Устройство для преобразования сигналов резистивных датчиков в цифровой код Советский патент 1975 года по МПК H03K13/10 

1

Изобретение относится к области импульсной техники.

Известно устройство для преобразования сигналов резистивных датчиков в цифровой код, содержащее мостовую измерительную цепь с резистивным датчиком в одном из плечей, источник питания мостовой измерительной цепи, источник опорного напряжения, нуль-орган, цифровой параллельный делитель, логический блок управления, регистр памяти и цепь перезаписи. Выход источника опорного напряжения соединен со входами источника питания мостовой измерительной цепи и цифрового параллельного делителя,. выходы которого соединены со входом полумоста измерительной цепи, выход последнего присоединен к первому входу нуль-органа, а выходы нуль-органа подключены к логическому блоку управления, первый выход которого соединен со входом цифрового параллельного делителя и через регистр памяти - с цепью перезаписи, а второй и третий его выходы соединены соответственно с управляющими входами цепи перезаписи и регистра памяти.

Цель изобретения - повышение быстродействия и точности.

Для этого в устройство дополнительно введены полумост, реле, ключ и регистр памяти. Полумост подключен к диагонали питания

МОСТОВОЙ измерительной цепи, второй вход пуль-органа через перекидной контакт реле соединен с сигнальным выходом датчика, если реле обесточено, пли с точкой соединения резисторов полумоста, если ток проход 1т по обмотке реле, один выход которого соединен с источппко.м питания, а второй через ключ- с общим проводом и непосредственно со входo блока управления. Вход донолнительного регистра памяти соединен со входами цифрового параллельного делителя и со входом регистра памяти, а его управляющий вход соедипен с четвертым выходом логического блока управления.

На фигуре 1 показана структурная схема предлагаемого устройства; на фигуре 2- врсмеппая диа1-рам.ма его работы в режиме градуировки; на фигуре 3 - временная диаграмма рабогы устройства в режиме записи.

Устройство содержит основную мостовую измерительную пень, образованную сопротивлением датчика 1 и резисторами 2-5, и дополнительный полумост из резисторов 6 и 7, сопротивления которых выбраны равными сопротивлениям соответственно резистора 2 и датчика 1.

Диагональ питания измерительной цепи одпи.м концом подключена к общему проводу, а другим - к выходу источннка питания измерительной цепи 8. Выход источника опорного

напряжения 9 соединен со входом опорного напряжения источника нитания измерительной цепи 8 и цифрового параллельного делители 10 напряжения, выход которого связан с точкой соединения резнсторов.4 и 5.

Таким оёразом, резистор 5 гнунтирует выход делителя напряжения 10. Выбор сопротивления этого резистора приближенно можно произвести но формуле:

и R

р Д.ВЫХ

г 7/7

оп - -ни

где/ 5 - сопротивление резистора 5,

Unu, - наиряжение иа выходе измерительной цепи при ее максимальпом разбалансе, Uon - опорное напряженна делнтеля,

д. вых - выходное сопротивление делителя.

Вследствие малости величины Rs (единнцы ом) существенно уменьшается время переходного процесса нри установлении новой величины уравновешивающего напряжения на выходе цифрового параллельного делителя 10, что повышает быстродействие устройства.

Первый вход цуль-оргаиа 11 подап на точку соединения резисторов 3 и 4. Второй вход нуль-органа 11, построенного на основе дифференциального уснлителя ноетоянного тока, носредством перекидного контакта реле 12, подключается к сигнальному зажиму датчика 1, если реле обесточено, н к точке сосдинення резисторов 6 н 7, если реле под током.

Первый вывод обмотки реле 12 подключен к напряжению питания Е, а второй - к неподвижному контакту ключа 13 (подвижный контакт ключа соединен с обшим проводом).

