Аналого-цифровой преобразователь параметров диэлькометрического датчика Советский патент 1990 года по МПК H03M1/46 

Изобретение относится к измерительной технике может быть использовано для измерения влажности, кон- центрации, соле со держания1.

Цель изобретения - повышение точ- ности и расширение диапазона преобразования.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - функциональная схема цифрового дискриминатора; на фиг. 3 - фиг. 5 - временные диаграммы работы преобразователя.

30

35

40

Преобразователь содержит диэлькометрический датчик (ДД) 1, токоог- раничивающие элементы, выполненные на резисторах 2 и 3, накопительные элементы, выполненные на конденса- ,торах 4, токоограничивающий элемент, выполненный на резисторе 5, операционный усилитель 6, нуль-орган 7, компараторы 8 и 9, аналоговый сумматор 10, инвертор 11, цифровой дискриминатор 12, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) - 13-15, реверсивный счетчик 16, блок 17 запуска, генера- тор 18 импульсов, коммутатор 19 ко- дов, одновибратор 20, RS-триггер 21, элемент И 22, вычитающий счетчик 23, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 24, компаратор 25, управляемый интегратор 26, RS-триггер 27, элемент И 28, суммирующий счетчик 29, делитель 30 частоты, осуществляющий деление на два, блок 31 выделения импуль-сп са, элемент И 32, суммирующий счетчик 33 и распределитель 34 импульсов.i

Цифровой дискриминатор 12 содержит одновибратор 35, RS-триггеры 36 и 37,

(t) Иго (1 е-тте + 2и°

органа 7 устанавливается +UHO(C U0. Одновременно 25 напряжения питания сраба 17 и импульс с его выход вает на выходах реверсив ка 16 максимальный код N тате чего на выходах ЦАП 1 ются максимальные напряж

-™мо кс13и, И U НЛП 14 п мчксчэ1 максим фициенты передачи ЦАП 1 ветствующие максимальном сивного счетчика 16. Зна бирают таким, что во вс вестном диапазоне измен R., составляющая выходно усилителя 6 от влияния ра по абсолютной величин чем сумма составляющих влияния компенсирующих р и Rot, . значения R Благодаря этому, начина 45 формирования этих компен пряжений, усилитель 6 вы сыщения и напряжение на начинает увеличиваться. нии напряжением (t) ня скачкообразно изменя ность напряжения на вых на 7 и напряжение UOV6(t этого момента времени, соответствии с выражение

U

ОУЬ

ирП1ма1«.с ТУ

RoiQoCl

(t)+

ЦрТ UottUomfcist R.1 CQ ROT GO

Uc,(t) + UR,(t) -URo,(t) - URoa(t).

одновибраторы 38 и 39, реверсивный счетчик 40 и элементы И 41-43.

Преобразователь работает следующим образом.

При включении напряжения питания выходное напряжение усилителя 6 устанавливается в одно из состояний насыщения, например, в области отрицательных напряжений -U

Нас

На выходе нуль0

5

0

п

органа 7 устанавливается напряжение +UHO(C U0. Одновременно с включением 5 напряжения питания срабатывает блок 17 и импульс с его выхода устанавливает на выходах реверсивного счетчика 16 максимальный код NwaKC, в результате чего на выходах ЦАП 13 и 14 формируются максимальные напряжения .лп , -™мо кс13и, И U НЛП 14 макси11 гДе

п мчксчэ1 максимальные коэффициенты передачи ЦАП 13 и 14, соответствующие максимальному коду реверсивного счетчика 16. Значение R выбирают таким, что во всем заранее известном диапазоне изменения значений R., составляющая выходного напряжения усилителя 6 от влияния этого параметра по абсолютной величине была меньше, чем сумма составляющих напряжений от влияния компенсирующих резисторов R01 и Rot, . значения R02 и ,WH. Благодаря этому, начиная с момента 5 формирования этих компенсирующих напряжений, усилитель 6 выходит из насыщения и напряжение на его выходе начинает увеличиваться. При достижении напряжением (t) нулевого уровня скачкообразно изменяется полярность напряжения на выходе нуль-органа 7 и напряжение UOV6(t), начиная с этого момента времени, изменяется в соответствии с выражением

(1)

Составляющая UCl(t) в выражении (1) представляет собой постоянное напряжение, не изменяющееся в зависимости от времени t. Экспоненциальная составляющая UCi(t) при t (5-6) R2C2 достигает установившегося значения и после этого тоже не является функцией времени t. Составляющие ), UR01(t) и UR))t) описываются линейнылишь

Uc, (0) О, соответствен

Uoy6(t

0)

