RU2249223C1

RU2249223C1 - Digital device for measuring resistance and resistance increment

Info

Publication number: RU2249223C1
Application number: RU2003127919/28A
Authority: RU
Inventors: В.М. Терехов (RU); В.М. Терехов; В.П. Буц (RU); В.П. Буц; А.Н. Лугин (RU); А.Н. Лугин; Г.С. Власов (RU); Г.С. Власов
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2005-03-27

Abstract

FIELD: adjustment of standardized parameters of resistors.

SUBSTANCE: device has code-controlled voltage divider made on the base of R-2R resistive array, binary counter, pulse generator, zero-organ. Resistor to be measured is switched in parallel to code-controlled resistive array to one of arms of bridge. Pulse generator generates pulses which come to input of binary counter. Resistance of resistive array is preset in accordance with code at output of binary counter. When bridge gets the equilibrium the digital code is memorized which code corresponds to resistance of resistor to be measured. Then that resistor is substituted with resistor having reference resistance and digital code is defined again to correspond to balance of bridge.

EFFECT: improved precision of measurement.

3 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при измерении сопротивлений резистивных датчиков различного типа, а также в сфере производства изделий электронной техники, в частности при производстве интегральных микросхем ГИС, наборов резисторов, делителей напряжения, на технологической операции подгонки нормируемых параметров.The present invention relates to the field of measurement technology and can be used in measuring the resistances of resistive sensors of various types, as well as in the field of manufacturing electronic products, in particular in the production of integrated GIS chips, sets of resistors, voltage dividers, for the technological operation of fitting normalized parameters.

Уровень техникиState of the art

Известны различные устройства измерения сопротивлений и приращения сопротивления (см., например, "Измерения в электронике: Справочник", В.А.Кузнецов. В.А.Долгов, B.М.Коневских и др.; Под ред. В.А.Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 512 с., с.194-217, а также Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. от-ние, 1983. - 320 с., с.53-65).There are various devices for measuring resistances and increments of resistance (see, for example, "Measurements in Electronics: A Reference", V.A. Kuznetsov. V.A. Dolgov, B.M. Konevskikh, et al .; Edited by V.A. Kuznetsova. - M.: Energoatomizdat, 1987. - 512 p., P.194-217, as well as Levshina E.S., Novitsky P.V. Electrical measurements of physical quantities: (Measuring transducers). Textbook for universities. - L.: Energoatomizdat. Leningrad. Ot., 1983 .-- 320 p., P. 53-65).

Недостатком всех описанных в указанных источниках технических решений является то, что они имеют невысокую точность измерения сопротивлений и приращения сопротивления и/или не позволяют полностью автоматизировать производственный процесс подгонки резисторов. Так, например, известно стандартное решение, когда для обеспечения автоматической балансировки измерительного моста в одно из его плеч устанавливают последовательный кодоуправляемый делитель (КУД) напряжения типа, например, LF 13006/13007 с дискретностью установки 0,1 и погрешностью установки коэффициента деления 0,5% (см. Чернов В.Г. Устройства ввода-вывода аналоговой информации для цифровых систем сбора и обработки данных. М.: Машиностроение, 1988 г. - с.32). Такие метрологические параметры недостаточны при производстве прецизионных резисторов, а создавать последовательные кодоуправляемые делители с меньшей дискретностью установки проблематично.The disadvantage of all the technical solutions described in these sources is that they have a low accuracy of measuring resistances and increments of resistance and / or do not fully automate the manufacturing process of fitting resistors. So, for example, a standard solution is known when, in order to ensure automatic balancing of the measuring bridge, a serial code-controlled voltage divider (KUD) of type voltage, for example, LF 13006/13007 with a resolution of 0.1 and a division error of 0.5 % (see. V. Chernov. Input-output devices of analog information for digital data acquisition and processing systems. M.: Mashinostroenie, 1988 - p. 32). Such metrological parameters are insufficient in the production of precision resistors, and creating sequential code-controlled dividers with less discrete installation is problematic.

Известен преобразователь отклонения сопротивления в код (см. А.С. 1698826, G 01 R 27/02, БИ №46, 1991 г.), содержащий измеряемый и образцовый резисторы, источник постоянного тока, операционный усилитель, переключатель, интегратор, компаратор, таймер, триггер и цифровой блок, который представляет собой достаточно сложное цифровое устройство с внутренним генератором.Known converter deviation of resistance to code (see A.S. 1698826, G 01 R 27/02, BI No. 46, 1991), containing the measured and reference resistors, DC source, operational amplifier, switch, integrator, comparator, timer, trigger and digital unit, which is a fairly complex digital device with an internal generator.

