PL167348B1

PL167348B1 - Sposób przetwarzania wejsciowego sygnalu napieciowego na wartosc cyfrowa i uklad przetwarzania wejsciowego sygnalu napieciowego na wartosc cyfrowa PL PL

Info

Publication number: PL167348B1
Application number: PL90287106A
Authority: PL
Inventors: Roger L Frick; John P Schulte
Original assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1995-08-31
Also published as: WO1991005267A1; JP2998989B2; US5155445A; BR9007787A; EP0493528B1; CA2065843C; CA2065843A1; US5119033A; RU2137145C1; ATE139033T1; PL287106A1; DE69027329D1; DE69027329T2; EP0493528A4; EP0493528A1; JPH05500716A; CN1027469C; CN1050615A

Abstract

1 Sposób przetw arzania w ejsciowego sygnalu napieciow ego na wartosc cyfrowa, w którym calkuje sie w obw odzie calkujacym w kolejnych fazach sygnaly napieciow e zawierajace pakiety ladunków o przeciwnych polaryzacjach, z których przynajm niej niektóre pakiety zawieraja ladunek bedacy funkcja w ejsciowa sygnalu napieciowego, porów nuje sie wartosc sygnalu wyjsciowego obw odu calkujacego z wartoscia odniesienia j okresla sie, czy wartosc sygnalu wyjsciow ego obwodu calkujacego miesci sie w ustalonym przedziale w artosci sygnalu odniesienia, po czym generuje sie wartosc cyfrowa w ejsciowego sygnalu napieciow ego jako funkcje ilosci pakietów ladunku kazdej polaryzacji, znam ienny tym , ze calkujac sygnaly napieciowe w kolejnych fazach cyklu przetwarzania, zm ienia sie dla tych faz w artosc ladunku w przynajm niej niektórych pakietach ladunków poprzez selektywna zmiane, sygnalem sprzezem a zw rotnego z w yjscia obwodu calku- jacego, polaczen miedzy kondensatoram i obwodu calkujacego, polaczen mie- dzy kondensatorami obwodu pam ieci gromadzacego ladunki 7 Uklad przetw arzania w ejsciow ego sygnalu napieciowego na w artosc cyfrowa zbudow any z obw odu pamieci z kondensatorem , do którego sa dolaczone przez obw ód przelaczajacy sygnaly napieciowe, z których przynajmniej jeden jest w ejsciowym sygnalem napieciowym, przy czym obwód pamieci jest dolaczony poprzez obwód akum ulacji ladunku i obwód synchronizacji do obwodu sterow ania obw odem przelaczajacym i do obwodu obliczajacego wartosc cyfrow a, znamienny tym, ze obwód pamieci (34) zawiera co najmiej jeszcze jeden kondensator (C2), dolaczony równolegle do pierwszego kondensatora (C l), przy czym wyjscie obwodu synchronizacji (46) jest dolaczone takze do nastepnego obwodu sterow ania (40), którego w yjscie jest dolaczone do obwodu przelaczajacego (32) kondensatory (C l, C2) obwodu pamieci (34) Fig. 1 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób przetwarzania wejściowego sygnału napięciowego na wartość cyfrową i układ przetwarzania wejściowego sygnału napięciowego na wartość cyfrową.

Przetwarzanie sygnału napięciowego na wartość cyfrową jest wykorzystywane do przekształcania mierzonego parametru w postać cyfrową w celu zapewnienia bieżącej analizy mierzonego parametru lub dla przesyłania informacji o mierzonym parametrze do zdalnie usytuowanych urządzeń. W systemach sterowania parametr podlegający pomiarowi jest mierzony i oceniany w celu wyznaczenia odpowiedniego do tej oceny nastawienia pętli sterowania. Dla skutecznego funkcjonowania pętli sterowania mają znaczenie takie jej cechy jak szybkość i dokładność. Wszędzie tam, gdzie może być polepszona szybkość działania i dokładność pętli sterowania, uzyskuje się znaczne korzyści ze stosowania systemów sterowania z taką ulepszoną pętlą sterowania.

Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 791 352 dotyczący nadajnika z pomiarem dokładnym i amerykańskie zgłoszenie patentowe nr 07/175627 z dnia 30 marca 1988 r. dotyczące układu pomiarowego ujawniają rozwiązanie o zwiększonej szybkości działania i polepszonej rozdzielczości przetworników mierzonych parametrów. Osiąga się to poprzez zastosowanie konwersji dużej liczby pakietów ładunków, które są gromadzone w obwodzie całkującym. Ilość ładunku w każdym pakiecie zależy od mierzonego parametru. Zgromadzony ładunek jest porównywany z poziomem odniesienia, a wynikowy sygnał wyjściowy jest wykorzystywany jako sygnał sprzężenia zwrotnego do sterowania gromadzeniem pakietów ładunków w obwodzie całkującym. Liczba pakietów ładunków generowana podczas cyklu pomiarowego stanowi odwzorowanie mierzonego parametru. Odwzorowanie cyfrowe mierzonego parametru jest określane na podstawie zliczanych liczb.

Opisane znane układy pomiarowe są zbudowane w oparciu o obwód pamięci z kondensatorem, do którego są doprowadzane poprzez przełączniki sygnały napięciowe, z których przynajmniej jeden jest wejściowym, mierzonym sygnałem napięciowym. Obwód pamięci jest dołączony poprzez obwód całkujący do komparatora, który porównuje ładunek odwzorowujący mierzone napięcie z poziomem odniesienia. Wyjście komparatora jest następnie dołączone do obwodu synchronizacji, który steruje przełącznikami na wejściu układu pomiarowego i obwodem obliczającym wartość cyfrową wejściowego sygnału napięciowego.