, т.е. в вы

10

напряжении усилителя 6 возник скачок, амплитуда которого оп ется только параметром С,. За напряжение Ucvt(t) изменяется поненциальному закону и через рое время начинает убывать по лютному значению (вследствие

ми функциями времени t, причем ndpa- что крутизна составляющих URc метры R,, m t, и m

и

тизну соответственно Uom 1з

определяют кру

Uo

Г 1

UR

01

и U

-Up.1

15

01

RoaG

причем

URol больше, чем крутизна сос ющей URi) и достигает нулевог чения. При этом вновь скачком няется напряжение на выходе н органа 7 и цикл работы схемы ется в области отрицательных U,

в момент скачкообразного изменения опорного напряжения U0 при t О

I.t

2U0Gg Go

U

оу t

(t) 41)

Uc, (0) О, соответственно

Uoy6(t

0)

, т.е. в выходном

напряжении усилителя 6 возникает скачок, амплитуда которого определяется только параметром С,. Затем напряжение Ucvt(t) изменяется по экспоненциальному закону и через некоторое время начинает убывать по абсолютному значению (вследствие того,

и

a- что крутизна составляющих URc

1

15

URol больше, чем крутизна составляющей URi) и достигает нулевого значения. При этом вновь скачком изменяется напряжение на выходе нуль- органа 7 и цикл работы схемы повторяется в области отрицательных значе- U,

ний напряжения Uoyt(t), которое в этом полупериоде описывается выраже- 20 нием

UoG, U0t и„га Go

RiC,

o iHoueiat . Up IP ми не н

Roi Co

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения электрофизических свойств веществ с помощью емкостных датчиков. Изобретение позволяет повысить точность измерений и расширить диапазон измерения. Это достигается тем, что в преобразователь, содержащий диэлькометрический датчик 1, операционный усилитель 6, нуль-орган 7, аналоговый сумматор 10, счетчик 16, компараторы 8, 9, 25, одновибратор 20, цифроаналоговый преобразователь 13, генератор 18 импульсов, суммирующие счетчики 29, 33, RS - триггер 21, элементы И 22, 32, 28, блок 17 запуска и управляемый интегратор 26, введены цифровой дискриминатор 12, коммутатор кодов 19, RS - триггер 27, цифроаналоговые преобразователи 14, 15, 24, вычитающий счетчик 23, делитель напряжения 30, блок 31 выделения импульса и распределитель 34 импульсов. 5 ил.

Преобразование начинается с момента поступления сигнала Пуск на рас- пределитель 34. На первом этапе преобразования с выхода распределителя 34 подается управляющий импульс на установочные входы счетчиков 23, 29 и 33 и на первый управляющий вход коммутатора 19 кодов (КК19), при этом в счетчиках 29 и 33 устанавли

вается нулевой код, в счетчике 23 - максимальный код, а на выходе коммутатора 19 кодов устанавливается код № 1. Цифровой, дискриминатор (ЦД) 12 автоматической следящей системы компенсации составляющей R1, в состав которой входят1 усилитель 6, нуль-орган 7, компаратор 8, ЦД 12,.КК 19, реверсивный счетчик 16, ЦДЛ 13, ЦДЛ 14 и резисторы 2 и 3, начинает отрабатывать код № 1. Происходит это следующим образом. На один из входов компаратора 8 подается Uovt(t), на другой вход - опорное напряжение Uon выбираемое таким, чтобы оно не превышало UCi мин. Интервал времени от омента равенства входных напряжений компаратора 8 до момента равенства UOV{(t) 0 определяется как

UonG(

At,

(2)

U,

( 1 - El +

р V nn

1Ц К (.,

Ree

ЦЦ 12 сравнивает интервал времени dtx, (фиг. 5,а) с заданным опорным интервалом времени и Ц, формируемым с помощью кода NT и преобра5

0

5

0

зует их разность в количество импульсов .

Рассмотрим работу ЦД 12 (фиг. 2). Одновибратор (0В) 39 запускается по заднему фронту U7(t) и формирует импульс, управляющий записью кода по установочным входам счетчика 40, на которые подается код с КК 19. Одно- вибратор 35 также формирует импульс в момент равенства входных напряжений компаратора 8, устанавливающий RS-триггеры 36 и 37 в единичное состояние. Напряжение логической единицы с прямого выхода RS-триггера 37 разрешает прохождение импульсов с выхода генератора 18 через элемент И 41 на вход счетчика 40, который работает до момента обнуления. Импульс обнуления устанавливает RS-триггера 37 в состояние логического нуля , завершая тем самым формирование

