RU2365033C2

RU2365033C2 - Module of direct current transformation in code

Info

Publication number: RU2365033C2
Application number: RU2007122187/09A
Authority: RU
Inventors: Алексей Иванович Горностаев (RU); Алексей Иванович Горностаев; Сергей Алексеевич Рыбаков (RU); Сергей Алексеевич Рыбаков; Павел Васильевич Михеев (RU); Павел Васильевич Михеев
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2009-08-20
Also published as: RU2007122187A

Abstract

FIELD: physics; measurement.

SUBSTANCE: invention concerns measuring technique and can be applied in various information-measuring systems for transformation of direct current in a code. The module of direct current transformation in a code contains a general power rail (1), a exchange bus (2), a control circuit (CC) (16), two input analogue multiplexers (M) (3 and 4) for p of differential voltage control channels, a source amplifier (5), an entered arrangement for enhancement of absolute signal value (6), and a series-connected scaling amplifier (7), analogue-to-digital converter (8) and an output buffer arrangement (9), and also an entered comparator of polarity (10), a source of exemplary voltage (11), subband comparator (12) and a subband capturing arrangement (13), calibration voltage shaper (15) and a reference voltage commutator (14).

EFFECT: increase of measurement accuracy at the expense of resolution enhancement at transformation of different-polar differential voltages, exception of dynamic errors of measurement at switching subbands problem solving of, and also increase of differential voltage measurement stability at long term of operation.

5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в различных информационно-измерительных системах.The invention relates to measuring equipment and can be applied in various information-measuring systems.

Известен преобразователь напряжений постоянного тока в код, используемый в цифровых вольтметрах со встроенной микроЭВМ, содержащий внутренний источник образцового напряжения и последовательно соединенные входной коммутатор напряжений, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и выходное буферное устройство, управляемые через схему управления от встроенной микроЭВМ (см. Современные цифровые вольтметры: Учеб. пособие для СПТУ. - 2-е изд., перераб. и доп. / Ю.Н.Евланов. - М.: Высш. шк., 1987, с.49, рис.20).A known DC-voltage converter to a code used in digital voltmeters with a built-in microcomputer, containing an internal reference voltage source and connected in series with the input voltage commutator, amplifier, analog-to-digital converter (ADC) and the output buffer device, controlled via the control circuit from the built-in microcomputer ( see Modern digital voltmeters: Textbook for SPTU. - 2nd ed., revised and revised / Yu.N. Evlanov. - M.: Higher school, 1987, p. 49, Fig. 20) .

В таком преобразователе повышение точности измерения напряжений достигается проведением автокалибровок с помощью встроенной микроЭВМ по результатам измерения напряжений внутреннего образцового источника в двух точках.In such a converter, an increase in the accuracy of voltage measurement is achieved by conducting auto-calibrations using the built-in microcomputer according to the results of voltage measurements of the internal reference source at two points.

Однако этот преобразователь предполагает производить измерения только однополярных напряжений относительно общей шины питания и не позволяет производить измерения разнополярных дифференциальных напряжений, а также при необходимости измерения напряжений в широком диапазоне не позволяет производить переключение поддиапазонов измерения.However, this converter is intended to measure only unipolar voltages with respect to the common supply bus and does not allow measuring different-polar differential voltages, and also, if necessary, measuring voltages in a wide range does not allow switching of the measurement sub-ranges.

Известен преобразователь напряжений постоянного тока в код, используемый в цифровых измерительных приборах со встроенной микроЭВМ, содержащий внутренний источник образцового напряжения и последовательно соединенные входной аналоговый мультиплексор, масштабирующий усилитель, АЦП и выходное буферное устройство, управляемые через схему управления от встроенной микроЭВМ (см. Автоматизированные измерительные комплексы. / А.Ф.Страхов. - М.: Энергоиздат, 1982, с.92, рис.3.7).A known DC-voltage converter to a code used in digital measuring instruments with a built-in microcomputer, containing an internal reference voltage source and connected in series with an input analog multiplexer, a scaling amplifier, an ADC and an output buffer device controlled via a control circuit from a built-in microcomputer (see Automated measuring complexes. / A.F. Strakhov. - M.: Energoizdat, 1982, p. 92, Fig. 3.7).

В таком преобразователе для измерения напряжений в широком диапазоне предусмотрено программное переключение поддиапазонов измерения с помощью встроенной микроЭВМ.In such a converter for measuring voltages in a wide range, software switching of the measurement sub-ranges with the help of the built-in microcomputer is provided.

Однако этот преобразователь не позволяет производить переключение поддиапазонов измерения автоматически в зависимости от уровня входных напряжений, а также не позволяет производить измерения разнополярных дифференциальных напряжений.However, this converter does not allow the switching of the measurement sub-ranges automatically depending on the level of the input voltages, and also does not allow the measurement of bipolar differential voltages.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности (прототипом) является преобразователь напряжения постоянного тока в код, разработанный в виде многоканального аналогового модуля ввода данных для одноблочных компьютеров Intel (модификации ISBC311, ISBC711, разработанные для подключения к любой микроЭВМ, имеющей шину обмена ISBC), содержащий общую шину питания, шину обмена, подключенную к шине обмена схему управления, два входных аналоговых мультиплексора на n каналов контроля дифференциальных напряжений и последовательно соединенные инструментальный усилитель, дифференциальные входы которого подключены к выходам соответствующих входных аналоговых мультиплексоров, масштабирующий усилитель, АЦП и подключенное к шине обмена выходное буферное устройство, причем первый, второй, третий и четвертый выходы схемы управления соединены с соответствующими входами управления входных аналоговых мультиплексоров, масштабирующего усилителя, АЦП и выходного буферного устройства (см. Аналого-цифровые микропроцессорные устройства. / А.А.Маслов, О.Н.Сахаров. - М.: Изд-во МАИ, 1991, с.52-55, рис.1.35 и 1.36).Closest to the proposed solution in technical essence (prototype) is a DC-DC voltage to code converter designed as a multi-channel analog data input module for Intel single-block computers (modifications ISBC311, ISBC711, designed to connect to any microcomputer that has an ISBC bus), comprising a common power bus, an exchange bus, a control circuit connected to the exchange bus, two input analog multiplexers for n channels of differential voltage control and connected in series instrumental amplifier, the differential inputs of which are connected to the outputs of the corresponding input analog multiplexers, a scaling amplifier, an ADC and an output buffer device connected to the exchange bus, the first, second, third and fourth outputs of the control circuit connected to the corresponding control inputs of the input analog multiplexers, a scaling amplifier , ADC and output buffer device (see Analog-to-digital microprocessor devices. / A.A. Maslov, O.N. Sakharov. - M .: Publishing House of the Moscow Aviation Institute, 1991, p. 52-55, Fig. 1.35 and 1.36).