Недостатком такого технического решения является невысокая точность преобразования отклонения измеряемого сопротивления от образцового в цифровой код. Погрешность (точность) преобразования напрямую связана с погрешностями операционного усилителя (смещение нуля, небесконечное значение коэффициента усиления и др.) и в такой же степени зависит от погрешности таймера (например, прецизионный таймер 1006ВИ1 не позволяет формировать импульс с погрешностью временного интервала менее 0,5%. См., например, Алексенко и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985. - с.38), кроме того, на точность преобразования оказывает прямое влияние девиация частоты генератора цифрового блока.The disadvantage of this technical solution is the low accuracy of converting the deviation of the measured resistance from the reference into a digital code. The error (accuracy) of the conversion is directly related to the errors of the operational amplifier (zero offset, infinite gain value, etc.) and to the same extent depends on the timer error (for example, the precision timer 1006VI1 does not allow generating a pulse with a time interval error of less than 0.5 %. See, for example, Aleksenko et al. The use of precision analog microcircuits. - M .: Radio and communications, 1985. - p. 38), in addition, the frequency deviation of the digital block generator directly affects the conversion accuracy. a.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является цифровое устройство для измерения сопротивлений и отношения сопротивлений (см. А.С. 1597771, G 01 R 27/02, БИ №37, 1990 г.), содержащее кодоуправляемый делитель, выполненный на базе резисторной матрицы R-2R, источник постоянного тока, измеряемый и образцовый резисторы, два операционных усилителя, компаратор напряжения, генератор импульсов и двоичный счетчик.Closest to the technical nature of the present invention is a digital device for measuring resistances and resistance ratios (see A.S. 1597771, G 01 R 27/02, BI No. 37, 1990), containing a code-controlled divider made on the basis of the resistor R-2R matrixes, a direct current source, measured and reference resistors, two operational amplifiers, a voltage comparator, a pulse generator and a binary counter.

Недостатком этого устройства является невысокая точность из-за синфазной погрешности компаратора напряжения (получить точность компарирования во всем диапазоне измерения выше 0,1% при стандартном для операционного усилителя коэффициенте подавления синфазного сигнала 66-80 дБ весьма проблематично. См., например, Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. - К.: Технiка, 1983. - с.36; Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985. - 256 с. с.34, 66). Кроме того, данное устройство не формирует сигнал, равный или пропорциональный абсолютной разности приращения сопротивления измеряемого резистора, что ограничивает использование этого устройства в датчиковой аппаратуре, а невозможность отключения измеряемого резистора из цепи обратной связи операционного усилителя без нарушения работоспособности устройства также ограничивает его применение для определенных технологий подгонки резисторов.The disadvantage of this device is its low accuracy due to the common-mode error of the voltage comparator (it is very problematic to obtain a comparison accuracy in the entire measurement range above 0.1% with a common-mode rejection ratio of 66-80 dB. See, for example, Scherbakov V. I., Grezdov GI Electronic circuits on operational amplifiers: Reference book. - K .: Technika, 1983. - p. 36; Aleksenko AG and others. Application of precision analog microcircuits. - M.: Radio and communication, 1985 .-- 256 p. P. 34, 66). In addition, this device does not generate a signal equal to or proportional to the absolute difference in the increment of resistance of the measured resistor, which limits the use of this device in sensor equipment, and the inability to disconnect the measured resistor from the feedback circuit of the operational amplifier without impairing the operability of the device also limits its use for certain technologies fitting resistors.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Целью настоящего изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей.The aim of the present invention is to improve the accuracy and expansion of functionality.

