Способ функционального аналого-цифрового преобразования и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК H03M1/62 

Изобретение относится к измерительная технике и конструкции устройств для функционального преобразования аналоговых сигналов (сигналов термопар и термо- сэпротивлений).

Цель изобретения состоит в повышении тэчности и расширении области применения за счет преобразования сигналов с большой нелинейностью.

На фиг. 1 представлена блок-схема функционального преобразователя; на фиг. 2 - характеристика преобразователя.

Функциональный преобразователь содержит нормализатор 1, устройство 2 изменения опорного напряжения, источник 3 опорного напряжения, переменный резистор 4, первый сумматор 5, второй сумматор 6, аналого-цифровой преобразователь 7/ цифровой индикатор 8. Вход устройства соединен со входом нормализатора 1, выход которого соединен с входом первого сумматора 5 и входом аналого-цифрового преобразователя 7. Источник 3 опорного напряжения соединен со вторым входом второго сумматора 6 и через переменный

со со VI со ю VI

резистор 4 соединен со вторым входом первого сумматора 5, выход которого соединен с первым входом второго сумматора 6. Выход второго сумматора 6 соединен с входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 7, выход которого соединен с цифровым индикатором 8.

Устройство работает следующим образом. Сигнал от датчика (например, от термо- пары) поступает в нормализатор 1, нормализуется до определенного уровня и поступает на второй вход аналого-цифрового преобразователя 7. На выходе аналого- цифрового преобразователя 7 и на индикаторе 8 появится число

N 1000-У -(1),

Don

где UBX - напряжение на входе аналого-цифрового преобразователя 7;

- напряжение на входе опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 7

Сигнал с нормализатора 1, пройдя через схему 2 изменения опорного напряжения, на выходе устройства 2 реализует уравнение

ивь,х Don + K(UBX - UBxmax),(2)

где U0n - опорное напряжение источника опорного напряжения 3;

ивхтах - величина, равная максимальному значению напряжения на входе устройства 2 изменения опорного напряжения, соответствующему максимальному значению измеряемого параметра (температуры);

К - коэффициент усиления первого сумматора 5.

Причем первый сумматор 5 реализует зависимость K(UBx - UBxmax).

Напряжение 1)вхтзх получается путем изменения значения переменного сопротивления 4, и тогда при входном сигнале устройства, соответствующем максимальному значению измеряемой величины (температуры) на выходе первого сумматора 5 напряжение должно быть равно нулю. Второй сумматор б реализует зависимость

Uon + K(Uex-UBxm8X)U on.

т.е. U on - опорное напряжение на входе напряжения аналого-цифрового преобразователя 7, зависящее от входного сигнала устройства.

На фиг. 2 показан механизм образования напряжения U on.

На выходе аналого-цифрового преобразователя появляется сигнал, соответствующий

Don

1000

Uon + К ( Uex - Uex3 )

(3)

где К

1000 - r-Uon

1Мх

I ,|max Uex UBX

Способ аналого-цифрового функционального преобразования осуществляется

следующим образом.

На вход нормализатора 1 подают сигнал от источника сигнала (например, термопары). В нормализаторе 1 входной сигнал нормируется (усиливается и смещается) до

определенного уровня 1)вхтах, определяемого диапазоном измерения измеряемого параметра. С выхода нормализатора 1 сигнал подается на аналоговый вход аналого- цифрового преоборазователя 7.

Одновременно сигнал UBX с выхода нормализатора 1 подается на вход устройства 2 изменения опорного напряжения, на первый вход первого сумматора 5 На второй вход первого сумматора 5 подается сигнал,

равный по величине (-UBxmax), формирующийся с помощью источника 3 опорного напряжения и определяемый величиной переменного резистора.

При коэффициенте усиления первого сумматора 1, равном К. на выходе его получается сигнал, определяемый формулой K(UBx - ивхтах). Этот сигнал подается на первый вход второго сумматора 6, на второй

вход которого подается сигнал Uon с источника 3 опорного напряжения. При коэффициенте усиления второго сумматора 6, равном 1, на выходе второго сумматора имеем сигнал

U on Uon + K(U8x - UBXmax).

Этот сигнал подается на вход опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 7, в котором осуществляется преобразование в код для управления блоком индикации 8 в соответствии с формулой ивх

Nx 1000

U c

0

1000

и

вх

Uon + к (ивх - )

где NX - код, соответствующий величине измеряемого параметра.

Очевидно, что величина Nx имеет нелинейную зависимость от входного сигнала

5 UBXВыбором соответствующего значения К

достигается линейность зависимости Nx от величины измеряемого параметра.

