Многоканальный аналого-цифровой преобразователь малых постоянных сигналов Советский патент 1988 года по МПК H03M1/52 

оо

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Изобретение позволяет повьк:ить точность преобра зования малых постоянных сигналов в цифровой код при изменении параметров измерительной цепи. Повьшение точности получено за счет введения в каждьй канал преобразования резисторов 6,9,10 и ключей 7 переключателя 4 и проведения двух дополнительных измерений по каждому каналу при запрограммированном изменении параметров измерительной цепи на образцовую величину введенных резисторов с последующим вычислением коэффициентов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. IQ (Л

Фиг./

113

Изобретение относится к электроизмерительной технике.

Целью изобретения является повышение точности преобразования.

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого преобразователя на фиг.2 - функциональная схема преобразователя амплитуды одиночного импульса в код; на фиг.З - временные диаграммы работы преобразователя амплитуды одиночного импульса в код. Многоканальный аналого-цифровой преобразователь малых постоянных сигналов (фиг.1) содержит трехобмоточные импульсные трансформаторы 1, ключи 2, источники 3 преобразуемых сигналов, блок 4 управления, управляющие трансформаторы 5, токоограничивающие элементы 6, выполненные на резисто- pax, ключи 7, преобразователь 8 амплитуды одиночных импульсов в код, токоограничивающие элементы 9 и 10, выполненные на резисторах, переключатель 11, источники 12 смещения, токоограпичивающие элементы 13, выполненные на резисторах, и ключи 14. Преобразователь амплитуды одиночных импульсов в код (фиг.2) содержит операционный усилитель 15, источник 16 тока, токоограничивагацие элементы 17-19, выполненные на резисторах, усилительный элемент 20, выполненный на транзисторе, ключ 21, генератор 22 импульсов, счетчик 23 импульсов, диодньпЧ выпрямитель 24 и накопительный элемент 25, выполненный на конденсаторе.

Па временной диаграмме (фиг.З) обозначены: Ugj,- напряжение на пря- мом входе операционного усилителя 15 Uc - напряжение на конденсаторе 25 Btiic напряжение на выходе транзистора 20j Ny - код на выходах счетчика 23..

В исходном состоянии ключи 2 от-, крыты, ключи 7 замкнуты, переклю - чагель 11 замкнут на резистор 9, Поскольку функционирование всех каналов одинаковое, рассмотрим работу i-ro канала о Суммарный поток магнит- ной индукции в сердечнике импульсного трансформатора 1 определяется сигналом источников 1 и 12. По первично обмотке импульсного трансформатора 1 протекает ток

I; к,/г,.

02

где Ej - напряжение датчика;

г ,r. +г L - сопротивление

измерительной цепи, определяемое внутренним сопротивлением источника 3 Го, сопротивлением линии связи г, сопротивлением г ключа 2 в открытом состоянии и сопротивлением г L первичной обмотки трансформатора 1. Сопротивление замкнутого ключа 7

на 3-6 порядков меньше г; и поэтому

его можно не учитьгеать. По третьей обмотке импульсного трансформатора

протекает ток

ICM, Е,/Г,; ,

где Е, - напряжение источника 12

V ЛЧ

смещения, величина которого составляет несколько вольт,

г j. . - сопротивление цепи смещения в i-M канале, определяемое величиной резистора 13„

Подстройкой резисторов 13 можно получить одинаковую величину тока I см ECM/I CM во всех каналах. В этом исходном состоянии происходит накопление энергии в индуктивности импульсного трансформатора 1. При коэффициенте связ« К 1 между обмотками трансформатора накопленная энергия определяется величиной суммарного тока,

1о см Е;/г,,„/г,„.

По сигналу блока 4 ключи 2 и 14 закрьгеаются. Начинается процесс рассеяния энергии, накопленной в индуктивности импульсного трансформатора 1с При коэффициенте связи К 1 эквивалентная схема импульсного трансформатора на данном этапе преобразования может быть представлена индуктивностью L с сопротивлением обмотки г емкостью С, зашунтированными сопро-, тивлением R, резистора 9, Сопротивление ключей 2 и 14 в закрытом состоянии на несколько порядков больше R, сопротивления р ПГ/сТ поэтому влинием сопротивления закрытых ключей к остальных параметров на процесс ассеяния энергии можно пренебречь. В процессе рассеяния энергии на имульсном трансформаторе формируется игнал, амплитуда которого намного

превьппает напряжение датчика и пропорциональна производной потокосцеп- ления импульсного трансформатора U.