Polepszenie dokładności jest osiągane w rozwiązaniu według opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 791 352 poprzez wprowadzenie dokładnej regulacji do każdego cyklu pomiarowego. Regulacją dokładną jest taka regulacja, która zmienia rozdzielczość układu przetwarzania sygnału napięciowego na wartość cyfrową. W pierwszej fazie cyklu pomiarowego kilka pierwszych pakietów ładunków generuje się poprzez pierwszy potencjał pobudzający i realizuje się zgrubną regulację ładunku gromadzonego w obwodzie całkującym. W drugiej fazie cyklu pomiarowego kilka drugich pakietów ładunków generuje się przez drugi potencjał pobudzający, mniejszy od pierwszego. Wartość ładunku w każdym pakiecie ładunków zmienia się w zależności od potencjału pobudzającego i z tego powodu kilka drugich pakietów ładunków zapewnia dokładną regulację w układzie całkującym. Dokładna regulacja zapewnia znacznie większą dokładność wynikowego sygnału cyfrowego, niż regulacja zgrubna.

Znane rozwiązanie według omawianego patentu zapewnia możliwość przetwarzania o zwiększonej szybkości działania i ze zwiększoną rozdzielczością, jednakże generowanie zgrubnych i dokładnych potencjałów pobudzających, przy zastosowaniu rezystancyjnych lub pojemnościowych dzielników napięcia, wzmacniaczy operacyjnych o programowanym wzmocnieniu lub innych dzielników napięcia, powoduje zwiększenie stopnia złożoności rozwiązań układowych i konieczność wprowadzenia większej liczby elementów regulowanych do obwodów elektronicznych. W celu zapewnienia możliwości dogodnego zliczania pakietów ładunków, stosunki podziałów rezystancyjnych dzielników napięcia powinny być dostosowane do liczby całkowitej N, a ponadto, w obu dzielnikach powinno być zapewnione ich wzajemne dopasowanie i dostosowanie do tej samej liczby N. Tak więc istnieje potrzeba wprowadzenia takiej dokładnej regulacji, która odznacza się wymaganą szybkością i rozdzielczością, lecz nie wymaga zwiększenia stopnia złożoności rozwiązań układowych, zapewniających generowanie zgrubnych i dokładnych potencjałów pobudzających.

167 348

Istotą sposobu przetwarzania wejściowego sygnału napięciowego na wartość cyfrową według wynalazku, w którym całkuje się w obwodzie całkującym w kolejnych fazach sygnały napięciowe zawierające pakiety ładunków o przeciwnych polaryzacjach, z których przynajmniej niektóre pakiety zawierają ładunek będący funkcją wejściowego sygnału napięciowego, porównuje się wartość sygnału wyjściowego obwodu całkującego z wartością sygnału odniesienia i określa się, czy wartość sygnału wyjściowego obwodu całkującego mieści się w ustalonym przedziale wartości sygnału odniesienia, po czym generuje się wartość cyfrową wejściowego sygnału napięciowego jako funkcję ilości pakietów ładunku każdej polaryzacji, jest to, że całkując sygnały napięciowe w kolejnych fazach cyklu przetwarzania, zmienia się dla tych faz wartość ładunku w przynajmniej niektórych pakietach ładunków poprzez selektywną zmianę, sygnałem sprzężenia zwrotnego z wyjścia obwodu całkującego, połączeń między kondensatorami obwodu pamięci gromadzącego ładunki.

Korzystne jest, gdy kondensatory obwodu pamięci przełącza się między pierwszą a drugą pozycją, wartość sygnału odniesienia zmienia się między pierwszą a drugą wartością, zaś wartość cyfrowa wejściowego sygnału napięciowego tworzy się z pierwszej wartości cyfrowej, którą generuje się, gdy kondensatory obwodu pamięci są połączone zgodnie z pierwszą pozycją a wartość sygnału wyjściowego obwodu całkującego mieści się w ustalonym przedziale pierwszej wartości sygnału odniesienia, i z drugiej wartości cyfrowej, którą generuje się, gdy kondensatory obwodu pamięci są połączone zgodnie z drugą pozycją a wartość sygnału wyjściowego obwodu całkującego mieści się w ustalonym przedziale drugiej wartości sygnału odniesienia.

Dalsze korzyści uzyskuje się, gdy pakiety ładunku zlicza się dla co najmniej jednej polaryzacji.

Kolejne korzyści z wynalazku uzyskuje się, gdy kondensatory obwodu pamięci przełącza się między pierwszą a drugą pozycją, gdy ilość pakietów ładunku w sygnale napięciowym równa się pierwszej ustalonej liczbie oraz gdy kondensatory obwodu pamięci przełącza się z drugiej na pierwszą pozycję, gdy ilość pakietów ładunku w sygnale napięciowym równa się drugiej ustalonej liczbie.

Korzystne jest ponadto, gdy stosunek pierwszej pojemności elektrycznej, określonej przez pierwsze połączenie między kondensatorami obwodu pamięci, i drugiej pojemności elektrycznej, określonej przez drugie połączenie między kondensatorami obwodu pamięci, ustala się jako 2ⁿ: 1, gdzie n jest liczbą całkowitą.

