PL156355B1 - Sposób cyfrowego pomiaru napięcia stałego i układ do cyfrowego pomiaru napięcia stałego - Google Patents

Abstract

1. Sposób cyfrowego pomiaru napięcia stałego realizowany w układzie zawierającym układ wzmacniaczy połączony z przetwornikiem analogowocyfrowym i układem skalujących napięć wzorcowych, w którym mierzone napięcie podawane jest na wejście układu wzmacniaczy, polegający na tym, że zakres pomiarowy układu dzieli się na przedziały odpowiadające zakresom pomiarowym ustalonym przez skalujące napięcie wzorcowe przy podstawowej wartości wzmocnienia układu wzmacniaczy, a następnie przy tej samej wartości wzmocnienia mierzy się wstępnie napięcie celem określenia właściwego zakresu pomiarowego, znamienny tym, że pomiar napięcia odbywa się w jednej, dodatniej albo ujemnej, części charakterystyki przetwornika (2) analogowo-cyfrowego, zaś przed określeniem właściwego zakresu pomiarowego dostosowuje się fazę mierzonego napięcia do wybranej części charakterystyki przetwornika (2) analogowocyfrowego, natomiast po określeniu właściwego zakresu pomiarowego włącza się ten zakres, zwiększając wzmocnienie układu wzmacniaczy (1) k-krotnie w stosunku do podstawowej wartości wzmocnienia, gdzie k oznacza ilość jednakowych przedziałów pomiarowych, i jednocześnie podając na dodatkowe wejście układu wzmacniaczy (1) pomocnicze napięcie o wartości zbliżonej do dolnego granicznego napięcia określonego zakresu pomiarowego, zmniejszające bezwzględną wartość k-krotnie wzmacnianych sygnałów odpowiadających granicznym napięciom wzorcowym określonego zakresu..................

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób cyfrowego pomiaru napięcia stałego i układ do cyfrowego pomiaru napięcia stałego o dowolnej polaryzacji. Wynalazek może znaleźć zastosowanie w urządzeniach przeznaczonych do bardzo dokładnych pomiarów napięcia stałego, zwłaszcza napięcia elektrod jonoselektywnych w pomiarach stężeń jonów w roztworach chemicznych.

Znany jest sposób pomiaru napięcia stałego, realizowany w układzie składającym się ze wzmacniacza napięcia połączonego z przetwornikiem analogowo-cyfrowym i układem skalujących napięć wzorcowych, polegający na tym, że zakres pomiarowy układu dzieli się na przedziały odpowiadające zakresom pomiarowym ustalonym przez skalujące napięcie wzorcowe. Zakresom tym przyporządkowane są wartości wzmocnienia wzmacniacza, dostosowujące układ do wartości mierzonego napięcia, celem maksymalnego wykorzystania zakresu pomiarowego przetwornika analogowo-cyfrowego. Podział na przedziały i określenie z pomiaru napięcia właściwego zakresu przeprowadza się przy wartości wzmocnienia dla zakresu najwyższego. Wybór zakresu może być

156 355 także dokonany z wykorzystaniem informacji o przekroczeniu w pomiarach na kolejnych zakresach. Po wybraniu zakresu pomiarowego, w którym zawarta jest wartość mierzonego napięcia, wykonuje się właściwy pomiar, po uprzednim wyskalowaniu tego zakresu granicznymi napięciami wzorcowymi. W pomiarach tych zmienna rozdzielczość powoduje, że bezwzględna niedokładność pomiaru, przyjmując najniższą wartość na zakresie najniższym, jest różna dla poszczególnych zakresów. Wymagana w pomiarach elektrochemicznych stała niedokładność bezwzględna w całym zakresie pomiarowym realizowana jest przez stosowanie przetworników analogowo-cyfrowych o dużej dokładności, rozdzielczości i wysokich kosztach.

Wzmacniacze napięcia wykorzystywane w znanych rozwiązaniach zawierają wejściowy wzmacniacz różnicowy, połączony z jednowejściowym wzmacniaczem o przełączanym wzmocnieniu, dostosowującym wartość sygnału do zakresu pomiarowego przetwornika analogowocyfrowego. Praca układu pomiarowego przebiega w dodatnim i ujemnym zakresie przetwornika analogowo-cyfrowego.

