RU2091799C1

RU2091799C1 - Pulse-number linearizer for transducer output characteristic

Info

Publication number: RU2091799C1
Authority: RU
Inventors: А.М. Гнеушев; И.А. Пиркин; Г.Ю. Лысенко
Original assignee: Всесоюзный научно-исследовательский институт неорганических материалов им.акад.А.А.Бочвара
Priority date: 1991-05-27
Filing date: 1991-05-27
Publication date: 1997-09-27

Abstract

FIELD: instrumentation engineering; digital devices with measuring transducers having nonlinear characteristic. SUBSTANCE: linearizer has sync pulse generator 1, linear frequency divider 2, linear accumulator 3, indicating panel 4, controlled frequency divider 5, correcting divider 6, output register 7, output digital-to-analog converter 8, reversing counter 9, input register 10, digital comparator 11. EFFECT: provision for displaying measurement results in digital and analog form. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при создании цифровых приборов с первичными преобразователями, имеющими нелинейную характеристику, например, в неразрушающем контроле толщины покрытий. The invention relates to the field of measurement technology and can be used to create digital devices with primary converters having a non-linear characteristic, for example, in non-destructive testing of coating thickness.

Задача линеаризации нелинейных характеристик сводится к двум решениям. Первое это непосредственное преобразование число-импульсных величин, приходящих с датчика в линейную с помощью различных линеаризаторов. Это решение не позволяет достичь хорошей точности линеаризации из-за ступенчатости или кусочно-линейности ее характеристики. Второе решение это накопление число-импульсных величин в буферный регистр за время измерения, а затем по мере надобности производится цифровая обработка содержимого регистра по определенному алгоритму, причем, в памяти регистра должна храниться характеристика нелинейного первичного преобразователя, заданная с определенным шагом. Такое решение требует больших объемов памяти со сложным устройством управления или применение ЭВМ в памяти которой должна быть заложена характеристика данного нелинейного датчика в виде разложения в ряд, что не всегда бывает возможно математически описать характер нелинейности. Это решение позволяет достичь большей точности по сравнению с первым, но требует увеличения сложности как конструктивной, так и элементной базы. The problem of linearizing nonlinear characteristics reduces to two solutions. The first is the direct conversion of the number-of-pulse quantities coming from the sensor into a linear one using various linearizers. This solution does not allow to achieve good linearization accuracy due to the stepping or piecewise linearity of its characteristics. The second solution is the accumulation of the number of pulse values in the buffer register during the measurement, and then, as necessary, digital processing of the contents of the register is performed according to a certain algorithm, moreover, the characteristic of the nonlinear primary transducer specified with a certain step should be stored in the memory of the register. Such a solution requires large amounts of memory with a complex control device or the use of computers in the memory of which the characteristic of this non-linear sensor must be laid in the form of series expansion, which is not always possible to mathematically describe the nature of non-linearity. This solution allows to achieve greater accuracy compared to the first, but requires an increase in the complexity of both the structural and elemental base.

Наиболее близким техническим решением является патент США N 4149120, кл. 324/132, G 0I R 15/10, выданный на устройство для линеаризации выходного сигнала датчика, которое применяется для преобразования нелинейных аналоговых величин. Это устройство, содержащее генератор синхроимпульсов, подсоединенный к счетному входу линейного делителя частоты и к счетному входу управляемого делителя частоты, управляющие входы последнего подключены к выходам матрицы памяти, выход управляемого делителя подключен к счетному накопителю, выходы которого подсоединены к входам цифроаналогово преобразователя (ЦАП), выход последнего подключен на один вход аналогового компаратора, а на другой вход которого подключен первичный преобразователь, выход линейного делителя подсоединен к адресным входам матрицы памяти и к выходному регистру, выходы последнего подключены к цифровому табло и выходному ЦАПу, выход аналогового компаратора подключен к регистру. The closest technical solution is US patent N 4149120, CL. 324/132, G 0I R 15/10, issued to a device for linearizing the sensor output signal, which is used to convert non-linear analog values. This device contains a clock generator connected to the counting input of the linear frequency divider and to the counting input of the controlled frequency divider, the control inputs of the latter are connected to the outputs of the memory matrix, the output of the controlled divider is connected to the counting drive, the outputs of which are connected to the inputs of the digital-to-analog converter (DAC), the output of the latter is connected to one input of the analog comparator, and to the other input of which the primary converter is connected, the output of the linear divider is connected to waist inputs of the memory array and to an output register, the outputs of the latter are connected to the digital output displays and Tsapu, analog comparator output is connected to the register.

