Цифровой измерительный мост

 

Изобретение относится к электроизмерениям и может быть использовано в цифровых тензометрических измерителях силы и давления, в цифровых термометрах, фотометрах и т.д. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет возможности компенсации нелинейности характеристик измерительных резисторов, повышения разрешающей способность и уменьшения погрешности дискретности преобразователя В цифровой измерительный мост введены третий и четвертый изме рительные резисторы 12 и 13. усилительный блок 2, второй умножающий цифроаналоговый преобразователь (УЦАП) 7, два масштабирующих резистора 4 и 5 и делитель 3 напряжения Корректировка нелинейности характеристик резисторов с измерительного моста возможна благодаря тому, что связь напряжения на выходе УЦАП 7 и напряжения на входе УЦАП 6 описывается функцией, имеющей квадратичную зависимость . В результате зависимость эквивалентного сопротивления (проводимости) от кода также имеет квадратичную зависимость , что дает возможность скомпенсировать квадратичную зависимость характеристики измерительного резистора (например, платинового термометра сопротивления 14) 1 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 R 17/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4617626/21 (22) 08.12.88 (46) 15.06,91. Бюл. N 22 (75) А.Л. Белоусов (53) 621.317.733 (088.8) (56) Приборы и системы управления, 1985, N 9,с.20.

750 практических электронных схем. /

Справочное руководство. Сост. и ред.

Р,Фелпс. М.: Мир, 1986, с. 58. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬН6!Й МОСТ (57) Изобретение относится к электроиэмерениям и может быть использовано в цифровых тензометрических измерителях силы и давления, в цифровых термометрах, фотометрах и т.д, Целью изобретения является повышение точности измерения за счет возможности компенсации нелинейности характеристик измерительных резисторов, повышения разрешающей способность и

Изобретение относится к электроизмерениям и может найти применение, в частности, в цифровых тензометрических измерителях силы и давления, в. цифровых термометрах, фотометрах.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет возможности цифрового преобразования с коррекцией нелинейности характеристик элементов измерительного моста, повышения разрешающей способности и уменьшения погрешности дискретности преобразователя.

На чертеже представлена функциональная электрическая схема цифрового измерительного моста.

Мост содержит измерительный резистивный мост 1, к одной иэ вершин измери.. Ы 1656469 А1 уменьшения погрешности дискретности преобразователя. В цифровой. измерительный мост введены третий и четвертый измерительные резисторы 12 и 13, усилительный блок 2, второй умножающий цифроаналоговый преобразователь (УЦАП) 7, два масштабирующих резистора 4 и 5 и делитель 3 напряжения. Корректировка нелинейности характеристик резисторов с измерительного моста возможна благодаря тому, что связь напряжения на выходе УЦАП 7 и напряжения на входе УЦАП 6 описывается функцией, имеющей квадратичную зависимость. В результате зависимость эквивалентного сопротивления (проводимости) от кода также имеет квадратичную зависимость, что дает возможность скомпенсировать квадратичную зависимость характеристики измерительного резистора (например, платинового термометра сопротивления 14). 1 ил, тельной диагонали которого подсоединен неинвертирующий вход усилительного блока 2, выход которого соединен с выводом делителя 3 напряжения, а между выходом делителя 3 и инвертирующим входом усилительного блока 2 включены масштабирующие резисторы 4 (R4) и 5(Rg), при этом между выходом делителя 3 и средним выводом резисторов 4 и 5 подсоединены последовательно соединенные умножающие цифроаналоговые преобразователи 6 и 7, к измерительной диагонали моста 1 подсоединен компаратор 8 напряжений, выходы регистра счетчика 9 импульсов соединены с цифровыми входами преобразователей 6 и

7, а счетный вход счетчика 9 соединен с выходом блока 10 управления и синхронизации.

1656469

Измерительный мост 1 состоит из четырех резисторов 11-14 (R<<-R.4), часть из которых или все могут быть активными, т.е. изменять свое сопротивление под действием некоторой физической величины.

Усилительный блок 2 реализован на операционном усилителе 15 и резисторе 16 обратной связи.

Делитель 3 напряжения выполнен на резисторах 17 (R<7) и 18 (R>8), Умножающие цифроаналоговые преобразователи 6 и 7 выполнены на базе кодоуправляемых резистивных матриц. 19 и 20 с суммирующими усилителями 21 и 22 соответственно. Существенно, что резисторы 23 и 24 могут входить в состав матриц 19 и 20.

К диагонали питания измерительного моста 1 подключен источник 25 опорного напряжения.

Счетчик 9 имеет установочный вход, на который подается сигнал "Сброс".

Блок 10 управления и синхронизации представляет собой по сути генератор тактовых импульсов и цифровой ключ, управляемый сигналом компаратора 8, Высокий уровень на выходе компаратора 8 разрешает прохождение импульсов на счетный вход счетчика 9.

Мост работает следующим образом.

Для работоспособности моста необходимо резисторы с положительным приращением сопротивления включать на место резисторов 11 и 14, а резисторы с отрицательным приращением сопротивлений — на место резисторов 12 и 13.

