Цифровой измерительный прибор Советский патент 1981 года по МПК G01R13/02 

(54) ЦИФГОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР

Изобретение относитсч к электроизмерительной технике к может быть использовано в цифровых вольтметрах и омметрах постоянно го тока. Известны цифровые измерительные приборы, содержащие аналого-цифровой преобразователь, схему совпадения, счетчики, цифроаналоговый преобразователь, ключ и усилитель с определенным весовым множителем 1 . , Недостатки зтих приборов - наличие усилителя с определенным весовым множителем сигнала разности, что является источником дополнительных погрешностей преобразователя и усложняет схему, и принцип суммирования токов в цифроаналоговом преобразователе, формируемых путем подключения к опорному источнику точных резисторов с соответствующими весовыми коэффициентами. При использовании для коммутации точных резисторов высоконадежных транзисторных клю чей не представляется возможным получение высокой точности из-за остаточных токов, напряжений и большого сопротивления открытых ключей. При использовании электромеханических ключей для коммутации точных ргезисторов погрешность, вносимая ключами, исключается, но при этом снижается надежность. Наиболее близким техническим решением к изобретению является вольтметр, содержащий цифрозмалоговый преобразователь, предусилитель с масштабньтм делителем, аналого-цифровой преобразователь, включающий в себя интегратор, компаратор, ключи, опортш источник напряжения, схему управления, генератор тактовых импульсов, схемы совпадения, генератор высокочастотных импульсов, счетчик и отсчетное устройствоС.2. Недостатком известного вольтметра является невысокая надежность , что определяется использованием в цифроаналоговом преобразователе принципа суммирования токов, и низкое быстродействие. Причины низкого быстродействия заключаются в том, что для реализации высокой чувствительности 1 мкВ и выше, входной предусилитель должен иметь достаточно узкую полосу пропускания, что приводит к понижению быстродействия предусилителя.

В начале первого этапа при подаче на вход гфсдусилйтеля измеряемого напряжения в последнем возникает переходный процесс. Включенный за ним аналого-цифровой преобразователь может произвести достоверное преобразование лишь после окончания переходного процесса в предусилителе, что вызьшает необходамость введения задержки начала работы аналого-цифрового преобразователя относительно шчала первого этапа. В начале второго зтапа прк подаче на вход предусилителя разностного сигнала в последнем возникает еще более дцительный переходной процесс, так как чувствительность предусилителя на зтом этапе увеличена в 100 раз и, следовательно, полоса пропускания его еще более сужена, что снижает быстродействие прибора.

Целью изобретения является повышение быстродействия, надежности и расширение функциональных возможностей за счет изменения сопротивлений, а также повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что цифровой измерительный прибор, содержащий цифроаналоговый преобразователь, предусилитель с включенным в цепь обратной связи масштабным делителем, ключи, опорный источник напряжения, соединенный с цифроаналоговым преобразователем, последовательно соединенные интегратор и компаратор, выход которого соединен со входом схемы управления, другой вход которого подключен к генератору тактовы импульсов, выходы ее соединены со входами схем совпадения, к другим входам которых подключен выход генератора высокочастотных импульсов, а выходы схем совпадения соединены со счетчиком, подключенным к цифроаналоговому преобразователю и отсчетному устройству, снабжен дополнительным делителем запоминающим устройством, образцовым резистором и переключателем рода работ, причем выход предусилителя соединен со входом дополнительного делителя и одним из входов запоминающего устройства, выход делителя соединен через первый ключ с другим входом запоминающего устройства, к которому через второй ключ подалючен один из выходов цифроаналогового преобразователя, а два других выхода цифроаналогового преобразователя соединены со входами запоминающего устройства выход запоминающего устройства соединен со входом интегратора, образцовый резистор соединен одним из выводов с опорным источником напряжения, другим - со входом первого направления переключателя рода работ, выход которого соответствующий положению R, под ключен к одной из входных клемм и к входу предусилителя, а другая входная клемма подключена к входу второго направления переключателя рода работ, выход которого, соответствующий положению R, подключен к выходу предусилителя, а выход переключателя , соответствующий положению и, подключен к выхо- ду масштабного делителя.

При зтом запоминающее устройство состоит из мостового коммутатора, конденсатора памяти и усилителя, причем конденсатор памяти . подключен в диагональ мостового коммутатоQ pa, являющуюся и входом мостового коммутатора, и входом запоминающего устройства, выход мостового коммутатора соединен со входом усилителя и является другим входом запоминающего устройства, а выход усилителя j является выходом запоминающего устройства.

Кроме того, каждое плечо мостового коммутатора состоит из трех звездообразно соединенных ключей, один из которых соединен с общим вьшодом, а два других с соседними плечами мостового коммутатора.

Цифроаналоговый преобразователь состоит из двух включенных последовательно декадных делителей, каждый из которых содержит последовательно включенные равнономинальные резисторы, декадных переключателей на канальных транзисторах, подключенных к декадным делителям, и схемы управления, подключенной к декадным переключателям, причем выходы декадных переключателей являются выходами цифроаналогового преобразователя, вход схемы управления - входом цифроаналогового преобразователя, другими входами цифроаналогового преобразователя, служащими для подключения его к опорному источнику напряжения и общему вьтоду, являются первый и последний резисторы декадных делителей.

