Цифровой измерительный мост Советский патент 1991 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к электроизмерениям и может найти применение, в частности, в цифровых тензометрических измерителях силы и давления, в цифровых термометрах, фотометрах.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет возможности цифрового преобразования с коррекцией нелинейности характеристик элементов измерительного моста, повышения разрешающей способности и уменьшения погрешности дискретности преобразователя.

На чертеже представлена функциональная электрическая схема цифрового измерительного моста.

Мост содержит измерительный рези- стивный мост 1, к одной из вершин измерительной диагонали которого подсоединен неинвертирующий вход усилительного блока 2, выход которого соединен с выводом делителя 3 напряжения а между выходом делителя 3 и инвертирующим входом усилительного блока 2 включены масштабирующие резисторы 4 () и 5 (Rs) при этом между выходом делителя 3 и средним выводом резисторов 4 и 5 подсоединены последовательно соединенные умножающие цифроаналоговые преобразователи 6 и 7. к измерительной диагонали моста 1 подсоединен компаратор 8 напряжений, выходы регистра счетчика 9 импульсов соединены с цифровыми входами преобразователей 6 и 7, а счетный вход счетчика 9 соединен с выходом блока 10 управления и синхронизации.

О

ел о о ю

Измерительный мост 1 состоит из четырех резисторов 11-14 (Rn-Ri4), часть из которых или все могут быть активными, т.е. изменять свое сопротивление под действием некоторой физической величины.

Усилительный блок 2 реализован на операционном усилителе 15 и резисторе 16 обратной связи.

Делитель 3 напряжения выполнен на резисторах 17 (Riy) и 18 (Ria). Умножающие цифроаналоговые преобразователи б и 7 выполнены на базе кодоуправляемых рези- стивных матриц 19 и 20 с суммирующими усилителями 21 и 22 соответственно. Существенно, что резисторы 23 и 24 могут вхо- дить в состав матриц 19 и 20.

К диагонали питания измерительного моста 1 подключен источник 25 опорного напряжения.

Счетчик 9 имеет установочный вход, на который подается сигнал Сброс.

Блок 10 управления и синхронизации представляет собой по сути генератор тактовых импульсов и цифровой ключ, управляемый сигналом компаратора 8. Высокий уровень на выходе компаратора 8 разрешает прохождение импульсов на счетный вход счетчика 9.

Мост работает следующим образом.

Для работоспособности моста необхо- димо резисторы с положительным приращением сопротивления включать на место резисторов 11 и 14, а резисторы с отрицательным приращением сопротивлений - на место резисторов 12 и 13.

В исходном состоянии измерительный мост 1 разбалансирован за счет действия внешних измеряемых физических величин. На установочном входе счетчика 9 действует сигнал Сброс, а на выходе счетчика 9 установлен нулевой код. Сигнал разбаланса измерительного моста 1, действующий на входе компаратора 8, устанавливает на его выходе высокий (положительный) уровень, который запускает блок 10. Блок 10 начина- ет вырабатывать тактовые импульсы, поступающие на счетный вход счетчика 9.

Как только перестает действовать сигнал Сброс, начинается процесс счета. В выходные регистры счетчика 9 поступают нарастающие цифровые коды, управляющие коэффициентом передачи преобразователей 6 и 7. Одновременно эти коды поступают на выход устройства. При этом, эквивалентное сопротивление R3 между входом усилительного блока 2 и общей шиной уменьшается (соответственно проводимость возрастает), чем и достигается балансировка моста. В момент баланса измерительного моста 1,полярность напряжения на выходе компаратора 8 меняется скачком на противоположную. Блок 10 перестает пропускать тактовые импульсы на вход счетчика 9. и в его выходных регистрах устанавливается устойчивое значение цифрового кода, однозначно связанное со значением относительного изменения сопротивлений резисторов измерительного моста.

Уравнение баланса измерительного моста 1 имеет вид

Сэ Ri2 Rii/Ri3.(1)

гдеСэ 1/Ra эквивалентная проводимость между неинвертирующим входом операционного усилителя 15 и общей шиной устройства.

Важное практическое значение имеют следующие случаи.

R4 - . При этом, выражение для эквивалентной проводимости приобретает вид

G -М - В ° V 1

Э(

где Q - числовой эквивалент цифрового кода счетчика 9;

R5 Rl8

(2)

В

А

R5 R18 + R5-R17 + Rl7 Rl8 Rl7 Rl8

Rs-Ria + Rs-Ri7 + Выражение (2) получено в предположении, что входное сопротивление преобразователя 6 значительно превышает сопротивление резисторов 3, 17 и 18. Если это условие не выполняется, то необходимо учитывать параллельное соединение входного сопротивления преобразователя 6 и резистора 18.