В таком модуле преобразования предусмотрен выбор любого из n каналов контроля, позволяющий производить измерения разнополярных дифференциальных напряжений, и предусмотрено программное переключение поддиапазонов измерения с помощью микроЭВМ.Such a conversion module provides for the selection of any of the n control channels, which makes it possible to measure bipolar differential voltages, and provides for the programmed switching of the measurement sub-bands using a microcomputer.

Недостатком прототипа является то, что при преобразовании разнополярных дифференциальных напряжений в код в АЦП самый старший разряд цифровой шкалы используется как знаковый, а это приводит к снижению разрешающей способности модуля преобразования в два раза. Также этот модуль преобразования не позволяет производить переключение поддиапазонов измерения автоматически в зависимости от уровня дифференциальных напряжений, что приводит при циклическом опросе n каналов контроля в условиях неопределенности выбора требуемого поддиапазона к динамическим ошибкам измерения, связанным с выходом напряжения за границы программно установленного поддиапазона. Кроме того, этот модуль преобразования не имеет внутреннего источника образцового напряжения для проведения автокалибровки в процессе длительной эксплуатации, при которой начинает проявляться временная нестабильность. Для поддержания высокой стабильности результатов измерения требуется периодическая его поверка и калибровка по внешней образцовой мере.The disadvantage of the prototype is that when converting bipolar differential voltages into a code in an ADC, the most significant digit of the digital scale is used as a sign, and this leads to a decrease in the resolution of the conversion module by half. Also, this conversion module does not allow switching the measurement sub-bands automatically depending on the level of differential voltages, which leads to dynamic measurement errors associated with the output of voltage beyond the boundaries of the software-defined sub-range during cyclic interrogation of n control channels under uncertainty of the choice of the required sub-range. In addition, this conversion module does not have an internal source of reference voltage for performing auto-calibration during long-term operation, in which temporary instability begins to appear. To maintain high stability of the measurement results, periodic calibration and calibration according to an external model measure is required.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет решения следующих задач:The aim of the invention is to improve the measurement accuracy by solving the following tasks:

1) повышения разрешающей способности при преобразовании разнополярных дифференциальных напряжений;1) increase the resolution when converting bipolar differential voltages;

2) исключения динамических ошибок измерения при переключении поддиапазонов;2) elimination of dynamic measurement errors when switching sub-bands;

3) повышения стабильности измерения дифференциальных напряжений при длительном сроке эксплуатации.3) increase the stability of the measurement of differential stresses with a long service life.

Решение задачи повышения разрешающей способности достигается тем, что дополнительно введены устройство выделения абсолютной величины сигнала, включенное между выходом инструментального усилителя и входом масштабирующего усилителя, компаратор полярности, первый вход сравнения которого подключен к общей шине питания, второй вход сравнения - к выходу инструментального усилителя, а выход - к первому дополнительному входу выходного буферного устройства.The solution to the problem of increasing the resolution is achieved by additionally introducing a device for extracting the absolute value of the signal included between the output of the instrument amplifier and the input of the scaling amplifier, a polarity comparator, the first comparison input of which is connected to the common power bus, the second comparison input is connected to the output of the instrument amplifier, and output - to the first additional input of the output buffer device.

Решение задачи исключения динамических ошибок измерения достигается тем, что дополнительно введены источник образцовых напряжений, компаратор поддиапазона и устройство фиксации поддиапазона, причем первый вход сравнения компаратора поддиапазона подключен к первому выходу источника образцовых напряжений, второй вход сравнения - к выходу устройства выделения абсолютной величины сигнала, а выход - ко входу контроля устройства фиксации поддиапазона, выход которого подключен ко входу управления масштабирующего усилителя и второму дополнительному входу выходного буферного устройства, причем первый вход управления устройства фиксации поддиапазона подключен ко второму выходу схемы управления, а второй вход управления - к третьему выходу схемы управления.The solution to the problem of eliminating dynamic measurement errors is achieved by additionally introducing a reference voltage source, a subband comparator and a subband fixation device, the first comparison input of the subband comparator connected to the first output of the reference voltage source, the second comparison input to the output of the absolute value isolation device, and output - to the control input of the subband fixation device, the output of which is connected to the control input of the scaling amplifier and the second additional tive input of an output buffer unit, wherein the first subband locking device control input connected to the second output of the control circuit, and a second control input - to the third output of the control circuit.

Решение задачи повышения стабильности измерения дифференциальных напряжений достигается тем, что дополнительно введены формирователь калибровочных напряжений, выходы которого подключены к соответствующим входам входных аналоговых мультиплексоров одного из n каналов контроля дифференциальных напряжений, а управляющий вход которого подключен к первому дополнительному выходу схемы управления, и коммутатор образцового напряжения, включенный между вторым выходом источника образцовых напряжений и входом формирователя калибровочных напряжений, причем управляющий вход коммутатора образцового напряжения соединен со вторым дополнительным выходом схемы управления.The solution to the problem of increasing the stability of measuring differential voltages is achieved by the addition of a calibration voltage generator, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the input analog multiplexers of one of the n channels for monitoring differential voltages, and the control input of which is connected to the first additional output of the control circuit, and a model voltage switch connected between the second output of the reference voltage source and the input of the shaper gauge apryazheny, wherein the control input of the switch exemplary voltage coupled to the second additional output of the control circuit.

