Магазин сопротивления Советский патент 1992 года по МПК G01R27/00 

Изобретение относится к измерительной технике.

Известны магазины сопротивления, содержащие делитель, ряд разрядных переключателей, выходной операционный усилитель.

Из известных магазинов сопротивления наиболее близким к заявляемому по технической сущности является магазин сопротивления, содержащий резистивный делитель, выполненный на п декадных резисторах, m групп переключателей, где m 4, 5, ... 8 - количество разрядов магазина сопротивления, m разрядных операционных усилителей (преобразователей напряжения - ток) с m опорных резисторов, выходной операционный усилитель (повторитель напряжения), управляемый резистор, инвертор.

Недостатком такого магазина сопротивления является сложность устройства, суженные эксплуатационные характеристики, повышенная погрешность.

Сложность обусловлена в первую очередь необходимостью иметь для каждого операционного усилителя гальванически независимый источник питания (средняя точка питания каждого усилителя соединена с неинвертирующим входом своего операционного усилителя и не связана с другими средними точками источника питания других операционных усилителей), что для магазинов сопротивления в переносном варианте с автономным питанием приводит к значительному усложнению схемы (требуется преобразователь напряжения стабилизированный), увеличению тока потребления и к излучению радиопомех. Кроме этого требуется дополнительно инвертор.

Суженные эксплуатационные характеристики обусловлены тем, что диапазон вос- производимых сопротивлений при количестве резисторов в делителе п - 9 находится в пределах от начального сопротивления, равного одной ступени младшей декады, а при п 10 - от отрицательного, равного сумме, состоящей из единицы кзжч w

Ј

V|

V4 СЛ О СО

СЛ

дои декады, кроме младшей, до положительного сопротивления, равного сопротивлению управляемого резистора. Таким образом, схема не позволяет выполнять декады с перекрытием (т.е. по 10 резисторов в декаде, а не по 9) в положительную сторону сопротивлений, что удобно, а в некоторых случаях необходимо при измерениях, а увеличение количества резисторов в делителе приводит лишь к незначительному расши- рению диапазона сопротивлений в отрицательную сторону, усложняет декадные переключатели, и смещает точку нулевого отсчета декад, что существенно усложняет пользование магазином сопротивления. Кроме того, схема не позволяет иметь такую универсальность, как отдельно диапазон положительных сопротивлений, диапазон отрицательных сопротивлений, смещать при необходимости начало отсчета (в сторо- ну отрицательных или положительных сопротивлений или точно в нуль), получать сопротивление большее, чем сопротивление управляемого резистора.

Повышенная погрешность заключает- ся в том, что из активных узлов, кроме выходного операционного усилителя (или повторителя напряжения) и декадных операционных усилителей имеется еще инвертор. .,

Цель изобретения - упрощение устройства и расширение эксплуатационных характеристик устройства.

Указанная цель достигается тем, что в магазин сопротивления, содержащий рези стивный делитель, состоящий из последовательно соединенных n-резисторов, т-групп переключателей, каждый из которых содержит по п+1 ключей, m-разрядных операционных ус.илителей, т-рээрядных резисторов, /выходной операционный усилитель, первую и вторую клемму для подключения внешнего источника тока дополнительно введены переключатель начального сопротивления, резистор обрат- ной связи, источник питания. Первая клемма для подключения внешнего источника тока соединена с первым выводом первого резистора резистивного делителя, первым неподвижным контактом переклю- чателя начального сопротивления и первыми выводами первых ключей каждого переключателя с первого по второй вывод каждого резистора с первого по п-1 соединены с первым выводом каждого резистора со второго по п резистивного делителя и первыми выводами каждого ключа со второго no n каждого переключателя с первого по т, вторые выводы каждого ключа с первого по п+1 каждого переключателя с первого по

m соединены соответственно с каждым неинвертирующим входом каждого разрядного операционного усилителя с первого по т, выход соединен с инвертирующим входом каждого разрядного операционного усилителя с первого по m и с первым выводом каждого разрядного резистора с первого по т, вторые выводы каждого разрядного резистора с первого по m соединены с инвертирующим входом выходного операционного усилителя с первым выводом резистора обратной связи, второй вывод которого соединен с выходом выходного операционного усилителя и второй клеммой для подключения внешнего источника тока, второй вывод n-резистора резистивного делителя соединен с вторым неподвижным контактом переключателя начального сопротивления, общей шиной и с первым выводом п+1 ключа каждого переключателя с первого по т, третий неподвижный контакт переключателя начального сопротивления соединен с дополнительным отводом резистивного делителя, подвижный контакт переключателя начального сопротивления соединен с неинвертирующим входом выходного операционного усилителя, первый выход источника питания соединен с первым входом питания каждого разрядного операционного усилителя с первого по m и с первым входом питания выходного операционного усилителя, второй выход питания источника соединен с вторым входом питания каждого разрядного операционного усилителя с первого по m и с вторым входом питания выходного операционного усилителя, третий выход источника соединен с общей шиной.

