Программируемая многозначная мера электрического сопротивления Советский патент 1993 года по МПК G01R27/00 

Предлагаемое устройство относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в качестве программируемой многозначной меры электрического сопротивления, предназначенной для автоматического установления заданного сопротивления.

Известна также программируемая многозначная мера электрического сопротивления, содержащая блок управления, л операционных усилителей при числе декад резисторов m 2п, каждая декада содержит К одинаковых весовых резисторов и (К + 1) пар потенциальных и токовых ключей, причём установка заданного сопротивления в каждой декаде осуществляется путем последовательного включения необходимого количества весовых резисторов (узловых точек соединения ступеней декад) к входу операционного усилителя через управляемый блоком управления потенциальный ключ.

Недостатком устройства-прототипа является значительное количество весовых резисторов и коммутирующих их ключей (потенциальных и токовых), используемых при установке заданного сопротивления в каждой декаде, что снижает надежность работы устройства.

Указанный недостаток вызван тем, что для обеспечения изменения результирующего сопротивления декады пропорционально числу ступеней К и сопротивлению единичного весового резистора Rm

R 2.Э -(К- )Rm, при к 1, 2, 3,..;, 11, (1)

Ю

ел

ю

количество равнозначных весовых резисторов Rm устанавливается равным количеству пар ключей минус единица, количество которых равно количеству ступеней К. При этом результирующее максимальное сопротивление прототипа определяется выражением

R2 10m.Ri(2) где Rt - сопротивление одного весового резистора декады младшего разряда.

Таким образом, сложность одной декады и всего устройства возрастает пропорционально числу ступеней переключения весовых резисторов Rm.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности устройства за счет уменьшения количества весовых резисторов и коммутирующих их ключей в каждой декаде при сохранении в ней необходимого числа ступеней.

Поставленная цель достигается тем, что в программируемую многозначную меру электрического сопротивления, содержащую ряд последовательно соединенных групп резисторов, управляемых потенциальных и токовых ключей, блок управления, п операционных усилителей и резисторов обратной связи при числе групп резисторов m 2п или п+1 операционных усилителей при числе групп резисторов m 2п + 1, причем входы операционных усилителей через соответствующие управляемые потенциальные ключи подключены к узловым точкам соединения ступеней смежных групп резисторов, выходы операционных усилителей соединены через соответствующие резисторы обратной связи и управляемые токовые ключи с указанными узловыми точками, выходы блока управления соединены с управляющими электродами соответствующих токовых и потенциальных ключей, введены п дополнительных операционных усилителей, резисторов обратной связи и групп последовательно включенных трех весовых резисторов, 4п пар управляемых потенциальных и токовых ключей, причем один из входов каждого догюлнительногр операционного усилителя соединен с началом соответствующей группы резисторов смежных групп и через соответствующий дополнительный резистор обратной связи соединен с выходом того же операционного усилителя и через соответствующие дополнительные управляемые токовые ключи подключен к узловым точкам соединения дополнительных весовых резисторов, второй вход каждого дополнительного операционного усилителя соединен через соответствующие дополнительные

потенциальные ключи с указанными узловыми точками, начала дополнительных групп резисторов соединены между собой, величина сопротивления двух введенных крайних весовых резисторов каждой группы равна половине сопротивления весового резистора Rm

R- m Кгп1,з

включенного между смежными узловыми точками группы резисторов младшего разряда двух смежных разрядных групп, объединенных одним из п операционных усилителей, величина и количество которых в каждой из этих групп определяется выражениями

Rm .Ri(

0

5

и N f-1 К

RЈ

Rm

-для четного значения К,

или N 7f - 0,5 - для нечетного значения К,

где К - число ступеней переключения одного разряда;

RS результирующее максимальное сопротивление группы резисторов одного разряда;

m 1, 2, 3, 4,...,,2п, где нечетный номер соответствует группе младшего разряда, а

д четный-группе старшего разряда резисторов;

RI - величина весового резистора, включенного между смежными узловыми точками группы резисторов самого младшего

с разряда всего устройства (для m 1),

величина введенного среднего весового резистора каждой группы равна половине разности сопротивлений весовых резисторов двух смежных разрядных групп

40

пRm+1 Rm Rm2 ---я---

где m+1, m 2,1; 4,3; 6,5;...; соответственно; блок управления содержит генератор прямоугольных импульсов, 4п + 1 элементов И,

m реверсивных счетчиков, блок определения направления счета реверсивных счетчиков, m дешифраторов 1 из К, m(2 + N) элементов ИЛИ, m инверторов, блок задания требуемого значения сопротивления,