На фиг.1 представлена функциональная схема модуля преобразования напряжений постоянного тока в код, содержащего общую шину питания 1, шину обмена 2, два входных аналоговых мультиплексора 3 и 4 на n каналов контроля дифференциальных напряжений, инструментальный усилитель 5, устройство выделения абсолютной величины сигнала 6, масштабирующий усилитель 7, АЦП 8, выходное буферное устройство 9, компаратор полярности 10, источник образцовых напряжений 11, компаратор поддиапазона 12, устройство фиксации поддиапазона 13, коммутатор образцового напряжения 14, формирователь калибровочных напряжений 15 и схему управления 16.Figure 1 shows a functional diagram of a module for converting DC voltage to a code containing a common power bus 1, exchange bus 2, two input analog multiplexers 3 and 4 on n channels of differential voltage control, instrumental amplifier 5, a device for extracting the absolute value of signal 6, scaling amplifier 7, ADC 8, output buffer device 9, polarity comparator 10, reference voltage source 11, subband comparator 12, subband fixation device 13, reference voltage switcher 14, calibration voltage generator 15 and control circuit 16.

На фиг.2 представлены временные диаграммы работы модуля преобразования напряжений постоянного тока в код, где 1 - код адреса канала контроля дифференциальных напряжений, 2 - импульс фиксации поддиапазона измерения, 3 - импульс запуска АЦП, 4 - строб чтения, 5 - абсолютная величина контролируемого напряжения, 6 - выходной сигнал компаратора поддиапазона, 7 - выходной сигнал устройства фиксации поддиапазона, 8 - напряжение на выходе масштабирующего усилителя, 9 - цифровой эквивалент (код) контролируемого дифференциального напряжения на выходе АЦП.Figure 2 presents the timing diagrams of the module for converting DC voltage to a code, where 1 is the address code of the differential voltage control channel, 2 is the pulse to fix the measurement sub-range, 3 is the ADC start pulse, 4 is the read strobe, 5 is the absolute value of the controlled voltage 6 is the output signal of the subband comparator, 7 is the output signal of the subband fixation device, 8 is the voltage at the output of the scaling amplifier, 9 is the digital equivalent (code) of the controlled differential voltage at the ADC output.

На фиг.3 представлена функциональная схема устройства фиксации поддиапазона.Figure 3 presents a functional diagram of a device for fixing a subband.

На фиг.4 представлена функциональная схема формирователя калибровочных напряжений.Figure 4 presents the functional diagram of the shaper calibration voltages.

Как показано на фиг.1, входы входных аналоговых мультиплексоров 3 и 4 образуют n каналов контроля дифференциальных напряжений, первый из которых является калибровочным каналом (U_к+, U_к-), через который осуществляется контроль дифференциального напряжения ΔU_к=U_к+-U_к- с выходов формирователя калибровочных напряжений 15, а остальные n-1 каналов контроля являются входами модуля преобразования (U_xi+, U_xi-), через которые осуществляется контроль входных дифференциальных напряжений ΔU_xi=U_xi+-U_xi- внешних датчиков, где i=2…n. Опрос каналов контроля дифференциальных напряжений осуществляется в соответствии с поступающим кодом адреса канала контроля с первого выхода схемы управления 16. Инструментальный усилитель 5 поочередно в процессе опроса каналов контроля внешних датчиков преобразует поступающие через входные аналоговые мультиплексоры 3 и 4 дифференциальные напряжения ΔU_xi произвольной полярности в напряжение U_x этой же полярности, формируемое относительно общей шины питания 1 (аналогично происходит преобразование в процессе опроса калибровочного канала). Знак полярности напряжения U_x выделяет компаратор полярности 10 в виде дополнительного бита информации. Устройство выделения абсолютной величины сигнала 6 приводит напряжение U_x к абсолютной величине

. Масштабирующий усилитель 7 усиливает это напряжение до величины U_a для согласования с динамическим диапазоном цифровой шкалы АЦП 8 в зависимости от установленного поддиапазона измерения, который выбирается изменением коэффициента усиления масштабирующего усилителя 7 по управляющему сигналу с выхода устройства фиксации поддиапазона 13, формируемого в виде дополнительного бита информации. Компаратор поддиапазона 12 формирует данные о требуемом диапазоне измерения путем сравнения уровня напряжения

на выходе устройства выделения абсолютной величины сигнала 6 с уровнем напряжения переключения поддиапазона U_пд на первом выходе источника образцовых напряжений 11. Устройство фиксации поддиапазона 13 фиксирует на своем выходе сформированные компаратором поддиапазона 12 данные о требуемом поддиапазоне измерения и осуществляет установку исходного (старшего) поддиапазона измерения по управляющим сигналам соответственно со второго и третьего выхода схемы управления 16. АЦП 8 в промежутке между фиксацией и установкой исходного поддиапазона измерения преобразовывает напряжение U_a в цифровой эквивалент (код) Y_x по управляющему сигналу с третьего выхода схемы управления 16. Выходное буферное устройство 9 осуществляет передачу кода Y_x преобразованного напряжения U_a одновременно с битами информации о полярности контролируемого напряжения U_x и о выбранном поддиапазоне измерения на шину обмена 2 по управляющему сигналу с четвертого выхода схемы управления 16. Формирователь калибровочных напряжений 15 преобразовывает однополярное образцовое калибровочное напряжение U_ок со второго выхода источника образцовых напряжений 11 в сетку разнополярных дифференциальных калибровочных напряжений ΔU_к в соответствии с кодом адреса требуемой точки калибровки в каждом поддиапазоне измерения, поступающего с первого дополнительного выхода схемы управления 16. Коммутатор образцового напряжения 14 обеспечивает на время опроса каналов контроля дифференциальных напряжений ΔU_xi внешних датчиков отключение образцового калибровочного напряжения U_ок со входа формирователя калибровочных напряжений 15 по управляющему сигналу, поступающему со второго дополнительного выхода схемы управления 16. Сигналы управления режимом работы модуля преобразования формируются схемой управления 16 согласно диаграммы работы заявленного модуля преобразования (фиг.2).As shown in Figure 1, the inputs of the input

