RU2388000C2 - Method for measuring bridge signal processing and device for its implementation - Google Patents
Method for measuring bridge signal processing and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2388000C2 RU2388000C2 RU2008124455/28A RU2008124455A RU2388000C2 RU 2388000 C2 RU2388000 C2 RU 2388000C2 RU 2008124455/28 A RU2008124455/28 A RU 2008124455/28A RU 2008124455 A RU2008124455 A RU 2008124455A RU 2388000 C2 RU2388000 C2 RU 2388000C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- active low
- input
- communication line
- pass filter
- signal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
- Networks Using Active Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах дистанционного контроля и диагностики технических объектов, в измерительных комплексах при контроле параметров технологического оборудования.The invention relates to measuring equipment and can be used in systems for remote monitoring and diagnostics of technical objects, in measuring complexes for monitoring the parameters of technological equipment.
Известен способ преобразования выходного напряжения четырехплечего измерительного моста постоянного тока (далее по тексту "измерительного моста") в унифицированный сигнал, который требует в общем случае применения усилителя с большим коэффициентом усиления и дифференциальным входом [1], [2]. Как правило, в таких случаях используют инструментальный усилитель с огромным (до нескольких мОм) входным сопротивлением, в то время как входное сопротивление измерительного моста составляет несколько сот Ом [2], [3]. Такое соотношение входных сопротивлений позволяет практически полностью исключить влияние входного сопротивления инструментального усилителя на метрологические характеристики измерительного моста.A known method of converting the output voltage of a four-armed measuring bridge of direct current (hereinafter referred to as "measuring bridge") into a unified signal, which generally requires the use of an amplifier with a large gain and differential input [1], [2]. As a rule, in such cases, a tool amplifier with a huge (up to several mOhm) input impedance is used, while the input impedance of the measuring bridge is several hundred ohms [2], [3]. This ratio of input resistances makes it possible to almost completely eliminate the influence of the input impedance of the instrumental amplifier on the metrological characteristics of the measuring bridge.
В то же время, выходной сигнал измерительного моста отображает значение параметра реального физического объекта, скорость изменения которого всегда ограничена. Поэтому основная мощность такого сигнала приходится на низкочастотную область спектра, ограниченную условно сверху частотой fmax. Известный способ и устройство обработки такого сигнала предполагают последовательное выполнение нескольких операций: симметрирование входных цепей устройства обработки, усиление входного сигнала, последующая фильтрация сигнала или какая-либо другая обработка его [3]. Так в работе [2], которая выбрана в качестве прототипа, операция усиления входного сигнала выполняется с помощью инструментального усилителя. При изготовлении его используют лазерную подгонку элементов, что обеспечивает симметрирование входных цепей. Фильтрацию сигнала производят активным фильтром нижних частот третьего порядка.At the same time, the output signal of the measuring bridge displays the parameter value of a real physical object, the rate of change of which is always limited. Therefore, the main power of such a signal falls on the low-frequency region of the spectrum, conditionally limited from above by the frequency f max . The known method and device for processing such a signal involves the sequential execution of several operations: balancing the input circuits of the processing device, amplifying the input signal, subsequent filtering of the signal, or some other processing of it [3]. So in [2], which is selected as a prototype, the operation of amplifying the input signal is performed using a tool amplifier. In the manufacture of it, laser fitting of the elements is used, which ensures the balancing of the input circuits. The signal is filtered by an active low-pass filter of the third order.
Недостатком такого способа обработки является слабая помехозащищенность при использовании его в тех случаях, когда само устройство обработки удалено от измерительного моста и подключается к нему с помощью линии связи [1]. При передаче измерительного сигнала по линии связи в ней наводятся различного рода помехи, которые снижают точность обработки сигнала. Применительно к линии связи в технической литературе [4] принято выделять наводимые в ней емкостную и индуктивную составляющие помехи. Емкостная составляющая обусловлена взаимодействием проводников через электрические поля. Индуктивная составляющая помехи является результатом взаимодействия проводников через магнитные поля.The disadvantage of this processing method is the low noise immunity when using it in those cases when the processing device itself is remote from the measuring bridge and connected to it using a communication line [1]. When a measuring signal is transmitted over a communication line, various kinds of interference are induced in it, which reduce the accuracy of signal processing. In relation to the communication line in the technical literature [4], it is customary to distinguish the capacitive and inductive components of the noise induced in it. The capacitive component is due to the interaction of conductors through electric fields. The inductive component of the interference is the result of the interaction of conductors through magnetic fields.
Напряжение шумов емкостной составляющей помехи тем меньше, чем больше величина проводимости и емкости провода-приемника (провода линии связи) относительно земли [4].The noise voltage of the capacitive component of the interference is the smaller, the higher the conductivity and capacitance of the receiver wire (communication line wire) relative to the ground [4].