Sposób cyfrowego pomiaru napięcia stałego, realizowany w układzie zawierającym układ wzmacniaczy połączony z przetwornikiem analogowo-cyfrowym i układem skalujących napięć wzorcowych, w którym mierzone napięcie podawane jest na wejściu układu wzmacniaczy, polega na tym, że zakres pomiarowy układu dzieli się na przedziały odpowiadające zakresom pomiarowym ustalonym przez skalujące napięcie wzorcowe przy podstawowej wartości wzmocnienia układu wzmacniaczy. Następnie przy takiej samej wartości wzmocnienia mierzy się wstępnie napięcie celem określenia właściwego zakresu pomiarowego. Pomiar napięcia odbywa się w jednej, dodatniej albo ujemnej, części charakterystyki przetwornika analogowo-cyfrowego. Przed określeniem właściwego zakresu pomiarowego dostosowuje się fazę mierzonego napięcia do wybranej części charakterystyki przetwornika analogowo-cyfrowego. Po określeniu właściwego zakresu pomiarowego włącza się ten zakres, zwiększając wzmocnienie układu wzmacniaczy k-krotnie w stosunku do podstawowej wartości wzmocnienia, gdzie k oznacza ilość jednakowych przedziałów pomiarowych, i jednocześnie podając na dodatkowe wejście układu wzmacniaczy pomocnicze napięcie o wartości zbliżonej do dolnego granicznego napięcia określonego zakresu pomiarowego, zmniejszające bezwzględną wartość k-krotnie wzmacnianych sygnałów odpowiadających granicznym napięciom wzorcowym określonego zakresu pomiarowego przy skalowaniu tego zakresu i napięciu mierzonemu przy pomiarze.

Układ do cyfrowego pomiaru napięcia stałego, zawiera układ wzmacniaczy, w skład którego wchodzi wejściowy wzmacniacz różnicowy i wzmacniacz o przełączanym wzmocnieniu. Do wejściowego wzmacniacza różnicowego dołączone jest jedno wyjście układu skalujących napięć wzorcowych, a do wyjścia układu wzmacniaczy dołączony jest przetwornik analogowo-cyfrowy. Wyjście wejściowego wzmacniacza różnicowego połączone jest z jednym wejściem elektronicznego przełącznika i poprzez inwerter z drugim wejściem elektronicznego przełącznika, którego wyjście z kolei połączone jest z jednym wejściem wzmacniacza o przełączanym wzmocnieniu, zaś drugie wejście wzmacniacza o przełączanym wzmocnieniu, stanowiące drugie wejście układu wzmacniaczy, dołączone jest do drugiego wyjścia układu skalujących napięć wzorcowych. Pomiędzy wyjściem wzmacniacza o przełączanym wzmocnieniu i przetwornikiem analogowo-cyfrowym włączony jest dopasowujący człon.

Sposób cyfrowego pomiaru napięcia stałego i układ do pomiaru tego napięcia według wynalazku pozwalają na uzyskanie bardzo dokładnych wyników przy jednoczesnym wyeliminowaniu rozbudowanych i drogich przetworników analogowo-cyfrowych. Zapewniono stałą rozdzielczość pomiaru w całym zakresie, w stosunku do rozdzielczości stosowanego przetwornika analogowocyfrowego, zwiększoną k-krotnie. Pomiar według wynalazku nadaje się zwłaszcza w elektrochemicznych metodach wyznaczania stężeń jonów w roztworach z użyciem wymagających kalibracji elektrod jonoselektywnych, dając jednocześnie możliwość stosowania źródeł prądowo-napięciowych dla polaryzacji roztworów, powiększających wymagany zakres pomiarowy.

Zastosowanie inwertera w układzie wzmacniacza pozwala na odsunięcie charakterystyki układu pomiarowego od początkowej strefy nieczułości i górnej granicy zakresu przetwornika analogowo-cyfrowego, w celu wyeliminowania wpływu zakłóceń występujących w pomiarach z

156 355 elektrodami jonoselektywnymi w postaci przydźwięku sieci. Wynik pomiaru napięcia nie jest obarczony niestałością charakterystyki przetwarzania analogowo-cyfrowego.

Wynalazek w przykładzie wykonania jest pokazany na rysunku, na którym przedstawiono schemat blokowy układu do cyfrowego pomiaru napięcia stałego.