analog multiplexer

3 and 4 form n differential voltage control channels, the first of which is the calibration channel (U _{a +,} U _k), through which the control voltage _{to the} differential ΔU = U _{k +} - U _k output from the generator 15 gauge voltages, and the remaining n-1 control channels are input converting unit _{_{(U xi +, U xi-)}} , through which the control input differential voltage ΔU _{_xi} = U _xi ₊ -U _xi- external sensors, wherein i = 2 ... n. Interrogation of the differential voltage control channels is carried out in accordance with the incoming code of the control channel address from the first output of the control circuit 16. The instrument amplifier 5 alternately, during the interrogation of the external sensor control channels, converts the differential voltages ΔU _{xi of} arbitrary polarity coming through the

input analog multiplexers

3 and 4 into voltage U _{x of} the same polarity formed relative to the common power bus 1 (similarly, the conversion occurs during the interrogation of the calibration channel la). The sign of the voltage polarity U _x selects the polarity comparator 10 in the form of an additional bit of information. The device for extracting the absolute value of the signal 6 leads the voltage U _x to the absolute value

. The scaling amplifier 7 amplifies this voltage to a value of U _a to match the dynamic range of the digital scale of the ADC 8, depending on the set measurement sub-range, which is selected by changing the gain of the scaling amplifier 7 according to the control signal from the output of the sub-band fixation device 13, which is formed as an additional bit of information . Sub-range comparator 12 generates data on the required measuring range by comparing the voltage level

at the output of the device for extracting the absolute value of signal 6 with the switching voltage level of the subband U _PD at the first output of the reference voltage source 11. The fixation device of subband 13 records the data on the required measurement subband generated by the comparator of subband 12 and sets the initial (oldest) measurement subband according to control signals, respectively, from the second and third output of the control circuit 16. ADC 8 in the interval between fixing and setting the original subrange and the measurement converts the voltage U _a into a digital equivalent (code) Y _x by the control signal from the third output of the control circuit 16. The output buffer device 9 transmits the code Y _{x of the} converted voltage U _a simultaneously with the bits of information about the polarity of the monitored voltage U _x and about the selected subband measurements on exchange bus 2 by a control signal output from the fourth control circuit 16. The calibration voltage generator 15 converts the unipolar exemplary calibration voltage U _c from the second output of reference voltage source 11 to the grid bipolar differential voltage ΔU gauge according _to address code required calibration point in each subband measurements coming from the first additional output control circuit 16. The switch 14 provides exemplary voltage on the response time differential control voltage ΔU _xi channels external sensors disconnection of the standard calibration voltage U _ok from the input of the shaper of calibration voltages 15 by the control signal, from the second additional output of the control circuit 16. The control signals of the operating mode of the conversion module are generated by the control circuit 16 according to the operation diagram of the claimed conversion module (Fig. 2).

Как показано на фиг.3, функциональная схема устройства фиксации поддиапазона содержит два D-триггера 17 и 18, два элемента ИЛИ-НЕ 19 и 20 и два элемента НЕ 21 и 22, причем D-вход D-триггера 17 соединен с входом контроля устройства фиксации поддиапазона, S-вход - с выходом элемента ИЛИ-НЕ 19, С-вход - с выходом элемента ИЛИ-НЕ 20, а прямой выход - с выходом устройства фиксации поддиапазона и с первым входом элемента ИЛИ-НЕ 19, второй вход которого соединен с инверсным выходом D-триггера 18, причем R-вход D-триггера 18 соединен с первым входом управления устройства фиксации поддиапазона и с входом элемента НЕ 21, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ-НЕ 20, С-вход - с выходом элемента НЕ 22, вход которого соединен со вторым входом управления устройства фиксации поддиапазона, а прямой выход - со вторым входом элемента ИЛИ-НЕ 20. Фиксация признака поддиапазона измерения осуществляется D-триггером 17 по управляющему сигналу на первом входе управления устройства фиксации поддиапазона через элемент НЕ 21, D-триггер 18 и элемент ИЛИ-НЕ 20. Установка исходного признака поддиапазона измерения осуществляется по управляющему сигналу на втором входе управления устройства фиксации поддиапазона через элемент НЕ 22, D-триггер 18 и элемент ИЛИ-НЕ 19. Элементы ИЛИ-НЕ 19 и 20 обеспечивают исключение «явления гонок» при прохождении сигналов управления на фиксацию и установку исходного признака поддиапазона измерения на прямом выходе D-триггера 17. Под управлением блокировочных сигналов с инверсного и прямого выходов D-триггера 18 элемент ИЛИ-НЕ 19 обеспечивает гарантированную установку D-триггера 17 в единичное состояние, а элемент ИЛИ-НЕ 20 - гарантированную установку D-триггера 17 в нулевое состояние.As shown in FIG. 3, the functional diagram of the subband fixation device contains two D-flip-flops 17 and 18, two OR-NOT 19 and 20 elements, and two HE-21 and 22 elements, and the D-input of the D-trigger 17 is connected to the control input of the device sub-band fixation, S-input - with the output of the OR-NOT 19 element, C-input - with the output of the OR-NOT 20 element, and direct output - with the output of the subband fixation device and with the first input of the OR-NOT 19 element, the second input of which is connected with the inverse output of the D-flip-flop 18, and the R-input of the D-flip-flop 18 is connected to the first control input of the device fi the subband range and with the input of the element HE 21, the output of which is connected to the first input of the element OR NOT 20, the C-input - with the output of the element HE 22, the input of which is connected to the second control input of the subband fixation device, and the direct output - with the second input of the element OR NOT 20. The sign of the measurement sub-range is fixed by the D-trigger 17 by the control signal at the first control input of the sub-band fixation device via the element NOT 21, D-trigger 18 and the element OR-NOT 20. The initial indication of the measurement sub-range is carried out according to the control signal at the second control input of the sub-band fixation device through the element HE 22, the D-flip-flop 18 and the element OR-NOT 19. The elements OR-NOT 19 and 20 provide the elimination of the “race phenomenon” during the passage of control signals for fixing and setting the initial sign the measurement sub-range at the direct output of the D-trigger 17. Under the control of blocking signals from the inverse and direct outputs of the D-trigger 18, the OR-NOT 19 element ensures the guaranteed installation of the D-trigger 17 in a single state, and the OR-NOT 20 element ensures the guaranteed setting the D-trigger 17 to zero.

