерения сопротивления, имеет точность из-за влияния дрейфа напряжения смещения интегратора нуль органа и входного усилителя, а также дрейфа входного тока входного усилителя, которые не компенсируются цепью компенсации, пониженную помехоустойчивость . Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемо му результату является бескомпаратор ный аналого-цифровой преобразс. гель сопротивления, содержащий источник измерительного напряжения, формирователь эталонного напряжения, блок управления, операционный усилитель, нелинейную интегрирующую цепь, коммутатор, причем выход источника измерительного напряжения соединен с одним входным зажимом устройства и с формирователем эталонного напряжения второй-входной зажим через коммутатор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и входом нелинейной интегрирующей цепи, выход которой соединен с выходом операцион ного усилителя и входом блока управления, а второй выход источника измерительного напряжения, второй выхо формирователя эталонного напряжения и неинвертирующий вход операционного усилителя соединены с зеглляной. клеммой 12 J. Известный аналого-цифровой преобразователь может быть использован для измерения сопротивлений электрических цепей, но при этом он обладает пониженной точностью преобразования из-за наличия дрейфа напряжения смещения и входного тока операционно го усилителя, кроме того, он обладае погрешностью, зависящей от величины .измеряемого сопротивления, которое 692 войдет в интегрирующую цепь интегратора. Схема в этом случае имеет низкую помехоустойчивость, так как при измерении сопротивлений необходимо поменять местами интегрируемые сигналы, т.е. за эталонное время сначала интегрировать эталонное напряжение, а противоположное интегрирование производить измерительным сигналом. Поскольку величина измеряемого сопротивления пропорциональна длительности интервала противоположного интегрирования, не связанной с периодом помехи, помехоподавление в этом случае резко снижается. Цель изобретения - повышение точности преобразования и помехоустойчивости преобразователя. Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь сопротивления, содержащий источник измерительного напряжения, формирователь эталонного напряжения, блок управления, операционньй усилитель, нелинейную интегрирующую цепь, коммутатор, причем выход источника измерительного напряжения соединен с одним входным зажимом устройства и с формирователем эталонного напряжения, второй входной зажим через коммутатор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и входом нелинейной интегрирующей цепи, выход которой соединен с выходом операционного усилителя и входом блока управления, а вторые выходы источника измерительного напряжения, формирователя эталонного напряжения и неинвертирующий вход операционного усилителя соединены с земляной к11еммой, введены токоограничивающий элемент, ячейка памяти и помехозащитная цепь, причем вход токоограничивающего элемента соединен с входом помехозащитной цепи и с инвертирующим входом операционного усилителя, выход токоограничивающего элемента через первьй ключ коммутатора соединен с выходом формирователя эталонного напряжения, через второй ключ - с выходом операционного усилителя, через третий ключ - с входом ячейки памяти, через четвертый ключ - с выходом помехозащитной цепи, выходы ячейки памяти и помехозащитной цепи соединены с земляной клеммой, а выходы блока управления соединены с управляющими входами ключей коммутатора . Параллельно нелинейному элементу интегрирующей цепи подключен ключ коммутатора. На чертеже приведена функциональная схема устройства. Преобразователь содержит источник 1 измерительного напряжения, формирователь 2 эталонного напряжения, блок 3 управления, токоограничивающий элемент 4, ячейку памяти 5, помехозащитную цепь 6, операционный усилитель 7, конденсатор 8, нелинейный элемент 9, резистор 10, ключи коммутатора 1116, (ячейка памяти 5 состоит из резистора 17 и конденсатора 18, помехозащитная цепь 6 из конденсатора 19 и резистора 20), электрическую цепь 21 измеряемого резистора, резистор 22 токоограничителя 4, нелинейную 23 интегрирующую цепь. Источник 1 измерительного напряжения подключен одним выводом к земляной клемме, а другим - к электрической цепи 21 измеряемого сопротивления Параллельно источнику 1 измерительного напряжения включен формирователь 2 эталонного напряжения. Второй вывод электрической цепи 21 подключен через ключ 11 коммутатора к инвертирующему входу операционного усилителя 7, неинвертирующий вход которого связан с земляной клеммой. Функцию управления элементами схемы осуществляет блок управления 3. Между инвертирующим входом и выходом операционного усилиетля 7 включены три цепи, одна из которых, представляющая собой нелинейную 23 интегрирующую цепь, состоит из последовательно включенных конденсатора 8 и нелинейного элемента 9 в общую точку которых включен резистор 10. Нелинейный элемент 9 щунтирован ключом 16 коммутатора, резистор 10 вторым выводом соединен с земляной клеммой. Операционный усилитель совместно с нелинейной 23 интег