На чертеже представлена структурная электрическая схема магазина сопротивления.

Магазин сопротивления состоит из резистивного делителя 1, выполненного с п+1 11 отводами 2-12 с п 10 декадными резисторами 13-22, m 2 переключателей23 и 24, где т-2- количество разрядов магазина сопротивления, каждый из которых состоит из п + 1 11 ключей 25-35, m 2 разрядных операционных усилителей 36 и 37, m 2 разрядных резисторов 28 и 39, выходной операционный усилитель 40, источник питания со средней точкой 41, переключателя начального сопротивления 42 и резистора обратной связи 43. При этом в каждой из m групп переключателей 23 и 24 выходы ключей 25- 35 соединены между собой, а вход каждого ключа 25-35 в группе 23-24 соединены с соответствующими отводом 2-12 резистивного делителя 1, выход выходного операционного усилителя 40 соединен с одним

выводом 44 внешнего источника тока, один неподвижный контакт переключателя начального сопротивления 42 соединен с первым крайним отводом 2 резистивного делителя 1 и со средней точкой источника питания 41, второй неподвижный контакт переключателя начального сопротивления 42 соединен с дополнительным отводом 45 резистивного делителя 1, третий неподвижный контакт переключателя начального со- противления 42 с соединен со вторым крайним отводом 2 реоис ) делителя 1, который соединен со зторь1-1 -гичо ом 46 внешнего источника тока, подвижный контакт переключателя начального сопротив- ления 42 соединен с неинвергирующим входом выходного операционного усилителя 40, выходы всех п+1 ключей 25-35 в каждой группе ключей 23, 24 соединены с неинвертирующим входом соответствую- щего разрядного операционного усилителя 36, 37, выход которого соединен с первым выводом соответствующего разрядного резистора 38, 39, вторые тгчоды разрядных резисторов 38,39 соединены с инвертирую- щим входом выходного операционного усилителя 40 и с первым пычодсм резистора обратной связи 43, второй вычпд которого соединен с выходом выходного операционного усилителя 40, инвертирующий вход в каждом разрядном операционном усилителе 36, 37 соединен с его выходом, первый и второй выводы источника питания 41 соединены с соответствующими выводами всех операционных усилителей 36, 37, 40.

Магазин работает следующим образом.

Ток от внешнего источника, проходя от второго 46 к первому 44 его выводу через магазин сопротивления, создает падение напряжения на резистивном делитепе 1

UA-IR.

дгде I - ток от внешнего источника;

Рд- сопротивление резистивного дели- теля.

Напряжение с одного из выходов резистивного делителя поступает на вход первого разрядного операционного усилителя 36, включенного повторителем напряжения, че- рез один из ключей 25-35 первого переключателя 23 (в любой кочкрстш й момент времени в каждом (зтелс 23, 24 замкнуто по одному ). го напряжение равно Ui ид Ki, где Kt - коэффициент передачи напряжения делителя на неиноер- тирующий вход первого разрядного операционного усилителя 36. Аналогично напряжение на входе того операционного усилителя 37 равно Um 1)д Km. Напряжения

на выходах операционных разрядных усилителей 36 и 37 равны напряжениям на их неинвертирующих входах, т.е. Ui и Um соответственно.

В выходном операционном усилителе 40 напряжение на инвертирующем входе благодаря отрицательной обратной связи через резистор 43 равно напряжению на его неинвертирующем входе, подключенном через переключатель 42 к одному из выводов резистивного делителя 2, 12 или 45 и равно идоп Уд К, где К - коэффициент передачи напряжения делителя 1 на вход выходного операционного усилителя 40.

Ток первого разрядного резистора 38 можно определить из выражения

LM -U

RI

ДОП

где RI - сопротивление первого разрядного резистора 38.