Достигаемый технический результат обеспечивается тем, что в цифровое устройство, содержащее источник опорного напряжения, измеряемый и образцовый резисторы, кодоуправляемый делитель напряжения, выполненный на базе резисторной матрицы R-2R, двоичный счетчик, генератор импульсов, выход которого подключен к первому (счетному) входу счетчика, второй вход которого является входом "обнуления", а третий - входом установки в определенное состояние n-разрядного счетчика, n выходов которого соединены с соответствующими разрядами n-разрядного КУД, дополнительно введены нуль-орган, образцовые дополнительные делитель напряжения и резистор, блок регистрации результата измерения и управления инструментом подгонки, а также сдвоенный переключатель, входом которого является шина управления, к его первым неподвижным контактам подключен измеряемый резистор, к вторым - образцовый резистор, а подвижные контакты включены последовательно с КУД типа R-2R в одно из плеч измерительного моста, другие плечи которого образованы дополнительными образцовыми делителем напряжения и резистором и соответствующими выводами подключены к полюсам опорного источника постоянного тока, выходная клемма дополнительного образцового делителя напряжения является первой клеммой диагонали моста, к которой подключен первый вход нуль-органа, а его второй вход соединен с второй клеммой диагонали моста, с выводом дополнительного образцового резистора и с одним подвижным контактом сдвоенного переключателя, второй подвижный контакт которого соединен с третьей клеммой и с выходом КУД, первые неподвижные контакты переключателей разрядных токов которого подсоединены к положительному полюсу опорного источника постоянного тока, а вторые неподвижные контакты разрядных переключателей КУД и вывод дополнительного разряда матрицы R-2R подключены к отрицательному полюсу источника постоянного тока, выход нуль-органа соединен с входом управления генератором импульсов и с блоком регистрации результата измерения и управления подгоночным инструментом, другой вход которого является n-разрядным выходом счетчика.Achievable technical result is ensured by the fact that in a digital device containing a reference voltage source, measured and reference resistors, a code-controlled voltage divider made on the basis of the R-2R resistor matrix, a binary counter, a pulse generator, the output of which is connected to the first (counter) input of the counter , the second input of which is the input of "zeroing", and the third is the input of the installation in a certain state of the n-bit counter, n outputs of which are connected to the corresponding bits of the n-bit KUD, d a null organ, an exemplary additional voltage divider and a resistor, a unit for recording the measurement result and control of the fitting tool, as well as a dual switch, the input of which is the control bus, are added to the first fixed contacts, the measured resistor is connected to the second, the standard resistor is connected to the second, and the movable the contacts are connected in series with the R-2R type switchgear in one of the arms of the measuring bridge, the other arms of which are formed by additional exemplary voltage divider and resistor, respectively These outputs are connected to the poles of the reference DC source, the output terminal of the additional model voltage divider is the first terminal of the bridge diagonal, to which the first input of the zero-organ is connected, and its second input is connected to the second terminal of the bridge diagonal, with the output of the additional model resistor and with one the movable contact of the dual switch, the second movable contact of which is connected to the third terminal and to the output of the control switch, the first fixed contacts of the discharge current switches which о are connected to the positive pole of the reference DC source, and the second fixed contacts of the KUD discharge switches and the output of the additional discharge of the R-2R matrix are connected to the negative pole of the DC source, the output of the zero-organ is connected to the control input of the pulse generator and to the measurement result recording unit, and control of the adjustment tool, the other input of which is the n-bit output of the counter.

Перечень фигурList of figures

На фиг.1-2 представлены эквивалентные схемы измерителя сопротивлений и приращения сопротивления. На фиг.3 представлена схема цифрового устройства для измерения сопротивлений и приращения сопротивления.Figure 1-2 presents equivalent circuit resistance meter and increment resistance. Figure 3 presents a diagram of a digital device for measuring resistances and increments of resistance.

Элементы схем обозначены следующим образом.Elements of circuits are indicated as follows.

1, 2 - клеммы измерительной диагонали моста, 2, 3 - клеммы подключения измеряемого резистора, 4₀-4_n - нулевой (дополнительный) и разрядные резисторы с величинами сопротивлений R₀-R_n, 4*₁-4*_n-1 - резисторы связи с величинами сопротивлений R*₁-R*_n-1, 4-5 - КУД R-2R с резисторной матрицей 4 типа R-2R и разрядными ключами 5, 5₁-5_n - разрядные переключатели, 6 - опорный источник постоянного тока, 7 - внутреннее сопротивление опорного источника постоянного тока, 8 - дополнительный образцовый резистор с сопротивлением R_m, 9-10 - сопротивления r₀ и

дополнительного образцового делителя напряжения соответственно, 11 - нуль-орган (гальванометр), 12 - внутреннее сопротивление r гальванометра, 13 - измеряемый (образцовый) резистор с сопротивлением R_x (R_o), 14₁-14_n - эквивалентные разрядные источники с ЭДС, равной Eβ₁-Eβ_n, 15 - блок регистрации результата (БРР), 16 - формирователь импульса, 17 - управляемый генератор импульсов, 18 - двоичный счетчик, 19 - сдвоенный переключатель, Упр - сигнал управления сдвоенным переключателем, Устан - шина установки счетчика. Сброс - шина обнуления счетчика.1, 2 - terminals of the measuring diagonal of the bridge, 2, 3 - terminals for connecting the measured resistor, 4 ₀ -4 _n - zero (optional) and discharge resistors with resistance values R ₀ -R _n , 4 * ₁ -4 * _n-1 - communication resistors with resistance values R * ₁ -R * _n-1 , 4-5 - KUD R-2R with resistor matrix 4 of type R-2R and bit keys 5, 5 ₁ -5 _n - bit switches, 6 - reference constant source current, 7 - internal resistance of the reference DC source, 8 - additional reference resistor with resistance R _m , 9-10 - resistance r ₀ and