./ofto j

в общем случае влияние С приводит к тому, что характер переходного процесса может быть как колебательным, так и апериодическим, а амплитуда сигнала имеет максимальное значение Q не в момент коммутации , а через t после закрывания ключей 2 и 14. При колебательном характере переходного процесса

N.

г,(F.-RI Pi+Ri

Е -- .

U;

cJWdt Ipe

где ( г /2Ь-И/2К С,и) ш„- (,/ЬС, К f.(,.)/

Однако в процессе работы устройства под действием внешних факторов (например, температуры) изменяются сопротивления г,- и р- и, следовательно, изменяется коэффициент преобразования устройства (чувствитель- . ность).

Для коррекции чувствительности преобразования в каждом канале про-(/ () изводятся два дополнительных измерения сразу за измерением U,-(t) с той целью, чтобы значение Е не изменялось за время коррекции. Первым определяется значение р. , для чего переключатель замыкается на резистор 10 с сопротивлением R. При этом код на выходе преобразователя 8

20

/ Vl-(.-p./2R,), - t -arctg(KU; /в( -г.)/(К+

Ц)

+rj ш/о/) .

Через время t после коммутации ключей 2 и 14 амплитуда сигнала максимальна и равна:

U;(tJ

P

.e

,

i Данное выражение с достаточно высокой точностью аппроксимируется выражением

U,(tJ I CfllR,) I,f.R,/(pi + PfRt

R,)

p.-bR/

(2)

Аналогичное выражение получается и при апериодическом характере переходного процесса.

Амплитуда сигнала Uj(tj) преобразуется преобразователем 8 в цифровой код

N,- FU-(tJ

P. R,

../7: .R/

CM

где F - коэффициент преобразования

напряжения в код. При постоянных параметрах измерительной цепи цифровой код однозначна связан с измеряемым

N.

F.-RI Pi+Ri

Е -- .

20

N.

Есм, Е;. P;R. см г/

Блок 4 по результатам измерений N- и N . определяет коэффициент d,.

d.

N,- N.;

PiR,+R,R,

P, R,,R/

35

после чего вычисляется значение f.:

R,R iCJ-1) R,-rfRa

РГ

40

При определении значения г переключатель 11 по сигналу блока 4 вновь замыкается на резистор 9, а ключ 7 размыкается, при этом измерительная цепь увеличивает свое сопротивление на этапе накопления энергии в индук тивности на величину сопротивления Гд резистора 6, после чего производится измерение ):

N,:

F-U,,(tJ .F(),,

см

P. +R/

Блок 4 определяет коэффициент Ъ по формуле

. .,, -F

ЕСЛ, Г;К

P. N.

г .+r.

P;+R,

513817

после чего вычисляется значение

faj

По результатам вычисления р и Г| блок 4 определяет значения корректирующих коэффициентов:

Г;

А;

P;R.

P,+Ri

г

R - -г с

f -

- См

которые используются далее для определения Е ;:

F М А -R

. ; и ; А . в . .

Алгоритм программы работы блока 4 представляет собой следующую последовательность действий:

вьщача сигналов на установку ключей 2 и 14 и переключателя 11 в ис- ходное состояние;

задержка на время переключенияj

сброс преобразователя 8

ввод номера выбранного канала (i)

вьщача управляющего сигнала на размыкание ключей 2 и 14 выбранного канала-,

задержка на вермя преобразования амплитуды сигнала U,-(t) в код N.;

пересылка кода N из преобразова- теля 8 в блок 4 j

сброс преобразователя 8;

установка ключей 2 и 14 в исходно состояние

выдача управляющего сигнала на пе реключение переключателя 11 с резистора 9 на резистор 10j

задержка на время переключенияj

выдача управляницего сигнала на размыкание ключей .2 и 14;

