RU2177206C2

RU2177206C2 - Converter of non-electric values to digital code

Info

Publication number: RU2177206C2
Application number: RU99127502A
Authority: RU
Inventors: П.И. Госьков; В.Н. Седалищев; Е.М. Патрушев; С.Г. Коряковцев
Original assignee: Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2001-12-20

Abstract

FIELD: radio engineering, automatics, measurement technology. SUBSTANCE: technical result of invention lies in growth of sensitivity of converter of non-electric values to digital code and in generation of informative parameter in form more convenient for processing by digital devices. Converter has two generators of electric oscillations, communication four-terminal network, resistive sensor, phase detector of relay type, scale-of-two frequency circuit, counter of pulses for period of beats. EFFECT: increased sensitivity of converter, presentation of informative parameter in form more convenient for processing. 5 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в автоматике и измерительной технике. The invention relates to radio engineering and can be used in automation and measurement technology.

Известно цифровое тензометрическое устройство, преобразующее неэлектрическую величину в цифровой код, содержащее мостовой тензодатчик, источник питания, выход которого соединен с входом делителя напряжения и с первым входом коммутатора, второй вход которого подключен к выходу делителя напряжения, а выход включен в диагональ питания тензодатчика, выход которого через предусилитель соединен с выходом время-импульсного преобразователя, две схемы совпадения, реверсивный счетчик и блок памяти, а также генератор импульсов, делитель частоты и блок управления, причем выход генератора импульсов подключен к управляющему входу блока управления, первому входу первой схемы совпадения, а через делитель частоты к первому входу второй схемы совпадения, выход время-импульсного преобразователя соединен со вторыми входами схем совпадения, выход первой схемы совпадения соединен с входом обратного счета реверсивного счетчика, выход второй схемы совпадения - с входом прямого счета реверсивного счетчика, а его выход соединен с входом блока памяти, управляющие входы коммутатора, схем совпадения, время-импульсного преобразователя, блока памяти и реверсивного счетчика подключены к соответствующим выходам блока управления (см. авторское свидетельство СССР N 1195261, кл. G 01 P 7/00, 1985). A digital strain gauge device is known that converts a non-electric quantity to a digital code containing a bridge strain gauge, a power source whose output is connected to the input of the voltage divider and to the first input of the switch, the second input of which is connected to the output of the voltage divider, and the output is included in the diagonal of the power of the strain gauge, output which through the preamplifier is connected to the output of the time-pulse converter, two matching circuits, a reversible counter and a memory unit, as well as a pulse generator, a frequency divider s and the control unit, and the output of the pulse generator is connected to the control input of the control unit, the first input of the first matching circuit, and through the frequency divider to the first input of the second matching circuit, the output of the time-pulse converter is connected to the second inputs of the matching circuit, the output of the first matching circuit is connected with the input of the countdown of the reversible counter, the output of the second matching circuit is with the input of the direct count of the reversible counter, and its output is connected to the input of the memory block, the control inputs of the switch, circuits with falling-time of a pulse converter, the storage unit and a reversible counter connected to respective outputs of the control unit (see. USSR author's certificate N 1195261, cl. G 01 P 7/00, 1985).

Однако известное устройство не обеспечивает высокой разрешающей способности, а следовательно, и высокой точности измерения вследствие воздействия на вход время-импульсного преобразователя избыточного шумового напряжения, характеризующего шум предусилителя. However, the known device does not provide high resolution, and therefore, high measurement accuracy due to exposure to the input of a time-pulse converter of excessive noise voltage characterizing the noise of the preamplifier.

