Потенциометр Советский патент 1990 года по МПК G01R17/20 

сд

СО СО

OS

as ос

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для построения схем прецизионных потенциометров, калибраторов напряжения, особенно портативных, и в цифроаналоговых преобразователях и других устройствах в качестве формирователя напряжения.

Цель изобретения - повышение точ- ности измерения и уменьшение габаритов за счет исключения перераспределения токов при перемещении подвижного контакта и отсутствия бросков напряжения, а также за счет уменьшения ко- личества прецизионных резисторов и применения стабилизаторов тока.

На чертеже представлена принципиальная схема двухразрядного потенциометра

Потенциометр состоит из декады 1 с наложением токов, состоящей из ряда последовательно соединенных декадных резисторов 2-11 с рядом декадных переключателей 12,13 (по одному на каждый разряд), содержащих неподвижные кон- такты и 25-35 соответственно декады 12 и 13, нечетные из которых 1, 16, 18, 20, 22, 2k - декады 12 и 25, 2/,24,31,33,35 декады 13, соединены с соответствующими выводами декадных резисторов 2-11, источника 36 питания источника 37 опорного напряжения, по одному на каждый декадный переключатель 12-13 операционному усилителю 38 39 с полевым транзистором АО, 41 и опорным резистором 42,43 ряда стабилитронов , каждый из которых включен между соответствующим четным 15,17...23 (в декаде 12), 2б,28...34 (в декаде 13) неподвижным контактом соответствующего декадного переключателя 12, 13 и соответствующим выводом ряда декадных резисторов 2-11. Полярность включения каждого стабилитрона должна быть такой, чтобы при установке подвижного контакта соответствующе го декадного переключателя на неподвижный контакт, соединенный со стабилитроном, по стабилитрону протекал ток в направлении, в котором стабилитрон стабилизирует напряжение.

Первые выводы всех опорных резисторов соединены с одним полюсом источника питания (плюсом). Второй вывод каждого опорного резистора соединен с истоком соответствующего полевого транзистора (резистор 42 - с истоком i полевого транзистора 40, резистор П с истоком полевого транзистора 41) и

о

,

j 5

55 0

,0

5

40

с инвертирующим входом соответствующего операционного усилителя (резистор

42- с входом усилителя 38, резистор

43- с входом усилителя 39) Выводы питания операционных усилителей 38,39 соединены с соответствующими полюсами источника 36 питания. Сток каждого полевого транзистора 40 и 41 соединен с подвижным контактом 25, 26 соответственно переключателя 12 и 13. Затвор каждого полевого транзистора 40 и 41 соединен с выходом соответствующего операционного усилителя 38,39- Выходное компенсационное напряжение снимается с крайних выводов (соединенных

с контактами 1 и 24) последовательно соединенных декадных резисторов 2-11, один из которых (соединенный с контактом соединен со средним выводом источника 36 питания. Источник 37 опорного напряжения одним полюсом (минусом) соединен с клеммой соединения всех опорных резисторов 42 и 43, а вторым полюсом (плюсом) - с неинвертирующим входом операционного усилителя 39, соответствующего старшему разряду. Неинвертирующий вход каждого операционного усилителя 38 и 39, кроме операционного усилителя старшего разряда 39, соединен с втор ым выводом опорного резистора 43 старшего разряда.

Потенциометр работает следующим ,разом.

Напряжение от источника 37 опорного напряжения приложено между одним выводом (минусом) источника 36 питания, соединенным с первым выводом опорных резисторов 42 и 43, и неинвертирующим входом операционного усилителя 39 старшего разряда. Выходное напряжение операционного усилителя 39, управляя через затвор полевым транзистором 41, стремится сделать потенциал инвертирующего входа равным потенциалу неинвертирующего входа (точность установки потенциала инвертирующего входа зависит от качества используемого операционного усилителя-коэффициента усиления, напряжения смещения;. Ток истока полевого транзистора 41 в этом случае (если пренебречь входным током операционного усилителя 39) будет равен отношению напряжения источника 37 опорного напряжения к сопротивлению опорного резистора 43. На сток полевого транзистора 41 ток поступает от среднего вывода источника 36 питания через часть декадных резне