5 опорного интервала времени /It, . По переднему фронту U-,(t) одновибратор 38 запускается и формирует импульс, устанавливающий RS-триггер 36 в состояние логического нуля, завершая

0 формирование интервала времени 3t, Сравнение интервалов времени, выде- ление их разности и заполнение импульсами опорной частоты генератора 18 реализуется на элементах И 42 и 43. . При малой крутизне линейно изменяющейся составляющей разность ЈtXl- - ut, выделяется и кодируется элементом И 42, а при большой - разность At, - utXl выделяется и кодируется

- v

1

5

элементом И 43. Увеличение или уменьшение выходного кода счетчика 16 приводит к увеличению или уменьшению компенсирующего выходного напряжения, ЦДЛ 13 и ЦАП 14, что соответственно у|величивает, уменьшает крутизну линей- нь изменяющейся составляющей Uoy6(t). Таким образом поддерживается постоянное значение AtXt 4t, , т.е. линей- JQ но изменяющаяся составляющая UOV6(t) постоянна и не зависит от изменения R1. Код N,, и соответствующий ему ин- 7 -1 (Т1 + TI

7 ио исм ov 4 Ь0

КК 19 по управляющему импульсу с одного из выходов распределителя 34 подключает на вход ЦД 12 код N4 с помощью которого ЦД 12 формирует опорный интервал времени fltotl дли тельностью, достаточной для того, чтобы экспоненциальная составляюща Uc7(t) достигла установившегося зн чения. Автоматическая следящая система компенсации составляющей R1 отрабатывает изменение опорного ко

рвал времени At, позволяет поддер- ж|ивать крутизну Линейно изменяющейся 15 Да Ri- ПРИ этом интеРвал времени составляющей U (t) высокий и, следо- tx, выделяемый в ЦД 12 (фиг. 36) ательно, малый период колебаний

,(t), при котором Uc-j - 0. Значит,

Jn-viufwi- v С )

при таких условиях Uov,(tj будет зависеть только от составляющей U Cl(t) I Одновременно с установкой максимального кода счетчика 23 RS-триггер 21 устанавливается в 1 и через элебудет равен U,n

Д t-оп

20

V,

N2 f.

где v, - заданная крутизна изменения;

f0 - частота генератора 18. Приравнивая в уравнении (2) dtx

f0 - частота генератора 18. Приравнивая в уравнении (2) dtx

Йент И 22 начинают поступать импульф,1 с инвертора 11 на сметчик 23. Вы- 25 ton и выделяя значение входных

родное напряжение ЦАП 24 начинает сту- кодов ДАЛ 13 и ЦАП 14 получим: .

Uo R0 dtonU0 R,UC

ш-13 . row UpnGo

пенчато уменьшаться с каждым импуль- QOM. Компаратор 9 сравнивает напряжения ЦцДП UOV4(t), при равенстве которых он срабатывает и запускает 30 сдновибратор 20, который устанавливает RS-триггер 21 в О. На счетчик 2Ъ прекращается подача импульсов и фиксируется код Nc , которому со { тветствует напряжение 11ЦДП г4 - Uc, 5

U en CpRp

R

01

Uo R0 dtonU0 R,UC

ш-13 . row UpnGo

Так как управляющие входы ЦАП 13 являются младшими, а ЦАП 14 - старшими, то выбирают R0j где m

m

макс

Oh

- f- - максимальное значение кода, an- количество разрядов ЦАП. С учетом этого получим:

RI

v.

CpRa

3 Uc

RI

,j- U Ш 13+ mt4 тм«кс- TonUT

т.е. выходной код реверсивного счетчика 16 пропорционален - .

к ,

Преобразование параметра С г элемента эквивалентной схемы датчика в код осуществляется следующими узлами: управляемым интегратором 26, аналоге- 45 суммат°Р°м 10 с линейно изменяющим- вым сумматором 10, компаратором 25, ся в противоположном направлении на- RS-триггером 27, элементом И 28, сум- пряжением, формируемым управляемым мирующим счетчиком 29, цифроаналого U о,

вым преобразователем 15, конденсатором 4 и резистором 5 и заключается в следующем. Для исключения линейно изменяющейся составляющей напряжения Uovt(t) оно суммируется аналоговым

интегратором 26 (фиг. Зв):

uit крутизна Uu(.t), (vlb) |va|.