Напряжение индуктивной составляющей помехи, наводимой в линии связи, оказывается включенным последовательно с сопротивлениями, находящимися на концах линии связи, и распределяется между этими сопротивлениями пропорционально их величине [4]. Таким образом, чем ниже импеданс входных цепей устройства обработки, подключаемого к линии связи, тем меньшая часть напряжения индуктивной составляющей помехи проходит на вход устройства обработки.The voltage of the inductive component of the noise induced in the communication line is turned on in series with the resistances located at the ends of the communication line, and is distributed between these resistances in proportion to their value [4]. Thus, the lower the impedance of the input circuits of the processing device connected to the communication line, the smaller the voltage portion of the inductive component of the interference passes to the input of the processing device.
Распространенным способом борьбы с шумами в измерительных цепях большой чувствительности является симметрирование этих цепей [4]. Симметричными являются двухпроводные электрические схемы, в которых оба провода и подключаемые к ним цепи обладают одинаковым импедансом как относительно земли, так и относительно любого другого проводника, связанного с ними. Цель симметрирования состоит в том, чтобы сделать одинаковыми шумы, наводимые в проводах линии связи. В этом случае они будут представлять продольную помеху, которую можно компенсировать при последующей обработке сигнала [4]. Чем лучше симметрия схемы, тем большее подавление шумов можно получить. С этих позиций применение в прототипе инструментального усилителя с симметричной структурой входных цепей представляется целесообразным. Однако для обеспечения симметрии по импедансам входных цепей инструментального усилителя должна быть обеспечена симметрия не только самих рассматриваемых цепей, но и любых паразитных импедансов, связанных с ними. Поэтому только за счет обеспечения равенства между собой входных сопротивлений устройства обработки и увеличения их величины не удается обеспечить высокую точность симметрирования входных цепей устройства обработки. Более того, согласно [4] чем выше входное сопротивление цепей устройства обработки, подключаемых к линии связи, тем большее напряжение емкостной составляющей помехи наводится в линии связи и тем большая часть индуктивной составляющей помехи попадает на вход устройства обработки.A common way to deal with noise in measuring circuits of high sensitivity is to balance these circuits [4]. Symmetrical are two-wire electrical circuits in which both wires and the circuits connected to them have the same impedance both with respect to ground and with respect to any other conductor associated with them. The purpose of balancing is to make the noise induced in the wires of the communication line the same. In this case, they will represent a longitudinal interference, which can be compensated for during subsequent signal processing [4]. The better the symmetry of the circuit, the greater the noise reduction can be obtained. From these positions, the use in the prototype of a tool amplifier with a symmetrical structure of the input circuits seems appropriate. However, to ensure symmetry in the impedances of the input circuits of the instrumental amplifier, the symmetry of not only the circuits under consideration, but also of any stray impedances associated with them must be ensured. Therefore, only by ensuring equality between the input resistances of the processing device and increasing their magnitude, it is not possible to ensure high accuracy of symmetry of the input circuits of the processing device. Moreover, according to [4], the higher the input impedance of the processing device circuits connected to the communication line, the greater the voltage of the capacitive component of the interference is induced in the communication line and the greater the part of the inductive component of the interference gets to the input of the processing device.
Кроме того, в прототипе операции фильтрации сигнала предшествует операция симметрирования. Это приводит к тому, что симметрированию подвергаются спектральные составляющие сигнала и помехи в огромной полосе пропускания инструментального усилителя, хотя составляющие спектра полезного сигнала размещаются в сравнительно узкой низкочастотной области спектра. При этом следует иметь в виду, что чем выше частота спектральных составляющих сигнала или шума, тем в большей степени их фаза зависит даже от очень малых значений активных, емкостных и индуктивных проводимостей паразитных цепей, связанных с входными цепями устройства обработки или с линией связи. Тем труднее обеспечить приемлемое качество симметрирования этих составляющих. Требования к частотным свойствам, допустимому разбросу параметров и стабильности элементов, используемых во входных цепях устройства обработки, с увеличением частоты спектральных составляющих тоже возрастают. Можно утверждать, что в области высоких частот в этом случае развивается неконтролируемый процесс, и подавление помех за счет симметрирования входных цепей практически не происходит. А так как избирательность активного фильтра нижних частот, так же как и его способность подавлять шумы за пределами полосы пропускания ограничены, то все это обусловливает на выходе устройства обработки сравнительно высокий уровень помех и низкое качество обработки сигнала.In addition, in the prototype, the signal filtering operation is preceded by a balancing operation. This leads to the fact that the spectral components of the signal and interference are subjected to balancing in the huge bandwidth of the instrumental amplifier, although the components of the spectrum of the useful signal are located in a relatively narrow low-frequency region of the spectrum. It should be borne in mind that the higher the frequency of the spectral components of the signal or noise, the more their phase depends even on very small values of the active, capacitive and inductive conductivities of the parasitic circuits associated with the input circuits of the processing device or with the communication line. It is all the more difficult to ensure an acceptable quality of balancing of these components. The requirements for the frequency properties, the permissible spread in the parameters and the stability of the elements used in the input circuits of the processing device also increase with increasing frequency of the spectral components. It can be argued that in the high-frequency region in this case an uncontrolled process develops, and interference suppression due to balancing of input circuits practically does not occur. And since the selectivity of the active low-pass filter, as well as its ability to suppress noise outside the passband, is limited, all this causes a relatively high level of interference and low quality signal processing at the output of the processing device.