блок сравнения кодов, две шины Сброс и Направление отсчета, причем выход генератора подключен к первому входу первого элемента И, выход которого соединен с первым входом блока определения направления счета, второй вход которого соединен с шиной Направление отсчета, первый и второй выходы блока определения направления счёта соединены соответственно со счетными входами сложения (+1+ и вычитания (-1) первого реверсивного счетчика, выходы переноса 9 и займа 0 каждого реверсивного счетчика (кроме m-ro) соединены соответственно со счетными входами +1 и -1 последующего реверсивного счетчика, входы установки R исходного состояния каждого реверсивного счетчика объединены и соединены с шиной Сброс, выходы Q каждого реверсивного счетчика соединены с входами соответствующих дешифраторов и с соответствующими входами 1,2,...,т блока сравнения кодов, (т + 1)-й вход которого соединен с выходом блока задания требуемого значения сопротивления, выход блока сравнения кодов соединен с вторым входом первого элемента И, четные выходы каждого из дешифраторов под- ключены к соответствующим входам соответствующего из m элементов ИЛИ и первым входам каждого из 1 +-N элементов ИЛИ, нечетные выходы каждого из дешифраторов подключены соответственно к вторым входам 1 + N элементов ИЛИ. выход каждого нечетного из m элементов ИЛИ соединен с входом соответствующего инвертора, вход и выход которого подключены соответственно к первым входам двух нечетных и двух четных из 4п элементов И, выход каждого четного из m элементов ИЛ И соединен с входами соответствующего инвертора, вход и выход которого соединены соответственно со вторыми входами двух смежных пар из 4п элементов И, выходы каждого из 1 + N элементов ИЛИ двух смежных групп этих элементов формируют сигналы управления пар ключей двух смежных групп весовых резисторов младшего и старшего разрядов соответственно, объединенных одним из п операционных усилителей, а выходы каждых четырех из 4п элементов И, связанных с каждой соответствующей парой смежных из m элементов ИЛИ, формируют сигналы управления соответствующих четырех пар дополнительных ключей одной соответствующей из п групп, состоящей из трех весовых резисторов.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - функциональная схема блока управления для К 10, m 2.

Устройство состоит (фиг. 1) из блока управления 1, источника 2 питания, операционных усилителей , резисторов 7-10 обратной связи, весовых резисторов 11-32, входящих в группы резисторов 33-38, управляемых потенциальных ключей 39-66 и токовых ключей 67-94, в качестве которых могут быть использованы оптроны, причем входы операционных усилителей 3 и 6 через потенциальные ключи 39-48 и 57-66, а их выходы через токовые ключи 67-76 и 85-94

подключены к точкам соединения резисторов 11-14, 15-18, 25-28, 29-32, первые входы операционных усилителей 4 и 5 соединены с началами групп резисторов 34 5 и 37 соответственно и через резисторы обратной связи 8 и 9 - с выходами операционных усилителей 4 и 5, которые через управляемые токовые ключи 77-80 и 81-84, а вторые входы операционных усилителей 4

0 и 5 через потенциальные ключи 49-52 и 53- 56 подключены к точкам соединения резисторов 19-21 и 22-24, которые образуют соответствующие группы резисторов 35 и 36, начала которых соединены.

5 Блок управления 1 (фиг. 2) состоит из генератора 95, элементов И 96-100, блока 101 определения направления счета реверсивных счетчиков 102 и 103, дешифраторов 1 из К 104 и 105, элементов ИЛИ 106-117,

0 инверторов 118 и 119, блока 120 задания требуемого значения сопротивления, блока сравнения кодов 121, шины Сброс 122 и .шины Направление отсчета 123, причем выход генератора 95 подключен к первому

5 входу элемента И 96, выход которого соединен с первым входом блока Определения направления счета 101, второй вход которого подключен к шине 123 Направление отсчета, а первый и второй выходы - к

0 счетным входам сложения -И и вычитания -1 реверсивного счетчика 104 соответственно, выходы переноса 9 и займа 0 которого соединены соответственно со счетными входами +1 и -1 реверсивного счетчика 103, входы установки R исходного

5 состояния счетчиков 102 и 103 соединены с шиной 122 Сброс, а их выходы Q - с дешифраторами 104 и 105 соответственно, причем выходы .счетчиков 102 и 103 одновременно подключены к первому и второму

