Формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического измерения, управления и аварийной защиты. Технический результат заключается в повышении надежности путем обеспечения диагностики входных цепей на наличие короткого замыкания и разрыва, повышения помехоустойчивости, упрощения реализации схемы формирователя на основе микроконтроллера. Формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения содержит входной фильтр 1 низкой частоты, компаратор 6, первый ЦАП 2 в качестве источника напряжения смещения сигнала датчика, второй ЦАП 5 в качестве источника опорного сигнала компаратора 6, АЦП 3, ЦП 4. При этом выходы индукционного датчика соединены с входами фильтра 1, причем второй выход индукционного датчика также соединен с выходом первого ЦАП 2, выход фильтра 1 соединен с входом АЦП 3, первым входом компаратора 6 и первым выводом шунтирующего резистора R_Ш. Второй вход компаратора 6 соединен с выходом второго ЦАП 5. Второй вывод шунтирующего резистора R_Ш соединен с открытым стоком транзисторного ключа Т, исток транзисторного ключа соединен с общим выводом компаратора 6, АЦП 3, ЦАП 2 и ЦАП 5. Выход АЦП 3, затвор транзисторного ключа Т, входы ЦАП 2 и ЦАП 5, компаратор 6 подключены к ЦП 4. Компаратор 6, транзисторный ключ Т, АЦП 3, ЦАП 2, ЦАП 5 и ЦП 4 являются встроенными компонентами микроконтроллера 7. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического измерения, управления и аварийной защиты, в состав которых входят датчики, вырабатывающие двухполярные сигналы, в частности индукционные датчики частоты вращения и расхода [1].

Известно устройство формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения [2], состоящее из входного интегратора, компаратора, построенного по схеме триггера шмитта, устройства выборки-хранения для фиксации максимума вольт-секундной площади, устройства управления.

Его недостатком является достаточная сложность, отсутствие возможности изменения уровня гистерезиса в зависимости от параметров входного сигнала и недостаточная надежность, обусловленная тем, что для формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения используется только одна полярность сигнала.

Из известных наиболее близким по технической сущности является устройство, реализующее способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения [3]. Его структурная схема приведена на фиг.1. Устройство содержит два компаратора (3 и 4), инвертор (2), источник опорного сигнала (1), измерители частоты (5) и скорости изменения частоты (6), таймер (5). Отличительной особенностью этого устройства является блокирование переключения компараторов с момента предыдущего переключения на ожидаемое время до следующего переключения. Время блокирования компараторов задается таймером и определяется путем экстраполяции на основе результатов измерения частоты и скорости ее изменения.

Недостатком этого формирователя импульсов является низкая надежность, обусловленная, в том числе, отсутствием диагностики входных цепей с датчика на наличие короткого замыкания и разрыва, недостаточной помехоустойчивостью в случае появления различного рода помех, действующих после снятия блокирования компараторов, достаточно высокой сложностью.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение надежности за счет обеспечения диагностики входных цепей на наличие короткого замыкания и разрыва, повышения помехоустойчивости, упрощения реализации схемы формирователя на основе микроконтроллера.

Поставленная цель достигается тем, что в формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, содержащий компаратор, согласно предлагаемому изобретению введены фильтр низкой частоты RC-типа, имеющий частоту среза, находящуюся в нижней области частотного диапазона формирователя, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и два цифроаналоговых преобразователя (ЦАП), шунтирующий резистор (R_Ш), транзисторный ключ (Т) и центральный процессор (ЦП), причем выходы индукционного датчика соединены с входами фильтра, второй выход индукционного датчика соединен с выходом первого ЦАП, выход фильтра соединен с входом АЦП, первым входом компаратора и первым выводом шунтирующего резистора, второй вход компаратора соединен с выходом второго ЦАП, второй вывод шунтирующего резистора соединен с открытым стоком транзисторного ключа, исток транзисторного ключа соединен с общим выводом компаратора, АЦП и обоих ЦАП, выход АЦП, затвор транзисторного ключа, входы обоих ЦАП и компаратор подключены к ЦП, а компаратор, транзисторный ключ, АЦП, два ЦАП и ЦП являются встроенными компонентами микроконтроллера.

Введенный в схему формирователя импульсов фильтр низкой частоты нормирует величину амплитуды входного сигнала таким образом, что она остается практически постоянной при изменении частоты вращения ротора и соответствующих изменениях частоты и амплитуды сигнала на выходе датчика. Кроме этого, фильтр не пропускает высокочастотные помехи, поступающие на вход формирователя. Фактически фильтр низкой частоты выполняет те же самые функции, что и блок измерения вольт-секундной площади, но используя минимальные схемные ресурсы. Введение фильтра низкой частоты в схему формирователя позволяет исключить из схемы один компаратор, инвертор, измерители частоты и скорости изменения частоты, таймер.

Введенный в схему формирователя первый ЦАП смещает в область положительных напряжений потенциал на выходе фильтра, что требуется для обеспечения функционирования встроенных в микроконтроллер компаратора и АЦП.

Введенный в схему формирователя второй ЦАП является источником опорного напряжения для компаратора и обеспечивает гибкое управление уровнем опорного напряжения при изменении уровня входного сигнала компаратора.

Введенные в схему формирователя шунтирующий резистор и транзисторный ключ используются совместно с АЦП для измерения сопротивления рабочей обмотки индукционного датчика в режиме диагностики.

Введенный в схему формирователя АЦП используется для измерения параметров входного сигнала компаратора, по которым определяется уровень опорного напряжения компаратора, и для оценки величины сопротивления рабочей обмотки датчика.