Логический блок 14 управления устройства содержит реверсивный счетчик 15, иидикатор 16, генератор тактовых импульсов 17, делитель частоты 18, первую схему «П-ПЛР1 19, счетчик времеин 20, вторую схему «П-ИЛИ 21, триггер цуска 22, третью схему «И-ИЛП 23 и переключатель рода работы 24. Выход «Больше пуль-оргаиа 11 связап со входом «Сложность реверсивного счетчика 15, являющимся первым входом блока 14 управления, и первым входом индикатора 16, выход «Меньше нуль-органа соединен со входом «Вычесть реверсивного счетчика 15, являюш.имся вторым входом блока 14 управления, и вторым входом индикатора 16. Счетный вход реверсивного счетчика 15 нодключен к первому выходу 25 генератора тактовых импульсов 17, второй выход 26 которого подан на счетный вход делителя частоты 18 н на нервый вход цервой секции совпадеиия первой схемы «И-ИЛП 19. Первый выход 27 делителя частоты 18 является первым выходом управлеиия логического блока 14. Второй выход 28 делителя частоты 18 связап с первым входом второй секции совпадения первой схемы «И-ПЛИ 19 и счетным входом счетчика времени 20, первый выход которого 29 подключен

к первому входу первой секции совпадения схемы «П-ИЛИ 21. Второй иыход 30 счетчика времени 20 соединен со входом «Установка нуля генератора тактовых импульсов 17, а вход «Установка пуля счетчика времени 20 связан со входом « становка нуля делителя частоты 18, вторым входом второй секции еовпадеиня первой схемы «И- ПЛИ 19 и единичным выходом 31 триггера пуска 22, нулевой выход 32 которого нодан на второй вход нервой секции совпадения первой схемы «PI-ПЛИ 19. Вход «Сброса триггера пуска 22 является входом «Сброса 33 логического блока 14 управлеиня. Вход «Устацовка единицы триггера пуска 22 подключен на выход 34 третьей схемы «П-ИЛП 23, нервый вход 35 первой секции совнадений которой, являющийся третьим входом логического блока 14 управления, связан со вторым выводом обмотки реле 12. Второй вход первой секции совпадеиия третьей схемы «PI-1-1ЛИ 23 соединен е первым неподвижным контактом 36 нереключателя рода работы 24 и вторым входом первой секции совпадения второй схемы «П-ИЛИ 21. Пер15ЫЙ вход второй секции совпадения третьей схемы «PI-Р1ЛП 23 является входом «Запуск 37 логического блока управлепия 14, а второй вход второй секции совпадения третьей схемы «PI-РШЙ 23 связан со вторым неподвижным контактом 38 переключателя рода работы 24, третьим входом второй секции совпадепия первой схемы 19 и первым входом второй секции совпадеция второй схемы «PI-Р1ЛИ 21, второй вход которой является входом логического б.юка 14 управления для специальиого сигиала 39, напрнмер, сигнала регистрации экстремума. Третий неподвижный контакт 40 переключателя рода работы 24 подключен ко входу установки исходного кода реверсивного счетчика 15, а подвижный контакт переключателя связан с общим ироводом.

Кодовые входы нервого 41 и второго 42 регистров памяти связаны с кодовым выходом ревереивиого счетчика 15, являющимся кодовым выходо М логического блока 14, и кодовым входом цифрового параллельного делителя 10 напряжения. Кодовый выход первого регистра 41 памяти подай на кодовый вход цени перезаписи 43, вход управлеиия которой подключеи к первому выходу 27 делителя частоты 18. Входы «Запись первого 41 и второго 42 регистров иамяти связаны, соответственно, с выходом 44 первой схемы «И-ИЛИ 19 и с выходом 45 второй схемы «И-ИЛП 21. Эти выходы являются, соответственно, вторым и третьим выходами уиравления логического блока 14.

С кодового выхода 46 цепи перезаписи 43 код измеряемого еигнала подается на регистрацию.

Преобразователь имеет три режима работы.

В режиме «Устаиовка иуля переключатель рода работы 24 устанавливается в положение,

при котором его подвижный контакт замыкается с третьим неподвижным контактом 40. При этом в реверсивном счетчике 15 принудительно устанавливается некоторое небольшое исходное значение кода, а счет тактовых импульсов реверсивным счетчиком 15 становится невозможным.

Ключ 13 устанавливается в разомкнутое положение, при этом второй вход нуль-органа 11 подключается к сигнальному выводу датчика 1. Изменяя величину любого из резисторов 2, 3 или 4, но индикатору 16 балансируют мост основной измерительной цепи. Затем, замыкая ключ 13, подключают вход нуль-органа 11 к дополнительному полумосту и изменением любого из резисторов 6 или 7 по индикатору 16 балансируют мост, образованный полумостом из резисторов 3, 4, 5 и дополнительным полумостом.