0 входам блока 121 сравнения кодов соответственно, (т+1)-й вход которого соединен с выходом блока 120 задания требуемого значения сопротивления, а выход - со вторым входом элемента И 96, четные выходы каж5 дого из дешифраторов 104 и 105 подключены ко входам элемента ИЛИ 106 и к первым входам элементов ИЛИ 108-11 2, и к входам элемента ИЛИ 107 и к первым входам элементов ИЛИ 113-117 соответственно, а не-0 четные - ко вторым входам элементов ИЛИ 108-112 и 113-117 соответственно, выход элемента ИЛИ 106 соединен с первыми входами элементов И.97 и 99 и через инвертор 11.8 - с первыми входами элементов И 98 и

5 100, а выход элемента ИЛ И 107-со вторыми входами элементов И 97 и 98 и через инвертор 119 - со вторыми входами элементов И 99 и 100, выходы элементов ИЛИ 108-112 и ИЛИ 113-117 формируют сигналы управления пар ключей 39,67-43,71 и 44,72-48,76 групп 33 и 34 (фиг. 1) соответственно, а выходы элементов 1/1 97-100 - пар ключей 49,77-52,80 группы 35 соответственно.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Блок управления 1 после подачи сигнала Сброс и сигнала Направление отсчета по шинам 122 и 123 (фиг. 2) соответственно, формируют на своих выходах (на выходах элементов ИЛИ 108-117 и элементов И 97-100) последовательности логических сигналов с тактовой частотой, заданной генератором 95, подаваемые на управляемые ключи 39-94, как показано на фиг. 2 и в таблице для групп 33-35.

В этом случае усилитель 3 своими входами, а усилитель 4 своим вторым входом через периодически замыкаемые контакты ключей 39-48 и 49-52 (по таблице 1 соответствует замыканию контактов, а О - размыканию), соответственно, а резистор 7 обратной связи своими выводами и резистор 8 своим вторым выводом через периодически замыкаемые контакты ключей 67-76 и 77-80 соответственно подключаются к узловым точкам групп резисторов 33(1), 34(2) и 35 соответственно; усилитель 6 своими входами, а усилитель 5 своим вторым входом через периодически замыкаемые контакты ключей 57-66 и 53-56 соответственно, а резистор 10 об ратной связи своими выводами и резистор 9 своим вторым выводом через периодически замыкаемые контакты ключей 85-94 и 81-84 соответственно подключаются к узловым точкам групп резисторов 37 (3), 38 (4) и 36 соответственно. При этом цепи обратной связи усилителей 3-6 также периодически замыкаются и они создают между узловыми точками групп резисторов 33 и 34, 34 и 35, 36 и 37, 37 и 38 разности потенциалов, равные нулю, исключив тем самым влияние включенных в цепь тока резисторов 7-10 обратной связи и ключей 39-94.

Как следует из таблицы состояний устройства, его результирующее сопротивление между входами О групп 33 и 38 изменяется по закону

R.1

(3)

R2 K --2 где К 0,1, 2, 3,...,(10m- 1)- номер ступени переключения устройства:

R1 - сопротивление каждого из весовых резисторов 11-14 группы 33 (1) младшего разряда:

m - количество разрядных групп устройства;

10 - число ступеней переключения одного разряда групп 33 (37) совместно с 35 (36) или групп 34 (38) совместно с 35 (36). а величина сопротивления каждого из весовых резисторов (15-18,25-28,29-32), расположенных между смежными узловыми точками групп 34, 37, 38, определяется из выражения

Rm (4)

при условии, что величина сопротивления крайних резисторов (19 и 21, 22 и 24) дополнительных групп 35 и 36 для каждой из этих групп одинакова и выбирается равной

D- Rffi

15 «паз- -у

(5)

для значений m 1,3,5,...,(2п-1), а величина сопротивления средних резисторов {20 и 23) каждой из этих групп равна половине разности сопротивлений резисто- ров двух смежных групп (33 и 34, 37 и 38)

DR m +1 Rm . ,Ј. Rm2 ----g ---- - (6)

что Для нашего примера на фиг. 1 определяется как

R20- R18:R-H-HR23 -R29-R28

О --- 1X.0 -п

Сравнивая представленное в новом виде выражение (1) для прототипа

RZ9

К-1 (7) .