Istotą układu przetwarzania wejściowego sygnału napięciowego na wartość cyfrową według wynalazku, zbudowanego z obwodu pamięci z kondensatorem, do którego są dołączone przez obwód przełączający sygnały napięciowe, z których przynajmniej jeden jest wejściowym sygnałem napięciowym, przy czym obwód pamięci jest dołączony poprzez obwód akumulacji ładunku i obwód synchronizacji do obwodu sterowania obwodem przełączającym i do obwodu obliczającego wartość cyfrową, jest to, że obwód pamięci zawiera co najmniej jeszcze jeden kondensator, dołączany równolegle do pierwszego kondensatora, przy czym wyjście obwodu synchronizacji jest dołączone także do następnego obwodu sterowania, którego wyjście jest dołączone do obwodu przełączającego kondensatory obwodu pamięci.

Korzystne jest również gdy do wyjścia obwodu obliczającego wartość cyfrową wejściowego sygnału napięciowego jest dołączona, poprzez obwód wyjściowy, pętla transmisyjna.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia schemat nadajnika pętli sterowania z układem przetwarzania według wynalazku, a fig. 2 - schemat nadajnika zbudowanego z dwóch układów przetwarzania według wynalazku.

Przedstawiony na fig. 1 nadajnika 10, zawierający układ przetwarzania realizuje szereg kolejnych cykli pomiarowych w celu przekształcenia sygnału wyjściowego czuj nika mierzonego parametru na sygnał wyjściowy nadajnika o wartości cyfrowej, który jest odwzorowaniem mierzonego parametru.

W przykładzie przedstawionym na fig. 1 nadajnik 10 zawiera obwód tensometryczny 12, który reaguje na przyłożone ciśnienie P. Obwód tensometryczny 12 zawiera mostek rezystancyjny 14 i przedwzmacniacz 16. Mostek rezystancyjny 14 składa się z czterech rezystorów 18, 20, 22, 24 o rezystancji, które są zależne od przyłożonego ciśnienia P. Punkt połączenia

167 348 pierwszego rezystora 18 i czwartego rezystora 24 jest dołączony do źródła napięcia zasilania Vsupply w obwodzie wyjściowym 28. Mostek rezystancyjny 14 jest dołączony do punktu 30 o potencjale odniesienia układu w punkcie połączenia drugiego rezystora 20 i trzeciego rezystora 22. Napięciowy sygnał wyjściowy czujnika odwzorowujący przyłożone ciśnienie P jest doprowadzany do wejścia odwracającego i do wejścia nieodwracającego przedwzmacniacza 16, przy czym wejście odwracające jest połączone z punktem połączenia trzeciego rezystora 22 i czwartego rezystora 24, a wejście nieodwaracające jest połączone z punktem połączenia pierwszego rezystora 18 i drugiego rezystora 20.

Obwód tensometryczny 12 podaje sygnały napięciowe do przełączników obwodu przełączającego 32 układu przetwarzania. Pierwszy sygnał jest sygnałem napięcia zasilania Vr. Drugi, będący sygnałem wyjściowym obwodu tensometrycznego 12, jest wejściowym sygnałem napięciowym VINukładu przetwarzania. Trzeci jest sygnałem napięcia odniesienia Vo układu przetwarzania. Ten trzeci sygnałjest doprowadzany z punktu połączenia drugiego rezystora 20 i trzeciego rezystora 22 oraz z punktu 30 o potencjale odniesienia układu. Sygnały napięciowe Vr, Vin i Vo doprowadzane do układu przetwarzania generują potencjały V) i V2, które są odwzorowaniem ciśnienia P przyłożonego do mostka rezystancyjnego 14. Potencjał V( jest różnicą między Vr a Vin, natomiast potencjał V2 jest różnicą między Vin i Vo.

Nadajnik 10 zawiera, oprócz obwodu przełączającego 32, także obwód pamięci 34, obwód akumulacji 36 ładunków, obwód sterujący 38 i wyjściowy 28. Obwód sterujący 38 zawiera pierwszy obwód sterowania 40 przeznaczony do przełączania kondensatorów obwodu pamięci 34, drugi obwód sterowania 42 przeznaczony do przełączania przełączników obwodu przełączającego 32, obwód obliczający 44 i obwód synchronizacji 46. Obwód synchronizacji 46 steruje cyklami pomiarowymi poprzez sterowanie działaniem pierwszego obwodu sterowania 40, drugiego obwodu sterowania 42 i obwodu obliczającego 44. Obwód obliczający 44 określa wartość cyfrową D odwzorowującą ciśnienie P przyłożone do mostka rezystancyjnego 14.

Sygnały napięciowe Vr, Vin, Vo są doprowadzane odpowiednio do przełączników 48, 50, 52 w obwodzie przełączającym 32. Drugi obwód sterowania 42 steruje przełącznikami 48, 50, 52, w celu selektywnego doprowadzenia sygnałów napięciowych Vr, Vin, Vo do obwodu pamięci 34. Drugi obwód sterowania 42 również steruje przełącznikami 54, 54A, 56, 56A, w celu doprowadzenia wybranych sygnałów napięciowych do obwodu pamięci 34 przy jego dołączeniu do punktu 30.

Obwód pamięci 34 zawiera kondensatory C1 i C2. Przełączniki 54, 54A, 56,56A służą do przełączania kondensatorów C1 i C2 tak, aby obwód pamięci 34 magazynujący ładunki miał regulowaną pojemność. Pierwszy kondensator C1 mający mniejszą pojemność jest wybierany przełącznikami 54A i 56A. Natomiast większa wartość pojemności jest wybierana również poprzez zwarcie przełączników 54 i 56, co ma na celu zapewnienie równoległego włączenia kondensatorów C1 i C2. W jednym z przykładów wykonania wynalazku pierwszy kondensator Cl ma pojemność C, a drugi kondensator C2 ma pojemność (2N - 1)C, gdzie C jest miarą pojemności a N jest uprzednio wybraną liczbą, która wyznacza stosunek pojemności pierwszego kondensatora C1 do drugiego kondensatora C2. Równoległe połączenie pierwszego i drugiego kondensatora C1 i C2 daje wartość pojemności 2Nc.

