Устройство для измерения скорости изменения сигнала Советский патент 1990 года по МПК H03M1/52 

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для исследования медленно и монотонно убывающего во времени процесса, и может быть использовано в микробиологии, биохимии и медицине

Целью изобретения является повышение точности измерений скорости изменения сигнала за счет измерения временных интервалов, пропорциональных скорости изменения фиксированных относительных малых значений перепадов тока ферментного датчика.

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства} на фиг.2 - диаграммы его работы} на фиг.З - алгоритм работы вычислителя

Устройство содержит преобразователь 1 тока в напряжение, предварительный усилитель 2, аналого-цифровой преобразователь 3, цифроаналого- вый преобразователь 4, усилитель 5 относительных приращений, источник 6 опорных напряжений, двухпороговый компаратор 7, формирователь 8 импульсов, генератор 9 тактовых импульсов, счетчик 10 импульсов и вычислитель 11 .

На фиг.2 обозначены: 1 - временная зависимость преобразованного и усиленного входного сигналов , 2 - временная зависимость работы цифро- аналогового преобразователя 3 - временная зависимость работы усилителя относительных приращений 4 - временная зависимость работы формирователя импульсов.

Вычислитель 11 выполнен на микропроцессорном комплекте серии 580.

Устройство работает следующим образом.

Преобразованный сигнал с выхода преобразователя 1 тока в напряжение усиливается предварительным усилителем 2. В момент t0 по сигналу Управ.1 происходит преобразование абсолютного значения входного си нала в двоичный код на аналого-цифровом преобразователе 3. По сигналу Управ.2 этот двоичный код подаетс в вычислитель 11, где происходит определение напряжения k I0, пропорционального входному току. По команде Управ.3 происходит обнулени счетчика 10 импульсов. На цифроана- логовом преобразователе 4 выставляется напряжение U0 , близкое, но

меньше , так, чтобы разность U0 ftU была больше нуля. При этом усилитель 5 относительных приращений находится в ограничении и на его выходе присутствует небольшой отрицательный потенциал. Так как характеристика входного сигнала имеет вид монотонного убываю0 щего во времени процесса, то в момент t( напряжение k-I на выходе предварительного усилителя 2 становится равным напряжению U0, выставленному на выходе цифроаналогового преоб5 разователя 4. При дальнейшем уменьшении напряжения k-I разность становится меньше нуля. Эта разность напряжений начинает усиливаться усилителем 5 относительных приращений.

0 Напряжение на выходе усилителя 5 относительных приращений начинает линейно возрастать пропорционально скорости изменения входного сигнала При достижении этим напряжением зна5 чения UorM в момент t2 срабатывает первая половина двухпорогового компаратора 7, формируется передний фронт импульса ворот на формирователе 8 импульсов и начинается счет

0 импульсов на счетчике 10 импульсов с генератора 9 тактовых импульсов. В момент t, напряжение на выходе усилителя 5 относительных приращений достигает значения Uon2, при этом сра5 батывает вторая половина двухпорого- вого компаратора 7, формируется задний фронт импульса ворот на формирователе 8 импульсов и прекращается счет импульсов на счетчике 10 имQ пульсов. Количество насчитанных импульсов пропорционально ширине временного интервала t5-tu, который в свою очередь, пропорционален скорости изменения входного сигнала.

5 Во временном интервале t«.-t4 происходит считывание значений со счетчика 10 импульсов в вычислитель 11 и обработка полученной информации.

0

В момент t,,. на выходе цифроаналогового преобразователя 4 устанавливается нулевое напряжет при этом на выходе усилителя 5 относительных приращений устанавливается небольшой отрицательный потенциал, двухпороговый компаратор 7 возвращается в исходное состояние и заканчивается первый цикл измерений. В момент tg после того, как закончились переходные процессы в усилителе 5 относительных прирацений, по сигналу Управ.1 начинается следующий цикл измерений. Процесс измерения временных интервалов продолжается до тех пор, пока не будет найдено минимальное значение временного интервала Atwv)H.