рирующей цепью выполняет функцию интегратора и нуль-органа. Токоограничивающий элемент 4 второй цепи одним выводом подключен к инвертирующему входу, а другим через ключ 13 коммутатора - к выходу операционного усилителя . Третья цепь - помехозащитная 6 - одним выводом подключена к инвертирующему входу, а другим через ключ 15 коммутатора - к вькоду операционного усилителя 7. Ячейка памяти 5 одним выводом подключена к земляной клемме, а /цугим Ч-чк я ключ 14 ком11

интегрирование эталонного напряжения, пропорционального измерительному напряжению, подаваемого с резистивного делителя формирователя 2 эталонного напряжения через ключ 12 коммутатора на вход интегратора - на резистор 22, В этом интервале ключ 12 замкнут, остальные разомкнуты. Происходит интегрирование эталонного напряжения до определенной величины в течение эталонного промежутка времени. Полярность включения нелинейного элемента 9 такова, что интегрирующий кон94мутатора к общей точке соединения токоограничивающего элемента 4 и ключа 13 коммутатора. Конденсатор 18 ячейки памяти 5 включен последовательно с резистором 17. Резистор 20 помехозащитной цепи 6 одним выводом подключен к общей точке соединения конденсатора 19 и ключа 15 коммутатора, а другим - к земляной клемме. В основу работы устройства положен принцип двухтактного интегрирования. Устройство работает циклично. Весь цикл разбит на несколько временных интервалов. В первом интервале происходит преобразование сопротивления измеряемой электрической цепи в напряжение, обратно пропорциональное величине сопротивления. В этом интервале усилитель 7 работает в качестве входного масштабного усилителя-инвертора. Ключи 11, 15, 13, 14 коммутатора замкнуты, ключ 12 разомкнут. Резистор 22 токоограничивающего элемента 4 в этом интервале работает как резистор отрицательной обратной связи. Конденсатор 18 ячейки памяти 5 заряжается выходным напряжением усилителя 7, содержащим составляющую, соответствующую величине измеряемого сопротивления, и составляющие напряжения смещения и входного тока усилителя 7 и их дрейфа. Резистор 17 ограничивает зарядный ток конденсатора 18 и дополнительно ограничивает величину напряжения помехи, запоминаемого конденсатором 18 совместно с полезным сигналом. Длительность этого интервала достаточна для устранения влияния переходных процессов на точность работы преобразователя. В следующем интервале усилитель 7 совместно с внешними цепями работает в режиме интегратора с входным резистором 22 и интегрирующим конденсатором 8. Этот интервал разбивается на два подинтервала. На первом подинтервале происходит 5 денсатор 8 в это время подключен к выходу усилителя 7 через низкое пря- мое сопротивление диода 9. Длительность эталонного промежутка времени (длительность данного подынтервала) задается блоком управления 3. По окончании времени интегрирования эталонного напряжения ключ 12 размыкается, замыкается ключ 14, остальные разомкнуты.Начинается второй подинтервал интегрирования противополож ного интегрирования напряжения конденсатора 18. Таким образом, в обоих подынтерв лах интегрирования, в которых работа ет нелинейная 23 интегрирующая цепь интегрирование происходит при отключенной входной цепи, что устраняет воздействие входных помех на интегратор и нуль-орган. Подынтервал обратного интегрирования длится до тех пор, пока напряжение на выходе усилителя 7 не достигнет величины его напряжения смещения. В этот момент диод 9 разрывает отрицательную обрат ную связь цепи интегрирующего конденсатора 8, и на выходе усилителя скачкообразно появляется напряжение высокого уровня, после чего блок управления 3 восстанавливает исходное состояние схемы, при котором усилитель 7 работает в качестве входного масштабного усилителя, преобразующего измеряемое сопротивление в напряжение. За время противоположного интегрирования блок управления 3 фор мирует код измеряемого сопротивления Нап зяжение (), до которого зарядится конденсатор 18 ячейки памяти 5 в конце интервала преобразования измеряемого сопротивления в напряже ние, определяется из выражения, )-.Лг-( М измерительное напряжение изм смо напряжение смещения операционного усилителя 7, входной ток инвертирующе го входа операционного усилителя 7j измеряемое сопротивление 21i сопротивление 22 токоограничитёльного элемента 4, являющееся в данной схеме сопротивлением обратной связи, а в схемах собираемых в последующих 69 тактах входным сопротивлением интегратора на операционном усилителе 7. Работа схемы в. момент появления сигнала нуль-органа описывается выражением-эт -л 1 .o эталонное напряжение; напряжение смещения операционного усилителя (при котором срабатывает нульорган) 15( - длительность подынтервала противоположного интегрирования напр.жения U на конденсаторе 18. Решая уравнение относительно tj получаем Из выражения (3) видно, что длительност.ь интервала противоположного интегрирования прямо пропорциональна Ry и с заданной точностью не зависит от дрейфа напряжения смещения и входного тока операционного усилителя в широком диапазоне измеряемых сопротивлений. Реализация функций входного усилителя, интегратора и нуль-органа на одном операционном усилителе совместно с другими указанными мерами позволяет в данной схеме преобразователя компенсировать влияние дрейфа напряжения смещения и входного тока всех функциональных узлов, что не достигается в схемах с раздельным исполнением. Для работы преобразователя с сигналами низкого уровня при наличии помех в измеряемых электрических цепях необходимо нелинейную интегрирующую цепь оградить от воздействия помех, так как если не принять мер, вьтрямленное диодом напряжение помехи ухудшает точность преобразования, оказывая влияние на нее во всех интервалах работы преобразователя - в интервалах преобразования измеряемого сопротивления в напряжение интегрирования и в момент срабатьшания нуль-органа. Для устранения влияния помехи в интервале преобразования измеряемого