Наиболее близким по технической сути (прототипом) является преобразователь неэлектрических величин в частоту электрических колебаний, состоящий из двух высокочастотных LC-генераторов, частоты которых расстроены одна относительно другой и стабилизированы. Генераторы взаимно синхронизированы с помощью двух четырехполюсников связи, в каждом из которых установлены резистивные датчики, изменение сопротивления которых под внешним воздействием вызывает пропорциональное изменение коэффициентов передачи четырехполюсников. Выход каждого из генераторов через четырехполюсник и датчик подключен к входу синхронизации другого генератора так, что коэффициент передачи четырехполюсника пропорционален сопротивлению датчика (см. авторское свидетельство СССР N 455478, кл. H 03 К 13/02, 1973). The closest in technical essence (prototype) is a converter of non-electric quantities into the frequency of electrical oscillations, consisting of two high-frequency LC-generators whose frequencies are upset relative to one another and stabilized. The generators are mutually synchronized with the help of two communication quadripoles, in each of which resistive sensors are installed, the change in the resistance of which under external influence causes a proportional change in the transmission coefficients of the quadripoles. The output of each of the generators through a four-terminal and a sensor is connected to the synchronization input of another generator so that the transmission coefficient of the four-terminal is proportional to the resistance of the sensor (see USSR copyright certificate N 455478, class H 03 K 13/02, 1973).

Недостатком указанного устройства является низкая чувствительность, т.к. относительное изменение частоты синхронизации не превышает несколько процентов, кроме того, на выходе получается аналоговый сигнал, что затрудняет подключение преобразователя к цифровым устройствам обработки информации. The disadvantage of this device is the low sensitivity, because the relative change in the synchronization frequency does not exceed several percent, in addition, an analog signal is obtained at the output, which makes it difficult to connect the converter to digital information processing devices.

Сущность изобретения заключается в том, что в преобразователь неэлектрических величин в цифровой код, содержащий два генератора электрических колебаний и четырехполюсник связи с резистивным датчиком, введены фазовый детектор релейного типа, счетчик импульсов за период биения и делитель частоты на два, вход которого соединен с выходом фазового детектора релейного типа, а выход с управляющим входом счетчика импульсов за период биения. Счетный вход счетчика импульсов за период биения соединен с выходом одного из генераторов электрических колебаний. При этом входы фазового детектора релейного типа подключены к выходам обоих генераторов электрических колебаний, а генераторы связаны между собой через четырехполюсник связи. The essence of the invention lies in the fact that a phase detector of relay type, a pulse counter for the beat period and a frequency divider into two, the input of which is connected to the output of the phase input, are introduced into the converter of non-electrical quantities into a digital code containing two electrical oscillation generators and a four-terminal connection with a resistive sensor a relay-type detector, and an output with a control input of a pulse counter for the period of beating. The counting input of the pulse counter for the beat period is connected to the output of one of the generators of electrical oscillations. At the same time, the inputs of the relay-type phase detector are connected to the outputs of both generators of electrical oscillations, and the generators are interconnected via a four-terminal connection.

Техническим результатом является повышение чувствительности преобразователя неэлектрических величин в цифровой код и получение более удобной для обработки цифровыми устройствами формы представления информативного параметра. The technical result is to increase the sensitivity of the converter of non-electric quantities into a digital code and to obtain a more convenient form of representing an informative parameter for processing by digital devices.

Повышение чувствительности преобразователя к измеряемой неэлектрической величине обеспечивается использованием высокочувствительного режима биений с частичным увлечением частот (см. Седалищев В.Н., Физические основы пьезорезонансных МСК-датчиков, Барнаул, издательство АлтГТУ, 1997 г.). Этот режим является промежуточным между асинхронным и синхронным режимами, а количество импульсов за период биения, которое в предлагаемом изобретении используется в качестве информативного параметра, определяется коэффициентом взаимодействия между резонаторами. An increase in the sensitivity of the transducer to the measured non-electric quantity is ensured by using a highly sensitive beat mode with partial frequency entrainment (see Sedalishchev V.N., Physical fundamentals of piezoresonant MSC sensors, Barnaul, AltSTU Publishing House, 1997). This mode is intermediate between asynchronous and synchronous modes, and the number of pulses during the beat period, which in the present invention is used as an informative parameter, is determined by the interaction coefficient between the resonators.