В результате выполнения указанных выше операций на дополнительном полумосте «запоминается начальное положение баланса основной измерительной цеии (с точностью не хуже погрешности квантования устройства). Учитывая, что резисторы 3-7 выполнены из материала высокой температурной и временной стабильностью электросопротивления (например, из манганина) и в процессе статической градуировки ие изменяются, можно, подключая периодически второй вход нуль-орган к дополнительному полумосту, определять и учитывать дрейф нуля устройства в целом.

После проведения операций режима «Установка нуля устройство готового для использования в других режимах.

В режиме «Градуировка переключатель рода работы 24 устанавливается в положение, при котором его подвижный контакт замыкается со вторым неподвижным контактом 38. При этом иа третий вход второй секции совпадения первой схемы «И-ИЛИ 19, первый вход второй секции совпадения второй схемы «И-ИЛИ 21 и второй вход второй секции совпадения третьей схемы «И-ИЛИ 23 подается нулевое напряжение, что препятствует прохождению сигналов по другим входам названных секций совпадения на выход схем «И-Р1ЛИ.

Ключ 13 устанавливается в замкнутое иоложеиие. Подачей на вход «Сброс 33 низкого уровня напряжения триггер пуска 22 устанавливается в иулевое иоложение. Сигналом низкого уровня с единичного выхода 31 триггера 22 делитель частоты 18 и счетчик времени 20 устанавливаются в нуль.

Следящий аналого-цифровой преобразователь, образованный источником опорного напряжения 9, цифровым параллельным делителем 10 напряжения, нуль-органом 11, реверсивным счетчиком 15 и генератором тактовых импульсов 17 ведет обработку дрейфа нуля аналоговой части устройства, так как при замкнутом ключе 13 обмотка реле 12 находится иод током и второй вход нуль-органа 11 подключен к дополнительному полумосту с

помош,ью перекидного контакта реле 12. Поскольку резисторы 3-7 изготовлепы из материала с высокой температурной и временной стабильностью электросопротивления, например из манганина, а -элементы источника опорного напряжения 9 и параллельного делителя 10 также обладают высокой стабильностью, то отрабатывается практически дрейф нуля нульоргана 11, который вынолнен на основе дифференциального усилителя постоянного тока и

выходы которого соединены с соответствуюпи1ми схемами логического блока управления

по постоянному току.

Тактовые импульсы с выхода 26 генератора

тактовых импульсов 17. сдвинутые на половину периода тактовой частоты относительно импульсов иа выходе 25, через первую секцию совпадения первой схемы «И-Р- ЛИ 19 проходят на ее выход 44 и, соответственно, на

вход «Запись первого регистра 41 памяти, поэтому в последием регистрируется код реверсивиого счетчика 15, получаемый на каждом такте преобразования. Для осуш,ествления сквозной статической

градуировки на датчик 1 воздействуют калиброванными ступенями его естественной входной величины, нанример давления. После установления нужной ступени на задатчике естественной входной велнчины (например, на

гидравлическом прессе, снабженном грузопоршневым манометром) ключ 13 размыкают. Обмотка реле 12 практически обесточивается, так как потреблепие тока третьей схемой «И-ИЛИ 23 по входу 27 ничтожно. Иа перво.м входе 27 первой секции совпадения третьей схемы «И-ИЛИ 23 устанавливается высокий уровень напряжения от источника напряження Е, (см. временную диаграмму на фиг. 2), так как падепие напряжения на обмотке реле 12 от тока по входу 27 мало. Вследствие этого па выходе 29 третьей схемы «И-ИЛИ 23 также устанавливается высокий уровень напряжения, что приводит к опрокидыванию триггера пуска 22 в положение «Единица. Иа выходе «нуля 31 триггера 22 устанавливается низкий уровень напряжения и прохождеиие тактовых импульсов с выхода 33 геператора 17 на выход 36 первой схемы «И-ИЛИ 19 прекраш,ается, в первом регистре памяти 43 запоминается значение кода реверсивного счетчика (кода иуля), полученное в такте преобразования, неиосредственно предшествовавше.м моменту размыкания ключа 13.

Через время задержки на отпускание перекидной контакт реле 12 отсоединит второй вход нуль органа 1 от дополнительного полумоста, а через время перелета контакта, второй вход нуль органа 11 подключнтся к сигнальиому выводу датчика. Следящий аналого-цифровой преобразователь, образованный указанными выше элементами, ведет отработку нереходного процесса во время перелета контакта н затем отработку сигнала датчика

1, полученного под воздействием калиброванной ступени его естественной входнон величины.

