RU2397500C1 - Resistance-to-voltage converter - Google Patents

Resistance-to-voltage converter Download PDF

Info

Publication number
RU2397500C1
RU2397500C1 RU2009127984/28A RU2009127984A RU2397500C1 RU 2397500 C1 RU2397500 C1 RU 2397500C1 RU 2009127984/28 A RU2009127984/28 A RU 2009127984/28A RU 2009127984 A RU2009127984 A RU 2009127984A RU 2397500 C1 RU2397500 C1 RU 2397500C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resistor
voltage
operational amplifier
output
resistance
Prior art date
Application number
RU2009127984/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Иванович Гутников (RU)
Анатолий Иванович Гутников
Лариса Анатольевна Пикаева (RU)
Лариса Анатольевна Пикаева
Дмитрий Зуфарович Давлетчин (RU)
Дмитрий Зуфарович Давлетчин
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом", Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority to RU2009127984/28A priority Critical patent/RU2397500C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2397500C1 publication Critical patent/RU2397500C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: resistance-to-voltage converter has three operational amplifiers, a reference voltage source, first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, eighth and ninth resistors, two diodes, two resistance voltage dividers and a variable resistor. There is separation of functions and transfer of the amplification function in the circuit with T-shaped connection of elements (nonlinear due to the diode) to the second operational amplifier. The nonlinearity due to the diode eliminates saturation voltage (approximately 200 mV) of the second operational amplifier from the peak-to-peak value of the output signal during unipolar powering of the operational amplifiers without affecting linear amplification of the differential signal of the variable resistor.
EFFECT: wider dynamic range from the top and bottom during unipolar power supply and retention of metrological characteristics.
3 dwg

Description

Преобразователь сопротивления в напряжение относится к информационно-измерительной технике и может быть использован для преобразования изменения сопротивления резистивного первичного преобразователя температуры или деформации в напряжение.The resistance-to-voltage converter relates to an information measurement technique and can be used to convert a change in the resistance of a resistive temperature or strain transducer to voltage.

Известен преобразователь сопротивления в напряжение (см. патент №2028630 C1, МПК G01R 27/00 «Преобразователь изменения сопротивления в напряжение», авторы Горбков А.Г., Малышев Г.В., Медников В.А., опубл. БИ №4, 09.02.95 г.), содержащий источник опорного напряжения, подключенный через первый резистор к первому выводу четвертого резистора и к инвертирующему входу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен через второй резистор с источником опорного напряжения и через третий резистор - с общей шиной, выход операционного усилителя через пятый резистор соединен со вторым выводом четвертого резистора и через шестой резистор - с общей шиной, выходы двух разнополярных источников питания подключены к соответствующим выводам питания операционного усилителя, четвертый резистор является резистором с изменяемым сопротивлением.A known Converter of resistance to voltage (see patent No. 2028630 C1, IPC G01R 27/00 "Converter changes in resistance to voltage", the authors Gorbkov AG, Malyshev GV, Mednikov VA, publ. BI No. 4 , February 9, 1995), containing a reference voltage source connected through the first resistor to the first output of the fourth resistor and to the inverting input of the operational amplifier, the non-inverting input of which is connected through the second resistor to the reference voltage source and through the third resistor to the common bus, output operational amplifier cher of the fifth resistor connected to the second terminal of the fourth resistor and a sixth resistor through - a common bus, the outputs of the two power sources of opposite polarity connected to respective supply terminals of the operational amplifier, a fourth resistor is a resistor with adjustable resistance.

В известном преобразователе сопротивления в напряжение использован дифференциальный операционный усилитель с Т-образным включением четвертого, пятого и шестого резисторов в цепь отрицательной обратной связи.In the known converter of resistance to voltage, a differential operational amplifier with a T-shaped connection of the fourth, fifth and sixth resistors in the negative feedback circuit is used.