Получение более удобной для обработки цифровыми устройствами формы представления информативного параметра достигается путем введения в преобразователь фазового детектора релейного типа, делителя частоты на два и счетчика импульсов за период биения, позволяющего подсчитывать количество импульсов за период биения. Управляющий вход счетчика импульсов за период биения подключен к выходу делителя частоты на два, а счетный вход к выходу одного из генераторов. Вход делителя частоты на два подключен к выходу фазового детектора релейного типа, входы которого подключены к выходам обоих генераторов электрических колебаний. Такое подключение обеспечивает получение на выходе информативного параметра в двоичном цифровом коде. Obtaining a form of representing an informative parameter that is more convenient for processing by digital devices is achieved by introducing a relay type phase detector into the converter, a frequency divider by two, and a pulse counter for the beat period, which allows counting the number of pulses for the beat period. The control input of the pulse counter for the beat period is connected to the output of the frequency divider by two, and the counting input to the output of one of the generators. The input of the frequency divider into two is connected to the output of a phase-type relay detector, the inputs of which are connected to the outputs of both generators of electrical oscillations. Such a connection provides the output of an informative parameter in binary digital code.

На фиг.1 схематично изображен данный преобразователь неэлектрических величин в цифровой код; на фиг. 2, 3, 4 и 5 - диаграммы зависимостей частоты колебаний f1 первого генератора электрических колебаний, частоты колебаний f2 второго генератора электрических колебаний, сигнала Д детектора релейного типа и сигнала счета-хранения С/Х соответственно от времени. Figure 1 schematically depicts a given Converter of non-electric quantities into a digital code; in FIG. 2, 3, 4, and 5 are diagrams of the dependences of the oscillation frequency f1 of the first generator of electric oscillations, the oscillation frequency f2 of the second generator of electric oscillations, the signal D of the relay-type detector, and the signal of the C / X account-storage, respectively, against time.

Предлагаемый преобразователь неэлектрических величин в цифровой код содержит генераторы электрических колебаний 1 и 2 (фиг. 1), четырехполюсник связи 3, резистивный датчик 4, фазовый детектор релейного типа 5 (см. Цифровые системы фазовой синхронизации.: под ред. Жодзишского. - М.: Сов. Радио, 1980, с. 35- 36), делитель частоты на два 6 и счетчик импульсов за период биения 7. Функции счетчика импульсов за период биения 7 заключаются в подсчете импульсов на выходе генератора электрических колебаний 1 в течение одного периода сигнала на выходе фазового детектора релейного типа 5 и хранении результата в течение следующего периода. Делитель частоты на два 6 необходим для того, чтобы обеспечить подсчет количества импульсов именно за период сигнала Д (фиг. 4) на выходе фазового детектора релейного типа 5 (фиг. 1). Генераторы электрических колебаний 1 и 2 соединены через четырехполюсник связи 3. Выходы генераторов электрических колебаний 1 и 2 (сигналы f1 (фиг. 2) и f2 (фиг. 3) соответственно) соединены со входами фазового детектора релейного типа 5 (фиг. 1). Выход фазового детектора релейного типа 5 соединен с входом делителя частоты на два 6. Выход делителя частоты на два 6 соединен с управляющим входом счетчика импульсов за период биения 7. Счетный вход счетчика импульсов за период биения 7 подключен к выходу генератора электрических колебаний 1. The proposed converter of non-electric quantities into a digital code contains electric oscillation generators 1 and 2 (Fig. 1), a four-terminal communication device 3, a resistive sensor 4, a phase-type relay detector 5 (see Digital phase synchronization systems: edited by Zhodzischi. - M. : Sov. Radio, 1980, pp. 35-36), a frequency divider by two 6 and a pulse counter for the period of beating 7. The functions of the pulse counter for the period of beating 7 consist in counting the pulses at the output of the oscillation generator 1 for one period of the signal on phase det output Ktorov relay type 5 and storing the result in the next period. The frequency divider by two 6 is necessary in order to ensure the calculation of the number of pulses precisely for the period of the signal D (Fig. 4) at the output of the phase detector of relay type 5 (Fig. 1). The oscillation generators 1 and 2 are connected through a four-pole connection 3. The outputs of the oscillation generators 1 and 2 (signals f1 (Fig. 2) and f2 (Fig. 3), respectively) are connected to the inputs of a phase detector of relay type 5 (Fig. 1). The output of the phase detector of relay type 5 is connected to the input of the frequency divider by two 6. The output of the frequency divider by two 6 is connected to the control input of the pulse counter for the beat 7. The counting input of the pulse counter for the beat 7 is connected to the output of the oscillation generator 1.