Целью изобретения является повышение эффективности операции симметрирования входных цепей устройства обработки, снижение уровня помех на его входе и выходе при одновременном снижении требований к частотным свойствам и быстродействию применяемых при обработке операционных усилителей.The aim of the invention is to increase the efficiency of the operation of balancing the input circuits of the processing device, reducing the level of interference at its input and output while reducing the requirements for frequency properties and speed used in processing operational amplifiers.
Это достигается тем, что в способе обработки сигнала, поступающего по двухпроводной лини связи с измерительного моста, операцию фильтрации сигнала активным фильтром нижних частот объединяют с операцией симметрирования сигналов и выполняют их непосредственно на входе устройства обработки. Для этого к выходу линии связи, к каждому ее проводу подключают относительно земли активный фильтр нижних частот. Относительно друг друга активные фильтры нижних частот включают таким образом, чтобы они образовали входные каскады инструментального усилителя с общим резистором регулирования коэффициента усиления. Кроме того, активные фильтры нижних частот выполняют идентичными друг другу по параметрам используемых в них активных и пассивных элементов, обеспечивая тем самым высокую степень симметрирования входных цепей устройства обработки.This is achieved by the fact that in the method of processing the signal arriving via a two-wire communication line from the measuring bridge, the operation of filtering the signal with an active low-pass filter is combined with the operation of balancing the signals and performing them directly at the input of the processing device. To do this, an active low-pass filter is connected to the earth’s output to each of its wires relative to the ground. Relative to each other, active low-pass filters are turned on so that they form the input stages of the instrument amplifier with a common gain control resistor. In addition, active low-pass filters are identical to each other in terms of the parameters of the active and passive elements used in them, thereby ensuring a high degree of symmetry of the input circuits of the processing device.
В устройстве обработки сигнала, поступающего по двухпроводной линии связи с измерительного моста, используют вместо одного активного фильтра нижних частот два активных фильтра нижних частот, идентичные друг другу по параметрам используемых в них активных и пассивных элементов. Один активный фильтр нижних частот подключают входом относительно земли к одному из проводов линии связи, другой активный фильтр нижних частот подключают входом относительно земли к другому проводу линии связи. Выход одного активного фильтра нижних частот соединяют с инвертирующим входом дифференциального каскада инструментального усилителя. Выход другого активного фильтра нижних частот соединяют с неинвертирующим входом дифференциального каскада инструментального усилителя. Кроме того, инвертирующие входы операционных усилителей активных фильтров нижних частот соединяют между собой с помощью резистора регулирования коэффициента усиления. При этом выход дифференциального каскада инструментального усилителя используют в качестве выхода устройства обработки сигнала.Instead of one active low-pass filter, two active low-pass filters that are identical to each other in terms of the parameters of the active and passive elements used in them are used in the device for processing a signal coming through a two-wire communication line from the measuring bridge. One active low-pass filter is connected by an input relative to the ground to one of the wires of the communication line, another active low-pass filter is connected by an input relative to the ground to another wire of the communication line. The output of one active low-pass filter is connected to the inverting input of the differential stage of the instrument amplifier. The output of another active low-pass filter is connected to a non-inverting input of the differential stage of the instrumental amplifier. In addition, the inverting inputs of the operational amplifiers of active low-pass filters are interconnected using a gain control resistor. The output of the differential stage of the instrumental amplifier is used as the output of the signal processing device.
Эффективность операции симметрирования зависит от того, насколько точно удается обеспечить равенство фаз спектральных составляющих входного сигнала, поступающих по разным проводам линии связи на дифференциальный каскад инструментального усилителя. Чем ниже частота спектральной составляющей, тем меньшую часть периода ее составляют постоянные времени всех паразитных импедансов линии связи и связанных с ней цепей, включая паразитные цепи операционных усилителей заявляемого устройства, тем меньшее влияние оказывают паразитные импедансы на фазу спектральной составляющей. В соответствии с этим для спектральных составляющих одной частоты, поступающих по разным проводам линии связи, с уменьшением их частоты уменьшается степень влияния на разность их фаз разброса параметров паразитных импедансов линии связи, их стабильности.The effectiveness of the balancing operation depends on how accurately it is possible to ensure the equality of the phases of the spectral components of the input signal coming through different wires of the communication line to the differential stage of the instrumental amplifier. The lower the frequency of the spectral component, the smaller part of its period is constituted by the time constants of all parasitic impedances of the communication line and associated circuits, including the parasitic circuits of the operational amplifiers of the claimed device, the less influence the parasitic impedances have on the phase of the spectral component. In accordance with this, for the spectral components of the same frequency coming through different wires of the communication line, with a decrease in their frequency, the degree of influence on the difference in their phase difference of the spread of the parasitic impedances of the communication line, their stability.