Введенный в схему формирователя ЦП принимает коды выходного напряжения фильтра с АЦП, управляет величиной потенциала смещения выходного напряжения с датчика посредством первого ЦАП, формирует уровень порога гистерезиса для компаратора посредством второго ЦАП, включает транзисторный ключ при переходе в режим диагностики состояния входных цепей формирователя.

Таким образом, предложенная совокупность признаков изобретения приводит к повышению надежности функционирования формирователя и обеспечивает его реализацию на основе микроконтроллера.

На фиг.2 приведена структурная схема предлагаемого устройства формирователя импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения. Устройство состоит из входного фильтра 1 низкой частоты, компаратора 6, первого ЦАП 2 в качестве источника напряжения смещения сигнала датчика, второго ЦАП 5 в качестве источника опорного сигнала компаратора, компаратора 6, АЦП 3, ЦП 4. При этом выходы индукционного датчика соединены с входами фильтра 1, второй выход индукционного датчика соединен с выходом первого ЦАП 2, выход фильтра 1 соединен с входом АЦП 3, первым входом компаратора 6 и первым выводом шунтирующего резистора R_Ш. Второй вход компаратора 6 соединен с выходом второго ЦАП 5. Второй вывод шунтирующего резистора R_Ш соединен с открытым стоком транзисторного ключа Т, исток транзисторного ключа соединен с общим выводом компаратора 6, АЦП 3, ЦАП 2 и ЦАП 5. Выход АЦП 3, затвор транзисторного ключа Т, входы ЦАП 2 и ЦАП 5, компаратор 6 подключены к ЦП 4. Компаратор 6, транзисторный ключ Т, АЦП 3, ЦАП 2, ЦАП 5 и ЦП 4 являются встроенными компонентами микроконтроллера 7.

Работает устройство следующим образом. ЦП 4 посредством ЦАП 2 формирует напряжение смещения на выходных обмотках датчика, обеспечивая при любом уровне выходного сигнала датчика положительный уровень потенциала на входах АЦП 3 и компаратора 6. АЦП 3 измеряет напряжение на выходе фильтра и передает коды напряжения в ЦП 4, который посредством ЦАП 5 формирует уровни опорного напряжения для компаратора 6 и определяет состояние входных цепей с датчика. В начале фазы подъема выходного сигнала фильтра 1 порог гистерезиса компаратора 6 является высоким, затем после достижения выходного сигнала фильтра 1 уровня высокого порога компаратор 6 срабатывает, и порог гистерезиса меняется центральным процессором 4 на низкий. В фазе снижения выходного сигнала фильтра 1 компаратор 2 срабатывает после достижения этим сигналом уровня низкого порога, после чего центральный процессор 4 подает на опорный вход компаратора 2 посредством ЦАП 5 высокий уровень порога гистерезиса. Величины порогов гистерезиса определяются по значениям напряжения, измеряемого АЦП 3.

В режиме диагностики входных цепей с датчика транзисторный ключ Т открывается, и формируется измерительная цепь из последовательно включенных активного сопротивления обмотки датчика R_Д, сопротивления фильтра R_Ф, шунтирующего сопротивления R_Ш. Цепь запитывается напряжением U_СМ, формируемым ЦАП 2. По величине напряжения U_Ш на шунтирующем сопротивлении R_Ш, измеряемом АЦП 3, центральный процессор 4 определяет состояние входных цепей датчика. В случае исправных входных цепей напряжение U_Ш будет равно: U_Ш=U_СМ·R_Ш/(R_Д+R_Ф+R_Ш). При разрыве входных цепей ток по шунтирующему сопротивлению R_Ш не протекает, и напряжение U_Ш будет равно нулю. При коротком замыкании входных цепей U_Ш будет равно: U_Ш=U_СМ·R_Ш/(R_Ф+R_Ш).

Таким образом, введение в устройство фильтра низкой частоты RC-типа с частотой среза, находящейся в нижней области частотного диапазона формирователя, АЦП, двух ЦАП, шунтирующего резистора, транзисторного ключа и ЦП, обеспечивает фильтрацию высокочастотных помех и практически постоянную амплитуду выходного сигнала индукционного датчика во всей области частот вращения измеряемого ротора, позволяет определить состояние входных цепей с датчика, позволяет реализовать всю схему формирователя импульсов на одной ИМС микроконтроллера, двух резисторах и одном конденсаторе, также повышая тем самым надежность устройства.

Использованные источники

1. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник. / Под общей редакцией Ю.Н.Коптева. Том 1, М.: Издательское предприятие журнала "Радиотехника", 1998 г., стр.52.

2. Патент RU 2173022, С2, МПК 7 Н03К 5/153, опубл. 27.08.2001 г.

3. Патент RU 2399154, С1, МПК Н03К 5/153, G01R 23/02 опубл. 10.09.2010 г.

Формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, содержащий компаратор, отличающийся тем, что в него введены фильтр низкой частоты RC-типа, имеющий частоту среза, находящуюся в нижней области частотного диапазона формирователя, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и два цифроаналоговых преобразователя (ЦАП), шунтирующий резистор, транзисторный ключ и центральный процессор (ЦП), причем выходы индукционного датчика соединены с входами фильтра, второй выход индукционного датчика соединен с выходом первого ЦАП, выход фильтра соединен с входом АЦП, первым входом компаратора и первым выводом шунтирующего резистора, второй вход компаратора соединен с выходом второго ЦАП, второй вывод шунтирующего резистора соединен с открытым стоком транзисторного ключа, исток транзисторного ключа соединен с общим выводом компаратора, АЦП и обоих ЦАП, выход АЦП, затвор транзисторного ключа, входы обоих ЦАП и компаратор подключены к ЦП, а компаратор, транзисторный ключ, АЦП, оба ЦАП и ЦП являются встроенными компонентами микроконтроллера.