Недостатками известного преобразователя сопротивления в напряжение являются:The disadvantages of the known Converter of resistance to voltage are:

- сложность за счет использования двух разнополярных источников питания и отдельного от них источника опорного напряжения отрицательной полярности. Только при этих условиях выходной сигнал положителен;- complexity due to the use of two bipolar power sources and a separate source of a negative voltage reference voltage. Only under these conditions is the output signal positive;

- небольшой диапазон выходного сигнала, обусловленный совмещением функции источника тока для резистора с изменяемым сопротивлением, функции большого усиления в Т-образной схеме включения резисторов в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя и функции балансировки в нуль при минимальном сопротивлении резистора с изменяемым сопротивлением одним и тем же операционным усилителем;- a small range of the output signal due to the combination of the function of the current source for the resistor with a variable resistance, the large gain function in the T-shaped circuit for connecting the resistors to the negative feedback circuit of the operational amplifier and the balancing function to zero with a minimum resistance of the resistor with a variable resistance of the same operational amplifier;

- высокая чувствительность выходного напряжения к изменению опорного напряжения при максимальном сопротивлении резистора с изменяемым сопротивлением за счет совмещения функции источника тока для резистора с изменяемым сопротивлением, функции большого усиления в T-образной схеме включения резисторов в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя и функции балансировки в нуль при минимальном сопротивлении резистора с изменяемым сопротивлением одним и тем же операционным усилителем.- high sensitivity of the output voltage to a change in the reference voltage at the maximum resistance of the resistor with a variable resistance due to combining the function of the current source for the resistor with a variable resistance, the high gain function in the T-shaped circuit for connecting the resistors to the negative feedback circuit of the operational amplifier and the zero balancing function with a minimum resistance of a resistor with a variable resistance by the same operational amplifier.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является преобразователь сопротивления в напряжение (см. ж. Измерительная техника, №5, 1994 г., стр.49, «Экономичные варианты реализации преобразователей сопротивления в напряжение для резистивных датчиков», авторы Чье Ен Ун, С.Р.Симаков), содержащий два операционных усилителя, источник положительного напряжения питания, источник отрицательного напряжения питания, подключенные к выводам положительного и отрицательного питания операционных усилителей соответственно, источник опорного напряжения, выход первого операционного усилителя подключен через первый резистор к неинвертирующему входу второго операционного усилителя и через второй резистор - к общей шине, точка объединения первых выводов третьего и четвертого резисторов подключена к инвертирующему входу второго операционного усилителя, вторые их выводы подключены к выходам первого и второго операционных усилителей соответственно, точка объединения первых выводов пятого и шестого резисторов подключена к инвертирующему входу первого операционного усилителя, вторые выводы их подключены к источнику опорного напряжения и неинвертирующему входу второго операционного усилителя, неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к общей шине, первый резистор является резистором с изменяемым сопротивлением.The closest in technical essence to the present invention is a resistance to voltage converter (see. Measuring equipment, No. 5, 1994, p. 49, "Economic options for the implementation of resistance to voltage converters for resistive sensors", the authors Che Yong Un, S.R.Simakov), containing two operational amplifiers, a source of positive supply voltage, a source of negative supply voltage, connected to the terminals of the positive and negative power supply of operational amplifiers, respectively, using reference voltage reference, the output of the first operational amplifier is connected through the first resistor to the non-inverting input of the second operational amplifier and through the second resistor to the common bus, the combining point of the first outputs of the third and fourth resistors is connected to the inverting input of the second operational amplifier, their second outputs are connected to the outputs of the first and the second operational amplifiers, respectively, the point of combining the first conclusions of the fifth and sixth resistors is connected to the inverting input of the first operation Nogo amplifier, the second terminals of them are connected to a source of reference voltage and the noninverting input of the second operational amplifier non-inverting input of the first operational amplifier is connected to the common bus, the first resistor is a resistor with adjustable resistance.

В известном преобразователе сопротивления в напряжение использован операционный усилитель с T-образным включением первого, второго, шестого резисторов в цепь отрицательной обратной связи.In the known converter of resistance to voltage, an operational amplifier with a T-shaped connection of the first, second, sixth resistors to the negative feedback circuit is used.