В заявляемом способе активные фильтры нижних частот (далее АФНЧ) имеют ширину полосы пропускания, равную ширине спектра полезного сигнала и размещены на входе устройства обработки, на каждом из проводов линии связи. Поэтому они исключают возможность прохождения спектральных составляющих шума средней и высокой частоты на входы дифференциального каскада инструментального усилителя, в котором формируется разностный сигнал. А именно эти составляющие, поступающие по разным проводам линии связи, приобретают наибольшую разность фаз за счет воздействия неодинаковых по величине неконтролируемых активных и реактивных проводимостей паразитных импедансов. Именно их труднее всего симметрировать. Поэтому исключение спектральных составляющих средней и высокой частоты из процесса формирования разностного сигнала в дифференциальном каскаде инструментального усилителя повышает эффективность симметрирования входных цепей и за счет этого снижает уровень помех на выходе устройства обработки. При этом снижаются требования к частотным свойствам и стабильности параметров применяемых в устройстве обработки операционных усилителей, так как обработка сигнала в этом случае производится только на низкой частоте и параметры усилителей, а также их стабильность уже существенно не влияют на фазы низкочастотных спектральных составляющих.In the inventive method, active low-pass filters (hereinafter AFP) have a bandwidth equal to the width of the spectrum of the useful signal and are located at the input of the processing device, on each of the wires of the communication line. Therefore, they exclude the possibility of the spectral components of the noise of medium and high frequency passing to the inputs of the differential stage of the instrumental amplifier in which the difference signal is generated. Namely, these components, coming through different wires of the communication line, acquire the greatest phase difference due to the influence of the uncontrolled active and reactive conductivities of the parasitic impedances. It is their hardest to balance. Therefore, the exclusion of the spectral components of medium and high frequency from the process of generating a differential signal in the differential stage of the instrument amplifier increases the symmetry efficiency of the input circuits and thereby reduces the level of interference at the output of the processing device. At the same time, the requirements for the frequency properties and stability of parameters used in the processing device of operational amplifiers are reduced, since the signal processing in this case is performed only at a low frequency and the parameters of the amplifiers, as well as their stability, do not significantly affect the phases of low-frequency spectral components.
Входными цепями заявляемого устройства обработки сигнала являются входные цепи активных фильтров нижних частот. В общем случае они представляют собой пассивные интегрирующие RC - цепи [2]. В заявляемом устройстве они оказываются подключенными относительно земли непосредственно к проводам линии связи. Оценим влияние таких цепей на уровень помех, поступающих из линии связи.The input circuits of the inventive signal processing device are the input circuit of the active low-pass filters. In the general case, they are passive integrating RC - chains [2]. In the inventive device, they turn out to be connected relative to the earth directly to the wires of the communication line. Let us evaluate the effect of such circuits on the level of interference coming from the communication line.
На Фиг.1 изображена эквивалентная схема, заимствованная из [4], которая условно отображает емкостную связь одного из проводов линии связи с проводником-излучателем помехи. Схема дополнена интегрирующей цепью RфСф, имитирующей входную цепь АФНЧ. В схеме используются следующие обозначения. Uш - напряжение шума на проводнике - излучателе; C1 - емкость между проводником - излучателем и землей; С2 - паразитная емкость связи между проводником - излучателем и проводом линии связи; С3 - емкость между проводом линии связи и землей; Rп - сопротивление провода линии связи относительно земли. Емкостью C1 при анализе можно пренебречь, поскольку она включена параллельно источнику Uш и на связь с другими цепями не влияет.Figure 1 shows the equivalent circuit, borrowed from [4], which conditionally displays the capacitive coupling of one of the wires of the communication line with the conductor-emitter of interference. The circuit is supplemented by an integrating circuit R f C f simulating the input AFPP circuit. The following notation is used in the scheme. U W - noise voltage on the conductor - emitter; C 1 - the capacitance between the conductor - the emitter and the ground; C 2 - parasitic coupling capacitance between the conductor - emitter and the wire of the communication line; C 3 is the capacitance between the wire of the communication line and ground; R p - the resistance of the wire communication lines relative to the ground. The capacity C 1 in the analysis can be neglected, since it is connected in parallel with the source U W and does not affect the connection with other circuits.