Устройство прототипа работает следующим образом: в начале следует импульс установки всех счетчиков и регистров в начальное состояние, затем генератор выдает импульсы через линейный делитель на линейный накопитель, содержимое которого линейно нарастает, одновременно синхроимпульсы подаются на управляемый делитель, с выхода которого следуют импульсы, временная последовательность которых соответствует характеристике нелинейного датчика, а для получения этой зависимости используется линейный счетчик накопитель, который задает алгоритм выборки матрицы памяти, содержимое счетного накопителя преобразуется в аналоговую величину ЦАПом и сравнивается с исследуемой величиной, в момент совпадения содержимое линейного накопителя записывается в выходной регистр, а затем выдается на индикаторное табло и выходной ЦАП, причем циклы преобразования повторяются. The prototype device works as follows: at the beginning there is a pulse to set all the counters and registers to their initial state, then the generator gives pulses through a linear divider to a linear drive, the contents of which increase linearly, at the same time the clock pulses are fed to a controlled divider, from which pulses follow, the time sequence which corresponds to the characteristic of a non-linear sensor, and to obtain this dependence, a linear drive counter is used, which sets the algorithm tm of the sample of the memory matrix, the contents of the counting drive are converted to an analog value by the DAC and compared with the studied value, at the moment of coincidence, the contents of the linear drive are recorded in the output register, and then issued on the indicator board and the output DAC, and the conversion cycles are repeated.

Недостатком прототипа является ступенчатость выходной характеристики нелинейного элемента из-за применения ЦАПа, матрицы памяти, которую надо еще запрограммировать на характеристику датчика, конструктивная сложность, меньшая точность аналогового компаратора по сравнению с цифровым, а так же то, что прототип нельзя применять с число-импульсным датчиком,
Цель изобретения повышение точности измерений путем устранения ступенчатости выходной характеристики линеаризирующего устройства, повышение надежности блока линеаризации за счет применения цифровых микросхем.The disadvantage of the prototype is the steppedness of the output characteristic of a nonlinear element due to the use of a DAC, a memory matrix, which must also be programmed for a sensor characteristic, structural complexity, lower accuracy of an analog comparator compared to a digital one, and also that the prototype cannot be used with a pulse-number sensor
The purpose of the invention is to increase the accuracy of measurements by eliminating the stepping of the output characteristics of the linearizing device, increasing the reliability of the linearization unit through the use of digital microcircuits.

Сущность изобретения заключается в применении в устройстве цифровой линеаризации генератора синхроимпульсов, подсоединенного к управляемому делителю и к счетному моду линейного делителя частоты, причем, выход последнего подключен к линейному накопителю, выходы которого подсоединены через выходной регистр к индикаторному табло и выходному ЦАПу, содержащее реверсивный счетчик, выходы которого соединены с управляемыми входами управляемого делителя, а выход последнего подключен к входу цифрового компаратора и к счетному входу реверсивного счетчика через корректирующий делитель, вход входного регистра подключен к датчику, а выходы подсоединены к входам параллельной загрузки реверсивного счетчика и цифрового компаратора, при этом выход последнего подключен к выходному регистру. The essence of the invention lies in the use in a digital linearization device of a clock generator connected to a controlled divider and to a counting mode of a linear frequency divider, the output of the latter being connected to a linear storage device whose outputs are connected through an output register to an indicator board and an output DAC containing a reversible counter, the outputs of which are connected to the controlled inputs of a controlled divider, and the output of the latter is connected to the input of the digital comparator and to the counting input of the reverse Nogo counter after adjustment divider input register input is connected to the sensor, and the outputs are connected to inputs of the parallel load-down counter and a digital comparator, the output of the latter is connected to the output register.

Анализ с прототипом показал, что заявляемое устройство отличается наличием следующих новых признаков: реверсивного счетчика, корректирующего делителя, цифрового компаратора и входного регистра. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна". Analysis with the prototype showed that the inventive device is characterized by the presence of the following new features: a reversible counter, a corrective divider, a digital comparator and an input register. Thus, the claimed device meets the criterion of "novelty."

Сравнительный анализ с другими техническими решениями показал, что совместная работа реверсивного счетчика и управляемого делителя позволяет получать нелинейную характеристику первичного преобразователя без применения матрицы памяти, в которой записана программа управления работой управляемого делителя, как это сделано в прототипе, и так же не нужно знать разложение в ряд нелинейной характеристики, что необходимо для обработки результатов измерений на ЭВМ. Следовательно, сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия". A comparative analysis with other technical solutions showed that the combined operation of the reversible counter and the controlled divider allows to obtain a nonlinear characteristic of the primary converter without using a memory matrix, in which the program for controlling the operation of the controlled divider is recorded, as is done in the prototype, and also there is no need to know the expansion in a number of non-linear characteristics, which is necessary for processing the measurement results on a computer. Therefore, a comparison of the proposed solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in the art did not allow them to identify signs that distinguish the claimed solution from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства число-импульсной линеаризации выходной характеристики датчика. Оно содержит: генератор синхроимпульсов 1, линейный делитель 2, линейный накопитель 3, индикаторное табло 4, управляемый делитель 5, корректирующий делитель 6, регистр выходной 7, выходной ЦАП 8, реверсивный счетчик 9, входной регистр 10, цифровой компаратор 11. In FIG. 1 shows a functional diagram of a number-pulse linearization device for an output characteristic of a sensor. It contains: a clock generator 1, a linear divider 2, a linear drive 3, an indicator board 4, a controlled divider 5, a correcting divider 6, an output register 7, an output DAC 8, a reverse counter 9, an input register 10, a digital comparator 11.