и выражение (3) для предлагаемого устройства для одного разряда

45

35

K N2

.2. Rm N2r

(8)

видно, что в предлагаемом техническом решении по сравнению с прототипом в каждой из групп 33, 34, 37, 38 в сочетании с дополнительными группами 35 и 36 требуется ве40 совых резисторов почти в два раза меньше при одном и том же количестве ступеней К, шаге нарастания (спада) сопротивления и суммарном сопротивлении эквивалентной декады.

Для подтверждения работы устройства в таблице его состояния показано измене- - ние результирующего сопротивления групп 33-35 при R1 R11...R14 20 Ом, R2 Р15...В18 2000м,

цп R mi.3 100м. Rm2 R20 90 Ом.

Для установки заданного сопротивления в предлагаемой многозначной мере достаточно с помощью блока 120 задания

ее требуемого значения сопротивления (кода) (фиг. 2) установить соответствующий код, с которым сравнивается в блоке 121 сравнения кодов двоичная информация, поступающая с выходов счетчиков 102 и 103. При их совпадении с выхода блока 121 на второй

вход элемента И 96 поступает сигнал запрета (логический О), который прекращает подачу импульсного сигнала с выхода генератора 95 на счетчик 102, что вызывает остановку всего устройства.

Для придания реверса в процессе отсчета заданного сопротивления в многозначной мере с целью оперативности ее управления необходимо подавать сигналы логического О или 1 на шину 123.

Таким образом, предложенное устройство обладает более высокой надежностью по сравнению с известным в связи с упрощением многозначной меры электрического сопротивления, так как при одном И том же количестве ступеней К. шаге нарастания (спада) сопротивления и суммарном сопротивлении групп резисторов, эквивалентных декаде, количество весовых резисторов сок - 1 кращается в 2-$- раз в одной эквиваленК

тной декаде и в 2

К- 1 К

а количество пар ключей - в

эквивалентной декаде и в

m всего устройства, 2 К

К +2 2 К

К+2 устройства.

Использование дополнительно операционного усилителя и резистора обратной связи, охваченных глубокой отрицательной обратной связью, практически не влияет на надежность устройства в целом. Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Т. Программируемая многозначная мера электрического сопротивления, содержащая ряд последовательно соединенных групп резисторов, управляемых потенциальных и токовых ключей, блок управления, п операционных усилителей и п резисторов обратной связи при числе групп резисторов гл 2п или п + 1 операционных усилителей при числе групп резисторов m 2n + 1, причем входы операционных усилителей через соответствующие управляемые потенциальные ключи подключены к узловым точкам соединения ступеней смежных групп резисторов, выходы операционных усилителей соединены через соответствующие резисторы обратной связи и управляемые токовые ключи с указанными узловыми точками, выходы блока управления соединены с управляющими электродами соответствующих токовых и потенциальных ключей, отличающаяся тем, что, с .целью повышения надежности многозначной меры, в нее введены п дополнительных операционных усилителей, п резисторов обратной связи и п групп последовательно включенных трех весовых резисторов, 4п

в одной

т всего

0

5

0

5

0

пар управляемых потенциальных и токовых ключей, причем один из входов каждого дополнительного операционного усилителя соединен с началом соответствующей группы резисторов смежных групп и через соответствующий дополнительный резистор обратной связи соединен с выходом того же операционного усилителя и через соответствующие дополнительные управляемые токовые ключи подключены к узловым точкам соединения весовых резисторов, второй вход каждого дополнительного операционного усилителя соединен через сооУветствующие дополнительные потенциальные ключи с указанными узловыми точками, начала дополнительных групп ре- зисторов соединены между собой, величина сопротивления двух введенных крайних весовых резисторов каждой группы равна половине величины сопротивления весового

R резистора Rm этой группы (Rmu -Ј-}

включенного между смежными узловыми точками группы резисторов младшего разряда двух смежных разрядных групп, объединенных одним из п операционных усилителей, величина и количество которых в каждой из этих групп определяется выражениями .

Rm-10m 1-Ri.

5

0

5

0

5

R2

N К/2 - 1 -5- Для четного значения Km

к.. .: . ; ; .- . . ; -. :

или N К/2 - 0,5 - для нечетного значения

К соответственно,

где К-число ступеней переключения одного

разряда;

RZr - результирующее максимальное сопротивление группы резисторов одного разряда;

m - 1, 2, 3, 4,,.., 2п, где нечетный номер соответствует группе младшего разряда, а четный - группе старшего разряда резисторов, ;; : . :-.. / ... ... . . .; ; :

RI - величина весового резистора, включенного между смежными узловыми точками группы резисторов самого младшего разряда всего устройства (для m 1), величина сопротивления среднего весового резистора каждой группы равна половине разности сопротивлений весовых резисторов двух смежных разрядных групп

D R m + 1 Rm

Km2 -----2----где m + 1, m 2,1;4, 3; 6,5;..,соответственно.