W cyklu pomiarowym drugi obwód sterowania 42 steruje przełącznikami 48, 50, 52, 54, 54A, 56,56A w obwodzie przełączającym 32, co ma na celu zapewnienie okresowego ładowania i rozładowywania kondensatorów C1, C2 magazujących ładunki w obwodzie pamięci 34. Drugi obwód sterowania 42 najpierw zamyka wybrane przełączniki w obwodzie przełączającym 32, załączając kondensatory Cł, C2 między punkt 30 o potencjale odniesienia układu z wybranych sygnałów napięciowych Vo, Vin, Vr. Wybrany ładunek jest gromadzony w obwodzie pamięci 34, gdy wybrane przełączniki są otwarte. Następnie, drugi obwód sterowania 42 zamyka inne wybrane przełączniki w obwodzie przełączającym 32 dla rozładowania pojemności magazynującej obwodu pamięci 34 i do wygenerowania pakietu ładunków doprowadzanych do wejścia 62 obwodu akumulacji 36 ładunków przez przełącznik 56. Termin pakiet odnosi się do dyskretnej wartości ładunku, który przepływa do pojemności lub z pojemności, gdy jest ona ładowana od pierwszego potencjału napięciowego do drugiego potencjału napięciowego, odmiennego od pierwszego potencjału. Ilość ładunku w pakiecie ładunków jest funkcją pojemności

167 348 magazynującej, potencjału napięciowego przyłożonego, gdy jest ładowana pojemność magazynująca, oraz potencjału napięciowego przyłożonego, gdy pojemność magazynująca jest rozładowywana.

W jednym z przykładów wykonania potencjały napięciowe VI i V2 są selektywnie doprowadzane do obwodu pamięci 34, co ma na celu ładowanie pojemności magazynującej w tym obwodzie pierwszym ładunkiem o pierwszej biegunowości lub drugim ładunkiem o drugiej biegunowości odmiennej od pierwszej biegunowości. Są przy tym generowane pakiety ładunków dodawanych lub odejmowanych poprzez odpowiednio rozładowywanie pierwszego i drugiego ładunku.

W pierwszej fazie cyklu pomiarowego, obwód sterujący 38 steruje pierwszym obwodem sterowania 40 oddziaływując przy tym na drugi obwód sterowania 42, co ma na celu wybór większej wartości pojemności 2 C poprzez zamknięcie przełączników 54, 54A, 56, 56A w obwodzie pamięci 34. Drugi obwód sterowania 42 oddziaływuje na wybrane przełączniki w obwodzie przełączającym 32, co ma na celu okresowe ładowanie i rozładowanie pojemności magazynujących i generowanie pierwszego ciągu dodawanych i odejmowanych pakietów ładunków na wyjściu ładunkowym 62 obwodu przełączającego 32. Liczba poszczególnych dodawanych i odejmowanych pakietów ładunków może się zmieniać, jednakże ogólna liczba pakietów ładunków (Ni + N2) w pierwszym ciągu jest ustalana jako równa uprzednio wybranej liczbie, przy czym:

Ni = zliczonej liczbie pakietów ładunków dostarczających ładunek o wartości (2^N C VI) do obwodu całującego 64;

N2 = zliczonej liczbie pakietów ładunków dostarczających ładunek o wartości (2N C V2) do obwodu całkującego 64.

Poszczególne liczby Nii N2 pakietów ładunków w pierwszym ciągu mogą odpowiadać dodawanym lub odejmowanym pakietom ładunków w zależności od biegunowości napięć V1 i V2, które są doprowadzane do obwodu magazynującego.

Obwód akumulacji 36 ładunków jest dołączony do wyjścia ładunkowego 62 i zawiera obwód całkujący 64, który sumuje dodawane i odejmowane pakiety ładunków z wyjścia ładunkowego 62. Obwód całkujący 64 zawiera wzmacniacz 66 i kondensator całkujący 68. Wejście nieodwracające wzmacniacza 66 jest połączone z punktem 30 o potencjale odniesienia układu. Wejście odwracające wzmacniacza 66 jest połączone z wejściem ładunkowym 62. Kondensator całkujący 68 jest włączony między wejściem odwracającym a wyjściem wzmacniacza 66. Obwód całkujący 64 sumuje pakiety ładunków podawanych do wejścia 62 w wyniku realizacji operacji uśrednienia w czasie prądu wytwarzanego przez pakiety ładunków. Dodawane i odejmowane pakiety ładunków są dodawane lub odejmowane od ładunku zgromadzonego w obwodzie akumulacji 36. Wyjściowy sygnał napięciowy VAjest generowany przez wzmacniacz 66. Odwzorowuje on wartość ładunku zgromadzonego w obwodzie całkującym 64. Wyjściowy sygnał Va jest doprowadzany do wejścia odwracającego komparatora 70. Wejście nieodwracające komparatora 70 jest połączone z punktem 30 o potencjale odniesienia układu i odwzorowuje sygnał odniesienia. Komparator 70 wytwarza sygnał wyjściowy na wyjściu 72, odwzorowujący wynik porównania ładunku sumowanego i ładunku odniesienia.