Преобразователь неэлектрических величин в цифровой код работает следующим образом. Генераторы электрических колебаний 1 и 2, связанные через четырехполюсник связи 3, работают в режиме биений с частичным увлечением частот. В этом режиме фазы генераторов электрических колебаний 1 и 2 изменяются от полного совпадения до полной противофазы и наоборот. Фазовый детектор релейного типа 5 переключается в моменты полной фазы tl (фиг. 4) и полной противофазы t2 (фиг. 4). Таким образом на выходе фазового детектора релейного типа 5 (фиг. 1) присутствуют прямоугольные импульсы Д (фиг. 4), период которых соответствует периоду биений. Эти импульсы подаются на делитель частоты на два 6 (фиг. 1), на выходе которого получается сигнал счет-хранение С/Х (фиг. 5). Этот сигнал подается на управляющий вход счетчика импульсов за период биения 7 (фиг. 1), который подсчитывает количество импульсов, поступающих с выхода генератора электрических колебаний 1, за период биения и хранит показания в течение следующего периода, в конце которого происходит сброс показаний на 0 и цикл повторяется. Режим биений с частичным увлечением частот обеспечивается при соблюдении условия:

где λ - коэффициент взаимодействия;
γ - коэффициент связи;
ξ = (f₁-f₂)/f_cp - относительная расстройка частот генераторов электрических колебаний 1 и 2;
f_cp = (f₁+f₂)/2 - средняя частота генераторов электрических колебаний 1 и 2:
f₁, f₂ - частоты колебаний генераторов электрических колебаний 1 и 2 соответственно;
k = U₁/U₂ - соотношение амплитуд генераторов 1 и 2;
U₁,U₂ - амплитуды выходных напряжений генераторов электрических колебаний 1 и 2 соответственно.The converter of non-electric quantities into a digital code operates as follows. Generators of electrical oscillations 1 and 2, connected through a four-terminal connection 3, operate in a beat mode with a partial drag of frequencies. In this mode, the phases of the electric oscillation generators 1 and 2 change from full coincidence to full antiphase and vice versa. The phase detector of relay type 5 switches at the moments of the full phase tl (Fig. 4) and full antiphase t2 (Fig. 4). Thus, the output of the phase detector of relay type 5 (Fig. 1) contains rectangular pulses D (Fig. 4), the period of which corresponds to the period of the beats. These pulses are fed to the frequency divider by two 6 (Fig. 1), the output of which produces a signal count-storage C / X (Fig. 5). This signal is fed to the control input of the pulse counter for the beat period 7 (Fig. 1), which counts the number of pulses coming from the output of the electric oscillation generator 1, for the beat period and stores the readings for the next period, at the end of which the data are reset to 0 and the cycle repeats. The beat mode with a partial enthusiasm for frequencies is provided subject to the conditions:

where λ is the interaction coefficient;
γ is the coupling coefficient;
ξ = (f ₁ -f ₂ ) / f _cp is the relative detuning of the frequencies of the electric oscillation generators 1 and 2;
f _cp = (f ₁ + f ₂ ) / 2 - the average frequency of the generators of electrical oscillations 1 and 2:
f ₁ , f ₂ are the oscillation frequencies of the generators of electrical oscillations 1 and 2, respectively;
k = U ₁ / U ₂ - the ratio of the amplitudes of the generators 1 and 2;
U ₁ , U ₂ - the amplitude of the output voltages of the generators of electrical oscillations 1 and 2, respectively.