Ток т-го разрядного резистора 39 можно определить из выражения

um

Urn U.

ДОП

Rn

где Rm - сопротивление m-ro разрядного резистора 39.

Ток, проходящий через резистор обратной связи 43 равен сумме токов всех разрядных резисторов 38, 39: 0с li + ... + Im, a падение напряжения на резисторе обратной связи 43 равно Uoc loc Roc.

Учитывая, что выходной операционный усилитель 40 включен как инвертирующий по отношению к выходным напряжениям разрядных операционных усилителей 36, 37, напряжение на его выходе равно

ивых U доп Uoc

Тогда напряжение между выводами внешнего источника 44 и 46 определяется из выражения Умаг UA - UBUX, а сопротивление магазина Rnar

, Цмаг Цд Uebtx пплгтарлаа -У&-,

Нд, получим

. Подставляя

-

Ur

Цвых Dидоп UQC

iKn i-

-Uc

-ОUg К - IQC ROC

-Kni

oUfl K-(H +... + lm)Roc

- Kg.

(iiJVi.

,,

„(. .gjjteftfy

«..«,й, -«fe- - fe)

. fcbfc- (

Наибольший практический интерес 10 представляет три значения К: К О, К - 1 I и значение К, при котором выходное со- I противление магазина RMar 0 при начальном положении декад, т.е. когда Ki 0,, ... Кт-0/15

Рассмотрим сопротивление RMar при следующих условиях: число декад (разрядов) т 2; Ri Roc; Rm - 10ROC, К - Ki Km 0. Подставляя зти значения в выражение (1) найдем сопротивление1„п

RM RA-RA 0(1-М+-То-)17756858

- - К2 1:К -2Т

Определим теперь верхнее значение сопро- 5 тивления при 1/2, 1 и Ki Km 1

Ямаг Рд-Рд -27Г (1+ 1+

+ 0,1)-1-0,11- 1,1 RA

Аналогично можно показать, что для трех-, четырех- и пятидекадного магазина коэффициент будет равен соответственно 1/2, 11; 1/2, 111 и 1/2, 1111: а верхнее значение сопротивления RMar соответственно 1,11Рд, 1,11Шди 1,111ШД. Следовательно, заявляемая схема магазина сопротивлений позволяет выбирать начало отсчета от отрицательных значений, превышающих по абсолютному значению сопротивление RA до положительных значений вплоть до равных Яд. Следовательно, по сравнению с известными магазинами сопротивления расширяются эксплуатационные характеристики заявляемого магазина.

- О 1-0 - -l-Rfl.

t.e. в этом случае при начальном положении переключателей 23 и 34 сопротивление Рмаг Rfl.

30

1

10

2.1RA

Следовательно, сопротивление магаэи- 35 на в этом случае может изменяться в пределах от RA до 2,1 RA (когда К 0).

3. К - Ki - 1 Km RMar RA-RA 1(1+ 1+ 0.1)-1 1-1 0,1) О

Km 0. RMar RA RA 1(1 + 1+0.1)-0 -1,1RA

Следовательно, когда К 1 сопротивление магазина RMar изменяется от 0 до минус 1,ШД.

Определим коэффициент К для вариан- та магазина сопротивлений, имеющего RMar 0 при Ki Km 0 и положительное сопротивление при Ki и Кт имеющих любое значение.

Для этого в выражение (1) подставим Рмаг 0 и Ki Km 0 и найдем К

О Рд-Яд К(1+ 1+0,1)3;

Ямаг Рд-Рд -27Г (1+ 1+

+ 0,1)-1-0,11- 1,1 RA

Аналогично можно показать, что для трех-, четырех- и пятидекадного магазина коэффициент будет равен соответственно 1/2, 11; 1/2, 111 и 1/2, 1111: а верхнее значение сопротивления RMar соответственно 1,11Рд, 1,11Шди 1,111ШД. Следовательно, заявляемая схема магазина сопротивлений позволяет выбирать начало отсчета от отрицательных значений, превышающих по абсолютному значению сопротивление RA до положительных значений вплоть до равных Яд. Следовательно, по сравнению с известными магазинами сопротивления расширяются эксплуатационные характеристики заявляемого магазина.