В прототипе нагрузкой провода линии связи является его сопротивление Rп относительно земли, и соотношение для емкостной составляющей напряжения шума Uшп, выделяющейся на проводе линии связи, согласно [4] имеет видIn the prototype, the load of the wire of the communication line is its resistance R p relative to the ground, and the ratio for the capacitive component of the noise voltage U shp allocated on the wire of the communication line according to [4] has the form
Здесь ω - круговая частота наводимой на проводе линии связи емкостной составляющей помехи.Here ω is the circular frequency of the capacitive component of the interference induced on the communication line.
В заявляемом устройстве, как уже отмечалось, к проводу линии связи дополнительно подключена относительно земли интегрирующая цепь RфСф, имитирующая входную цепь АФНЧ. Так что полное сопротивление провода линии связи относительно земли Z, выделенное на Фиг.1 пунктиром в виде двухполюсника 1, будет определяться отношениемIn the inventive device, as already noted, an integrating circuit R f C f simulating the input AFPP circuit is additionally connected relative to the ground to the wire of the communication line. So the total resistance of the communication line wire relative to the earth Z, highlighted in FIG. 1 by a dashed line in the form of a two-
А величина напряжения емкостной составляющей помехи Uшф согласно (1) составит:And the voltage value of the capacitive component of the interference U wf according to (1) will be:
Или:Or:
В соответствии с соотношением (4) напряжение Uшф емкостной составляющей помехи, выделяющееся на проводе линии связи, в заявляемом устройстве прямо пропорционально проводимости емкости связи jωC2 между проводником - приемником и проводником - излучателем и обратно пропорционально суммарной проводимости jω(C2+С3) емкостей связи С2, С3, проводимости Rп -1 проводника линии связи относительно земли, суммарной проводимости входной цепи АФНЧ [Rф+(jωСф)-1]-1.In accordance with (4) the voltage U ShF capacitive component interference allocated to the link wire, in the inventive device is directly proportional to the coupling capacitance conductivity jωC 2 between the conductor - the receiver and conductor - emitter and inversely proportional to the total conductivity jω (C 2 + C 3 ) communication capacities C 2 , C 3 , conductivity R p -1 of the conductor of the communication line relative to the earth, the total conductivity of the input circuit of the AFPP [R f + (jωС f ) -1 ] -1 .
Рассмотрим практически важный случай, когда суммарная проводимость входной цепи АФНЧ многократно превышает суммарную проводимость паразитных цепей связи провода - приемника. Согласно (4) подключение в этом случае АФНЧ непосредственно к проводу линии связи снижает напряжение емкостной составляющей наводимой помехи. Чем выше частота этой помехи, чем выше суммарная проводимость входных цепей АФНЧ, тем ниже напряжение емкостной составляющей помехи. Необходимо учитывать также и то, что входные цепи АФНЧ, подключаемые к проводам линии связи, имеют сравнительно низкий импеданс и идентичны друг другу по параметрам используемых элементов. Это приводит к дополнительному симметрированию входных цепей устройства обработки, так как в этом случае в импедансе нагрузок проводов линии связи начинают преобладать активные и емкостные сопротивления входных цепей АФНЧ, идентичные друг другу по параметрам, что в итоге обеспечивает снижение уровня помех уже на выходе устройства обработки.Let us consider a practically important case, when the total conductivity of the input AFPN circuit is many times higher than the total conductivity of the parasitic communication chains of the wire - receiver. According to (4), in this case, connecting the AFP directly to the communication line wire reduces the voltage of the capacitive component of the induced noise. The higher the frequency of this interference, the higher the total conductivity of the input AFPP circuits, the lower the voltage of the capacitive component of the interference. It is also necessary to take into account the fact that the input AFPN circuits connected to the wires of the communication line have a relatively low impedance and are identical to each other in the parameters of the elements used. This leads to additional symmetrization of the input circuits of the processing device, since in this case the active and capacitive resistances of the input AFPN circuits that are identical to each other in parameters begin to prevail in the load impedance of the wires of the communication line, which ultimately reduces the level of interference already at the output of the processing device.
В отличие от АФНЧ входное сопротивление инструментального усилителя составляет несколько мОм и практически не влияет на величину емкостной составляющей помехи, наводимой в линии связи.In contrast to the AFP, the input impedance of the instrumental amplifier is several mOhm and practically does not affect the value of the capacitive component of the noise induced in the communication line.