После опрокидывания триггера пуска 22 в ноложение «едипнца иа его выходе 30 устанавливается высокий уровень напряжения, поэтому делитель чаетоты 18 начинает счет импульсов с выхода 33 генератора 17, а счстчнк времени 20 - с выхода 35 делителя частоты 18. После подсчета определенного количества и.мнульсов па выходе 38 счетчика времени 20 появляется имнульс, который через нервую секнию совпаденпя второй схемы «И-ИЛ PI 21 проходит на выход 39 последней, благодаря чему во втором регистре памяти 44 регистрируется код сигнала дагчика. Сигналом низкого уровия с выхода 37 счетчика 20 работа генератора 17 прекращается и процесс кодирования сигнала датчика 1, соответствующе1о одной ступени градуировки, на этом заканчивается.

Таким образом, в результате кодирования одной стунени градуировки регистрируются два кода, которые отсчитываются по отсчетным устройствам регистров 43 и 44.

При последующей обработке измерительной информацнн «код нуля, зафикеированный в первом регистре 43, необходимо вычесть из «кода датчика, содержаитсгося в регистре 41. Время измерения, оп)е:еляемое счеччпком 20. вЫбраио больше, чем время, необходимое для окончания нереходных процессов, связанных с нереключеннем второго входа нуль-органа 11. Для кодирования сле., стуиепи --p.-i дуировки ключ 13 сипта :г; -С :одг:- згчк тутое положение, а на вход 41 «сброс подают сигнал низкого уровня, что приводит к опрокидыванию триггера 22 снова в положетгге «Ноль. На датчик 1 воздействуют следуюихсй калиброванной ступепью eio величины и повторяют измерительп :с cacnannr, описанные выше.

В режиме «Запись (см. времеииую диаграмму на фиг. 3) переключатель рода работы 24 устанавливают в гюложеипе, ири котором его подвижный контакт замыкается с неподвижным контактом 25. При этом иа второй вход первой секнин совпадения второй схемы «И-ИЛИ 21 и иа второй вход секции совпадения третьей схемы «И-ИЛИ 23 подается нулевое напряжение и ирохождение сигналов через указанные секцнн этих схем становится невозможным.

Предполагается, что перед пачалом работы в режиме «Запись была проведена первая операция «Установка нуля, т. е. основная измерительная цель была сбалансирована.

Ключ 13 в режиме «Запись всегда иаходится в разомкнутом состоянии, и второй вход нуль-органа 11 подключен к сигиальному выходу датчика.

Перед проведением измерений триггер пуска 22 устанавливается в нулевое положение, для этого на вход «сброс 33 подается сигнал низкого уровня. Соответственно, сигналом с

выхода 31 триггера схемы делителя частоты 18 и счетчика времени 20 устанавливаются также в нулевое положение.

Все время ожидания начала процесса в режиме «Запись следяп ий аиалого-цифровой

преобразователь, образоваииый указанными

выше элементами, ведет кодирование дрейфа

иуля нуль-органа, причем код реверсивного

счетчика 15 иа каждом также иреобразования

заносится в первый региетр 41, так как имиульсы с в)Тхода 26 генератора тактовых импульсов 17 через схему «И-Р1ЛИ 19 поступают иа вход записи этого регистра.

В момент появления импульса полож}1тельпый полярности иа входе «Запуск 37 появляется сигнал па выходе 34 третьей схемы «И--Р1ЛИ 23, и триггер пуска опрокндывается в едииичиое соетояиие. Измеряемый параметр быстропротекаюшего процесса начииает

воздействовать иа датчик 1, измерительная устройства разбалансирустся. Начинается кодирова 1ие быстропротекающего процесса, восприпимаемого датчиком I. При этом прохождение тактовых импульсов с выхода 26

через первую схему «И-ИЛИ 19 прекращается, делитель частоты 18 вступает в работу и потенциальный сигнал с его выхода 27 в зи.:(,е полулерйодных имиульсов иостунает на Г)Ход управления цеии перезаписи 43, а импульспый сигнал с выхода 28 делнтеля частоты 18 через первую схему «И-ИЛИ 19 поступает на вход «Запись первого регистра 41 :a.i;;. импульсов на выходе делите.1Я частоты 18 равеп шагу квантования измеряе.мого процесса во времени. Первый регистр выполняет в режиме «Заиись роль буферного periicTj a д,тя вывода информации через цепь п- рсзаппси 43 от быстродействующего преобр.;:зователя па регистратор, имеющий меиьшую

скорост: работы. Код реверсивиого счетчика ic). фгг. 3) заносится в регпстп 41 каждый ;аз в начале соответствующего ша1а ква гговаиия, а регр1стрируется через цеиь перезаписи этот код, пачииая с середины этого шага и

до его коина. Таким обпазом, ца первом шаie кваптовапия регистрируется код нуля преобразователя, на втором шаге - первый код пгоцесса и т. д.