Наличие более широкого, чем у прототипа, диапазона отрицательных сопротивлений позволяет использовать заявляемый магазин сопротивлений слоя разработки и применения новых методов измерений, например, измерения сопротивлений: пропуская ток по магазину сопротивлений, соединенному последовательно с известным сопротивлением, и подключив к крайним выводам этого соединения (т.е. параллельно источнику тока) индикатор нуля, можно установить индикатор нуля на нуль, т.е. положительное сопротивление уравновесить отрицательным сопротивлением магазина и определить таким образом неизвестное сопротивление.

Кроме того заявляемый магазин сопротивления позволяет полнее использовать напряжение питания. Так, в прототипе выходное напряжение (между клеммами подключения внешнего источника тока) всегда равно разности падения напряжения на мультирезисторе и на выходе выходного операционного усилителя и направлены в одну сторону от средней точки питания выходного повторителя напряжения, т.е. действующее напряжение всегда меньше половины напряжения питания. В заявляемом магазине сопротивления, когда неинвертирующий вход выходного операционного усилителя 40 через переключатель 42 соединен с первым

крайним отводом 2 резистивного делителя 1, напряжения на магазине сопротивления равно арифметической сумме напряжений на делителе 1 и на выходе выходного операционного усилителя 40 и может достичь значения, близкого к полному напряжению питания, т.к. эти напряжения имеют разную полярность относительно средней точки источника питания 41.

Питание магазина сопротивления осуществляется от одного источника питания со средней точкой, что является существенным упрощением по сравнению с прототипом, не считая исключения инвертора.

Кроме того, в сумму погрешностей входят погрешности активных элементов не меньше, чем в прототипе (зз счет исключения инвертора), что составляет приблизительно 1/3 всей погрешности от активных элементов (влияние младших разрядов на общую погрешность значительно меньше, чем старшего разряда).

Формула изобретения

Магазин сопротивления, содержащий резистивный делитель, состоящий из последовательно соединенных п резисторов, m групп переключателей, каждый из которых содержит по (п + 1) ключей, m разрядных операционных усилителей, m разрядных резисторов, выходной операционный усилитель, первую и вторую клемму для подключения внешнего источника тока, о т- личающийся тем, что, с целью упрощения и расширения эксплуатационных характеристик устройства, в него введены переключатель начального сопротивления, резистор обратной связи, источник питания, первая клемма для подключения внешнего источника тока соединена с первым выводом первого резистора резистивного делителя, первым неподвижным контактом переключателя начального сопротивления и первым выводом первых ключей каждого переключателя с первогсГпо т, второй вывод каждого резистора с первого по (п - 1)-й соединен с первым выводом каждого резистора с второго по п резистивного делителя и первыми выводами каждого ключа с второго по п каждого переключателя с первого по т, вторые выводы каждого ключа с первого по п + 1 каждого переключателя с первого по m соединены соответственно с каждым неинвертирующим входом каждого

разрядного операционного усилителя с первого по т, выход соединен с инвертирующим входом каждого разрядного операционного усилителя с первого по m и с первым выводом каждого разрядного резистора с первого по т, вторые выводы каждого разрядного резистора с первого по m соединены с инвертирующим входом выходного операционного усилителя с первым выводом резистора обратной связи, второй

вывод которого соединен с выходом выходного операционного усилителя и второй клеммой для подключения внешнего источника тока, второй вывод n-го резистора резистивного делителя соединен с вторым

неподвижным контактом переключателя начального сопротивления, общей шиной и с первым выводом (п + 1)-го ключа каждого переключателя с первого по т, третий неподвижный контакт переключателя начального сопротивления соединен с дополнительным отводом резистивного делителя, подвижный контакт переключателя начального сопротивления соединен с неинвертирующим входом выходного операционкого усилителя, первый выход источника питания соединен с первым входом питания каждого разрядного операционного усилителя с первого no m и с первым входом питания выходного операционного

усилителя, второй выход источника питания соединен с вторым входом питания каждого разрядного операционного усилителя с пер- вого no m и с вторым входом питания выходного операционного усилителя, третий

выход источника питания соединен с общей шиной.

Сущность изобретения: магазин сопротивления содержит резистивный делитель, состоящий из последовательно соединенных п-резисторов, m-групп переключателей, каждый из которых содержит по п+1 ключей, m-разрядных операционных усилителей, т- разрядных резисторов, выходной операционный усилитель, первую и вторую клемму для подключения внешнего источника тока, переключатель начального сопротивления, резистор обратной связи, источник питания с соответствующими связями. 1 ил.