Индуктивная составляющая помехи применительно к рассматриваемому случаю распределяется согласно [4] между входным сопротивлением измерительного моста и входным сопротивлением АФНЧ, которое в области средних и высоких частот существенно меньше входного сопротивления инструментального усилителя. Следовательно, напряжение индуктивной составляющей помехи на входе заявляемого устройства будет тем меньше, чем выше частота наводимой помехи и чем больше суммарная проводимость входных цепей АФНЧ.The inductive component of the interference with respect to the case under consideration is distributed according to [4] between the input impedance of the measuring bridge and the input impedance of the AFP, which in the medium and high frequencies is much less than the input impedance of the instrumental amplifier. Therefore, the voltage of the inductive component of the noise at the input of the inventive device will be the smaller, the higher the frequency of the induced noise and the greater the total conductivity of the input AFPP circuits.
Таким образом, совмещение операции симметрирования с операцией фильтрации входного сигнала снижает напряжение емкостной и индуктивной составляющей помехи, обеспечивает поступление на входы дифференциального каскада только низкочастотных спектральных составляющих входного сигнала, у которых фаза слабо зависит от разброса паразитных параметров линии связи, от разброса параметров применяемых операционных усилителей и их стабильности. Все это повышает эффективность операции симметрирования и одновременно снижения требований к частотным свойствам и стабильности параметров применяемых операционных усилителей. Эффективность операции симметрирования возрастает также за счет применения активных фильтров нижних частот со сравнительно низкими входными импедансами, идентичными друг другу по параметрам используемых в них элементов, так как в этом случае в нагрузках проводов линии связи преобладают сопротивления и емкости входных цепей АФНЧ одинаковые по величине.Thus, combining the operation of balancing with the operation of filtering the input signal reduces the voltage of the capacitive and inductive components of the interference, ensures that the input of the differential stage receives only the low-frequency spectral components of the input signal, in which the phase weakly depends on the spread of spurious parameters of the communication line, on the spread of parameters of the operational amplifiers used and their stability. All this increases the efficiency of the operation of balancing and at the same time reduce the requirements for frequency properties and stability of the parameters used operational amplifiers. The efficiency of the balancing operation also increases due to the use of active low-pass filters with relatively low input impedances that are identical to each other in the parameters of the elements used in them, since in this case, the resistance and capacitance of the input AFP circuits are the same in magnitude.
Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "новизна".A comparative analysis of the proposed technical solution with the prototype allows us to conclude that it meets the criterion of "novelty."
Из патентной и научно-технической литературы не известны вышеуказанные отличительные признаки способа и устройства в предложенной совокупности. Таким образом, заявляемый способ обработки сигнала измерительного моста и устройство для его осуществления удовлетворяют критерию "изобретательский уровень".From the patent and scientific literature are not known the above distinguishing features of the method and device in the proposed combination. Thus, the claimed method of processing the signal of the measuring bridge and the device for its implementation satisfy the criterion of "inventive step".
Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют оценивать состояние измерительных мостов, широко распространенных в технике измерений, определять в условиях помех значения параметров контролируемого объекта, удаленного от измерительного устройства на значительное расстояние. При этом обеспечивается снижение уровня помех в точке подключения наиболее чувствительного звена устройства обработки - инструментального усилителя, снижаются требования к частотным свойствам и быстродействию применяемых в устройстве операционных усилителей. Таким образом, предлагаемый способ и устройство удовлетворяют критерию изобретения "промышленная применяемость".The proposed method and device for its implementation make it possible to evaluate the state of the measuring bridges, widely used in the measurement technique, to determine, under the conditions of interference, the values of the parameters of the monitored object, which is a considerable distance from the measuring device. This ensures a reduction in the level of interference at the connection point of the most sensitive part of the processing device — the instrumental amplifier, and reduces the requirements for the frequency properties and speed of the operational amplifiers used in the device. Thus, the proposed method and device satisfy the criteria of the invention of "industrial applicability".
Заявляемый способ и устройство поясняются чертежом Фиг.2, где блок 1 условно отображает измерительный мост, блок 2 - линию связи, а блок 3 (обведен пунктиром) отображает заявляемое устройство обработки сигнала измерительного моста, электрическая схема которого изображена внутри этого блока. На ней символами A1 обозначен операционный усилитель первого АФНЧ, который кроме того содержит интегрирующие цепи R1C1, R5C3; резистивную отрицательную обратную связь R7; емкостную положительную обратную связь R3С5. Элемент A2 представляет собой операционный усилитель второго АФНЧ, который кроме того содержит интегрирующие цепи R2C2, R6С4; резистивную отрицательную обратную связь R9; емкостную положительную обратную связь R4С6.The inventive method and device are illustrated by the drawing of Figure 2, where
Одновременно каскады на операционных усилителях A1, A2 выполняют роль входных каскадов инструментального усилителя, дифференциальный каскад которого выполнен на операционном усилителе А3 с резистивной отрицательной обратной связью R12. Инвертирующие входы A1, А2 связаны между собой общим резистором регулирования коэффициента усиления R8. Выход A1 связан с инвертирующим входом дифференциального каскада резистором R10. Выход A2 связан с неинвертирующим входом дифференциального каскада резистивной цепью R11, R13.At the same time, the cascades on operational amplifiers A 1 , A 2 act as input stages of the instrumental amplifier, the differential cascade of which is performed on the operational amplifier A 3 with resistive negative feedback R 12 . The inverting inputs A 1 , A 2 are interconnected by a common gain control resistor R 8 . The output A 1 is connected to the inverting input of the differential stage by the resistor R 10 . The output A 2 is connected to the non-inverting input of the differential stage by the resistive circuit R 11 , R 13 .