Sposób cyfrowego pomiaru napięcia stałego realizowany jest w układzie przedstawionym na rysunku, zawierającym układ wzmacniaczy 1 połączony z przetwornikiem 2 analogowo-cyfrowym i układem 3 skalujących napięć wzorcowych. Pomiar napięcia podawanego na wejście układu wzmacniaczy 1 polega na tym, że zakres pomiarowy układu dzieli się na równe przedziały w ilości k, odpowiadające zakresom pomiarowym ustalonym poprzez określenie wskazań przetwornika 2 analogowo-cyfrowego dla k skalujących napięć wzorcowych. Podział na przedziały dokonuje się przy podstawowej wartości wzmocnienia układu wzmacniaczy 1, wynoszącej (- -LtL ko) k gdzie ko jest transmitancją napięciową części układu wzmacniaczy 1, dostosowującą zakres mierzonych napięć do zakresu pomiarowego przetwornika 2 analogowo-cyfrowego. Pomiar napięcia odbywa się w jednej, dodatniej albo ujemnej, części charakterystyki przetwornika 2 analogowocyfrowego. Dlatego też dostosowuje się fazę mierzonego napięcia do wybranej części charakterystyki przetwornika 2 analogowo-cyfrowego. Następnie przy tej samej, podstawowej wartości wzmocnienia, mierzy się wstępnie napięcie, celem określenia właściwego zakresu pomiarowego. Po określeniu właściwego zakresu pomiarowego włącza się ten zakres poprzez k-krotne zwiększenie wzmocnienia w stosunku do podstawowej wartości wzmocnienia i jednoczesne podanie na dodatkowe wejście o wzmocnieniu (1 + k)ko układu wzmacniaczy 1 pomocniczego napięcia o wartości zbliżonej do dolnego granicznego napięcia określonego zakresu pomiarowego. Pomocnicze napięcie zmniejsza bezwzględną wartość k-krotnie wzmacnianych sygnałów odpowiadających granicznym napięciom wzorcowym określonego zakresu pomiarowego przy skalowaniu tego zakresu i napięciu mierzonemu przy pomiarze. W efekcie wartość mierzonego napięcia jest funkcją wskazań przetwornika 2 analogowo-cyfrowego, otrzymanych przy zwiększonym wzmocnieniu oraz funkcją wartości skalujących napięć wzorcowych określonego zakresu pomiarowego.

Przykładowy układ do cyfrowego pomiaru napięcia stałego zawiera układ wzmacniaczy 1, posiadający wejściowy wzmacniacz różnicowy 4, którego wyjście połączone jest z jednym wejściem elektronicznego przełącznika 5 i poprzez inwerter 6 z drugim wejściem elektronicznego przełącznika 5. Wyjście elektronicznego przełącznika 5 z kolei połączone jest z jednym wejściem wzmacniacza 7 o przełączanym wzmocnieniu, którego wyjście połączone jest z dopasowującym członem 8. Wyjście dopasowującego członu 8 stanowi wyjście układu wzmacniaczy 1. Do wyjścia układu wzmacniaczy 1 dołączony jest przetwornik 2 analogowo-cyfrowy. Z wejściem układu wzmacniaczy 1 połączone jest pierwsze wyjście układu 3 skalujących napięć wzorcowych, natomiast z drugim wejściem układu wzmacniaczy 1, będącym drugim wejściem wzmacniacza 7 o przełączanym wzmocnieniu, połączone jest drugie wyjście układu 3 skalujących napięć wzorcowych.

Działanie układu pomiarowego rozpoczyna się od określenia zakresów pomiarowych. Czynność tę wykonuje się po włączeniu zasilania lub na życzenie, zależnie od stabilności charakterystyki przetwarzania analogowo-cyfrowego. Zakresy te wyznacza się ze wskazań przetwornika 2 analogowo-cyfrowego, podając na wejście odwracające fazę wejściowego wzmacniacza różnicowego 4, napięcia w ilości k z pierwszego wyjścia układu 3 skalujących napięć wzorcowych. Napięcia te pobiera się z rezystancyjnego dzielnika napięcia odniesienia, zbudowanego z rezystorów o jednakowej wartości rezystancji. Odpowiadający sygnał, po odwróceniu fazy przez inwerter 6, podawany jest przez elektroniczny przełącznik 5 na pierwsze wejście wzmacniacza 7 o przełączanym wzmocnieniu ustawionym na wartość

1+k (--)·

156 355

Na drugie wejście tego wzmacniacza 7 podawane jest pomocnicze napięcie z drugiego wyjścia układu 3 skalujących napięć wzorcowych o wartości O V. Dalej sygnał z wyjścia wzmacniacza 7 o przełączanym wzmocnieniu, po przejściu przez dopasowujący człon 8, podawanyjest na przetwornik 2 analogowo-cyfrowy, którego wskazania dla poszczególnych skalujących napięć wzorcowych wyznaczają zakresy pomiarowe. Następnie przy zachowaniu wartości wzmocnienia i wartości pomocniczego napięcia, na wejście wejściowego wzmacniacza różnicowego 4 podaje się napięcie mierzone, dostosowując inwerterem 6 i elektronicznym przełącznikiem 5 fazę sygnału do podzielonego zakresu przetwornika 2 analogowo-cyfrowego. Przedział, w którym zawarte jest wskazanie przetwornika 2 analogowo-cyfrowego przy napięciu mierzonym określa zakres pomiarowy.