задержка на время преобразования амплитуды сигнала U,,-(t) в код-,

пересыпка кода N из преобразователя 8 в блок 4;

сброс преобразователя

установка ключей 2 и 14 и переключателя 11 в исходное состояниеj

выдача сигнала на размыкание ключа 7;

задержка на время переключения|

вьщача сигнала на размыкание ключей 2 и 14 j

задержка на время преобразователе амплитуды сигнала ) в код Ni,-j

5

10

5

20

5

30

5

0

5

д

5

106

пересылка кода N. из преобразователя 8 в блок 4 i

вьтисление значения E.J

вывод значения Е . на цифровой индикатор J

переход к вьтолнению первого действия .

Преобразователь 8 представляет собой пиковый детектор, собранный на операционном усилителе 15 и диодном выпрямителе 24, который заряжает конденсатор 25 до амплитудного значения вьщеленной полуволны преобразуемого напряжения о Преобразование пикового значения напряжения во временной интервал (фиг.З) осуществляется путем разряда конденсатора 25 стабильным током от источника 16 и фиксацией посредством обратной связи операционного усилителя 15 момента прохождения линейно уменьшающегося напряжения на конденсаторе 25 через нуль.Дальней- : шее преобразование t в цифровой код NX осуществляется с помощью АЦП время - код, содержащего генератор 22, ключ 21 и счетчик 23,

Транзистор 20 с резисторами 17, 18 и 19 является формирователем временного интервала

Блок 4 управления может быть выполнен на микропроцессоре К 580.

Формула изобретения

1„ Многоканальный аналого-цифровой преобразователь малых постоянных сигналов, содержащий блок управления, преобразователь амплитуды одиночных импульсов в код, источник смещения, п каналов преобразования, каждый из которых вьтолнен на источнике преобразуемого напряжения, первом и втором ключах, первом токоограничиваю- щем элементе, вьшолненном на резисторе, трехобмоточном импульсном трансформаторе, первый вывод первичной обмотки которого соединен с первым выходом источника преобразуемого напряжения, второй выход которого-Соединен с входом первого ключа, вторичные обмотки трехобмоточнык импульсных трансформаторов п каналов преобразования соединены последовательно, второй вывод вторичной обмотки трехоб- моточного импульсного трансформатора первого канала преобразования соединен с информационным входом преобразователя амплитуды одиночных импульсов в кдд, второй вывод вторичной

обмотки трехобмоточного импульсного трансформатора п-го канала преобразования является общей шиной, первый вьшод третьей обмотки трехобмоточного импульсного трансформатора соединен с входом второго ключа, вторые вьгоо- ды третьих обмоток трехобмоточных импульсных трансформаторов п каналов преобразования объединены и соедине- первым выходом источника смещения, второй выход которого через соответствующий первый резистор i-ro канала преобразования соединен с выходом второго ключа данного канала преобразования, отличающий- с я тем, что, с целью повьппения точности преобразования, в него введены второй и третий токоограничивающие элементы, вьтолненные на резисторах, переключатель, а в каждый канал преобразования введены четвертый токоог- раничивающий элемент, выполненный на резисторе, третий ключ и управляющий трансформатор, первичная обмотка управляющего трансформатора i-ro канала преобразования подключена к i-м управляющим выходам первой группы выходов блока управления, вторичная обмотка - к управляющим входам пер- вого ключа данного канала преобразования, выход которого через параллельно соединенные четвертый резистор и третий ключ соединен с вторым выводом первичной обмотки трехобмоточного импульсного трансформатора, управля ющий вход второго ключа i-ro канала преобразования соединен с i-м управляющим выходом второй группы выходов блока управления, управляющий вход третье- го ключа i-ro канала преобразования соединен соответственно с i-м управляющим выходом третьей группы выходов блока управления, первый управляющий выход которого соединен с управляющим входам переключателя, первьй и второй входы которого соответственно через второй и третий резисторы соединены с общей щиной, а выход соединен с информационным входом преобразователя амплитуды одиночного импуль-

5 Q -

5

са в код, управляющий вход которого соединен с вторым управляющим входом блока управления, выходы соединены с соответствующими информационными входами блока управления„

OfnSjioHatt,l

Их

22

Фиг. 2