additional exemplary voltage divider, respectively, 11 is a zero-organ (galvanometer), 12 is the internal resistance r of the galvanometer, 13 is a measurable (model) resistor with resistance R _x (R _o ), 14 ₁ -14 _n are equivalent discharge sources with EMF, equal to Eβ ₁ -Eβ _n , 15 - result registration unit (RBD), 16 - pulse generator, 17 - controlled pulse generator, 18 - binary counter, 19 - dual switch, Control - dual switch control signal, Set - counter setup bus. Reset - counter zeroing bus.

НО - нуль-орган (гальванометр, миллиамперметр); r - внутреннее сопротивление НО; r₀ и

- сопротивления плеч дополнительного образцового делителя напряжения, R_m- сопротивление дополнительного образцового резистора; R_x - измеряемый (подгоняемый) резистор; R(N),

, R*(N) - элементы схемы замещения резистивной матрицы R-2R, выполненной четырехполюсником типа "звезда", E, r_i - напряжение опорного источника постоянного тока и его внутреннее сопротивление, соответственно; КУД - кодоуправляемый делитель на базе резисторной матрицы типа R-2R; N - двоичный код управления КУД; N_x - код, пропорциональный сопротивлению подгоняемого (измеряемого) резистора; N₀₁ - код, пропорциональный сопротивлению образцового резистора;.BUT - zero-organ (galvanometer, milliammeter); r is the internal resistance of BUT; r ₀ and

- shoulder resistance of an additional model voltage divider, R _m - resistance of an additional model resistor; R _x is the measured (adjustable) resistor; R (N)

, R * (N) - elements of the equivalent circuit of the resistive matrix R-2R, made by a four-terminal star type, E, r _i - voltage of the reference DC source and its internal resistance, respectively; KUD - code-controlled divider based on a resistor matrix of type R-2R; N - binary control code KUD; N _x - code proportional to the resistance of the adjustable (measured) resistor; N ₀₁ - code proportional to the resistance of the reference resistor ;.

Цифровое устройство для измерения сопротивлений и приращения сопротивления, содержащее источник 6 опорного напряжения, измеряемый 13’ и образцовый 13″ резисторы, кодоуправляемый делитель (КУД) 4-5, выполненный на базе резисторной матрицы 4 типа R-2R, n-разрядный двоичный счетчик 18, формирователь импульса 16, управляемый генератор 17 импульсов, выход которого подключен к первому "счетному" входу счетчика, второй вход которого является входом "обнуления", а третий - входом установки в определенное состояние n-разрядного двоичного счетчика, n выходов которого соединены с соответствующими разрядами n-разрядного КУД. Устройство также содержит нуль-орган 11, образцовые дополнительные делитель напряжения, выполненный на резисторах 9-10, и резистор 8, блок регистрации результата (БРР) 15 и управляемый сдвоенный переключатель 19, управление которым осуществляется внешним сигналом (Упр), к первым неподвижным контактам сдвоенного переключателя 19 подключен измеряемый резистор 13', к вторым - образцовый резистор 13", а подвижные контакты этого переключателя 19 включены последовательно с КУД 4-5 в одно из плеч моста, другие плечи которого образованы резисторами 9, 10 дополнительного образцового делителя напряжения и дополнительным образцовым резистором 8 и подключены к полюсам опорного источника 6 постоянного тока, а выход дополнительного образцового делителя напряжения и первый вывод нуль-органа 11 подключены к первой клемме 1 диагонали измерительного моста, вторая клемма 2 диагонали моста соединена с вторым выводом нуль-органа 11, с одним подвижным контактом сдвоенного переключателя 19 и с первым выводом дополнительного образцового резистора, второй вывод которого подключен к отрицательному полюсу источника 6 опорного напряжения, а второй подвижный контакт переключателя 19 соединен с третьей клеммой 3 измерительной цепи и с выходом КУД R-2R 4, первые неподвижные контакты переключателей 5₁-5_n разрядных токов которого подсоединены к положительному полюсу источника 6 постоянного тока, а вторые неподвижные и вывод дополнительного разряда R-2R к его отрицательному полюсу, причем выход нуль-органа 11 соединен с входом формирователя 16 импульса, выход которого соединен с входом управления генератором 17 импульсов и с первым входом блока 15 регистрации результата (БРР), другой n-разрядный вход которого соединен с n-разрядным выходом счетчика 18.Digital device for measuring resistances and increment of resistance, containing a reference voltage source 6, measured 13 ′ and exemplary 13 ″ resistors, code-controlled divider (KUD) 4-5, based on resistor matrix 4 of the R-2R type, n-bit binary counter 18 , pulse shaper 16, a controlled pulse generator 17, the output of which is connected to the first "counting" input of the counter, the second input of which is the input of "zeroing", and the third is the input of setting an n-bit binary counter to a certain state, n outputs otorrhea connected to respective bits of n-bit ASCs. The device also contains a zero-organ 11, an exemplary additional voltage divider made on resistors 9-10, and a resistor 8, a result recording unit (RBD) 15 and a controlled dual switch 19, which is controlled by an external signal (Ex), to the first fixed contacts the double switch 19 is connected to the measured resistor 13 ', the second is a model resistor 13 ", and the movable contacts of this switch 19 are connected in series with the KUD 4-5 in one of the arms of the bridge, the other shoulders of which are formed by resistors 9, 10 body model voltage divider and an additional model resistor 8 and connected to the poles of the reference DC source 6, and the output of the additional model voltage divider and the first output of the zero-organ 11 are connected to the first terminal 1 of the diagonal of the measuring bridge, the second terminal 2 of the diagonal of the bridge is connected to the second output zero-organ 11, with one movable contact of the dual switch 19 and with the first output of an additional model resistor, the second output of which is connected to the negative pole of the source a voltage reference 6, and the second movable contact of the switch 19 is connected to the third terminal 3 of the measuring circuit and to the output of the R-2R 4 KUD, the first fixed contacts of the switches 5 ₁ -5 _{n of the} discharge currents of which are connected to the positive pole of the DC source 6, and the second fixed and the output of an additional discharge R-2R to its negative pole, and the output of the null-organ 11 is connected to the input of the pulse shaper 16, the output of which is connected to the control input of the pulse generator 17 and to the first input of the registration unit 15 result (RRS), the other n-bit input of which is connected to the n-bit output of the counter 18.