Устройство цифровой линеаризации работает следующим образом. В первоначальный момент преобразование происходит из входного регистра 10 запись насыщенного значения измеряемого параметра N_н в реверсивный счетчик 9 и запись числового значения измеряемого параметра N_х в цифровой компаратор 11, а так же установка всех элементов схемы в начальное состояние. Генератор 1 выдает импульсы, которые, прейдя линейный делитель 2, становятся соответствующими цифровому линеаризованному значению измеряемого параметра и накапливаются в линейном накопителе 3. Одновременно импульсы поступают на управляемый делитель 5, который выдает некоторую числовую последовательность, которая вычитает содержимое цифрового компаратора 11 и которая идет на корректирующий делитель 6. Корректирующий делитель 6 осуществляет дробное деление числовой последовательности, которая, пройдя коррекцию уменьшает содержимое реверсивного счетчика 9, что приводит к увеличению коэффициента деления управляемого делителя 5. В результате на выходе управляемого делителя 5 все реже и реже появляются импульсы, все меньше содержимое цифрового компаратора 11 и реверсивного счетчика 9, а значит растет коэффициент деления управляемого делителя и т.д. В результате управляемый делитель 5 выдает следующую зависимость числа импульсов от времени, которая показана на фиг. 2 и имеет вид экспоненты, переходящей в гиперболу. Как только цифровой компаратор 11 обнулится, то цикл преобразования заканчивается и содержимое линейного накопителя записывается в выходной регистр и выдается на индикаторное табло 4 и выходной ЦАП-8. Устройство снова готово к линеаризации.The digital linearization device operates as follows. At the initial moment, the conversion occurs from the input register 10, recording the saturated value of the measured parameter N _n into a reverse counter 9 and writing the numerical value of the measured parameter N _x to the digital comparator 11, as well as setting all the elements of the circuit to the initial state. The generator 1 generates pulses that, having passed the linear divider 2, become corresponding to the digital linearized value of the measured parameter and accumulate in the linear drive 3. At the same time, the pulses are fed to a controlled divider 5, which gives some numerical sequence that subtracts the contents of the digital comparator 11 and which goes to correction divider 6. The correction divider 6 performs fractional division of the numerical sequence, which, after correction, reduces the contents of the roar dividing counter 9, which leads to an increase in the division ratio of the controlled divider 5. As a result, pulses appear less and less on the output of the controlled divider 5, the contents of the digital comparator 11 and the reversing counter 9 are less and less, which means that the division ratio of the controlled divider increases, etc. . As a result, the controlled divider 5 produces the following time dependence of the number of pulses, which is shown in FIG. 2 and has the form of an exponent passing into a hyperbola. As soon as the digital comparator 11 is reset, the conversion cycle ends and the contents of the linear storage device are recorded in the output register and issued on the indicator board 4 and the output DAC-8. The device is again ready for linearization.

Применение в линеаризирующем устройстве входного регистра позволяет проводить преобразования числовых величин, которые были записаны в него независимо от всего процесса измерения число-импульсного параметра. Это позволяет подключить к буферу несколько датчиков, так как процесс измерения значительно дольше преобразования или производить преобразования какой-то памяти и выдавать линеаризированное значение в выходной регистр или ЭВМ. The use of an input register in the linearizing device allows the conversion of numerical values that were written into it, regardless of the entire process of measuring the number-pulse parameter. This allows you to connect several sensors to the buffer, since the measurement process is much longer than the conversion or to convert some kind of memory and produce a linearized value in the output register or computer.

Предлагаемое устройство даже в автономном (без ЭВМ) режиме работы обеспечивает точность линеаризации зависимостей типа экспоненциально - гиперболических на 15-20% более высокую, чем известное устройство, имеет гораздо меньшую сложность схемы, не требует в процессе эксплуатации высококвалифицированного обслуживания. The proposed device even in autonomous (without a computer) operating mode ensures the accuracy of linearization of exponential - hyperbolic dependencies 15-20% higher than the known device, has much lower circuit complexity, and does not require highly qualified service during operation.

Claims

A device for the number-pulse linearization of the output characteristic of the sensor, containing a clock generator, the first and second outputs of which are connected respectively to the counting inputs of the controlled frequency divider and the linear frequency divider, the output of which is connected to the input of the linear storage device, the output of which is connected through the output register to the indicator board and the output digital-to-analog converter, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurements and increase reliability, reverse counters are introduced into it k, digital comparator, corrective divider, input register, the input of which is connected to the sensor, the outputs of the input register are connected to the inputs of parallel loading of the digital comparator and a reversible counter, the outputs of which are connected to the control inputs of the controlled frequency divider, the output of which is connected to the input of the digital comparator and through correction divider with counting input of the reversible counter, the output of the digital comparator is connected to the control input of the output register.