Для обеспечения условий симметрирования сигналов, поступающих из линии связи, в схеме заявляемого устройства должны выполняться с высокой точностью следующие равенства: R1=R2; R3=R4; R5=R6; R7=R9; R10=R11; R12=R13; C1=C2; С3=С4; С5=С6. Коэффициенты усиления операционных усилителей A1, А2 по своим значениям должны быть тоже близки друг другу.To ensure the conditions of symmetry of the signals coming from the communication line, the following equalities must be performed with high accuracy in the circuit of the claimed device: R 1 = R 2 ; R 3 = R 4 ; R 5 = R 6 ; R 7 = R 9 ; R 10 = R 11 ; R 12 = R 13 ; C 1 = C 2 ; C 3 = C 4 ; C 5 = C 6 . The amplification factors of operational amplifiers A 1 , A 2 in their values should also be close to each other.
Работа устройства сводится к следующему. Сигнал рассогласования измерительного моста в виде двух напряжений, определяемых относительно земли, поступает по проводам линии связи на активные фильтры нижних частот. По параметрам используемых в них элементов фильтры идентичны друг другу и, следовательно, имеют идентичные амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики. Причем ширина полосы пропускания каждого из АФНЧ равна ширине спектра полезного сигнала, так что на входы дифференциального каскада (операционный усилитель А3) проходят только низкочастотные составляющие полезного сигнала и шума, слабо реагирующие на разброс параметров паразитных импедансов линии связи и цепей, связанных с ней. Спектральные составляющие помехи средней и высокой частоты, обладающие высокой чувствительностью к паразитным импедансам линии связи, на вход дифференциального каскада не проходят. Операция симметрирования выполняется более точно. Эффективность ее возрастает, уровень помех на выходе дифференциального каскада снижается. Требования к частотным свойствам используемых операционных усилителей тоже снижаются, так как обработка сигнала производится только на низкой частоте.The operation of the device is as follows. The mismatch signal of the measuring bridge in the form of two voltages, determined relative to the ground, is transmitted through the wires of the communication line to the active low-pass filters. According to the parameters of the elements used in them, the filters are identical to each other and, therefore, have identical amplitude-frequency and phase-frequency characteristics. Wherein the bandwidth of each of AFNCH equal to the width of the spectrum of the useful signal, so that a differential stage inputs (operational amplifier A 3) pass only low frequency components of the desired signal and noise, is weakly responsive to parameter spread of parasitic impedances communication lines and circuits associated therewith. The spectral components of medium and high frequency noise, which are highly sensitive to spurious impedances of the communication line, do not pass to the input of the differential stage. The balancing operation is performed more accurately. Its effectiveness increases, the level of interference at the output of the differential stage decreases. The requirements for the frequency properties of the used operational amplifiers are also reduced, since the signal is processed only at a low frequency.
Входные импедансы АФНЧ невысокие и носят активно-емкостный характер, что обеспечивает снижение уровня емкостной составляющей помехи в области средних и высоких частот. По этой же причине происходит перераспределение индуктивной составляющей помехи между входным сопротивлением измерительного моста и входным сопротивлением фильтра, что приводит к снижению уровня индуктивной составляющей помехи в области средних и высоких частот.The input impedances of the AFLF are low and are active-capacitive in nature, which ensures a decrease in the level of the capacitive component of the noise in the medium and high frequencies. For the same reason, the inductive component of the interference is redistributed between the input impedance of the measuring bridge and the input impedance of the filter, which leads to a decrease in the level of the inductive component of the interference in the medium and high frequencies.
Таким образом, совмещение операции симметрирования с операцией фильтрации входного сигнала позволяет существенно снизить напряжения емкостный и индуктивной составляющих помехи, наводимых в линии связи в области средних и высоких частот, обеспечивает поступление на входы дифференциального каскада только тех спектральных составляющих сигнала и помехи, у которых фаза слабо зависит от разброса параметров линии связи и паразитных цепей, связанных с ней, от разброса параметров применяемых операционных усилителей и стабильности их параметров. Все это повышает эффективность операции симметрирования и одновременно снижает требования к частотным свойствам и стабильности параметров применяемых операционных усилителей.Thus, the combination of the operation of balancing with the operation of filtering the input signal can significantly reduce the voltage of the capacitive and inductive components of the noise induced in the communication line in the medium and high frequencies, provides the input to the differential cascade of only those spectral components of the signal and interference in which the phase is weak depends on the spread of the parameters of the communication line and spurious circuits associated with it, on the spread of the parameters of the operational amplifiers used and the stability of their param moat. All this increases the efficiency of the balancing operation and at the same time reduces the requirements for the frequency properties and stability of the parameters of the used operational amplifiers.