Значение коэффициента взаимодействия рекомендуется выбирать из условия ( λ = 0,5-0,75. В этом диапазоне наблюдаются наибольшие значения коэффициента амплитудной модуляции, максимум которой проявляется при критическом коэффициенте взаимодействия λ_к= 0,63 (см. Седалищев В.Н., Физические основы пьезорезонансных МСК-датчиков, Барнаул, издательство АлтГТУ, 1997 г., с. 37). В этом случае обеспечивается одновременно максимальная чувствительность режима биений и устойчивость от вхождения системы в синхронизм. Значение относительной расстройки выбирается из условия:

где Q - добротность резонаторов.The value of the interaction coefficient is recommended to be selected from the condition (λ = 0.5-0.75. In this range, the largest values of the amplitude modulation coefficient are observed, the maximum of which is manifested at a critical interaction coefficient λ _k = 0.63 (see Sedalishchev V.N., Physical fundamentals of piezoresonant MSC sensors, Barnaul, AltSTU publishing house, 1997, p. 37. In this case, the maximum sensitivity of the beat mode and stability from the system entering synchronism are provided at the same time. from the condition:

where Q is the quality factor of the resonators.

Например, для кварцевых резонаторов Q = 10⁴, тогда ξ = 5•10^-5. Соотношение амплитуд k выбирается таким, чтобы обеспечить надежное возбуждение генератора с меньшей амплитудой и не допустить перегрева резонатора в цепи генератора с большей амплитудой. Для кварцевых резонаторов k ≈ 5 - 6. Таким образом диапазон изменения коэффициента связи γ для кварцевых резонаторов составит γ≈ (8 - 15) •10^-6.For example, for quartz resonators Q = 10 ⁴ , then ξ = 5 • 10 ^-5 . The ratio of amplitudes k is chosen so as to ensure reliable excitation of the generator with a smaller amplitude and to prevent overheating of the resonator in the circuit of the generator with a larger amplitude. For quartz resonators, k ≈ 5 - 6. Thus, the range of variation of the coupling coefficient γ for quartz resonators is γ≈ (8 - 15) • 10 ^-6 .

При изменении величины внешнего неэлектрического воздействия сопротивление датчика 4 меняется и, следовательно, изменяется коэффициент связи между генераторами γ, что приводит к изменению частоты биений Ω

,
количество импульсов в периоде биения

тоже изменится.When the magnitude of the external non-electric influence changes, the resistance of the sensor 4 changes and, therefore, the coupling coefficient between the generators γ changes, which leads to a change in the beat frequency Ω

,
the number of pulses in the beating period

will also change.

Так как

сравнимо с ξ², частота биений Ω стремится к малой величине, следовательно, количество импульсов в периоде биения N стремится к большой величине порядка 10⁴ для приведенного выше примера с кварцевыми резонаторами. Значит, чувствительность

стремится к величине порядка 10⁹ для рассмотренного выше примера.Because

comparable with ξ ² , the beat frequency Ω tends to a small value, therefore, the number of pulses in the beat period N tends to a large value of the order of 10 ⁴ for the above example with quartz resonators. Means sensitivity

tends to a value of the order of 10 ⁹ for the above example.

Предлагаемый преобразователь неэлектрических величин в цифровой код позволяет значительно повысить чувствительность по сравнению с существующими аналогами за счет введения фазового детектора релейного типа, делителя частоты на два и счетчика импульсов за период биения, необходимых для измерения информативного параметра - количества импульсов за период режима биений с частичным увлечением частот. Кроме того, цифровой код, получаемый на выходе, легко ввести в ЭВМ для дальнейшей обработки. The proposed converter of non-electric quantities into a digital code can significantly increase sensitivity compared to existing analogs by introducing a phase detector of relay type, a frequency divider by two and a pulse counter for the beat period, necessary to measure an informative parameter - the number of pulses for the period of the beat mode with partial enthusiasm frequencies. In addition, the digital code obtained at the output is easy to enter into a computer for further processing.

Claims

A converter of non-electric quantities into a digital code containing two generators of electrical oscillations connected to each other through a four-terminal connection with a resistive sensor, characterized in that a relay type phase detector, a frequency divider by two and a pulse counter for the beat period are connected to it, the control input of which is connected with the output of the frequency divider by two, and the counting input with the output of one of the generators of electrical oscillations, while the inputs of the phase detector of the relay type are connected to the outputs of both generators moat electrical oscillations input into two frequency divider coupled to an output of the phase detector relay type.