Недостатками известного преобразователя сопротивления в напряжение являются:The disadvantages of the known Converter of resistance to voltage are:

- сложность за счет использования двух разнополярных источников питания и отдельного от них источника опорного напряжения отрицательной полярности. Только при этих условиях выходной сигнал положителен;- complexity due to the use of two bipolar power sources and a separate source of a negative voltage reference voltage. Only under these conditions is the output signal positive;

- небольшой диапазон выходного сигнала, обусловленный совмещением функции источника тока для резистора с изменяемым сопротивлением и функции большого усиления в схеме с Т-образным включением резисторов в первом операционном усилителе и малым коэффициентом усиления сигнала (k=2) второго операционного усилителя, осуществляющего функцию балансировки в нуль при минимальном сопротивлении резистора с изменяемым сопротивлением;- a small range of the output signal due to the combination of the function of the current source for the resistor with a variable resistance and the high gain function in the circuit with a T-shaped inclusion of resistors in the first operational amplifier and a small signal gain (k = 2) of the second operational amplifier that performs the balancing function in zero at the minimum resistance of a resistor with a variable resistance;

- ограниченный динамический диапазон преобразования сопротивления за счет отсутствия кусочно-линейной аппроксимации передаточной функции преобразователя сопротивления в напряжение.- limited dynamic range of resistance conversion due to the lack of a piecewise linear approximation of the transfer function of the resistance to voltage converter.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в расширении динамического диапазона при однополярном питании и сохранении метрологических характеристик.The technical result to which the invention is directed is to expand the dynamic range with unipolar power and preserve metrological characteristics.

Для достижения технического результата в преобразователе сопротивления в напряжение, содержащем источник опорного напряжения, операционные усилители, выход первого операционного усилителя соединен через резистор с изменяемым сопротивлением с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, инвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к точке объединения первых выводов второго и третьего резисторов, первые выводы четвертого и пятого резисторов объединены, новым является то, что дополнительно введены первый и второй резистивные делители напряжения, первый и второй диоды, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы, третий операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен со вторым выводом четвертого резистора и анодом первого диода, катод которого через шестой резистор соединен с выходом третьего операционного усилителя и через седьмой резистор - с общей шиной, которая соединена со вторым выводом пятого резистора и через восьмой резистор - со вторым выводом третьего резистора и катодом второго диода, анод которого соединен с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с первым выводом пятого резистора и через девятый резистор - с выходом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого резистора, а неинвертирующий вход с соединен с выходом первого резистивного делителя напряжения, первый вход которого соединен с общей шиной и отрицательными выводами питания операционных усилителей, а второй вход соединен с источником опорного напряжения, положительными выводами питания операционных усилителей и с первым входом второго резистивного делителя напряжения, второй вход которого соединен с общей шиной, а выход соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, при этом второй вывод второго резистора подключен либо к неинвертирующему, либо к инвертирующему входу первого операционного усилителя.To achieve a technical result in a resistance to voltage converter containing a reference voltage source, operational amplifiers, the output of the first operational amplifier is connected via a variable resistance resistor to the first output of the first resistor, the second output of which is connected to a common bus, the inverting input of the second operational amplifier is connected to a point combining the first conclusions of the second and third resistors, the first conclusions of the fourth and fifth resistors are combined, the new is that The first and second resistive voltage dividers, the first and second diodes, the sixth, seventh, eighth and ninth resistors, the third operational amplifier, the inverting input of which is connected to the second output of the fourth resistor and the anode of the first diode, the cathode of which is connected through the sixth resistor to the output of the third operational amplifier and through the seventh resistor to a common bus that is connected to the second terminal of the fifth resistor and through the eighth resistor to the second terminal of the third resistor and the cathode of the second diode, the anode is connected to the output of the second operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the first output of the fifth resistor and through the ninth resistor to the output of the first operational amplifier, the inverting input of which is connected to the first output of the first resistor, and the non-inverting input is connected to the output of the first resistive voltage divider, the first input of which is connected to a common bus and negative power terminals of operational amplifiers, and the second input is connected to a reference voltage source, positive power supply terminals of operational amplifiers and with the first input of the second resistive voltage divider, the second input of which is connected to the common bus, and the output is connected to the non-inverting input of the third operational amplifier, while the second output of the second resistor is connected either to the non-inverting or inverting input of the first operational amplifier.

В заявленном преобразователе сопротивления в напряжение использован операционный усилитель с T-образным включением восьмого, третьего резисторов и второго диода (нелинейного элемента вместо линейного резистора) в цепь отрицательной обратной связи.In the claimed resistance to voltage converter, an operational amplifier with a T-shaped connection of the eighth, third resistors and a second diode (non-linear element instead of a linear resistor) in the negative feedback circuit is used.