Obwód synchronizacji 46 kontroluje sygnał wyjściowy na wyjściu 72 komparatora 70 i określa, czy zsumowany ładunek jest większy czy też mniejszy od ładunku odniesienia i w zależności od wyniku kontroli oddziaływuje na drugi obwód sterowania 42, co ma na celu selektywne wygenerowanie dodawanych lub odejmowanych pakietów ładunków, tak aby wartość ładunku przybliżała się do ładunku odniesienia dla pierwszego ustawienia zakresów pomiarów. Pierwsze ustawienie zakresów pomiarów jest określane podczas pierwszej fazy cyklu pomiarowego przez wybranie większej pojemności magazynującej 2Nc i wartości przyłożonego napięcia Vi i V2.

Pierwsze ustawienie zakresów pomiarów określa zgrubną regulację sumowanego ładunku przez obwód całkujący 64 w porównaniu z ładunkiem odniesienia. Równowaga ładunku w

167 348 obwodzie całkującym 64 po zakończeniu pierwszej fazy cyklu pomiarowego przybliża się do równowagi odwzorowanej równaniem (1):

N,2ⁿCV,=N22ⁿCV2 (1)

Podczas drugiej fazy cyklu pomiarowego pierwszy obwód sterowania 40 steruje drugim obwodem sterowania 42, co ma na celu wybieranie mniejszej wartości pojemności C w obwodzie pamięci 34 przez otwarcie przełączników 54 i 56. Drugi obwód sterowania 42 następnie oddziaływuje na wybrane przełączniki w obwodzie przełączającym 32, co ma na celu generowanie drugiego ciągu dodawanych i odejmowanych pakietów ładunków. Ogólna liczba pakietów ładunków (N3 + N4) w drugim ciągu również jest wybieranajako uprzednio ustalona liczba. Przy tym:

N3 = liczbie pakietów ładunków dostarczających ładunek o wartości (CVi) do obwodu całkującego 64;

N4 = liczbie pakietów ładunków dostarczających ładunek o wartości (CV2) do obwodu całkującego 64.

Wartość ładunku w każdym pakiecie ładunków jest mniejsza w drugiej fazie cyklu pomiarowego niż w pierwszej fazie tego cyklu, gdyż każdy pakiet w drugim ciągu jest generowany poprzez rozładowywanie raczej mniejszej pojemności C niż 2Nc. Każdy pakiet ładunków w drugim ciąuu jest sumowany preez obwód całkujący 64. Pierwszy obwód 42 selektywnie genenuje i odejmowane pakiety ładunków tak, ayy ładunek sumowyny przez obwód całkujący 64 zbliżał się do łańcucha odniesienia odpowiadającego drugiemu ustawieniu granic pomiarów. Drugie ustawienie granic pomiarów jest mniejsze niż pierwsze ustawienie granic pomiarów, co warunkuje większą rozdzielczość, ponieważ wartość ładunku w każdym pakiecie ładunków jest mniejsza w drugiej fazie cyklu pomiarowego, niż w pierwszej fazie tego cyklu. Mniejsze pakiety ładunków zapewniają precyzyjną regulację ładunku sumowanego przez obwód całkujący 64. Ładunek sumowany jest równoważony w pierwszej i drugiej fazie cyklu pomiarowego w sposób odwzorowany przez równoważnlj (2):

(N,2NcV,) + (N3CV,) = (N22NcV2) + (N4CV2)

Równanie (2) może być przekształcone w sposób Następujący:

Vi _ 22n 2ⁿ 12 +N V2 N, 2ⁿ + N3 (2) (3)

Wejściowy sygnał napięciowy Vin układu przetwarzania jest zasadniczo proporcjonalny do mierzonego parametru i sygnału napięcia zasilania Vr. Wartość (Vi - Vź) : (Vi + V2) odwzorowuje pod tym względem mierzony parametr, lecz jest niezależna od sygnału napięcia zasilania Vr. Równania (3) po podstawieniu w rówNanie (4) podane poniżej daje w wyniku równanie (5), które odwzorowuje stosunek (V, - Vź) : (V,+ V2) jako zależność od zliczanych liczb Ni, N2, Ν3, N4:

v, - V2 ₌ 1V,: V₂1 - i

Vi ν V: i V i i Vei + 1

Vi - V₂ _ 2ⁿ (N₂ - Ni) + (N₄ - N₃)

Vi + 1-2 2n 2IN )N₂ Ν 2NN N (4+ + N() (4) (5)

W warunkach sterowania, w których wartości (Ni + Ν2) oraz (Ν4 + Ν3) są utrzymywane jako liczby ustalone uprzednio, dzielnik w prawej części równaNia (5) jest wartością utrzymy8

167 348 waną na poziomie stałym przez obwód sterujący 38 oraz przez stosunek 2^N większej i mniejszej pojemności magazynującej. Eliminuje to potrzebę każdorazowej aktualizacji wykonywanej operacji dzielenia.

Lewa część równania (5) może być przepisana w formie zależności od wejściowego sygnału napięciowego Vjn układu przetwarzania i sygnału napięcia zasilania Vr, jak pokazano w równaniu (6):

Vi - V+ ₌ . _ 2(V_1N - -/o)

V, + V₂ (V_R. - V_o) ^{1 }}

Gdy Vo = 0, równania (5) i (6) mogą być połączone razem i wówczas otrzymuje się następujące równanie (7):

wzór

-IN 2- _ 2 2 (Nr - NTQ N N+ - N()

V_R 2 2 [2ⁿ (N₂ + Ni) + (N₄ + N₃)j ⁽

Lewa część równania (7) jest proporcjonalna do wejściowego sygnału napięciowego Vin układu przetwarzania, a prawa część równania (7) jest funkcją liczb pakietów ładunków, zliczanych podczas cyklu pomiarowego. Takie uporządkowanie jest przekształceniem napięcia wejściowego w sygnał cyfrowy odwzorowujący wejściowy sygnał napięciowy Vin układu przetwarzania. Ten sygnał napięciowy jest proporcjonalny do sygnału napięcia zasilania Vr, ponieważ sygnał Vr jest potencjałem, który pobudza mostek rezystancyjny 24. Stosunek Vin/Vr jest więc niezależny od sygnału Vr.