На фиг. 1 изображена блок-схема цифрового измерительного прибора; на фиг. 2 - схема мостового коммутатора, плечи которого состоят из трех звездообразно соединенных ключей; на фиг. 3 - схема цифроаналогового преобразователя; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие работу прибора, где

и„ - на- напряжение питающей сети; пряжение на выходе интегратора.

Цифровой измерительный прибор содержит входные клеммы 1 и 2, входная клемма 1 соединена со входом предусилителя 3, выход которого соединен с масштабным делителем 4,

дополнительным делителем 5, и с запоминающим устройством 6, состоящим из мостового коммутатора 7-10, в одну диагональ которого включены конденсатор 11 памяти и первый и второй выходы цифроаналогового

преобразователя 12 и усилителя 13, вход которого подключен к вершине другой диагонапи мостового коммутатора, к которой также (Тодключены ключи 14 и 15, вход последнего 5 сдаединен с третьим выходом цифроаналогового преобразователя 12, а вход ключа 14 соединен с выходом делите 11Я 5. Первый вход цифроаналотового преобразователя 12 соединен с первым выходом опорного источника 16 напряжения, второй выход которого соединен через образцовый резистор 17 с одним подвижным контактом переключателя 18 рода работ, неподвижный контакт которого, соответствующий положению R, соединен со входом предусилителя 3. Со вторым подвижным контактом переключателя соединена входная клемма 2, неподвижный контакт, соответствующий положению R, соединен с вы ходом предусилителя 3, а неподвижный контакт, соответствующий положению U, соединен с выходом масщтабного делителя 4. Выход запоминающего устройства 6 соединен с входом интегратора 19, выход которого через компаратор 20 соединен с первым входом схемы 21 управления. Второй вход схемы 21 управления соединен с генератором 22 тактовых импульсов. Выход схемы 21 управления соединен с пер выми входами схем 23 и 24 совпадения, со вторыми входами которых соединен выход ге нератора 25 высокочастотных импульсов, счетчик 26 соединен своими входами с выходами схем 23 и 24 совпадения, а выходы счетчика 26 соединены с отсчетным устройством 27. Выходы счетчика 26 соединены со вторым входом щ{фроаналогового преобразователя 12. Цифроаналоговый преобразователь 12 содержит декадные переключатели 28 и 29, декадные делители 30 и 31 и схему 32 управления. Цифровой измерительный прибор работает следующим образом. До момента времени to ключи 7-10 мосто вого коммутатора и ключи 14, 15 разомкнуты счетчик 26 установлен в нулевое положение, схемы 23 и 24 совпадения запрещают прохождение импульсов генератора 25 высокочастотных импульсов. Измеряемое напряжение усиливается предусилителем 3 с коэффициентом усиления, равным обратному значению коэффициента передачи делителя 4 (переключатель 18 рода работ находится в положении U). Напряжение с выхода предусилителя 3 попадает на дополнительный делитель 5 и ослабляется им в 100 раз. В момент времени to, определяемый тактовым генератором 22, по команде схемы 21 управления замыкается ключ 14 и напряжение с выхода делителя 5 через усилитель 13, обладающий большим входным сопротивлением, подается на вход интегратора 19. Напряже1ше на выходе интегратора с достаточно высокой 9 точностью возрастает по линейному закону до момента времени ti. В момент времени ti по команде схемы 21 управления ключ 14 размыкается, а ключ 15 замыкается, схема 23 совпадения разрещает прохождение импульсов генератора 25 высокочастотных импульсов и начинается заполнение старщих декад счетчика 26 импульсами. В результате замыкания ключа 15 на вход усилителя 13 подается опорное напряжение. Это напряжение усиливается усилителем 13 и подается на вход интегратора 19. На выходе интегратора, начиная с момента ti, напряжение начинает уменьшаться по линейному закону и достигает значения, равного исходному , в момент времени t2. При этом напряжение на выходе компаратора 20 скачком изменяет свой знак. Компаратор, воздействуя на схему 21 управления, запрещает прохождение импульсов через схему 23 совпадения в счетчик 26. Таким образом, в старших декадах счетчика фиксируется число, соответствующее длительности интервала t2 -t,, ключ 15 размыкается. Одновременно с заполнением счетчика 26 производится переключение декадных переключателей 28 и 29 Щ1фроаналогового преобразователя 12, а за время от tj до ts конденсатор 11 памяти заряжается до напряжения, существующего на сосответствующих резисторах декадных делителей 30 и 31 цифроаналогового преобразователя 12. После окончания переходного процесса заряда замкнутые ключи декадных переключателей 28 и 29 токами не обтекаются и поэтому, несмотря на достаточно большие сопротивления полевых транзисторов в замкнутом состоянии, на них не создается падений напряжения. Остаточных напряжений и токов полевые транзисторы в ключевом режиме работы также не имеют. Следовательно, конденсатор 11 памяти заряжен до напряжения на соответствующих резисторах декадных делителей 30 и 31 практически без погрешности. в момент ts в зависимости от полярности измеряемого напряжения замыкаются ключи 7 и 9 или 10 и 8 мостового коммутатора, в результате чего ко входу усилителя 13 прилагаются последовательно и