Второй рс:-1 стр 42 памяти в режиме «Запись служит для фиксации значения кода в -акой-либо характерной точке измеряемого процесса, папример в точке экстремума. Для этого в пужпый момепт времени на вход специалыюго сигнала 39 подается положительпый имиулье, который, проходя через вторую схему «И-ИЛИ 21 иа вход записи 45 регистра 42, фиксирует в нем зпачепие кода в этот ломеит.

После подсчета определенного количества шагов квантования измеряемого процесса по времени, задаваемого количеством импульсов па выходе 28 делителя частоты, на выходе 30 счетчика времени 20 устанавливается сигнал низкого уровня, нрекращающий работу генератора тактовых импульсов 17. Кодирование дискретных значений измеряемого нроцесса на этом заканчивается.

Для приведения устройства в исходное ноложение для следующего измерения достаточно подать сигнал низкого уровня на вход «Сброс 33.

При последующей обра ботке измерительной информации, например, на вычислительной мащине, код нуля устройства, зарегистрированный на первом щаге, вычитается из кодов дискретных значений измеряемого процесса. Так как дрейф нуля устройства за время измерения значительно меньще одной единицы кода в устройстве, то благодаря этому устраняется влияние дрейфа нуля на результаты измерения.

Как видно из описания работы устройства, и в режиме «Запись и в режиме «Градуировка используются одни и те же элементы логического блока 14 управления.

При питании измерительной цепи стабильным напряжением предлагаемое устройство имеет структурную погрещность, вызываемую изменением тока в плечах измерительной цепи, т. е. зависимость между изменением сопротивления датчика 1 и выходным кодом устройства нелинейна. Однако соответствующим выбором величины сопротивления резисторов 2 и 3, а также напряжения питания измерительной цепи, можно свести погрещность от нелинейности к допустимой, например, меньщей щага квантования по уровню в устройстве.

При питании измерительной цепи стабильным током устройство не имеет структурной погрешности.

10

Предмет изобретения

Устройство для преобразования сигналов резистивных датчиков в цифровой код, содержащее мостовую измерительную цепь с резистивным датчиком в одном из плечей, источник питания мостовой измерительной цепи, источник опорного на пряжения, цуль-орган, цифровой параллельный делитель, логический блок управления, регистр иамяти и цепь перезаписи, причем выход источника опорного напряжения соединен со входом источника питания мостовой измерительной цепи и цифрового параллельного делителя, выходы которого соединены со входом полумоста измерительной цепи, выход последнего присоединен к первому входу нуль-органа, а выходы нульоргана подключены к логическому блоку управления, первый выход которого соединен со входом цифрового параллельного делителя и через регистр памяти с цепью перезаписи, а второй и третий его выходы соединены соответственно с управляющими входами цепи перезаписи и регистра памяти, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности, в устройство дополнительно введены полумост, реле, ключ и регистр памяти, причем полумост подключен к диагнонали питания мостовой измерительной цепи, второй вход нуль-органа через перекидной контакт реле соединен с сигнальным выходом датчика, если реле обесточено, или с точкой соединен 1я резисторов полумоста, если ток проходит по обмотке реле, один выход которого соединен с источником питания, а второй через ключ - с общим проводом и непосредственно со входом блока управления, вход дополнительного регистра памяти соединен со входами цифрового параллельного делителя и со входом регист)а памяти, а его управляющий вход соединен с четвертым выходом логического блока управления.

6

J iiJlJliU nMllliiilili i llinii nili ii ili i|il illl i {l lii|IIIIL 2 tliUIl иЖи ШШШ ЖШ11Ш11111Ш1Ш1т Ш1Ш11ШШ1и29 45

Фиг..

-f

V

V

llllllllllillillliiilllliliiiiinili i; ii liiilliHlll in Jin

t

J I и I 11 11

LL

J-I-U LJ Ш

t

г -t

-