Возьмем в соответствии с ГОСТ 3044-84 Преобразователи термоэлектрические. Номинэльные статические характеристики првобоазования характеристику ТХК, XKIL), диапазон измерения температуры от ОфЮО°С,

Напряжение на выходе датчика (Уд) измеряется от 0 до 6,86 мВ.

В нормализаторе 1 сигнал датчика нор- ма||изуется до уровня 0-1000 мВ, при этом ффициент усиления нормализатора (Кус) жен быть равным 145,77. При Don e 1000

ко до мВ ма И О му ря эт

5.°.

и Uex, 1000 мВ (см. формулу 3) при симальном входном сигнале имеем Nx ,0. Для расчета коэффициента К по фор- е (4) определяем значение UBX при изме- мой температуре 50°С (очевидно, что для и температуры Nx должно быть равно 0). При ид 50°с 3,306 мВ и Кус 145,77,,

4/ЛО4ГЮ. П

по не

-78

5

чал дат изм 19,

10 U8x Кус сиг ме

15

им|еем Vex.50 481.92 мВ. По формуле 4:

100,0

481.92 50.0

-1000

481,92 -1000

0,069781.

Результаты функционального преобра- приведены в табл. 1.

Максимальная погрешность не превы- 1ш|етО,1°С.

По предлагаемому техническому решению разработан и испытан макет, в котором блок 1 нормализатор выполнен на микро- сх }ме КР 140 УД12 08, блоки-сумматоры 5 и 61 а микросхеме КР140УД12 08 -блок знало- го цифрового преобразователя 7 на микро- сх эме КР 5 72 ПВ 2, блок индикации 8 - на MI кросхемах АЛ С 333.

Выпуск прибора, выполненного по заявляемой схеме намечен на 1992 г. Существующий способ и устройство позволяет осуществлять преобразование сигналов от источников, обладающих незначительной ( ),2%) нелинейностью (например, платино- вь е термосопротивления). При увеличении нелинейности погрешность преобразова- HV я будет расти ввиду того, что аппроксима- цпя нелинейной характеристики осуществляется с помощью всего двух ли- ж иных участков с точкой перегиба в т. О.

Предлагаемые способ и устройство ПОЗЕ оляют без потери точности преобразовы- ть сигналы от источников со значительно бфльшей нелинейностью (например, термо- ры).

В прототипе при измерении температу- pii с помощью термосопротивления ТСП 1(10П в диапазоне температур -50...+50°С

П1

грешность составляет 0,4% 2.

6 предлагаемом устройстве для ТСП 1ЙЮП в диапазоне температур -50...+50°С

,,

погрешность преобразования составляет не более 0,02% (см. расчет).

ТСП 100П Тиэм - -50...+50°С Идвтч - -78,98-119,71 Ом.

Если в нормализаторе 1 подавить начальное сопротивление 100 Ом и эапитать датчик током 1 мА. то можно говорить об изменении входного сигнала от -20,02 до 19,71 мВ.

Для диапазона индикации -50...50,0 U8xmax должно быть равно 500 мВ. Отсюда Кус 25.368 и ивхт|п г-507,86 (значение сигнала на выходе нормализатора 1 при измеряемой температуре -50,0°С)

100.0 5оо6 100° - 507,86 -500

-0.0155974.

Результаты функционального преобразования приведены в табл. 2.

Максимальная погрешность преобразования не превышает 0,02°С.

Формула изобретения 1. Способ функционального аналого- цифрового преобразования, включающий нормирование входного сигнала, формирование опорного напряжения, аналого-цифровое преобразование пронормированного сигна- ла в код с последующей индикацией результата преобразования, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения области применения за счет преобразования сигналов с большой нелинейностью, формирование опорного напряжения осуществляют сигналом непрерывно по формуле

Uon + K(UBx-UBxMaKC), где U on - сформированное опорное напря- жение;

Uon - напряжение источника опорного напряжения;

К- масштабный коэффициент; UBX - напряжение прономированного сигнала;

UsxMaKC максимальное значение напряжения пронормированного сигнала.

2. Устройство функционального аналого-цифрового преобразования, содержащее последовательно соединенные нормализатор, вход которого является входной шиной, аналого-цифровой преобразователь и циф- ровой индикатор, а также включенный между выходом нормализатора и входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя блок изменения опорного напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения,точности и расширения области применения за счет преобразований сигналов с большой нелинейностью, блок изменения опорного напряжения выполнен на переменном резисторе, источнике опорного йапряжения и двух сумматорах, причем первый вход первого сумматора является входом блока измерения опорного напряжения, второй вход через переменный резистор соединен с выходом источника опорного напряжения, которой соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход второго сумматора является выходом блока изменения опорного напряжения.

Таблица1

Таблица2

ОЭ

фЈ/&1

Vto ffff+ttox-V™)

0.

1837397

(r)

max

rf

Т