При положительных решениях U(jyt(t) И значениях времени, когда t (5-6)

U1e(t (5-6)0 U0,t(t) + U4t(t) (2|i + |&)(Uo + ц -v,(t)+vtbt-(iS4)(Ue +UCWO) ,° , °

- 7 -1 (Т1 + TI

7 ио исм ov 4 Ь0

КК 19 по управляющему импульсу с одного из выходов распределителя 34 подключает на вход ЦД 12 код N4, с помощью которого ЦД 12 формирует опорный интервал времени fltotl длительностью, достаточной для того, чтобы экспоненциальная составляющая Uc7(t) достигла установившегося значения. Автоматическая следящая система компенсации составляющей R1 отрабатывает изменение опорного коДа Ri- ПРИ этом интеРвал времени tx, выделяемый в ЦД 12 (фиг. 36)

Да Ri- ПРИ этом интеРвал времени tx, выделяемый в ЦД 12 (фиг. 36)

будет равен U,n

Д t-оп

V,

N2 f.

где v, - заданная крутизна изменения;

f0 - частота генератора 18. Приравнивая в уравнении (2) dtx

в ДАЛ 13 и ЦАП 14

R

01

R0 dtonU0

ш-13 . row UpnGo

Так как управляющие входы ЦАП 13 являются младшими, а ЦАП 14 - старшими, то выбирают R0j где m

m

макс

Oh

- f- - максимальное значение кода, an- количество разрядов ЦАП. С учетом этого получим:

v.

CpRa

3 Uc

RI

суммат°Р°м 10 с линейно изменяющим- ся в противоположном направлении на- пряжением, формируемым управляемым

вым преобразователем 15, конденсатором 4 и резистором 5 и заключается в следующем. Для исключения линейно изменяющейся составляющей напряжения Uovt(t) оно суммируется аналоговым

суммат°Р°м 10 с линейно изм ся в противоположном направ пряжением, формируемым упра

интегратором 26 (фиг. Зв):

т«е« с установлением экспоненциальной составляющей:

CMOS

Это напряжение сравнивается с

2С

постоянным напряжением U -- v

ЦАП 24 С0

(U0 + uCMOyt) компаратором 25 со стробированием в моменты времени, когда составляющая Uc (t) достигает установившегося значения.

Поступивший со второго выхода распределителя 34 импульс напряжения устанавливает RS-триггер 27 в состоu,(t) .lЈ(i - -l

Ь„Le

ov(t) - cT

а выходное напряжение Ufo (t) сумматора 10 в установившемся состоянии

Ui.(t) ( + С0

(

2С2 2С( С0 С0

(ио

UCM „«

срабатывает компаратор 25, устанавливающий RS-триггер 27 в состояние логического О, в результате чего прекращается поступление импульсов на вход счетчика 29 и на нем фиксируется код, пропорциональный параметру Сл.

2САСо(и о + UCM ыь )

+ cMOV4/

2C01C0(U0

Ј2

C0J

. 30

При поступлении импульса напряжения с четвертого выхода распределителя 34 на блок 31, последний осуществляет выборку одного целого импульса

Т 2С,(-Ц0 н- Цсмоу, ) + и&/иоу, ) 4C,U0

X Р Ч . . | ,.„ .,, ,,,|-..

хс

C0v3

C0v,

Co(-v3) Ov} яния на результат изме

т.е. на результат измерения параметра С, напряжение смещения UCMOVb не оказывает влияния.

Интервал времени TXCi заполняется импульсами опорной частоты генерато- фа 18 элементом 32 и подсчитывается их число счетчиком 33:

N TYt.

Таким образом, повышение точности измерений достигается тем, что результат измерения параметра С., фиксируется не по одной половине периода колебания ИС одного знака (как в прототипе), а за период, когда влияние напряжения смещения, имея определенное значение одного знака в положительном полупериоде складывается, а в отрицательном - вычитается, что приводит к компенсации его влиm

54706310

яние погической 1, разрешая тем самым прохождение импульсов с инвертора 11, которые, поступая на суммирующий счетчик 29, увеличивают его - выходной код. Выходное напряжение ЦАП 15, увеличиваясь ступенями, приводит к компенсации составляющей ). Выходное напряжение Uoys(t) в области положительных значений

10

определяется выражением

t

(1-е

)J -(U0 + U

с о 94

) v3t,

I определяется выражением

)(U0 + и

см 094

),

0

5

с выхода делителя 30, т.е. длительность импульса с выхода блока 31 будет равна периоду Тхс, колебания Uoy5(t). Выходное напряжение Uoyt(t) в области положительных значений определяется соотношениями

2G,

U

ОУ6

(t)

(-и0 + ц

см cm

) +

v3t;

или

30

. . 9р

fTT

+Vc, F (. - U0

L0

-V

Ci

-|7 «.

+ и

+ ис„ ovi) V3dt См О У Ь ) V3d С2 .