Воспользуемся электрической схемой, представленной на фиг.1. В этой схеме осуществляется сравнение нуль-органом (между клеммами 1 и 2) выходных напряжений двух резисторных делителей: первого - составленного из резисторов r₀ и

, являющегося образцовым делителем напряжения с фиксированным значением коэффициента деления К₀, лежащим в пределах 0<К₀<1, и второго - составленного из трех резисторов (дополнительного образцового R_m, измеряемого R_x и выходного сопротивления n-разрядного двоичного делителя R-2R). Переключатели S_i соединяют соответствующий i разряд двоичного делителя с ЭДС источника Е тогда, когда в подаваемом на входы двоичного делителя коде N весовой индекс β_i=1. При анализе принимаем также, что внутреннее сопротивление источника ЭДС r_i=0.We use the electrical circuit shown in figure 1. In this circuit, a zero-organ comparison (between terminals 1 and 2) of the output voltages of two resistor dividers is performed: the first is composed of resistors r ₀ and

, which is an exemplary voltage divider with a fixed value of the dividing coefficient K ₀ lying in the range 0 <K ₀ <1, and the second one is composed of three resistors (additional model R _m , measured by R _x and output resistance of the n-bit binary divider R-2R ) The switches S _i connect the corresponding i bit of the binary divider with the EMF of the source E when the weight index β _i = 1 in the code N supplied to the inputs of the binary divider. In the analysis, we also assume that the internal resistance of the emf source is r _i = 0.

Исходная схема может быть преобразована в эквивалентную схему фиг.2. Анализируя эту схему, можно установить, что контурный ток I_но, равный току в цепи между клеммами 1 и 2 I₁₂, определяется выражением:The original circuit may be converted to the equivalent circuit of FIG. 2. Analyzing this circuit, it can be established that the loop current I _but equal to the current in the circuit between terminals 1 and 2 I ₁₂ is determined by the expression:

где n - число разрядов двоичного делителя, |D| - определитель порядка n+3, который можно представить следующей разряженной матрицейwhere n is the number of bits of the binary divider, | D | - determinant of order n + 3, which can be represented by the following sparse matrix

Матрица ЭДС имеет вид:The EMF matrix has the form:

Для определения тока в диагонали моста необходимо знать определитель |D_n+2|, который находится заменой в определителе |D| порядка (n+3) столбца под номером (n+2) на матрицу ЭДС - |Е|. Такой определитель имеет вид:To determine the current in the diagonal of the bridge, you need to know the determinant | D _{n + 2} |, which is a replacement in the determinant | D | order (n + 3) of the column under the number (n + 2) on the EMF matrix - | E |. Such a determinant has the form:

Условием баланса измерительного моста является равенство нулю тока I₁₂ в его диагонали, что равносильно выполнению условия: |D_n+2|=0. Разлагая определитель |D_n+2| по строке n+3, получим:The balance condition of the measuring bridge is the equal to zero current I ₁₂ in its diagonal, which is equivalent to the fulfillment of the condition: | D _{n + 2} | = 0. Decomposing the determinant | D _{n + 2} | by line n + 3, we get:

где Δ_n+3,n+2 и Δ_n+3,n+3 соответствующие алгебраические дополнения, определяемые выражениямиwhere Δ _{n + 3, n + 2} and Δ _{n + 3, n + 3 are the} corresponding algebraic additions defined by the expressions

где |D_n| - определитель, составленный из первых n строк и n столбцов определителя |D_n+2|, awhere | D _n | is the determinant made up of the first n rows and n columns of the determinant | D _{n + 2} |, a

где |D_nβ| - определитель, полученный из определителя |D_n| путем замены в нем последнего столбца на первые n элементов матрицы |E|. Подставив выражения (3) и (4) в формулу (2) и учитывая, что в двоичном делителе R-2R выполняются равенства: R₀=R₁=R₂=...=R_n=2R; R*₁=R*₂=...=R*_n=R, получим условие баланса (2) моста в видеwhere | D _nβ | - determinant obtained from determinant | D _n | by replacing the last column in it with the first n elements of the matrix | E |. Substituting expressions (3) and (4) in the formula (2) and taking into account that the equalities are satisfied in the binary divider R-2R: R ₀ = R ₁ = R ₂ = ... = R _n = 2R; R * ₁ = R * ₂ = ... = R * _n = R, we obtain the balance condition (2) of the bridge in the form

Поделив обе части уравнения (5) на (r₀+

) и принимая во внимание, что коэффициент деления образцового делителя K₀=r₀/(r₀+

), а

, где N - числовой эквивалент кода, подаваемого на входы двоичного делителя, можно из выражения (5) определить величину сопротивления R_x измеряемого резистора, которое будет равно:Dividing both sides of equation (5) by (r ₀ +

) and taking into account that the division coefficient of the model divider K ₀ = r ₀ / (r ₀ +

), a

, where N is the numerical equivalent of the code supplied to the inputs of the binary divider, it is possible to determine the value of resistance R _{x of the} measured resistor from expression (5), which will be equal to:

Если провести измерение сопротивлений нескольких резисторов, включая их поочередно между клеммами 2-3 (фиг.1-3), то можно заметить, что в выражении (6) будут пропорционально меняться лишь две величины R_x и N, с учетом высокой кратковременной стабильности остальных параметров элементов мостовой цепи. Данное обстоятельство позволяет выполнять измерения путем дифференциального сравнения с мерой, учитывая его преимущества в плане повышения точности измерений, а также проводить подгонку резистивных микросхем, например, типа HP (наборы резисторов, делители напряжения и тока) по отношению к выбранному элементу микросхемы. Пусть после измерения сопротивления R_х выполнено измерение другого резистора, принятого за образцовый. При этом:If we measure the resistances of several resistors, including them alternately between terminals 2-3 (Figs. 1-3), we can see that in expression (6) only two values R _x and N will be proportionally changed, taking into account the high short-term stability of the rest parameters of the elements of the bridge circuit. This circumstance makes it possible to carry out measurements by differential comparison with a measure, taking into account its advantages in terms of increasing the accuracy of measurements, and also to carry out the fitting of resistive circuits, for example, of the type HP (sets of resistors, voltage and current dividers) with respect to the selected chip element. Suppose that, after measuring the resistance R _x , a measurement is made of another resistor, taken as an exemplary one. Wherein:

а величину отклонения значения сопротивления резистора R_х от величины сопротивления R₀₁ можно определить, вычитая уравнения (6) и (7)and the value of the deviation of the resistance value of the resistor R _x from the resistance value R ₀₁ can be determined by subtracting equations (6) and (7)