Как показано на фиг.4, функциональная схема формирователя калибровочных напряжений содержит резистивный делитель 23 и два аналоговых мультиплексора 24 и 25, причем резистивный делитель 23 подключен между входом формирователя калибровочных напряжений и общей шиной питания 1, выходы которого соединены с первой группой входов аналогового мультиплексора 24 и второй группой входов аналогового мультиплексора 25, причем вторая группа входов аналогового мультиплексора 24 и первая группа входов аналогового мультиплексора 25 соединены с общей шиной питания 1, выходы которых соединены с соответствующими выходами формирования калибровочных напряжений, а управляющие входы которых соединены с входом управления формирователя калибровочных напряжений. Резистивный делитель 23 из образцового калибровочного напряжения U_ок образует верхний и нижний уровни калибровочных напряжений U_кв1 и U_кн1 для старшего поддиапазона измерения и U_кв2 и U_кн2 для младшего поддиапазона измерения. Аналоговые мультиплексоры 24 и 25 обеспечивают выбор необходимого уровня дифференциальных калибровочных напряжений ΔU_к на выходах формирователя калибровочных напряжений и изменение их полярности в соответствии с поступающим кодом номера точки калибровки на второй вход управления формирователя калибровочных напряжений.As shown in figure 4, the functional diagram of the calibration voltage generator contains a resistive divider 23 and two analog multiplexers 24 and 25, and the resistive divider 23 is connected between the input of the calibration voltage generator and the common power bus 1, the outputs of which are connected to the first group of inputs of the analog multiplexer 24 and a second group of inputs of the analog multiplexer 25, and the second group of inputs of the analog multiplexer 24 and the first group of inputs of the analog multiplexer 25 are connected to a common bus Thaniah 1, the outputs of which are connected to respective outputs of formation gauge voltages, and the control inputs of which are connected to the control input of driver calibration voltages. The resistive divider 23 from the exemplary calibration voltage U _ok forms the upper and lower levels of the calibration voltages U _kv1 and U _kn1 for the highest measuring sub-range and U _kv2 and U _kn2 for the lower measuring sub-range. Analog multiplexers 24 and 25 provide a choice of the required level of differential calibration voltages ΔU _k at the outputs of the calibration voltage generator and a change in their polarity in accordance with the incoming code of the calibration point number to the second control input of the calibration voltage generator.

Модуль преобразования работает следующим образом.The conversion module works as follows.

В процессе циклического опроса каналов контроля дифференциальных калибровочных напряжений ΔU_к с выходов формирователя калибровочных напряжений 15 и дифференциальных напряжений ΔU_xi внешних датчиков эти напряжения поступают на входы входных аналоговых мультиплексоров 3 и 4, которые в соответствии с кодом адреса канала контроля, установленным в момент времени t₀ на первом выходе схемы управления 16 (фиг.2, диаграмма 1), подключают входы одного из n каналов контроля дифференциальных напряжений ко входам инструментального усилителя 5. При этом на выходе инструментального усилителя 5 относительно общей шины питания 1 установится напряжение U_x, соответствующее полярности дифференциального напряжения ΔU_xi на входах опрашиваемого канала контроля. Это напряжение преобразуется в напряжение положительной полярности

с помощью устройства выделения абсолютной величины сигнала 6 (фиг.2, диаграмма 5), которое подается на вход масштабирующего усилителя 7.In the process of cyclic interrogation of control channels for differential calibration voltages ΔU _k from the outputs of the calibrator of calibration voltages 15 and differential voltages ΔU _{xi of} external sensors, these voltages are applied to the inputs of the input

analog multiplexers

3 and 4, which, in accordance with the control channel address code, set at time t ₀ at the first output of the control circuit 16 (figure 2, diagram 1), connect the inputs of one of the n channels of the differential voltage control to the inputs of the instrument amplifier 5. the voltage U _x corresponding to the polarity of the differential voltage ΔU _xi at the inputs of the interrogated control channel is set at the output of the instrumentation amplifier 5 relative to the common power bus 1. This voltage is converted to positive polarity.

using a device for extracting the absolute value of signal 6 (FIG. 2, diagram 5), which is fed to the input of a scaling amplifier 7.

Одновременно напряжение U_x поступает на компаратор полярности 10 для формирования признака полярности этого напряжения относительно потенциала общей шины питания 1, а абсолютная величина напряжения

поступает на компаратор поддиапазона 12 для формирования признака поддиапазона относительно уровня напряжения переключения поддиапазона U_пд с первого выхода источника образцовых напряжений 11. При переходе напряжения