встречно включенные напряжения на выходе предусилителя 3 и напряжение на конденсаторе 11 памяти. Это разностное напряжение усиливается усилителем 13 . и попадает на вход интегратора 19, на выходе которого начинается линейное нарастание напряжения. Замкнутые ключи мостового коммутатора практически не обтекаются токами при достаточно большом входном сопротивлении усилителя 13, поэтому конденсатор 11 памяти не изменяет значения компенсирующего напряжения в интервале време1Ш t4-t3. В случае, если разомкнутые ключи мостового коммутатора имеют недостаточно высокое сопрютивление, что может вызвать изменение комленсирующего напряжения на конденсаторе 11 памяти. Для исключения этого следует каждое плечо мостового коммутатора выполнять из трех звездообразно соединенных ключей, один из которых соединен с нулевой ишной (фиг. 2). При этом требования к сопротивлениям разомкнутых ключей мостового коммутатора значительно снижаются В момент времени t4 третья и четвертая декады счетчика 26 устанавливаются в нулевое положение. Ключи мостового коммутатора раз мыкаются, ключ 15 замыкается, схема 24 сов падения разрешает прохождение импульсов генератора высокочастотных импульсов 25, и начинается заполнение младших декад счетчика 26 импульсами. На выходе интегратора, начиная с момента t4, напряжение начинает уменьшаться по линейному закону до достижения момента времени ts, когда напряжение на выходе компаратора изменяет свой знак. В младших декадах счетчика фиксируется число, соответствующее длительности интервала ts-14. Полученное число в результате заполнения старших декад счетчика в интервале и младших декад в интервале ts-14 переносится в отсчет ное устройство 27 и соответствует точному значению измеряемого напряжения. При измерении сопротивлений переключатель 18 рода работ устанавливается в положение R предусилитель 3 совместно с образцовым резистором 17 (RO) и измеряемым резистором (Rj) образует измерительный преобразователь сопротивления в напряжего1е где и - напряжение на выходе этого преобразователя ; DO - напряжение опорного источника. Напряжение U попадает на вход цифроаналогового преобразователя 12, и в дальнейшем работа аналогична работе его в случае измер еьшя напряжений. Так как при измерении сопротивлений опор ный источник 16 напряжения является обшим для питания цепи образцового резистора и для цифроаналогового преобразователя 12, он не ВНОСИТ погрешности при измерении сопротивле ний. Сравнительные испытания данного устройства с известным показали-, что быстродействи при примене1ши изобретения может быть новы шено в 10-12 раз. Это позволяет использовать его в цифровых вольтметрах, в которых необходимо высокое быстродействие. 8 обре Формула из тения 1.П.ИФРОВОЙ измерительный прибор, содержащий цифроаналоговый преобразователь, предусилитель с включенным в цепь обратной связи масштабным делителем, ключи, опорный источник напряжения, соединенный с цифроаналоговым преобразователем, последовательно соединенные интегратор и компаратор, выход которого соединен со входом схемы управления, другой вход которой подключен к генератору тактовых импульсов, выходы ее соединены со входами схем совпадения, к другим входам которых подключен выход генератора высокочастотных импульсов, а выходы схем совпадения соединены со счетчиком, подключенным к цифроаналоговому преобразователю и отсчетному устройству, отличающийс я тем, что, с целью повышения быстродействия, надежности и расширения его функциональных возможностей за счет измерения сопротивления, он снабжен дополнительным делителем, запоминающим устройством, образцовым резистором и переключателем рода работ, причем выход предусилителя соединен со входом дополнительного делителя и одним из входов запоминающего устройства,, выход делителя соединен через первый ключ с другим входом запоминающего устройства, к которому через второй ключ подключен один из выходов цифроаналогового преобразователя, .а два других выхода цифроаналогового преобразователя соединены со входами запоминающего устройства, выход запоминающего устройства соединен со входом интегратора, образцовый резистор соединен одним из вьшодов с опорным источником напряжения, другим со входом первого направления переключателя рода работ, выход которого,, соответствующий положению R, подключен к одной из входных клемм и к входу предусилителя, а другая входная клемма подключена к входу второго направления переключателя рода работ, выход которого, соответствующий положению R, подключен к выходу предусилителя, а выход переключателя, соответствующий положению U, подключен к выходу масштабного делителя. 2.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что запоминающее устройство состоит из мостового коммутатора, конденсатора памяти и усилителя, причем конденсатор памяти подключен в диагональ мостового коммутатора, являющуюся входом мостового коммутатора и входом запоми1гающего устройства, выход мостового коммутатора соединен со входом усилителя и является другим входом запоминающего устройства, а выход, усилителя является выходом запоминающего устройства.

принятые во внимание при экспертизе

фирмы Takeda Riken Industry Со, ltd прибор - 6567, с. 7. 1Т ГГГН Q