W powyższym równaniu (7) wszystkie wartości liczbowe po prawej stronie równania są liczbami całkowitymi, co upraszcza obliczenia numeryczne. Obliczenia prawej strony równania (7) mogą być dalej uproszczone w dalszym korzystnym przykładzie wykonania wynalazku w celu wyeliminowania potrzeby odejmowania przy każdorazowej aktualizacji sygnału wyjściowego. Liczba N oraz liczby (Ni + N₂) = Ki i (N4 + N3) = K₂w dzielniku równania (7) mogą być liczbami uprzednio wybraaymi pporzze odpowiednie snonstniowame obw obu i z tego powpou dzielnik ten moŃe gyy odwuoNowaay liczbą stałą, zależną od zastosowanego rozwijania układowego. Podstawiając stałe Kii K2 w równanie (7) i upraszczając równanie (7), otrzymuje się następujące równanie (8):

Vn = 2( Ni + N3 /2r gg eee , e- ee₂ ^}

W równaniu (8) dzielnik jest wartością stałą, a wartościami zmiennymi są tylko Ni i N3. Dzielnik staje się więc czynnikiem przeliczającym i obliczenie sygnału wyjściowego może być realizowane przy wykorzystaniu tylko dwóch zmiennych: Ni i Ń3. Równanie (7) może być też przekształcone w taki sposób, że wynik będzie zależny tylko od zmiennych N2 i N4. W ten sposób uproszczone zostają obliczenia realizowane pazez obwód obliczający 44.

Zgodnie z równaniami (7) i (8), obwód obliczający 44 może określać wartość liczbową D na podstawie zliczanych liczb pakietów ładunków. Wartość liczbowa D odwzorowuje ciśnienie P przyłożone do mostka aezystancyjyegN i4. Każdy następny cykl pomiarowy aktualizuje wartość liczbową D, a obwód obliczający 44 wyprowadza tę liczbę na jego wyjście 74. Obwód wyjściowy 28 jest dołączony do wyjścia 74 i przekształca każdą wartość D w sygnał analogowy, na przykład prądowy, któay jest przesyłany do zdalnie usytuowanego urządzenia pętlą transmisyjną 76. Pętla transmisyjna 76 może być linią dwuprzewodową 4-20 miliamperową. Obwód sterujący 38 generuje każdą zaktualizowaną wartość cyfrową D ze stałą częstotliwością, ponieważ ta wartość jest określana na podstawie ogólnej liczby pakietów ładunków, jaka jest geneaowana podczas każdej fazy cyklu pomiarowego. To upraszcza przekształcenie cyfrowo167 348 analogowe realizowane przez obwód wyjściowy 28, gdyż aktualizacji dokonuje się w uprzednio ustalonym czasie.

Obwód obliczający 14 steruje operacją zapamiętywania ostatecznych zliczanych liczb N1, N2, N3, N4 poszczególnych dodawanych i odejmowanych pakietów ładunków podczas każdej fazy cyklu pomiarowego i steruje obliczaniem wartości cyfrowych D pod koniec każdego cyklu pomiarowego.

Jakakolwiek nierównowaga stanu obwodu całkującego 64 po zgrubnym i dokładnym dostrojeniu jest przenoszona na następny cykl pomiarowy. Błędy w ciągu wartości liczbowych D mają tendencję być uśrednionymi na poziomie zerowym lub znoszą się w ciągu określonego czasu. Sygnał wyjściowy nadajnika 10 w pętli transmisyjnej 76 uśredniony w pewnym przedziale czasowym jest przez to pozbawiony błędów spowodowanych pozostałością ładunków w obwodzie całkującym 64 w końcu każdego cyklu pomiarowego. Zastosowanie mniejszych i większych wartości pojemności zapewnia precyzyjną regulację o wymaganym połączeniu zwiększonej szybkości działań i rozdzielczości.

W innym przykładzie realizacji wynalazku (nie przedstawionym na rysunku), który może stanowić alternatywne rozwiązanie w odniesieniu do opisanego powyżej, można zastosować w obwodzie pamięci 34 więcej, niż dwa kondensatory Cl, C2 i zapewnić możliwość uzyskania większej liczby wybieralnych wartości. Cykl pomiarowy wówczas jest dzielony odpowiednio tak, aby zapewnić dodatkowe poziomy rozdzielczości, oprócz regulacji zgrubnej i dokładnej, opisanych powyżej. Przy każdym poziomie rozdzielczości są generowane dodatkowe pakiety ładunków, w celu zrównoważenia zsumowanego ładunku względem ładunku odniesienia. Liczby dodatkowych generowanych pakietów ładunków są zliczane i dodawane jako nowe składniki do równania (2). Obwód obliczający 44 jest regulowany tak, aby zapewnić przetwarzanie dodatkowych zliczanych liczb i przez to zwiększyć dokładność wartości liczbowej D.