через уровень напряжения U_пд возможно неустойчивое формирование данных признака поддиапазона (фиг.2, диаграмма 6), которое может привести к динамическим ошибкам измерения, поэтому для исключения этого явления в момент времени t₁ импульс фиксации поддиапазона измерения со второго выхода схемы управления 16 (фиг.2, диаграмма 2) устанавливает нулевой или единичный уровень признака поддиапазона на выходе устройства фиксации поддиапазона 13 (фиг.2, диаграмма 7) в зависимости от уровня сформированных в этот момент времени данных на выходе компаратора поддиапазона 12. Если зафиксировался низкий уровень признака поддиапазона, который соответствует младшему поддиапазону измерения, то этим уровнем в момент времени t₁ масштабирующий усилитель 7 переключается на повышенный коэффициент передачи, при котором на его выходе устанавливается повышенное напряжение U_a (фиг.2, диаграмма 8, сплошная линия). Если зафиксировался высокий уровень признака поддиапазона, который соответствует старшему поддиапазону измерения, то этим уровнем в момент времени t₁ масштабирующий усилитель 7 переключается на пониженный коэффициент передачи, при котором на его выходе устанавливается пониженное напряжение U_a (фиг.2, диаграмма 8, пунктирная линия).At the same time, the voltage U _{x is} supplied to a polarity comparator 10 to form a polarity indication of this voltage relative to the potential of the common power bus 1, and the absolute value of the voltage

arrives at the comparator subband 12 to form the sign of the subband relative to the level of the switching voltage of the subband U _PD from the first output of the source of reference voltages 11. When the voltage transitions

through the voltage level U _pd , unstable generation of subband attribute data is possible (Fig. 2, diagram 6), which can lead to dynamic measurement errors, therefore, to eliminate this phenomenon at time t _{1, the} measurement subband fixation pulse from the second output of the control circuit 16 (Fig. .2, diagram 2) sets the zero or single level of the subband attribute at the output of the subband fixation device 13 (Fig. 2, diagram 7) depending on the level of the output data generated at this moment in time pa subband locks 12. If the low level subband characteristic which corresponds to the least subband measurements, this level at time t ₁ scaling amplifier 7 is switched to a higher transmission ratio, in which at its output is set to the boosted voltage U _a (Figure 2, figure 8, solid line). If a high level of the subband attribute has been detected, which corresponds to the oldest measurement subrange, then at this time t _{1, the} scaling amplifier 7 switches to a reduced transfer coefficient, at which a lower voltage U _{a is} set at its output (Fig. 2, diagram 8, dashed line )

После фиксации признака поддиапазона напряжение U_a подается на вход АЦП 8 для преобразования в код Y_x. Преобразование начинается после установления переходных процессов в масштабирующем усилителе 7 в момент времени t₂ по переднему фронту импульса запуска АЦП с третьего выхода схемы управления 16 (фиг.2, диаграмма 3). Завершается преобразование в момент времени t₃, в результате которого на выходе АЦП 8 фиксируется код Y_x (фиг.2, диаграмма 9), который подается на выходное буферное устройство 9. Гашение преобразования АЦП 8 и установка в исходное признака поддиапазона на выходе устройства фиксации поддиапазона 13 осуществляется в момент времени t₄ по заднему фронту импульса запуска АЦП с третьего выхода схемы управления 16 одновременно с переходом на опрос другого канала контроля. В промежутке между моментами времени t₃ и t₄ производится чтение кода Y_x входного напряжения U_x и признаков полярности и поддиапазона через выходное буферное устройство 9 на шину обмена 2 стробом чтения с четвертого выхода схемы управления 16 и поступает в микроЭВМ для обработки результатов измерения.After fixing the sign of the subband voltage U _a is fed to the input of the ADC 8 for conversion to code Y _x . The conversion begins after the establishment of transients in the scaling amplifier 7 at time t ₂ along the leading edge of the ADC start-up pulse from the third output of the control circuit 16 (Fig. 2, diagram 3). The conversion is completed at time t ₃ , as a result of which the code Y _x is fixed at the output of the ADC 8 (Fig. 2, diagram 9), which is fed to the output buffer device 9. The ADC conversion 8 is quenched and the subband flag is set to the initial output of the fixation device sub-band 13 is carried out at time t ₄ on the trailing edge of the ADC start-up pulse from the third output of the control circuit 16 simultaneously with the transition to the interrogation of another control channel. In the interval between times t ₃ and t ₄ , the code Y _{x of the} input voltage U _x and the signs of polarity and subband are read through the output buffer device 9 to the exchange bus 2 by the read strobe from the fourth output of the control circuit 16 and is sent to the microcomputer for processing the measurement results.

Поскольку результат измерения напряжения U_x может содержать систематическую погрешность измерения, то ее вычисляют с помощью микроЭВМ путем определения констант уравнения передаточной характеристики измерительного тракта по результатам измерения напряжений U_кв и U_кн в верхней и нижней калибровочных точках, а результат измерения калибруют. Действительно, в общем случае код Y_x входного напряжения U_x определяется отклонением реальной передаточной характеристики измерительного тракта от идеальной и может быть получен с погрешностью из-за наличия начального смещения Е_см (аддитивная составляющая), отличия коэффициента передачи К_п от номинального (мультипликативная составляющая) и нелинейности передаточной характеристики (нелинейная составляющая). Если пренебречь последней из составляющих (линейность измерительного тракта обеспечивают выбором элементной базы), то получение результата, свободного от погрешностей, предполагает проведение трех измерений: входного напряжения Y_x=K_п(U_x+E_cм), напряжения в верхней калибровочной точке Y_кв=К_п(U_кв+Е_см) и напряжения в нижней калибровочной точке Y_кн=К_п(U_кн+E_см). Две последние операции являются калибровочными, позволяющими микроЭВМ автоматически рассчитать коэффициент передачи K_п=(Y_кв-Y_кн)/(U_кв-U_кн), начальное смещение Е_см=(U_квY_кн-U_кнY_кв)/(Y_кв-Y_кн) и действительное значение входного напряжения U_x=[(Y_x-Y_кн)U_кв-(Y_х-Y_кв)U_кн]/(Y_кв-Y_кн). Из последней формулы видно, что входное напряжение U_xопределяется по калибровочным напряжениям U_кв и U_кн, значения которых хранятся в памяти микроЭВМ. Влияние же начального смещения Since the result of measuring the voltage U _x may contain a systematic measurement error, it is calculated using a microcomputer by determining the constants of the equation of the transfer characteristic of the measuring path from the results of measuring the voltages U _k and U _kn at the upper and lower calibration points, and the measurement result is calibrated. Indeed, in the general case, the code Y _{x of the} input voltage U _x is determined by the deviation of the real transfer characteristic of the measuring path from the ideal one and can be obtained with an error due to the presence of an initial displacement E _cm (additive component), differences in the transfer coefficient K _p from the nominal one (multiplicative component ) and non-linearity of the transfer characteristic (non-linear component). If we neglect the last of the components (the linearity of the measuring path is ensured by the choice of the element base), then obtaining a result free of errors involves three measurements: input voltage Y _x = K _p (U _x + E _cm ), voltage at the upper calibration point Y _sq K = _f (U _q + E _cm) and the voltage at the lower calibration point K Y _kn = _n (U + E _kN _cm). The last two operations are calibration, allowing the microcomputer to automatically calculate the transfer coefficient K _p = (Y _sq- Y _kn ) / (U _sq- U _kn ), the initial displacement E _cm = (U _sq Y _kn -U _kn Y _sq ) / (Y _kV -Y _kn ) and the actual value of the input voltage U _x = [(Y _x -Y _kN ) U _kv - (Y _x -Y _kV ) U _kN ] / (Y _kV -Y _kN ). From the last formula it is seen that the input voltage U _x is determined by the calibration voltages U _kV and U _kn , the values of which are stored in the memory of the microcomputer. The effect of the initial bias