сопротивления в напряжение нелинейная интегрирующая цепь шунтируется конденсатором 19 помехозащитной цепи 6, подключаемым ключом 15. Конденсатор 19 включен в этом интервале параллельно резистору обратной связи 22 и одновременно служит фильтровым конденсатором, уменьшающим величину напряжения помехи, запоминаемой конденсатором 18 ячейки памяти 5. Емкость конденсатора 19 определяется требуемой степенью подавления помехи для нормальной работы диода 9 нелинейной интегрирующей цепи. В остальные интервалы работы преобразователя конденсатор 19 отключен, что позволяет повысить быстродействие преобразователя при требуемом уровне подавления помех. Резистор 20 служит для .разряда конденсатора 19 при откпючеНИИ ключа 15.

Кроме того, если необходимое помехоподавление обеспечивается величино емкости интегрирующего конденсатора (при сниженных требованиях к быстродействию схемы) схема помехоподавления может быть упрощена за счет шунтирования нелинейного элемента ключо 16, что устраняет выпрямление напряжения помехи в интегрирующей цепи, оказывающее влияние на точность преобразователя. При этом появляется возможность отказаться от цепи, содержащей конденсатор 19, ключ 15 и резистор 20. Резистор 10, подгружая диод 9, улучшает линейность преобразователя, атакже разряжает конденсатор 8 при закрытии нелинейного элемента 9. Влияние помехи в остальные интервалы работы схемы (интегрирование и срабатывание нуль-органа) устраняется отключением измеряемой цепи - источника помехи. При этом входным сигналом интегратора ,становится напряжение конденсатора 18 ячейки памяти 5, свободное от переменной составляющей помехи.

Поскольку в предлагаемом преобразователе один и тот же резистор 22 является во входном усилителе резистором отрицательной обратной связи, определяющим величину напряжения дрейфа и величину входного сигнала, запоминаемым на конденсаторе 18, и входным резистором интегратора, на которьл подается напряжение с конденсатора 18 в интервале противоположного интегрирования, входной ток и напряжение смещения являются одинаковыми для входного усилителя, интегратора и нуль-органаi так как они выполнены на одном и том же усилителе, происходит компенса1щя дрейфа входного тока и напряжения смещения усилителя в широком диапазоне измеряемых сопротивлений, в результате совмещения нескольких функций в одном усилителе повьппается экономичность схемы.

Таким образом, предлагаемый аналого-цифровой преобразователь сопротивления обладает повышейными точное тью, помехоустойчивостью и экономичностью.

1. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОПВОТИВЛЕНИЯ, содержащий источник измерительного напряжения, формирователь эталонного напряжения, блок управления, операционный усилитель, нелинейную интегрирующую цепь, коммутатор, причем выход источника измерительного напряжения соединен с одним входным зажимом устройства и с формирователем эталонного напря,жения, второй входной зажим через коммутатор соединен с инвертирукмцим входом операционного усилителя и входом нелинейцой интегрирующей цепи, выход которой соединен с выходом операционного усилителя и входом блока управления, а второй выход источника измерительного напряжения, второй выход формирователя эталонного напряжения и неинвертирующий вход операционного усилителя соединены с земляной клеммой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и помехозащищенности, в него введены токоограничивающий элемент, ячейки памяти и помехозащитная цепь, причем вход токоограничивающего элемента соединен с входом помехозащитной цепи и с инвертирующим входом операционного усилителя, Ьыход токоограничивающего элемента через первый ключ коммутатора соединен с выходом формирователя эталонного напряжения, через второй ключ с выходом операционного усилителя, через третий ключ - с входом ячейки памяти, через четвертый ключ - с выходом помехозащитной цепи, выходы ячейки г памяти и помехозащитной цепи соединены с земляной клеммой, а вьпсоды блока 00 управления соединены с управляющими со э входами ключей коммутатора. 2. Преобразователь по п.1, о т л и чающийся тем, что параллельно нелинейному элементу интегрирующей цепи подключен ключ коммутатора.