Skalowanie napięciami graniczynmi, jak i pomiar, wykonuje się przy k-krotnie zwiększonym w stosunku do podstawowego wzmocnienia, wzmocnieniu wzmacniacza 7 o przełączanym wzmocnieniu i podaniu na drugie wejście tego wzmacniacza 7 (przy wzmocnieniu (1 + k) pomocniczego napięcia z drugiego wyjścia układu 3 skalujących napięć wzorcowych, będącego dolnym granicznym napięciem skalującym określonego zakresu pomiarowego.

Występujący w układzie wzmacniaczy 1 dopasowujący człon 8 zmniejsza nachylenie i wprowadza przesunięcie charakterystyki przetwarzania analogowo-cyfrowego, mające na celu dostosowanie zakresu układu pomiarowego do zakresu przetwornika 2 analogowo-cyfrowego oraz umożliwienie pracy z dużym poziomem przydźwięku sieci na sygnale mierzonym.

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 3000 zł

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób cyfrowego pomiaru napięcia stałego realizowany w układzie zawierającym układ wzmacniaczy połączony z przetwornikiem analogowocyfrowym i układem skalujących napięć wzorcowych, w którym mierzone napięcie podawane jest na wejście układu wzmacniaczy, polegający na tym, że zakres pomiarowy układu dzieli się na przedziały odpowiadające zakresom pomiarowym ustalonym przez skalujące napięcie wzorcowe przy podstawowej wartości wzmocnienia układu wzmacniaczy, a następnie przy tej samej wartości wzmocnienia mierzy się wstępnie napięcie celem określenia właściwego zakresu pomiarowego, znamienny tym, że pomiar napięcia odbywa się w jednej, dodatniej albo ujemnej, części charakterystyki przetwornika (2) analogowocyfrowego, zaś przed określeniem właściwego zakresu pomiarowego dostosowuje się fazę mierzonego napięcia do wybranej części charakterystyki przetwornika (2) analogowo-cyfrowego, natomiast po określeniu właściwego zakresu pomiarowego włącza się ten zakres, zwiększając wzmocnienie układu wzmacniaczy (1) k-krotnie w stosunku do podstawowej wartości wzmocnienia, gdzie k oznacza ilość jednakowych przedziałów pomiarowych, i jednocześnie podając na dodatkowe wejście układu wzmacniaczy (1) pomocnicze napięcie o wartości zbliżonej do dolnego granicznego napięcia określonego zakresu pomiarowego, zmniejszające bezwzględną wartość kkrotnie wzmacnianych sygnałów odpowiadających granicznym napięciom wzorcowym określonego zakresu pomiarowego przy skalowaniu tego zakresu i napięciu mierzonemu przy pomiarze.

2. Układ do cyfrowego pomiaru napięcia stałego, zawierający układ wzmacniaczy, w skład którego wchodzi wejściowy wzmacniacz różnicowy i wzmacniacz o przełączanym wzmocnieniu, przy czym do wejściowego wzmacniacza różnicowego dołączone jest jedno wyjście układu skalujących napięć wzorcowych, a do wyjścia układu wzmacniaczy dołączonyjest przetwornik analogowocyfrowy, znamienny tym, że wyjście wejściowego wzmacniacza różnicowego (4) połączone jest z jednym wejściem elektronicznego przełącznika (5) i poprzez inwerter (6) z drugim wejściem elektronicznego przełącznika (5), którego wyjście z kolei połączone jest z jednym wejściem wzmacniacza (7) o przełączanym wzmocnieniu, zaś drugie wejście wzmacniacza (7) o przełączanym wzmocnieniu, stanowiące drugie wejście układu wzmacniaczy (1), dołączone jest do drugiego wyjścia układu (3) skalujących napięć wzorcowych, natomiast pomiędzy wyjściem wzmacniacza (7) o przełączanym wzmocnieniu i przetwornikiem (2) analogowo-cyfrowym włączony jest dopasowujący człon (8).