Расширенный динамический диапазон при однополярном питании и сохранении метрологических характеристик обеспечивается разделением функций и переносом функции усиления в T-образной нелинейной за счет диода схеме на второй операционный усилитель. Функцию источника тока для резистора с изменяемым сопротивлением выполняет первый операционный усилитель с малым коэффициентом усиления (K≤1,5) изменений опорного напряжения и напряжения смещения нуля первого операционного усилителя. При этом второй операционный усилитель является дифференциальным и подавляет синфазные изменения опорного напряжения и напряжения смещения нуля первого операционного усилителя, обеспечивая большое линейное усиление дифференциального сигнала резистора с изменяемым сопротивлением, расширяя тем самым динамический диапазон сверху на 70%. Введенная нелинейность за счет диода исключает напряжение насыщения (около 200 мВ) второго операционного усилителя из полного размаха выходного сигнала при однополярном питании операционных усилителей, не влияя на линейное усиление дифференциального сигнала с резистора с изменяемым сопротивлением. Указанные 200 мВ соответствуют расширению динамического диапазона снизу за счет уменьшения на 30% минимального значения преобразуемого сопротивления. Источник положительного напряжения питания и источник отрицательного напряжения питания исключены, а питание операционных усилителей производится от источника опорного напряжения.The extended dynamic range with unipolar power supply and the preservation of metrological characteristics is provided by the separation of functions and the transfer of the gain function in a T-shaped nonlinear circuit due to the diode to a second operational amplifier. The function of the current source for a resistor with a variable resistance is performed by the first operational amplifier with a small gain (K≤1.5) of changes in the reference voltage and zero bias voltage of the first operational amplifier. In this case, the second operational amplifier is differential and suppresses in-phase changes in the reference voltage and zero bias voltage of the first operational amplifier, providing a large linear amplification of the differential signal of the resistor with a variable resistance, thereby expanding the dynamic range from above by 70%. The introduced nonlinearity due to the diode eliminates the saturation voltage (about 200 mV) of the second operational amplifier from the full range of the output signal with unipolar power supply to the operational amplifiers, without affecting the linear amplification of the differential signal from the resistor with a variable resistance. The indicated 200 mV corresponds to an extension of the dynamic range from below by reducing by 30% the minimum value of the converted resistance. A source of positive supply voltage and a source of negative supply voltage are excluded, and the operational amplifiers are powered from a reference voltage source.

В заявленном преобразователе сопротивления в напряжение резистор с изменяемым сопротивлением, первый, пятый, девятый и четвертый резисторы образуют измерительный мост с изменяемой чувствительностью при однополярном напряжении питания операционных усилителей. Четвертый резистор, второй резистивный делитель, третий операционный усилитель, первый диод, шестой и седьмой резисторы и соответствующие связи обеспечивают с измерительным мостом изменение чувствительности за счет кусочно-линейной передаточной функции высокой точности с четкой точкой излома при однополярном напряжении питания операционных усилителей. При этом динамический диапазон преобразуемого сопротивления сверху увеличивается на 70%.In the inventive converter of resistance to voltage, a resistor with a variable resistance, the first, fifth, ninth and fourth resistors form a measuring bridge with a variable sensitivity at a unipolar supply voltage of operational amplifiers. The fourth resistor, the second resistive divider, the third operational amplifier, the first diode, the sixth and seventh resistors and the corresponding connections provide the sensitivity bridge with a measuring bridge due to a piecewise-linear transfer function of high accuracy with a clear break point at a unipolar supply voltage of operational amplifiers. In this case, the dynamic range of the converted resistance from above increases by 70%.

На фиг.1 представлен пример реализации функциональной схемы преобразователя сопротивления в напряжение. На фиг.2, 3 приведены диаграммы работы преобразователя сопротивления в напряжение.Figure 1 presents an example implementation of a functional diagram of the Converter of resistance to voltage. Figure 2, 3 shows a diagram of the Converter of resistance to voltage.

