Многозначная мера электрического сопротивления Советский патент 1993 года по МПК H03H3/00 

Изобретение относится к электроизмерительной и электровычислительной техника и предназначено для использования в качестве программируемой многозначной меры электрического сопротивления (ММЭС) - точного преобразователя кеда в сопротивление, используемого в системах а зтоматической поверки и контроля параметров контрольно-измерительной аппаратуры, а также в устройствах вывода аналоговых сигналов из ЭВМ, входящих в рззличные измерительно-вычислительные и ти электромоделирующие гибридные ком- п чексы из средств электроизмерительной и энектровычислительной техники.

Известно устройство - двухполюсник, п зедназначенное для моделирования рези- с1 оров с низкой шумовой температурой, со- дзржащее операционный усилитель (ОУ),

три резистора соответственно с сопротивлениями Ro, RF и Rx, причем первый резистор с образцовым сопротивлением R0 первым выводом соединен с первым входным зажимом (полюсом) : инвертирующим входом усилителя, второй вывод этого резистора соединен с выходом усилителя, второй вывод этого резистора соединен с выходом усилителя и первым выводом второго резистора с сопротивлением Rx.

Неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с его общим выводом (нулевой шиной и землей) первым выводом третьего резистора с сопротивлением Rx.

Токоподвод второго зажима (полюса) соединен с вторыми выводами второго и третьего резисторов, образующих сопмест- но неуправляемый двухплечий масштабный делитель напряжения на выходе усилителя.

сл

с

со

CJ

vi со с о

По утверждению заявителя между зажимами-полюсами указанного выше устройства воспроизводится (имитируется) сопротивление Ri2, пропорциональное сопротивлению Ro образцового резистора.

Указанному аналогу присущи следующие недостатки:

1) потребность в трех резисторах с сопротивлениями Ro, RF, Rx и одном операционном усилителе для имитации лишь одного значения сопротивления

+

RpRx

RoRp

RF + Rx RF + Rx Ro Rx + RF Rx Rx Rp+Rx

R();

2) имитируемое между зажимами 1 и 2 рассматриваемого аналога сопротивление Ri-2. как следует из (1), в общем не является пропорциональным R0; можно говорить лишь о частном случае, когда выполняются следующие условия:

;(2)

ARi-2(3)

где ARi-2 - допустимая абсолютная погрешность сопротивления Ri-2.

Более совершенным аналогом заявляемого устройства является мера электрического сопротивления, содержащая образцовый резистор, повторитель напряжения на первом ОУ, соединенный своим входом с истоком (стоком) полевого транзистора, сток (исток) которого соединен с первым выводом образцового резистора и вторым входом третьего ОУ, а его затвор - с выходом третьего ОУ, первый вход которого соединен через четвертый инвертирующий ОУ с выходом второго ОУ, первый вход которого череЗ первый резистор соединен с выходом первого ОУ, а через второй резистор - с выходом умножителя, в качестве которого может использоваться ШИМ-дели- тель, вход которого соединен с выходом второго ОУ.

Данному аналогу присущи следующие недостатки: .

1)сложность из-за большого состава и многих связей между составными частями;

2)невысокая точность из-за влияния на погрешность воспроизведения сопротивления погрешностей отношений сопротивлений первого и второго резисторов, коэффициента передачи четвертого инвертирующего ОУ, дрейфа всех четырех ОУ.

Более совершенным и близким аналогом заявляемого устройства является управляемая мера электрического сопротивления, содержащая образцовый резистор, два опера- . ционных усилителя, ШИМ-делитель напряжения со схемой управления, сигнальный вход которого соединен с вторым входом первого ОУ и выходом второго ОУ, а его выход - со вторым входом второго ОУ, первый вход которого соединен с выходом первого ОУ и вторым входным зажимом меры, первый вход первого ОУ соединен с первым выводом образцового резистора и первым входным зажимом, второй вывод образцового резистора соединен с общими выводами обоих ОУ и ШИМ-делителя.

Недостаток данного аналога - сложность его реализации из-за необходимости формирования у обоих ОУ специальных ам- плитудно- и фазочастотных характеристик (АЧХ и ФЧХ), обеспечивающих устойчивую работу устройства.

Наиболее близкой к предлагаемой является управляемая мера электрического сопротивления, содержащая два входных зажима и два операционных усилителя, ШИМ-делитель со схемой управления, образцовый резистор, первый вывод которого соединен с первым входным зажимом и инвертирующим входом первого ОУ, второй вывод соединен с общей шиной обоих операционных усилителей и ШИМ-делителя, сигнальный вход которого соединен с выходом и инвертирующим входом первого ОУ, а выход ШИМ-делителя соединен с неинвертирующим входом второго ОУ, выход которого соединен с его инвертирующим

0

5

0

5

0

5

0

входом и вторым входным зажимом меры. Недостатки прототипа следующие: 1.) прототип в действительности не явля- . ется мерой, сопротивление которого характеризуется прямой пропорциональной