Е_см и коэффициента передачи К_п, а также их изменений на результат вычисления исключается.E _cm and the transfer coefficient K _p , as well as their changes in the calculation result is excluded.

Для проведения автокалибровок требуются точки калибровки, соответствующие выбранному поддиапазону измерения, поэтому в формирователе калибровочных напряжений 15 используют резистивный делитель 23 (фиг.4), формирующий из образцового калибровочного напряжения U_ок со второго выхода источника образцовых напряжений 11 сетку калибровочных напряжений U_кв1, U_кн1 для старшего поддиапазона измерения и U_кв2, U_кн2 для младшего поддиапазона измерения. Калибровку поддиапазонов измерения в положительной и отрицательной области производят с одинаковыми уровнями напряжений U_кв1, U_кн1 и U_кв2, U_кн2, но противоположными по знаку, поэтому в формирователе калибровочных напряжений 15 предусматривают изменение полярности этих напряжений перекрестной коммутацией прецизионных резисторов в соответствии с поступающим кодом номера точки калибровки с первого дополнительного выхода схемы управления 16.To carry out autocalibrations, calibration points corresponding to the selected measurement subrange are required, therefore, in the calibration voltage generator 15, a resistive divider 23 is used (Fig. 4), which forms a grid of calibration voltages U _q1 , U _kn1 from the reference calibration voltage U _ok from the second output of the reference voltage source 11 for the highest measurement sub-range and U _q2 , U _kn2 for the lower measurement sub-band. Calibration of the measurement sub-ranges in the positive and negative regions is carried out with the same voltage levels U _kv1 , U _kn1 and U _kv2 , U _kn2 , but opposite in sign, therefore, in the shaper of the calibration voltages 15, the polarity of these voltages is changed by cross-switching precision resistors in accordance with the incoming code calibration point numbers from the first additional output of the control circuit 16.

Эффективность автокалибровок зависит от стабильности сетки калибровочных напряжений U_кв1, U_кн1 и U_кв2, U_кн2 в течение всего срока эксплуатации модуля преобразования, поэтому в источнике образцовых напряжений 11 для формирования на втором выходе образцового калибровочного напряжения U_ок используют прецизионный стабилитрон, для которого допускается большой разброс напряжения стабилизации при высокой стабильности по температуре и во времени, а в формирователе калибровочных напряжений 15 используют резистивный делитель 23 из прецизионных резисторов, в котором может быть произведена необходимая подстройка. Однако прецизионные резисторы имеют худшую по сравнению с прецизионными стабилитронами стабильность во времени. Так для резисторов типа С2-29В класса точности ±0,05% нестабильность, гарантируемая ТУ, при суммарном времени включения менее 2000 ч составляет ±0,05%, а при превышении этого времени в течение срока эксплуатации модуля преобразования может возрасти до ±0,5%. Поэтому для сохранения стабильности сетки калибровочных напряжений U_кв1, U_кн1 и U_кв2, U_кн2 второй выход источника образцового напряжения 11 подключается коммутатором образцового напряжения 14 ко входу формирователя калибровочных напряжений 15 управляющим сигналом со второго дополнительного выхода схемы управления 16 только на время опроса калибровочного канала, суммарное время которого не превышает 2000 ч.The effectiveness of autocalibrations depends on the stability of the grid of calibration voltages U _kv1 , U _kn1 and U _kv2 , U _kn2 over the entire life of the conversion module, therefore, in the reference voltage source 11, a precision zener diode is used for the formation of a reference calibration voltage U _ok for which it is allowed a large spread of stabilization voltage with high stability in temperature and time, and in the shaper of calibration voltages 15 use a resistive divider 23 of precision resistors, where necessary adjustment can be made. However, precision resistors have worse stability over time than precision zener diodes. So for resistors of type C2-29V accuracy class ± 0.05%, the instability guaranteed by the TU with a total turn-on time of less than 2000 hours is ± 0.05%, and if this time is exceeded during the life of the conversion module, it can increase to ± 0, 5%. Therefore, to maintain the stability of the grid of calibration voltages U _kv1 , U _kn1 and U _kv2 , U _{kn2, the} second output of the reference voltage source 11 is connected by the reference voltage switch 14 to the input of the calibration voltage _generator 15 by the control signal from the second additional output of the control circuit 16 only for the duration of the calibration channel polling whose total time does not exceed 2000 hours

Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом модуле преобразования техническим результатом является повышение точности измерения при различных условиях эксплуатации.Thus, in comparison with the prototype in the proposed conversion module, the technical result is to increase the measurement accuracy under various operating conditions.