Преобразователь сопротивления в напряжение (фиг.1) содержит источник опорного напряжения 1, первый 2 и второй 3 операционные усилители, резистор 4 с изменяемым сопротивлением, первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11, восьмой 12 и девятый 13 резисторы, первый 14 и второй 15 резистивные делители напряжения, первый 16 и второй 17 диоды, третий операционный усилитель 18.The resistance-to-voltage converter (FIG. 1) comprises a voltage reference 1, a first 2 and a second 3 operational amplifiers, a resistor 4 with a variable resistance, a first 5, a second 6, a third 7, a fourth 8, a fifth 9, a sixth 10, a seventh 11, eighth 12 and ninth 13 resistors, the first 14 and second 15 resistive voltage dividers, the first 16 and second 17 diodes, the third operational amplifier 18.

Выход первого операционного усилителя 2 соединен через резистор 4 с изменяемым сопротивлением со своим инвертирующим входом, первым выводом первого 5 резистора, вторым выводом второго 6 резистора и через девятый резистор 13 - с точкой объединения первых выводов четвертого 8 и пятого 9 резисторов и неинвертирующим входом второго операционного усилителя 3. Инвертирующий вход второго операционного усилителя 3 соединен с первыми выводами второго 6 и третьего 7 резисторов. Выход второго операционного усилителя 3 соединен с анодом второго диода 17, катод которого соединен со вторым выводом третьего резистора 7 и через восьмой резистор 12 - с общей шиной. Второй вывод четвертого резистора 8 соединен с анодом первого диода 16 и инвертирующим входом третьего операционного усилителя 18, выход которого через шестой резистор 10 соединен с катодом первого диода 16 и через седьмой резистор 11 - с общей шиной. Неинвертирующий вход третьего операционного усилителя 18 соединен с выходом второго резистивного делителя напряжения 15. Второй вход второго резистивного делителя напряжения 15 соединен с общей шиной, а первый вход соединен с источником опорного напряжения 1, вторым входом первого делителя напряжения 14 и положительными выводами питания операционных усилителей 2, 3 и 18. Первый вход первого резистивного делителя напряжения 14 соединен с общей шиной и отрицательными выводами питания операционных усилителей 2, 3 и 18, а выход соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя 2. Второй вывод первого резистора 5 соединен с общей шиной.The output of the first operational amplifier 2 is connected through a resistor 4 with a variable resistance to its inverting input, the first output of the first 5 resistor, the second output of the second 6 resistor and through the ninth resistor 13 to the point of combining the first conclusions of the fourth 8 and fifth 9 resistors and a non-inverting input of the second operational amplifier 3. The inverting input of the second operational amplifier 3 is connected to the first terminals of the second 6 and third 7 resistors. The output of the second operational amplifier 3 is connected to the anode of the second diode 17, the cathode of which is connected to the second output of the third resistor 7 and through the eighth resistor 12 with a common bus. The second output of the fourth resistor 8 is connected to the anode of the first diode 16 and the inverting input of the third operational amplifier 18, the output of which through the sixth resistor 10 is connected to the cathode of the first diode 16 and through the seventh resistor 11 to a common bus. The non-inverting input of the third operational amplifier 18 is connected to the output of the second resistive voltage divider 15. The second input of the second resistive voltage divider 15 is connected to a common bus, and the first input is connected to a reference voltage source 1, the second input of the first voltage divider 14, and the positive power leads of operational amplifiers 2 , 3 and 18. The first input of the first resistive voltage divider 14 is connected to a common bus and the negative power leads of operational amplifiers 2, 3, and 18, and the output is connected to a non-invert uyuschim input of the first operational amplifier 2. The second terminal of the first resistor 5 is connected to the common bus.

Второй вывод второго резистора 6 подключен к инвертирующему входу, либо к неинвертирующему входу (не показано) первого операционного усилителя 2. Каждый из резистивных делителей напряжения 14, 15 выполнен на двух последовательно соединенных резисторах.The second output of the second resistor 6 is connected to an inverting input, or to a non-inverting input (not shown) of the first operational amplifier 2. Each of the resistive voltage dividers 14, 15 is made on two series-connected resistors.

Резистор 12 фактически является сопротивлением нагрузки и может иметь сопротивление в диапазоне от сотен Ом до десятков кОм.The resistor 12 is actually a load resistance and can have a resistance in the range of hundreds of ohms to tens of ohms.