зависимостью:

R1-2 0, Х1...Х|...ХкЛОрОм 0

(4)

между следующими составляющими (4): Ri-2 значением сопротивления меры, Ом; О, XI...XI,..XK - нормализованной мантиссой числового значения (4), где Xi

f Xi,...X- показания-коды 1-го1-гоК-го

разрядов (декад);

&10 Ом-масштаб (4) коэффициент пропорциональности, поскольку он характеризуется иной зависимостью, а именно:

R3 Ro(/3-1).(5)

где R3 Ri-2 - сопротивление меры;

.10 Ом-сопротивление образцового резистора;

/3 0, Хь..Х|,..Хк 1 - коэффициент передачи ШИМ-делителя зависимостью, коорую можно привести к более удобному Јля дальнейшего рассмотрения виду:

R3 Ri-2 (0, Xi...Xi...XK-l).10p Ом (6)

-{ 0, Х1...Х|...Хк).Ю Ом

(6а)

Откуда следует, что либо в тексте описания фототипа допущена ошибка, либо прото- ип является преобразователем кода

ft 0, XL..XI...XK,

j отрицательное электрическое сопротивление...

2)в действительности прототип являет- :я однопредельным преобразователем кода з сопротиаление

1-2 Ra (1 - ft }Ro (1 - О, Xi.,Xi...XK)Ro (7)

1 его автономное применение в качестве еры сопротивления без каких-либо суще- :твенных его изменений (или же использо- зания с внешней ЭВМ) принципиально невозможно;

3)примененный в составе прототипа в сачестве цифрового делителя напряжения 1 ИМ-делитель со специальной схемой уп- )эвления работает периодически с циклами преобразования за определенный промежуток времени, например, одно преобразование 0,01-0,1 с, уступает своим эезисторным аналогам не только по быстродействию, но и точности, если рабочее на- тряжение изменяется в 10-100 раз и более, ак бывает в цепях с мерами сопротивления.

Целью изобретения является получение прямой пропорциональной зависимости воспроизводимого мерой сопротивления от коэффициента передачи кодоуправляемого целителя напряжения и упрощение управления заявляемой мерой сопротивления, увеличение быстродействия и пределов показаний последней.

Цель достигается следующим образом:

1)соединением сигнального входа управляемого делителя напряжения с общими выводами первого и второго операционных усилителей и соединением общего вывода управляемого делителя напряжения с выходом и инвертирующим входом первого операционного усилителя;

2)применением взамен ШИМ-делителя со специальной схемой управления рези- сторного цифрового делителя напряжения;

3)применением взамен однозначного неуправляемого масштабного образцового эезистора управляемого мультирезистора. например, выполненного в виде блока

трансферов, что увеличивает точность и количество пределов показания меры.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема первого варианта заявляемого устройства; на фиг. 2 - схема вто5 рого варианта этого устройства.

Обозначения на фиг. 1 и фиг. 2 следующие: 1 - первый входной зажим; 2 - второй входной зажим; 3 - образцовый резистор с сопротивлением Во; 4 - первый операцион10 ный усилитель; 5 - второй операционный усилитель; 6 - ШИМ-делитель напряжения; 7 - схема управления делителем 6; 8 - канал управления-информации схемы 7; 9 - рези- сторный цифровой делитель напряжения;

15 10 - канал управления-информации делителя 9:11 - масштабный мультирезистор; 12 - канал управления-информации мультирезистора 11.

Управляемая мера электрического со20 противления согласно фиг. 1 содержит подключенную к входным зажимам 1 и 2 следующую цепь:

-образцовый резистор 3 с сопротивлением RO, первый вывод этого резистора со25 единен с первым входным зажимом и неинвёртирующим входом операционного усилителя 4, второй вывод резистора соединен с общими выводами (нулевыми шинами) операционных усилителей 4 и 5 с

30 сигнальным входом ШИ л-делителя 5;

-общий вывод ШИМ-делителя б соединен с инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 4;

-ШИМ-делитель 6 связан двумя про- 35 водниковыми каналами со схемой управления 7, имеющей свой канал управления-информации для установления и индикации требуемого коэффициента передачи делителя 6

.Х1...Х|....Хк 1,(8)

где XiXiХк - показания 1-го1-го,

..., К-ro размеров делителя 6;

-к выходу ШИМ-делителя б подключен неинвертирующий вход операционного уси45 лителя 5, инвертирующий вход и выход которого соединены с вторым входным зажимом 2.

Во втором варианте заявляемого устройства согласно фиг. 2 сделаны следующие

50 изменения:

1)сложный и циклически работающий ШИМ-делитель заменен быстродействующим и более простым по управлению рези- сторным цифровым делителем 9 с каналом

55 управления-информации 10 для ввода и индикации показаний XiXiХк разрядов

1-го, 1-го, К-го коэффициента передачи (8);

2)однозначный неуправляемый образцовый резистор 3 заменен масштабным

мультирезистором 11 с каналом управления-информации 12, с помощью которого можно установить требуемое значение сопротивления RO из ряда

1; 101;...: 10Р;...Ю8; 1090м,

чем обеспечить реализацию не одной, как у прототипа и варианта устройства согласно фиг. 1, а ряда шкал (пределов) показаний варианта устройства согласно фиг. 2.