При имеем

Сэ mQ(1 +Rie/R4).„

Ru 1 -mQ2-(Ri6/R4) где m - коэффициент передачи делителя 3.

Как видно из формул (1) и (3), в случае если измерительный резистор (например, резистор 11) имеет собственную нелинейность характеристики преобразования, то выбором соответствующих значений сопротивлений 4, 5, 16-18 можно в значительной мере скомпенсировать эту нелинейность и получить линеаризованную зависимость выходного кода от измеряемой физической величины. В частности, с помощью данного измерительного моста можно осуществить компенсацию нелинейности платинового термометра сопротивления.

По принципу действия преобразователь 6 должен инвертировать знак входного напряжения. Преобразователь 7 может быть применен как с инверсией, так и без инверсии знака входного напряжения. Выбор того или иного преобразователя 7 будет

определять знак коэффициентов перед членами высших порядков в формулах (2) и (3). Приращение выходного кода, соответствующее малому относительному приращению сопротивлений измерительных резисторов моста даже при использовании стандартного двоим но го умножающего циф- роаналогового преобразователя может быть сделано как угодно большим (не превышающим, естественно, максимального кода преобразователя), что достигается соответствующим выбором коэффициента деления делителя напряжения.

Формула изобретения Цифровой измерительный мост, содержащий пэрг, ;й умножающий цифроанало- гпоыи преобразователь, цифройue управляющие БХ-;ДЫ которого подключены к выходам сие :икэ и пульг,ов и япляютсч выходом мс.тэ. -чомплргмор напряжений, пер вый в л о г, которого соединен с общиг« выеодо последовательно соединенных пеового и второго измерительных резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с первым выводом источника опорного напряжения, второй вывод которого соединен с общей шиной и выходом первого умножающего цифроэнзлоговско преобразователя, г о и этсм выход компаратора напряжений соединен с входом управления блока упр,вл :ния и синхронизации. выход которого соединен с входом сметчика импульсов, отличающийся тем, что, с

целью повышения точности измерения. ;, него введены последовательно соединен ные третий и четвертый измеритель е ре з и с т о р ы, усилительный блок, второй

умножающий цифроанялогопый гоеоГфазп- ватель, два последовательно соединенных масштабирующих резистора и делитель напряжения, причом общий вывод соединения третьего и четвертого измерительных резисторов подключен к второму входу компаратора напряжений вторые выводы этих резисторов соединены соответственно с первым и вторым выводами источник т опорного напряжения, первый вход употел.ноге блока соединен с первым входам омпараторэ напряжений, второй вход си- лительного блока соединен с вторым выво дом первого масштабирующего резистора 1 его выход соединен с первым входом делителя напряжения, второй Е)ХОД которого соединен с общей шиной -устройства, выход делителя напряжения соединен с аналоговым входом первого умножающего цифроа налогового преобразователя и вторым

выводом второго масштабирующего рези стора, выход первого умножающего цифро- аналогового чреобраэоватепя соединен с аналоговым входом второго умножающего цифроанэлогового преобразователя, выход

которого соединен с общим выводом первого и второго масштабирующих резисторов, а цифровые входы - с выходами счетчика импульсов соответственно.

Изобретение относится к электроизмерениям и может быть использовано в цифровых тензометрических измерителях силы и давления, в цифровых термометрах, фотометрах и т.д. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет возможности компенсации нелинейности характеристик измерительных резисторов, повышения разрешающей способность и уменьшения погрешности дискретности преобразователя В цифровой измерительный мост введены третий и четвертый изме рительные резисторы 12 и 13. усилительный блок 2, второй умножающий цифроаналого- вый преобразователь (УЦАП) 7, два масштабирующих резистора 4 и 5 и делитель 3 напряжения Корректировка нелинейности характеристик резисторов с измерительного моста возможна благодаря тому, что связь напряжения на выходе УЦАП 7 и напряжения на входе УЦАП 6 описывается функцией, имеющей квадратичную зависимость. В результате зависимость эквивалентного сопротивления (проводимости) от кода также имеет квадратичную зависимость, что дает возможность скомпенсировать квадратичную зависимость характеристики измерительного резистора (например, платинового термометра сопротивления 14) 1 ил. (Л

Цифробой код Q