Эффективность операции симметрирования возрастает также за счет того, что входные импедансы АФНЧ по своим параметрам идентичны друг другу. В этом случае в сопротивлении проводов линии связи относительно земли преобладают сопротивления и емкости входных цепей фильтров, одинаковые по величине.The efficiency of the balancing operation also increases due to the fact that the input impedances of the AFP are identical in their parameters. In this case, the resistance and capacitance of the input filter circuits, the same in magnitude, prevail in the resistance of the wires of the communication line relative to the ground.
Источники информацииInformation sources
1. Лейтман М.Б. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.98-105.1. Leytman M.B. Normalizing measuring transducers of electrical signals. - M .: Energoatomizdat, 1986, pp. 98-105.
2. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC/ Под редакцией У. Томпкинса и Дж. Уэбстера: Перевод с англ. - М.: Мир, 1992, с.364-375.2. Interfacing sensors and input devices with IBM PC computers / Edited by W. Tompkins and J. Webster: Translated from English. - M.: Mir, 1992, s. 344-375.
3. Патент РФ №2265229.3. RF patent No. 2265229.
4. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах: Перевод с англ. - М.: Мир, 1979, с.35-36.4. Ott G. Methods of suppressing noise and interference in electronic systems: Translation from English. - M.: Mir, 1979, p. 35-36.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008124455/28A RU2388000C2 (en) | 2008-06-16 | 2008-06-16 | Method for measuring bridge signal processing and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008124455/28A RU2388000C2 (en) | 2008-06-16 | 2008-06-16 | Method for measuring bridge signal processing and device for its implementation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008124455A RU2008124455A (en) | 2009-12-27 |
| RU2388000C2 true RU2388000C2 (en) | 2010-04-27 |
Family
ID=41642358
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008124455/28A RU2388000C2 (en) | 2008-06-16 | 2008-06-16 | Method for measuring bridge signal processing and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2388000C2 (en) |
-
2008
- 2008-06-16 RU RU2008124455/28A patent/RU2388000C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC/Под ред. У. Томпкинса и Дж. Уэбстера/ Перевод с англ. - М.: Мир, 1992, с.364-375. ЛЕЙТМАН М.Б. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.98-105. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008124455A (en) | 2009-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10775945B2 (en) | Control chip for touch panel with high sensitivity and operating method thereof | |
| RU2677362C1 (en) | Active rc filter | |
| KR20170110103A (en) | Electronic integrator for Rogowski coil sensor | |
| JP6257188B2 (en) | measuring device | |
| US7423480B2 (en) | AC amplifier for precision measurement | |
| CN107918062B (en) | Wide-frequency-domain transient space electric field measurement system and method | |
| US9645193B2 (en) | Impedance source ranging apparatus and method | |
| GB2451314A (en) | An input amplifier for a digital multimeter | |
| RU2697945C1 (en) | Active third-order active low-pass rc-filter based on an operational amplifier with a paraphrase output | |
| KR101559851B1 (en) | Apparatus for detecting a frequency of signal | |
| RU2388000C2 (en) | Method for measuring bridge signal processing and device for its implementation | |
| JP2010135607A (en) | Printed circuit board | |
| RU2710295C1 (en) | Active rc low-pass filter | |
| CN112054773A (en) | Amplifying circuit, power analyzer and measuring device | |
| RU2517323C1 (en) | Tunable band-pass arc-filter | |
| CN113544970B (en) | Differential Noise Cancellation | |
| RU2682924C1 (en) | Low-frequencies filter with galvanic isolation | |
| JP6040326B2 (en) | Common-mode noise elimination circuit and differential transmission line | |
| RU2718210C1 (en) | Active low-pass rc-filter with single element pole frequency tuning on differential and multi-differential operational amplifiers | |
| KR102622686B1 (en) | Apparatus and method for controlling leak detection sensor | |
| RU2019025C1 (en) | Active rc filter | |
| CN108983297B (en) | A kind of surface em signal deteching circuit | |
| RU2774806C1 (en) | Band filter of the sallen-key family | |
| RU2720558C1 (en) | Band-pass filter on two operational amplifiers with independent adjustment of main parameters | |
| RU2333592C2 (en) | Method of ensuring amplifier frequency distortion tolerance and device to this effect |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100617 |