35

Т

Вынося Л t и суммируя Д t, + и t хс, , получим:

- Ч . . | ,.„ .,, ,,,|-..

C0v,

Co(-v3) Ov} яния на результат измерения. Измерение параметров Сг и R2 проводится

с использованием информации о пара- метре С1, поэтому погрешность измерения параметра С1 полностью входит в погрешность измерения этих параметров. Повышая точность измерения параметра С1 достигают повышение точности измерения параметра С гРасширение диапазона соотношений параметров достигается значительным расширением диапазона компенсирующего напряжения введением дополнительного ЦАП. Диапазон изменения параметра С расширяется до значений, когда без компенсации этой составляющей Uovg(t) будет входить в насыщение из-за большого значения параметра , а введение компенсации полностью исключает эту составляющую, а следовательно,

допускается увеличение составляющей напряжения Uc (t) и соответственно диапазона измерения параметра С, .

Формула изобретения

третий токоограничивающие элементы, выполненные на резисторах, второй накопительный элемент, выполненный на конденсаторе, вычитающий счетчик, блок выделения импульса, распределитель импульсов, делитель частоты, а счетчик импульсов выполнен в виде реверсивного счетчика, причем прямой вход операционного усилителя является шиной нулевого потенциала, а выход соединен с первым входом второго компаратора, второй вход которого объединен с первым входом третьего компаратора и соединен с выходом второго цифроаналогового преобразователя, выход второго компаратора через одновибратор соединен с вторым входом третьего компаратора и R-входом первого RS-триггера, S-вход которого объединен с установочными входами первого и второго суммирующих счетчиков, вычитающего счетчика, первым входом управления коммутатора кодов и соединен с первым выходом распределителя импульсов, выход первого RS-триггера соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с тактовым входом вычитающего счетчика, выходы которого соединены с соответствующими первыми входами второго цифроаналогового преобразователя, второй вход которого является шиной опорного напряжения, третий вход третьего компаратора соединен с выходом аналогового сумматора, выход - с R-входом второго RS-триггера, S-вход которого соединен с вторым выходом распределителя импульсов, а выход - с вторым входом второго элемента И, выход которого соединен с тактовым входом второго суммирующего счетчика, выходы которого соединены с соответствующими первыми входами третьего цифроаналогового преобразователя, выход которого через последовательно соединенные второй резистор и второй конденсатор соединен с первыми выводами первого и третьего резисторов, второй вывод последнего из которых соединен с выходом четвертого цифроаналогового преобразователя, первые входы которого соединены соответственно с вторыми выходами реверсивного счетчика, вторые входы третьего и четвертого и первый вход первого цифроаналоговых преобразователей объединены, тактовые входы сложения и вычитания реверсивного счетчика соедийены соответственно с первым и вторым выходами цифрового дискриминатора, первый вход которого соединен с вы- хадом первого компаратора, второй вхо объединен с входами инвертора и делителя частоты, третий вход соединен с выходом генератора импульсов, четвертые входы соединены с соответствующими выходами коммутатора кодов, информационные входы которого являются входной цифровой шиной, второй управляющий вход соединен с третьим выходом распределителя импульсов, четвертый выход которого соединен с пер- вым входом блока выделения импульса, второй вход которого соединен с выходом делителя напряжения, а выход - с вторым входом третьего элемента И, второй вход управляемого интегратора соединен с выходом инвертора, вход распределителя импульсов является шиной пуск.

соединен с выходом второго одновибратора, входы второго и третьего одно- вибраторов объединены и являются вторым входом цифрового дискримина- тора, прямой выход первого RS-триггера соединен с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с инверсным выходом второго RS-триггера, а выход является первым выходом цифрового дискриминатора инверсный выход первого RS-триггера соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с прямым выходом второго RS-триггера, а выход является вторым выходом цифрового дискриминатора, первый вход третьего элемента И соединен с прямым выходом второго RS-триггера, второй вход третьего элемента И и третьи входы первого и второго элементов И объединены и являются третьим входом цифрового дискриминатора, выход третьего элемента И соединен с тактовым входом реверсивного счетчика, вход предварительной установки которого соединен с выходом третьего одновибратора, выход обнуления реверсивного счетчи- ка соединен с R-входом второго RS-триггера, а установочные входы реверсивного счетчика являются четвертыми входами цифрового дискрими- на тор а.

Фиг. 2

м/l

ш№

nfto П

yo8L

W

Фи.3

on

Ял

Составитель А. Титов Редактор А. Ревин Техред Л.СердюковаКорректор В. Гирняк

Заказ 85

Тираж 665

ВШИЛИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Фиг 5

Подписное