где ΔN_х - изменение числового значения кода двух последовательных измерений. R/2^n-1К₀=λ=const - постоянная величина при измерении разностей ΔR_x. Величине ΔR_x может соответствовать степень воздействия подгоночного инструмента на резистивную структуру, например при подгонке резисторов тонкопленочных микросхем, пропорциональная ΔN_x. Методическую погрешность измерения (подгонки) сопротивления предлагаемым способом можно рассчитать, полагая, что задана величина дополнительного образцового сопротивления, например, R_m=2R, a ΔN=1. При этом δR_x=ΔR_x/R_x=(ΔN_x/N_x)(1/2^n-1K₀)/((1/2^n-1K₀)-3/N_x). Если, например, n=16 разрядам, а К₀=0,5, N_x=N_max=2ⁿ, то δR_x=0,000062, что бесспорно является очень малой величиной. Инструментальная составляющая общей погрешности будет равна погрешности образцового резистора, которым замещают резистор с сопротивлением R_x.where ΔN _x is the change in the numerical value of the code of two consecutive measurements. R / 2 ^n-1 K ₀ = λ = const is a constant value when measuring differences ΔR _x . The value ΔR _x may correspond to the degree of influence of the fitting tool on the resistive structure, for example, when fitting resistors of thin-film microcircuits, proportional to ΔN _x . The methodological error of measuring (fitting) the resistance of the proposed method can be calculated assuming that the value of the additional model resistance is set, for example, R _m = 2R, and ΔN = 1. Moreover, δR _x = ΔR _x / R _x = (ΔN _x / N _x ) (1/2 ^n-1 K ₀ ) / ((1/2 ^n-1 K ₀ ) -3 / N _x ). If, for example, n = 16 digits, and K ₀ = 0.5, N _x = N _max = 2 ⁿ , then δR _x = 0.000062, which is undoubtedly a very small quantity. The instrumental component of the total error will be equal to the error of the reference resistor, which is replaced by a resistor with resistance R _x .

Чувствительность по току баланса моста можно определить, используя уравнение (1), при ΔN=1, считая при этом, что определитель |D_n+2| изменяется таким образом, что из него вычеркивается верхняя строка (это соответствует исключению младшего разряда n-разрядного КУД). Если также, например, установить r₀=

=R_x=R, a R_m=2R, то приращение тока в диагонали измерительного моста на единицу кода N можно определить: Δi_но=Е/5·2ⁿ⁺¹R.The sensitivity of the current balance of the bridge can be determined using equation (1), with ΔN = 1, assuming that the determinant | D _{n + 2} | is changed in such a way that the top line is deleted from it (this corresponds to the exclusion of the least significant bit of the n-bit KUD). If also, for example, set r ₀ =

= R _x = R, a R _m = 2R, then the current increment in the diagonal of the measuring bridge per code unit N can be determined: Δi _but = E / 5 · 2 ^{n + 1} R.

Т.о. чувствительность устройства по току баланса и относительную погрешность измерения приращения сопротивления можно определить по изложенной методике и подобрать оптимальные соотношения, варьируя при этом разрядностью КУД и значениями сопротивлений дополнительных образцовых делителя и резистора.T.O. the sensitivity of the device according to the current balance and the relative error of measuring the increment of resistance can be determined by the method described above and select the optimal ratio, while varying the bit capacity and the resistance values of the additional reference divider and resistor.

Цифровое устройство для измерения сопротивлений и приращения сопротивления работает следующим образом.A digital device for measuring resistances and increments of resistance works as follows.

Сигнал "Упр" устанавливает сдвоенный переключатель 19 в соответствующий режим измерения неизвестного сопротивления R_x или образцового R₀₁.The signal "Upr" sets the dual switch 19 in the corresponding measurement mode of the unknown resistance R _x or exemplary R ₀₁ .