Zastosowany w opisanym przykładzie obwód polaryzacji 90 zapewnia ustawienie zerowego sygnału mostka rezystancyjnego 14 w czasie wytwarzania urządzenia przez producenta. Obwód polaryzacji 90 może zawierać obwód rezystorowy R - 2R dołączony do przełączników 92, jak pokazano na fig. 1, które mogą być ustawione w każdym z trzech położeń. Można zastosować także inny obwód polaryzacji, na przykład jeden ze znanych przetworników cyfrowo-analogowych. W czasie przetwarzania, przełączniki 92 są regulowane przy jednoczesnej obserwacji wyjściowego sygnału elektrycznego mostka rezystancyjnego 14 aż do momentu otrzymania na wyjściu tego mostka 14 sygnału o wymaganym poziomie.

Na figurze 2 przedstawiony jest schemat innego nadajnika zawierający dwa układy przetwarzania według wynalazku. Dwa układy przetwarzania przekształcają napięcie w wartości cyfrowe odwzorowujące ciśnienie i temperaturę, przyłożone do obwodu tensometrycznego. Układy przetwarzania są tak połączone w celu generowania cyfrowego odwzorowania ciśnienia skorygowanego temperaturowo i temperatury skorygowanej ciśnieniowo.

Obwód tensometryczny 110 zawiera mostek rezystancyjny 112 oraz przedwzmacniacz 114. Mostek rezystancyjny 112 zawiera cztery rezystory 116, 118, 120, 122. Przedwzmacniacz 114 ma wejście odwracające i wejście nieodwracające, które są dołączone do mostka rezystancyjnego 112 odpowiednio w punkcie połączenia pierwszego rezystora 116 i drugiego rezystora 118 oraz w punkcie połączenia trzeciego rezystora 120 i czwartego rezystora 122. Przedwzmacniacz 114 jest również włączony między źródłem napięcia zasilania Vsupply a punktem 124 o potencjale odniesienia układu. Mostek rezystancyjny 112 jest dołączony do punktu 124 o potencjale odniesienia układu w punkcie połączenia drugiego rezystora 118 i trzeciego rezystora 120. Rezystor precyzyjny 126 jest włączony między źródłem napięcia zasilania Vsupply a mostkiem rezystancyjnym 112 w punkcie połączenia pierwszego rezystora 116 i czwartego rezystora 122.

Układ przetwarzający 100 dla obwodu tensometrycznego 110 zawiera pierwszy 130idrugi 132 układy przetwarzania. Pierwszy 130 i drugi 132 układy przetwarzania są zrealizowane zgodnie z niniejszym wynalazkiem, jak opisano powyżej. Pierwszy układ przetwarzania 130 zawiera pierwszy obwód przełączający 134, pierwszy obwód pamięci 136, pierwszy obwód sterowania 138 przeznaczony do przełączania pojemności pierwszego obwodu pamięci 136, pierwszy obwód akumulacji 140 ładunków, wspólny obwód sterowania 142 przeznaczony do

167 348 przełączania przełączników obwodów przełączających 134 i 150, obwód synchronizacji 144 oraz obwód obliczający 146. Pierwszy obwód przełączający 134 ma wejścia napięciowe, do których są doprowadzane sygnały napięciowe Vr, Vin, Vo. Zasilający sygnał napięciowy Vr jest uzyskiwany ze źródła napięcia zasilania Vsuplly i wyznacza poziom odniesienia potencjału napięciowego przyłożonego do mostka rezystancyjnego 112. Sygnał napięciowy odniesienia Vo ma potencjał punktu 124 o potencjale odniesienia układu. Na wyjściu przedwzmacniacza 114 jest uzyskiwany wyjściowy sygnał napięciowy ViN. co ma na celu uzyskanie napięciowych sygnałów wejściowych odwzorowujących ciśnienie P i temperaturę T przyłożone do mostka rezystancyjnego 112. Wspólny obwód sterowania 142 steruje pierwszym obwodem przełączającym 134 dla zapewnienia selektywnego doprowadzenia sygnałów napięciowych Vr, Vin, Vo do pierwszego obwodu pamięci 136, przy czym pierwszy układ przetwarzania 130 dokonuje pomiarów w celu uzyskania wartości cyfrowych odwzorowujących ciśnienie P i temperaturę T przyłożone do mostka rezystancyjnego 112.

Rezystancje rezystorów 116,118,120,122 mostka rezystancyjnego 112 są czułe na zmiany temperatury, co powoduje, że napięcie wyjściowe tego mostka zmienia się w zależności od temperatury. Aby przezwyciężyć ten problem, mostek rezystancyjny 112 jest zasilany elektrycznie napięciem zasilania Vsupply przez rezystor precyzyjny 126, który jest względnie nieczuły na temperaturę mostka rezystancyjnego 112. Spadek napięcia na rezystorze precyzyjnym 126 jest wobec tego funkcją temperatury T mostka rezystancyjnego 112. Sygnał równy spadkowi napięcia na rezystorze precyzyjnym 126 jest doprowadzany do drugiego obwodu przełączającego 150 w drugim układzie przetwarzania 132 jako kolejne sygnały napięciowe Vr, Vin. Sygnał napięciowy odniesienia Vo drugiego obwodu przełączającego 150 ma potencjał punktu 124 o potencjale odniesienia układu. Drugi układ przetwarzania 132 zawiera drugi obwód przełączający 150, drugi obwód pamięci 152, drugi obwód sterowania 154 przeznaczony do przełączania pojemności drugiego obwodu pamięci 152, drugi obwód akumulacji 156 ładunku oraz wspólny obwód sterowania 142, obwód synchronizacji 144 i obwód obliczający 146. Spadek napięcia na rezystorze precyzyjnym 126 jest przetwarzany przez drugi układ przetwarzania 132 w cyfrową reprezentację wyznaczającą temperaturę mostka rezystancyjnego 112 obwodu tensometrycznego 110.