Работа устройства основана на преобразовании тока I, протекающего через устройство через входные зажимы 1 и 2 от внешней цепи (например, повторяемого омметра) в падение напряжения Ut-2 между зажимами 1 и 2, прямо пропорциональное величине сопротивления R0 образцового резистора 3 (масштабного мультирезистора 11) и коэффициенту передачи цифрового делителя напряжения 6 (на фиг. 1) или 9 (на фиг. 2).

На фиг. 1 и 2 видно, что ток I при практически нулевом входном токе A i усилите- ля 4 полностью пройдет через сопротивление RO резистора 3 (мультирезистора 11) и создаст на входе повторителя напряжения-усилителя 4 сигнал

U-I.Ro,

(10)

который усилитель 4 повторит между сигнальным входом и выходом ШИМ-делителя 6 (фиг. 1), делителя 9 для фиг. 2.

Делитель б (фиг. 1) или 9 (фиг. 2) преобразует сигнал 10 в два выходных сигнала;

1)сигнал ,Xi..,Xi..,XK.IRo p (It)

на основном своем выходе между общим выводом (шиной) и выходом;

2) сигнал $ Цб -(1-/3JU (1- 0,Xi...Xi...XK.) IRo(12)

на дополнительном выходе между сигнальным входом и общим выводом (шиной).

При указанном на фиг. 1 и фиг. 2 новом (по отношению прототипа) подключении операционного усилителя 5 своим общим выводом (нулевой шиной) к сигнальному входу делителя 6 (фиг, Дделителя 11 (фиг. 2) усилитель 5 между своим выходом и соединенными общими выводами обоих усилителей повторяет сигнал (12), а именно:

Ј р (1 -0, Xi...Xi...Xic)1Ro. (13)

Падение напряжения между зажимами 1 и 2 меры

Ui-2-U- ip,

(14)

где U IR0 - падение напряжения на сопротивлении R0;

р - выходное напряжение усилителя 5. После подстановки (10) и (13) в (14) пол- 5 учим

Ui-2 U - р HR0 - (1-0, Xi ..Х|...Хк).1Р0 О, XL..XI...XK . IRo.(15)

10 откуда в соответствии с законом Ома воспроизводимое мерой сопротивление

Rl-2

U1-2

I

-0,Xi...Xi...XK.Ro.(16)

Из выражения (16) следует, что сопротивление Ri-2 заявляемого устройства, воспроизводимое между зажимами 1 и 2, прямо пропорционально коэффициенту передачи

делителя напряжения 6 (фиг. 1) делителя 11 (фиг. 2). более того, во втором варианте устройства предусмотрена возможность изменения коэффициента (масштаба) пропорциональности

Ro 10pOM

(17)

в пределах ряда (9), чем обеспечивается получение следующего множества (массива) шкал воспроизводимых сопротивлений: .) 0,Xi,.,Xi,,XK, 1 Ом Ri-2() 0, XL..XI...XK. 100м Ri-2(2) 0, Xi...Xi...XK. 1020м

35

R1-2(P) 0, XL..XI...XK. 10РОм

(18)

Ri-2(9) 0, XL..XI...XK. 10эОм

Возможность непосредственного управления величиной воспроизводимого сопротивления как по пределам - шкалам его изменения согласно (18), так и внутри пределов за счет простого поразрядного квантования на основе простой и удобной линейной прямо пропорциональной зависимости этого сопротивления от коэффициента передачи используемых в вариантах этого устройства цифровых делителей обеспечивает более высокую эффективность предлагаемого устройства по сравнению с прототипом и другими имитаторами-аналогами, характеризуемыми более сложными функциональными зависимостями.

Формула изобретения

Многозначная мера электрического сопротивления, содержащая первый и второй входные зажимы, два операционных усилителя, цифровой делитель напряжения и образцовый резистор, первый вывод которого соединен с токовыводом первого входного зажима и с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход и выход которого соединены, второй вывод образцового резистора сое- Д1 нен с общими выводами первого и вторе го операционных усилителей, выход цифрового делителя напряжения соедини н с неинвертирующим входом второго orерационного усилителя, инвертирую- щ 1й вход которого соединен с его выходом и зторым входным зажимом, отличающ а я с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, образцовый резистор выполнен в виде управляемого масштабного мультирезистора, цифровой

вход которого является каналом установа масштаба меры, общие выводы первого и второго операционных усилителей подключены к входу, а выход первого операционного усилителя к общему выводу цифрового

делителя напряжения, цифровой вход которого является каналом установа нормализованной мантиссы требуемого значения сопротивления меры.

L i

фиг.1

Ј /

фиг.2