Таким образом, процесс измерения сводится к измерению временных интервалов, пропорциональных скорости изменения фиксированного перепада входного сигнала. Величина этого перепада формируется опорными напряжениями Uor11 и U0n2 источника 6 опорных напряжений. Так как коэффициент усиления усилителя 5 относительных при- ращенк-й большой, то величине этого перепада ставится в соответствие относительно малое изменение тока ферментного датчика, при этом происхо- дит более точная выборка линейного участка с максимальной скоростью изменения входного сигнала, за счет чего повышается точность измерения и расширяется диапазон измерения.

Коэффициент преобразования измерительного тракта выбирается таким, что на выходе усилителя 5 относительных приращений изменение тока на 1 нА вызывает изменение напряжения на 4 В. При изменении скорости входного сигнала от 1 до 12 нА/с и установке разности опорных напряжений на двух- пороговом компараторе 7, равной Л. 8,19 В, длительность импульса ворот на выходе формирователя 8 импульсов изменяется в пределах 2,05-0,171 с. При заполнении шестнадцатиразрядного счетчика 10 импульсов тактовой частотой, равной 25 кГц с генератора 9 количество импульсов заполнения имульса

п,

п„

ворот

2,05 1 25 103

0,171

1

меняется в пределах:

51250;

4250.

25-103

Максимальная погрешность счета Q при ошибке счета +J импульс равна:

2 .100

1 4250

0,047%.

Точность срабатывания двухпорого- вого компаратора по каждому порогу не хуже ±2 tnV, точность установки опорных напряжений на источнике 6

опорных напряжений не хуже ±5 raV, точность установки напряжения -на выходе цифроаналогового преобразователя 4 не хуже +2,5 ш V. Определяя общую ошибку по закону сложения случайных ошибок, находим:

4 +42+10г+

S

0

5

+Pi+p4

+5 12,45 (mV),

где р - суммарная ошибка,

п ,рг ±. mV - ошибка срабаты- I нянин nBvxnoDoroBoro комвания двухпорогового компаратора 7 по первому и второму порогам; ±5 mV - ошибка .установки опорного напряжения иопг при

Uon, о;

+2,5 mV - ошибка установки напряжения на цифроаналоговом преобразователе 4. Максимальная погрешность измерения зг, обусловленная ошибкой л в интервале опорных напряжений, равна:

Рз:

12,45-10

,1.

100

8,19

0,15%.

5

0

5

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости

изменения сигнала, содержащее преобразователь тока в напряжение, выход которого соединен с входом Предварительного усилителя, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности намерения, в него введены усилитель относительных приращений, источник опорных напряжений, двухпороговый компаратор, формирователь импульсов, генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, вычислитель и цифроана- логовый преобразователь, вход которого подключен к первому выходу вычислителя, а выход - к первому входу усилителя относительных прираще- 0 ний, второй вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, а выход подключен к первому входу двухпорогового компаратора, второй и третий входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам источника опорных напряжений, первый и второй выходы двухпорогового компаратора соединены соответственно с первым и вторым вхо5

дамй формирователя импульсов, третий вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход соединен со счетным входом счетчика импульсов, вход обнуления которого соединен с вторым выходом вычислителя,

выход счетчика импульсов соеди- 1 tu

нен с первым информационным входом вычислителя, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с выходами Пуск и Считывание аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к второму информационному входу вычислителя.

Изобретение может быть использовано при измерении концентрации глюкозы в растворе за счет измерения временных интервалов, пропорциональных скорости изменения фиксированных относительных малых значений перепадов тока ферментного датчика. В устройство для измерения скорости изменения сигнала, содержащее преобразователь 1 тока в напряжение, предварительный усилитель 2, аналого-цифровой преобразователь 3, с целью повышения точности измерений, введены цифроаналоговый преобразователь 4, усилитель 5 относительных приращений, источник 6 опорных напряжений, двухпороговый компаратор 7, формирователь 8 импульсов, генератор 9 тактовых импульсов, счетчик 10 импульсов, вычислитель 11. 3 ил.

«Л v,

Ь

«4

-

Чп U

Ч

( Ночам J -j

ы

/

it.

Фш

«« Ли е

CwmuSoitttt значений с бша Ю

Вычисяше и запояаиояве Временных ант.

Шар наминал наго брененни- га антер1ало

( конец J