Pierwszy i drugi układy przetwarzania 130 i 132 wykorzystują razem wspólny obwód sterowania 142, obwód synchronizacji 144 i obwód obliczający 146. Zmniejsza to liczbę elementów składowych układu przetwarzającego 100 obwodu tensometrycznego 110. Ponieważ obwód synchronizacji 144 jest wspólny dla pierwszego i drugiego układu przetwarzania 130 i 132, działanie obu układów przetwarzania jest korzystnie synchronizowane w ten sposób, że te dwa układy przetwarzania rozpoczynają i kończą cykle pomiarowe w jednym czasie. Cyfrowe reprezentacje ciśnienia P i temperatury T są przez to wzajemnie korelowane, umożliwiając proste obliczenia, wykonywane przez obwód obliczający 146, cyfrowej reprezentacji ciśnienia P przyłożonego do mostka rezystancyjnego 112 skorygowanego względem temperatury T przy zastosowaniu tylko najbardziej aktualnych wartości zmierzonego ciśnienia P i temperatury T.

Układ przetwarzający 100 dla obwodu tensometrycznego 110, obwód tensometryczny 110 i rezystor precyzyjny 126 stanowią łącznie nadajnik, korzystnie zrealizowany w postaci jednego układu scalonego wykonanego w technologii komplementarnych przyrządów półprzewodnikowych MOS. To zapewnia, że nadajnik odznacza się małymi wymiarami i małym zużyciem energii elektrycznej.

167 348

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz

Cena 1,50 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób przetwarzania wejściowego sygnału napięciowego na wartość cyfrową, w którym całkuje się w obwodzie całkującym w kolejnych fazach sygnały napięciowe zawierające pakiety ładunków o przeciwnych polaryzacjach, z których przynajmniej niektóre pakiety zawierają ładunek będący funkcją wejściową sygnału napięciowego, porównuje się wartość sygnału wyjściowego obwodu całkującego z wartością odniesienia i określa się, czy wartość sygnału wyjściowego obwodu całkującego mieści się w ustalonym przedziale wartości sygnału odniesienia, po czym generuje się wartość cyfrową wejściowego sygnału napięciowego jako funkcję ilości pakietów ładunku każdej polaryzacji, znamienny tym, że całkując sygnały napięciowe w kolejnych fazach cyklu przetwarzania, zmienia się dla tych faz wartość ładunku w przynajmniej niektórych pakietach ładunków poprzez selektywną zmianę, sygnałem sprzężenia zwrotnego z wyjścia obwodu całkującego, połączeń między kondensatorami obwodu całkującego, połączeń między kondensatorami obwodu pamięci gromadzącego ładunki.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kondensatory obwodu pamięci przełącza się między pierwszą a drugą pozycją, wartość sygnału odniesienia zmienia się między pierwszą, a drugą wartością zaś wartość cyfrową wejściowego sygnału napięciowego tworzy się z pierwszej wartości cyfrowej, którą generuje się, gdy kondensatory obwodu pamięci są połączone zgodnie z pierwszą pozycją a wartość sygnału wyjściowego obwodu całkującego mieści się w ustalonym przedziale pierwszej wartości sygnału odniesienia, i z drugiej wartości cyfrowej, którą generuje się, gdy kondensatory obwodu pamięci są połączone zgodnie z drugą pozycją a wartość sygnału wyjściowego obwodu całkującego mieści się w ustalonym przedziale drugiej wartości sygnału odniesienia.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pakiety ładunku zlicza się dla co najmniej jednej polaryzacji.
4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że kondensatory obwodu pamięci przełącza się między pierwszą a drugą pozycją, gdy ilość pakietów ładunku w sygnale napięciowym równa się pierwszej ustalonej liczbie.
5. Sposób według zastrz. 2 albo 4, znamienny tym, że kondensatory obwodu pamięci przełącza się z drugiej na pierwszą pozycję, gdy ilość pakietów ładunku w sygnale napięciowym równa się drugiej ustalonej liczbie.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek pierwszej pojemności elektrycznej, określonej przez pierwsze połączenie między kondensatorami obwodu pamięci, i drugiej pojemności elektrycznej, określonej przez drugie połączenie między kondensatorami obwodu pamięci, ustala się jako 2ⁿ: 1, gdzie n jest liczbą całkowitą.
7. Układ przetwarzania wejściowego sygnału napięciowego na wartość cyfrową zbudowany z obwodu pamięci z kondensatorem, do którego są dołączone przez obwód przełączający sygnały napięciowe, z których przynajmniej jeden jest wejściowym sygnałem napięciowym, przy czym obwód pamięci jest dołączony poprzez obwód akumulacji ładunku i obwód synchronizacji do obwodu sterowania obwodem przełączającym i do obwodu obliczającego wartość cyfrową, znamienny tym, że obwód pamięci (34) zawiera co najmiej jeszcze jeden kondensator (C2), dołączony równolegle do pierwszego kondensatora (C1), przy czym wyjście obwodu synchronizacji (46) jest dołączone także do następnego obwodu sterowania (40), którego wyjście jest dołączone do obwodu przełączającego (32) kondensatory (Cl, C2) obwodu pamięci (34).
8. Układ według zastrz. 7, znamienny tym, że do wyjścia obwodu obliczającego (44) wartość cyfrową wejściowego sygnału napięciowego jest dołączona, poprzez obwód wyjściowy (28), pętla transmisyjna (76).

* * *

167 348