Генератор 17 вырабатывает импульсы, длительность которых должна быть по крайней мере больше времени установления КУД, выполненного на резисторной матрице 4 типа R-2R и разрядных переключателях 5, которые поступают на счетный вход счетчика 18. На выходе счетчика 18 увеличивается числовое значение кода N до тех пор, пока не наступит баланс моста, плечи которого выполнены на дополнительных образцовых делителе напряжения, выполненного на резисторах 9, 10, и резисторе 8, а четвертое плечо представляет последовательное соединение КУД и измеряемые резисторы 13 с сдвоенным переключателем 19. В момент наступления баланса моста (отсутствие тока в диагонали моста, между клеммами 1 и 2) нуль-орган 11 вырабатывает сигнал, который поступает на вход формирователя 16 импульса, сигнал с выхода которого останавливает генератор 17 и поступает на вход блока регистрации результата 15, который фиксирует (запоминает) значение кода N, пропорциональное значению измеряемого сопротивления. После чего счетчик 18 устанавливается в нулевое состояние внешним сигналом "Сброс". При этом баланс моста нарушается, а нуль-орган 11 и формирователь 16 импульса снимают сигнал запрета работы с управляющего входа генератора 17. После переключения сдвоенного переключателя 19 в режим измерения другого резистора (образцового 13") процесс уравновешивания мостовой цепи повторяется. БРР 15 представляет собой стандартное арифметическо-логическое устройство для запоминания кодов, вычисления их разности и, в соответствие с этим, перенормирование кодов и их разностей в величины сопротивлений согласно формул (6-8). Для сокращения времени измерения счетчик 18 может вначале принудительно устанавливаться сигналом по шине "Устан" в соответствующее состояние. КУД высокой разрешающей способности, например, с количеством разрядов n=16 можно реализовать на серийных микросхемах типа 319НФ2(3,4) с разрядными переключателями на реле РПС32(34) или на микросхемах типа К590КН.The generator 17 generates pulses, the duration of which should be at least longer than the time to establish the QA performed on the resistor matrix 4 of the type R-2R and bit switches 5, which are fed to the counting input of the counter 18. At the output of the counter 18 increases the numerical value of the code N to those until there is a balance of the bridge, the shoulders of which are made on an additional model voltage divider, made on resistors 9, 10, and resistor 8, and the fourth arm represents the serial connection of the ACC and the measured res side 13 with a dual switch 19. At the moment of balance of the bridge (lack of current in the diagonal of the bridge, between terminals 1 and 2), the null-organ 11 generates a signal that is input to the pulse shaper 16, the output of which stops the generator 17 and goes to the input of the registration block of the result 15, which fixes (stores) the value of the code N, proportional to the value of the measured resistance. Then the counter 18 is set to zero by an external signal "Reset". In this case, the balance of the bridge is violated, and the null-organ 11 and the pulse shaper 16 remove the inhibit signal from the control input of the generator 17. After switching the dual switch 19 to the measurement mode of another resistor (exemplary 13 "), the process of balancing the bridge circuit is repeated. BRR 15 is standard arithmetic-logical device for storing codes, calculating their differences and, accordingly, renormalizing codes and their differences into resistance values according to formulas (6-8). and measurements, the counter 18 can initially be forced to set to a corresponding state via the “Ustan” bus signal. High-resolution ACC, for example, with the number of bits n = 16, can be implemented on serial chips of type 319NF2 (3,4) with discharge switches on the relay РПС32 ( 34) or on microchips of type K590KN.

Нуль-орган 11 можно реализовать как, например, дифференциальное устройство преобразования тока в напряжение (см. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 1982. – 512 с., стр.469), выполненное на трех операционных усилителях по схеме динамического измерительного моста.Zero-organ 11 can be implemented as, for example, a differential device for converting current into voltage (see Titz U., Schenk K. Semiconductor circuitry: Reference manual. Translated from German - M .: Mir, 1982. - 512 p., p. 469), performed on three operational amplifiers according to a dynamic measuring bridge circuit.

Claims

A digital device for measuring resistances and increment of resistance, containing a reference voltage source, measured and reference resistors, a code-controlled divider (KUD), made on the basis of an R-2R resistor matrix, an n-bit binary counter, a pulse shaper, a controlled pulse generator, the output of which connected to the first "counting" input of the counter, the second input of which is the input of "zeroing", and the third is the input of the installation in a certain state of the n-bit binary counter, n outputs of which unified with the corresponding discharges of the n-bit KUD, characterized in that it contains a zero-organ, an exemplary additional voltage divider and resistor, a result recording unit (RBD) and a controllable dual switch controlled by an external “Upr” signal to the first fixed contacts of the dual a measured resistor is connected to the switch, an exemplary resistor is connected to the second, and the movable contacts of this switch are connected in series with the KUD in one of the shoulders of the bridge, the other shoulders of which are formed tori of an additional model voltage divider and an additional model resistor are connected to the poles of the reference DC source, and the output of the additional model voltage divider and the first output of the zero-organ are connected to the first terminal of the diagonal of the measuring bridge, the second terminal of the diagonal of the bridge is connected to the second output of the zero-organ, with one movable contact of a dual switch and with the first output of an additional model resistor, the second output of which is connected to the negative pole and reference voltage source, and the second movable contact of the switch is connected to the third terminal of the measuring circuit and to the output of the R-2R KUD, the first fixed contacts of the discharge current switches of which are connected to the positive pole of the DC source, and the second fixed contacts and the output of the additional discharge R-2R to its negative pole, and the output of the zero-organ is connected to the input of the pulse shaper, the output of which is connected to the control input of the pulse generator and to the first input of the cut registration unit Ltata (BRL), the other n-bit input of which is connected to the n-bit output of the counter.