2. Мера поп, 1, от л и чающая с я тем, что блок управления содержит генератор

прямоугольных импульсов, 4п + 1 элементов И, т реверсивных счетчиков, блок определения направления счета реверсивных счетчиков, m дешифраторов 1 из К. m(2 + N) элементов ИЛИ, m инверторов, блок задания требуемого значения сопротивления, блок сравнения кодов, две шины Сброс м Направление отсчета, причем выход генератора подключен к первому входу первого элемента И, выход которого соединен с первым входом блока определения направления счета, второй вход которого соединен с шиной Направление отсчета, первый м второй выходы блока определения направления счёта соединены, соответственно, со счетными входами сложения -Н и вычитания -1 первого реверсивного счетчика, выходы переноса 9 и займа 0 каждого реверсивного счётчика (кроме m-ro) соединены, соответственно со счетными входами +1 и -1 последующего реверсивного счетчика, входы установки R исходного состояния каждого реверсивного счетчика объединены и соединены с шиной Сброс, выходы Q каждого реверсивного счётчика соединены с входами соответствующих дешифраторов и соответствующими входами 1,2,..., m блока сравнения кодов, (т + 1)-й вход которого соединен с выходом блока задания требуемого значения сопротивления, выход блока сравнения кодов соединен с вторым входом первого элемента И, четные выходы каждого из дешифраторов подключены к соответствующим входам соответствующего из m элементов ИЛИ и первым входам каждого из 1 + N элементов ИЛИ, нечетные выходы каждого из дешифраторов подключены соответственно к вторым входам 1 + N элементов ИЛИ, выход каждого нечетного из m элементов ИЛИ соединен с входом соответствующего инвертора, вход и выход которого подключены соответственно к первым входам двух нечетных и двух четных из 4п элементов И, выход каждого четного из m элементов ИЛИ

соединен с входом соответствующего инвертора, вход и выход которого соединены соответственно с вторыми входами двух смежных пар из 4п элементов И, выходы каждого из 1 + N элементов ИЛИ двух смежных групп этих элементов формируют сигналы управления пар ключей двух смежных групп весовых резисторов младшего и старшего разрядов соответственно, объединенных одним из п операционных усилителей,

а выходы каждых четырех и 4п элементов И, связанных с каждой соответствующей парой смежных из го элементов ИЛИ, формируют сигналы управления соответствующих четырех пар дополнительных ключей одной

соответствующей из п групп, состоящей из трех весовых резисторов.

Использование: в электроизмерительной технике, например, в качестве программируемой многозначной меры электрического сопротивления, предназна1 ченной для автоматического установления заданного сопротивления. Сущность изобретения: программируемая многозначная мера электрического сопротивления содержит ряд последовательно соединенных групп резисторов, управляемых потенциальных и токовых ключей, n операционных усилителей и резисторов обратной связи при числе групп резисторов m 2n или n ±1 операционных усилителей при числе-групп резисторов m 2п+1, блок управления, введено дополнительно n операционных усилителей, резисторов обратной связи и групп последовательно включенных трех весовых резисторов, а также 4п управляемых потенциальных и токовых ключей, что позволило повысить надежность устройства за счет уменьшения количества весовых резисторов и коммутирующих их ключей в каждой группе при сохранении в ней необходимого числа ступеней. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

а35

I

1 О

О

о о о о о о I

«

р

о

о

о

о

о

о

о :

t

1

о

о

о

1

о 1 р

I

о I о 1 р р о о о р о р р р о

t

о 1

о

IU, R1

2R1

2RI+R«, 3R1

3R1.+Rnrf 4R1 . 4Rl+Rm S«, , Rm 8R , , Rmi 2RHRM, +RWt 2S1+2Rmt4Bmi 381+R, в„, 3R1+2R +Н„г « ,, тг

4Ri+2Rmi а„1

R2

R% R1+R2

BHR2«R

m(

0

10

20

30

40

5Q

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

ISO

190

200

210

220

230

л

n

CM

ю

CM CO

/ 8П0