При измерении разнополярных дифференциальных напряжений внешних датчиков повышение точности измерения достигается за счет увеличения разрешающей способности модуля преобразования в 2 раза (из цифровой шкалы АЦП исключен знаковый разряд, в результате чего все разряды цифровой шкалы АЦП участвуют в преобразовании абсолютного значения напряжения, т.е. не участвуют в формировании знака полярности входного напряжения).When measuring the bipolar differential voltages of external sensors, an increase in measurement accuracy is achieved by increasing the resolution of the conversion module by 2 times (a sign discharge is excluded from the digital ADC scale, as a result of which all bits of the digital ADC scale are involved in the conversion of the absolute voltage value, i.e. not participate in the formation of the polarity sign of the input voltage).

При измерении напряжений на границе переключения поддиапазонов повышение точности измерения достигается за счет исключения динамических ошибок измерения (при неустойчивых данных признака поддиапазона на выходе компаратора поддиапазона устройство фиксации поддиапазона фиксирует уровень признака поддиапазона на время, необходимое для стабильного преобразования напряжения).When measuring voltages at the subband switching boundary, increasing the accuracy of the measurement is achieved by eliminating dynamic measurement errors (for unstable data of the subband attribute at the output of the subband comparator, the subband fixing device records the level of the subband attribute for the time required for stable voltage conversion).

При проведении автокалибровок результатов измерения в течение длительного срока эксплуатации повышение точности измерения достигается за счет исключения временной нестабильности калибровочных напряжений, которая достигается отключением резистивного делителя в формирователе калибровочных напряжений на время опроса каналов контроля дифференциальных напряжений внешних датчиков, и к концу срока эксплуатации модуля преобразования, если суммарное время включения резистивного делителя из прецизионных резисторов типа С2-29В не превысит 2000 ч, может быть повышена в 10 раз.When conducting automatic calibrations of measurement results over a long period of operation, an increase in the measurement accuracy is achieved by eliminating the temporary instability of the calibration voltages, which is achieved by turning off the resistive divider in the calibration voltage shaper for the duration of the polling of the channels for monitoring the differential voltages of external sensors, and by the end of the life of the conversion module the total turn-on time of the resistive divider from precision resistors of type C2-29B is not higher 2000 hours, can be increased by 10 times.

Предлагаемый модуль преобразования реализован на следующих элементах: аналоговые коммутаторы - на микросхемах 1127КН6, аналоговые устройства - на операционных усилителях 140УД1701, образцовые элементы в источнике опорного напряжения - стабилитрон 2С117В и в формирователе калибровочных напряжений - прецизионные резисторы типа С2-29В, АЦП - на микросхеме 1113ПВ1А, цифровые устройства на микросхемах серии 1526.The proposed conversion module is implemented on the following elements: analog switches - on 1127KN6 microcircuits, analog devices - on operational amplifiers 140UD1701, reference elements in a reference voltage source - a Zener diode 2C117V and in a voltage shaper - precision resistors of type S2-29V, ADC - on a chip 1113PV1 , digital devices on 1526 series microchips.

Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.Of the patent information materials known to the applicant, no signs were found that are similar to the totality of the features of the claimed object.

Claims

1. A module for converting DC voltages to a code containing a common power bus, an exchange bus, a control circuit connected to the exchange bus, two input analog multiplexers for n channels of differential voltage control, an instrument amplifier, the differential inputs of which are connected to the outputs of the corresponding input analog multiplexers, and series-connected scaling amplifier, analog-to-digital converter and an output buffer device connected to the exchange bus, the first The third and fourth outputs of the control circuit are connected to the corresponding control inputs of input analog multiplexers, an analog-to-digital converter, and an output buffer device, characterized in that an additional device for separating the absolute value of the signal connected between the output of the instrument amplifier and the input of the scaling amplifier, a polarity comparator, is first the comparison input of which is connected to a common power bus, the second comparison input to the output of the instrument amplifier, and the output to p The first additional input of the output buffer device.

2. The conversion module according to claim 1, characterized in that the reference voltage source, the subband comparator and the subband fixing device are additionally introduced, the first comparison input of the subband comparator connected to the first output of the reference voltage source, the second comparison output to the output of the absolute value isolation device signal, and the output to the control input of the subband fixation device, the output of which is connected to the control input of the scaling amplifier and the second additional input of the output the first buffer device, wherein the first subband locking device control input connected to the second output of the control circuit, and a second control input - to the third output of the control circuit.

3. The conversion module according to claim 2, characterized in that a calibration voltage generator is additionally introduced, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the input analog multiplexers of one of the n differential voltage control channels, and the control input of which is connected to the first additional output of the control circuit, and a switch reference voltage connected between the second output of the source of reference voltages and the input of the shaper of calibration voltages, and the control input of the switch exemplary voltage coupled to the second additional output of the control circuit.

4. The conversion module according to claim 2, characterized in that the subband fixation device comprises two D-flip-flops, two OR-NOT elements and two NOT elements, the D-input of the first D-trigger connected to the control input of the subband fixation device, S- the input is with the output of the first OR-NOT element, the C-input is with the output of the second OR-NOT element, and the direct output is with the output of the subband fixation device and with the first input of the first OR-NOT element, the second input of which is connected to the inverse output of the second D -trigger, with the R-input of the second D-trigger connected to the first m the control input of the sub-band fixation device and with the input of the first element NOT, the output of which is connected to the first input of the second OR-NOT element, С-input - with the output of the second element NOT, the input of which is connected to the second control input of the sub-band fixation device, and the direct output with the second input of the second element OR NOT.

5. The conversion module according to claim 3, characterized in that the calibration voltage generator comprises a resistive divider and two analog multiplexers, the resistive divider connected between the input of the calibration voltage generator and a common power bus, the outputs of which are connected to the first group of inputs of the first analog multiplexer and the second a group of inputs of the second analog multiplexer, the second group of inputs of the first analog multiplexer and the first group of inputs of the second analog multiplexer connected to a common power bus, the outputs of which are connected to the corresponding outputs of the formation of the calibration voltages, and the control inputs of which are connected to the control input of the shaper of the calibration voltages.