В исходном состоянии измерительный мост 1 разбалансирован за счет действия внешних измеряемых физических величин.

На установочном входе счетчика 9 действует сигнал "Сброс", а на выходе счетчика 9 установлен нулевой код. Сигнал разбаланса измерительного моста 1, действующий на входе компаратора 8, устанавливает на его выходе высокий (положительный) уровень, который запускает блок 10. Блок 10 начинает вырабатывать тактовые импульсы, поступающие на счетный вход счетчика 9.

Как только перестает действовать сигнал "Сброс",, начинается процесс счета. В выходные регистры счетчика 9 поступают нарастающие цифровые коды, управляющие коэффициентом передачи преобразователей 6 и 7, Одновременно эти коды поступают на выход устройства. При этом, эквивалентное сопротивление Вэ между входом усилительного блока 2 и общей шиной уменьшается (соответственно, проводимость возрастает), чем и достигается балансировка моста, В момент баланса измерительного моста 1, полярность напряжения на выходе компаратора 8 меняется скачком на противоположную. Блок 10 перестает пропускать тактовые импульсы на вход счетчика 9, и в его выходных регистрах уста5 навливается устойчивое значение цифрового кода, однозначно связанное со значением относительного изменения сопротивлений резисторов измерительного моста, t0 Уравнение баланса измерительного моста 1 имеет вид бэ R12 = 811/R13 (1) где G> = 1/R> — эквивалентная проводимость между неинвертирующим входом операци15 онного усилителя 15 и общей шиной устройства.

Важное практическое значение имеют следующие случаи, R4 — . При этом, выражение для экви20 валентной проводимости приобретает вид бэ =(1 — . ), (2)

A u2 — 1 4 где Q — числовой эквивалент цифрового кода счетчика 9;

25 . R5 R18

R5 R18 + R5 R17 + R17 R18

R17 18

R5 R18 + R5 R17 + R17 R18

Выражение (2) получено в предположении, что входное сопротивление преобразователя 6 значительно превышает сопротивление резисторов 3, 17 и 18, Если это условие не выполняется, то необходимо учитывать параллельное соединение входного сопротивления преобразователя 6 и резистора 18, При R5 .- имеем бэ 2 (3)

40 . 14 (" m 0 (16i R4)j где m — коэффициент передачи делителя 3.

Как видно из формул (1) и (3), в случае если измерительный резистор (например, резистор 11) имеет собственную нелиней 45 ность характеристики преобразования, то выбором соответствующих значений сопротивлений 4, 5,,16-18 можно в значительной мере скомпенсировать эту нелинейность и получить линеаризованную зависимость

5р выходного кода от измеряемой физической величины. В частности, с помощью данного измерительного моста можно осуществить компенсацию нелинейности платинового термометра сопротивления.

55 По принципу действия преобразователь 6 должен инвертировать знак входного напряжения. Преобразователь 7 может быть применен как с инверсией, так и без инверсии знака входного напряжения. Выбор того или иного преобразователя 7 будет

3656469 определять знак коэффициентов перед членами высших порядков в формулах (2) и (3).

Приращение выходного кода, соответствующее малому относительному приращению сопротивлений измерительных резисторов моста даже при использовании стандартного двоичного умножающего цифроаналогового преобразователя может быть сделано как угодно большим (не превышающим, естественно, максимального кода преобразователя), что достигается соответствующим выбором коэффициента деления делителя напряжения, Формула изобретения

Цифровой измерительный мост, содержащий первый умножающий цифроаналоговый преобразователь, цифровые управляющие входы которого подключены к выходам счетчика импульсов и являются выходом моста, компгратор напряжений, первый вход которого соединен с общим выводом последовательно соединенных первого и второго измерительных резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с первым выводом источника опорного напряжения, второй вывод которого соединен с общей шиной и выходом первого умножающего цифроаналогового преобразователя, при этом выход компаратора напряжений соединен с входом управления блока управления и синхронизации, выход которого соединен с входом счетчика импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения. в него введены последовательно соединенные третий и четвертый измерительн. е резисторы, усилительный блок, второй

5 умножающий цифроаналоговый преобразователь, два последовательно соединенных масштабирующих резистора и делитель напряжения, причем общий вывод соединения третьего и четвертого измерительных рези10 сторов подключен к второму входу компаратора напряжений, вторые выводы этих резисторов соединены соответственно с первым и вторым выводами источника опорного напряжения, первый вход усилитель15 ного блока соединен с первым входом компаратора напряжений, второй вход усилительного блока соединен с вторым выводом первого масштабирующего резистора, а его выход соединен с первым входом де20 лителя напряжения, второй вход которого соединен с общей шиной устройства, выход делителя напряжения соединен с аналоговым входом первого умножающего цифроаналогового преобразователя и вторым

25 выводом второго масштабирующего резистора, выход первого умножающего цифроаналогового преобразователя соединен с аналоговым входом второго умножающего цифроаналогового преобразователя, выход

30 которого соединен с общим выводом первого и второго масштабирующих резисторов, а цифровые входы — с выходами счетчика импульсов соответственно.