торов 2-11, которые включены между средним выводом источника 36 питания и неподвижным контактом декадного переключателя 13, на котором в конкретный момент времени установлен его подвижный контакт. От прохождения тока по декадным резисторам 2-11 образуется падение напряжения, которое снимается с крайних выводов, соединенных с контактами и 2, последовательно соединенных декадных резисторов 2411. Это напряжение численно равно произведению проходящего тока на суммарное сопротивление включенной части резисторов 2-11. А так как ток стока практически равен току истока, то образованное на выходе потенциометра напряжение можно определить как произведение напряжения источника 37 опорног напряжения на отношение сопротивления опорного резистора 43 к сопротивлению части включенных резисторов 2-11. Аналогично работает младший разряд, включающий в себя операционный усилитель 38, полевой транзистор 40, опорный резистор 42, декадный переключатель 12. Источником опорного напряжения младшего разряда служит напряжение, снимаемое с опорного резистора 43 старшего разряда. При одновременной работе обоих разрядов выходное напряжение потенциометра равно сумме напряжений, образованных прохождением токов всех разрядов.

Когда подвижный контакт старшего разряда-переключателя 13 установлен на неподвижный контакт 35, а подвиж- ный контакт младшего-разряда-переключателя 12 при переключении замыкает одновременно контакты 23 и 2k, стабилитрон 48 оказывается включенным параллельно резистору 11, напряжение на котором всегда меньше напряжения стабилитрона 48 (номинальное напряжение одной ступени старшего разряда всегда не превышает 1 В, а напряжение стабилизации у стабилитронов обычно значительно больше). Поэтому стабилитрон 48 закрыт (не проводит ток) и не ока- зывает шунтирующего действия на резистор 11, вызывающего изменение выходного напряжения, соизмеримое со ступенью переключаемой декады (разряда). Выходное напряжение з этот момент такое же, как в момент, когда подвижный контакт декадного переключателя 12 соединен только с неподвижным контактом 24. Что касается погрешности, эноси

39668

мой

10

15

2025

50се 30

35

40

45

в этот переходной момент стабилитроном (шунтированием током закрытого стабилитрона), то ее рассматривать как влияющую на результат измерения не следует, так как отсчет при измерении производят после окончания переключения. Если бросок напряжения от шунтирования стабилитроном декадного резистора составит даже 10Ј от ступени переключаемой декады, то это приемлемо во всех случаях. Когда подвижный контакт декадного переключателя 12 установится на неподвижном контакте 23, то резистор 11 перестанет шунтировать стабилитрон 48 и напряжение на стабилитроне от прохождения по нему тока стока полевого транзистора 40 станет равным напряжению стабилизации этого стабилитрона. Выходное напряжение потенциометра при этом будет меньше на одну ступень декадного переключателя 12, чем в предыдущем положении подвижного контакта (на контакте 24). Если теперь при дальнейшем переключении подвижный контакт переключателя 12 замыкает одновременно контакты 23 и 22, то стабилитрон 48 при этом оказывается включенным параплельно декадному резистору 10, но в направлении, противоположном режиму стабилизации стабилитрона 48,- Поэтому стабилитрон не проводит ток, не оказывает шунтирования резистору Ю и выходное н пряжение потенциометра соответствует напряжению при положении подвижного контакта на неподвижном контакте 22.

Аналогично работает потенциометр при перемещении подвижного контакта любого декадного переключателя при любом положении непереключаемых в этот момент декадных переключателей. Следовательно, при любом переключении декадных переключателей потенциометра на одну ступень выходное напряжение будет изменяться скачком, равным одной ступени переключаемого переключателя. Рабочий ток каждого разряда не ад висит от положения какого-либо декадного переключателя и от качества контактов в декадных переключателях (переходного сопротивления и термоконтактной ЭДС), а зависит лишь от напряжения источника опорного напряжения, сопротивления опорного резистора и качества операционного усилителя (напряжения смещения, входного тока). Поэтому в потенциометре отсутствует методическая погрешность, вызванная

2

перераспределением токов (как в прототипе) при перемещении подвижного контакта и отсутствуют броски напряжения, превышающие напряжение ступени переключаемого разряда. Исключение методической погрешности повышает точность потенциометра, а устранение бросков напряжения позволяет производить измерение вариации проверяемых приборов (милливольтметров, автоматических потенциометров) при использовании компенсационного напряжения потенциометра в качестве источника калиброванных напряжений, когда требу- ется плавным (или с заданной дискретностью) изменением калиброванного напряжения подводить стрелку поверяемого прибора к оцифрованной отметке справа и- слева. В прототипе при выполнении этой операции броски напряжения, заключающиеся в уменьшении выходного напряжения в момент переключения, практически дают всегда подвод стрелки к оцифрованной отметке только2 слева, т.к. выбросы напряжения направлены в сторону уменьшения напряжения и не плавно, что приводит к ложному измерению вариации, т.е. к погрешности измерения вариации. Кроме того, OT-J сутствие бросков напряжения при измерении в момент уравновешивания повышает точность отсчета по нулевому прибору и быстродействие измерения, исключается также опасность повреждения нулевого прибора перегрузкой от бросков.

Выходное напряжение потенциометра снимается с крайних выводов декадных резисторов, а термоЭДС в контактах декадных переключателей совершенно не влияет на результат измерения (в прототипе такое влияние имеется), т.е. не вызывает погрешности, следователь3

но, повышает точность по сравнению с прототипом.

Уменьшение габаритов потенциометра достигается, во-первых, за счет того, что по методу наложения токов выполнены все разряды (т.е. за счет уменьшения количества прецизионных резисторов), включая старшие (в прототипе сделать это нельзя из-за методической погрешности и бросков напряжения) , во-вторых, за счет значитель- ного уменьшения габаритов декадных пе реключателей, которое стало возможным благодаря исключению практически всех требований к качеству переходных контактов переключателей (к переходному сопротивлению, вариации его и к термоконтактным ЭДС) путем применения стабилизаторов тока.

Формула изобр

е т е н и я

5

0

5

Потенциометр, содержащий декаду с наложением токов, состоящую из ряда последовательно соединенных декадных резисторов с рядом декадных переключателей, неподвижные контакты каждого из которых соединены с соответствующими выводами декадных резисторов, источник опорного напряжения, источник питания, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов и повышения точности, .в него введены по одному операционному усилителю с полевым транзистором и опорным резистором на каждый декадный переключатель, ряд стабилитронов, каждый из которых включен между соответствующим четным неподвижным контактом соответствующего декадного переключателя и соответствующим выводом ряда декадных резисторов, при этом первые выводы всех опорных резисторов соединены с одним полюсом источника питания, второй вывод каждого опорного резистора соединен с истоком соответствующего полевого транзистора и с инвертирующим входом соответствующего операционного усилителя, выводы питания операционных усилителей соединены с соответствующими полюсами источника питания, сток каждого полевого транзистора соединен с подвижным контактом соответствующего декадного переключате- , ля, затвор каждого полевого транзистора соединен с выходом соответствующего операционного усилителя, источник опорного напряжения одним полюсом соединен с первыми выводами всех опорных резисторов, а вторым полюсом - с неинвертирующим входом операционного усилителя, соответствующего старшему

разряду, неинвертирующий вход каждо- i

го последующего операционного усилителя соединен с вторым выводом опорного резистора старшего разряда, причем клеммы выходного компенсационного напряжения соединены с-крайними выводами последовательно соединенных декадных резисторов соответственно, один из которых соединен с вторым выводом t источника питания или со средним его выводом.

Изобретение может быть использовано для построения схем прецизионных потенциометров, калибраторов напряжения, в цифроаналоговых преобразователях в качестве формирователя напряжения. Цель изобретения - повышение точности измерения и уменьшение габаритов - достигается введением в потенциометр на каждый декадный переключатель 12,13 операционного усилителя 38,39 с полевым транзистором 40,41 и опорного резистора 42,43 соответственно и ряда стабилитронов. В потенциометре имеется также декада с положением токов, состоящая из ряда декадных резисторов и ряда декадных переключателей 12,13, источник 37 опорного напряжения и источник 36 питания. 1 ил.