На фиг.2 и 3 приведены диаграммы работы преобразователя сопротивления в напряжение, где:Figure 2 and 3 shows a diagram of the Converter of resistance to voltage, where:

U12 - напряжение на выходе преобразователя сопротивления в напряжение при различных значениях сопротивления резистора 4 с изменяемым сопротивлением (фиг.2);U 12 is the voltage at the output of the resistance-to-voltage converter for various values of the resistance of the resistor 4 with a variable resistance (figure 2);

U200…U1000 - напряжения на выходе преобразователя сопротивления в напряжение при сопротивлениях резистора 4 от 200 до 1000 Ом с дискретностью 100 Ом (фиг.2);U 200 ... U 1000 - voltage at the output of the resistance-to-voltage converter for resistor 4 resistances from 200 to 1000 Ohms with a resolution of 100 Ohms (figure 2);

ΔUR1…ΔUR8 - различные приращения напряжений на выходе преобразователя сопротивления в напряжение при приращении сопротивления резистора 4 на 100 Ом (фиг.2);ΔU R1 ... ΔU R8 - various voltage increments at the output of the resistance to voltage converter when the resistance of the resistor 4 is incremented by 100 Ohms (figure 2);

Figure 00000001
- напряжение смещения выхода сбалансированного резистором 13 в нуль преобразователя сопротивления в напряжение (при минимальном сопротивлении резистора 4 с изменяемым сопротивлением) (фиг.2);
Figure 00000001
- the bias voltage of the output balanced by the resistor 13 to zero of the resistance to voltage converter (with a minimum resistance of the resistor 4 with a variable resistance) (figure 2);

U16 - напряжение на аноде диода 16, на инвертирующем входе третьего операционного усилителя 18 и подключаемом резисторе 8 измерительного моста (фиг.3);U 16 is the voltage at the anode of the diode 16, at the inverting input of the third operational amplifier 18 and a connected resistor 8 of the measuring bridge (figure 3);

U15 - напряжение на выходе второго резистивного делителя 15, являющееся опорным для точки перегиба передаточной характеристики (фиг.3);U 15 - the voltage at the output of the second resistive divider 15, which is a reference for the inflection point of the transfer characteristic (figure 3);

U'200…U'600 - значения напряжения U16 на инвертирующем входе третьего операционного усилителя 18 и отключенном резисторе 8 измерительного моста при сопротивлениях резистора 4 от 200 до 600 Ом с дискретностью 100 Ом (фиг.3);U ' 200 ... U' 600 - voltage values U 16 at the inverting input of the third operational amplifier 18 and the disconnected resistor 8 of the measuring bridge with resistors 4 from 200 to 600 Ohms with a resolution of 100 Ohms (figure 3);

U'600…U'1000 - значения напряжения U16 на инвертирующем входеU ' 600 ... U' 1000 - voltage values U 16 at the inverting input

третьего операционного усилителя 18 и подключенном резисторе 8 измерительного моста при сопротивлениях резистора 4 от 600 до 1000 Ом с дискретностью 100 Ом (фиг.3).the third operational amplifier 18 and the connected resistor 8 of the measuring bridge with the resistance of the resistor 4 from 600 to 1000 Ohms with a resolution of 100 Ohms (figure 3).

Преобразователь сопротивления в напряжение работает следующим образом.The resistance to voltage Converter works as follows.

Типовое значение напряжения насыщения выхода при однополярном питании однополярных операционных усилителей

Figure 00000002
(LM124, 1401УД2А, 544УД7) и зависит от температуры окружающей среды. Это означает, что при отсутствии диода 17 (на фиг.2 не показано) в схеме с T-образным включением резисторов 7, 12 и диода 17 в цепи нелинейной обратной связи дифференциального операционного усилителя 3 напряжение смещения выхода преобразователя сопротивления в напряжение равно напряжению насыщения выхода операционного усилителя 3, т.е.
Figure 00000003
.Typical output saturation voltage for unipolar power supply of unipolar operational amplifiers
Figure 00000002
(LM124, 1401UD2A, 544UD7) and depends on the ambient temperature. This means that in the absence of a diode 17 (not shown in FIG. 2) in a T-shaped circuit of resistors 7, 12 and a diode 17 in the nonlinear feedback circuit of a differential operational amplifier 3, the bias voltage of the output of the resistance converter into voltage is equal to the saturation voltage of the output operational amplifier 3, i.e.
Figure 00000003
.

Резисторы 4, 5, 13, 9 и 8 образуют резистивный мост, резисторы 4 и 5 которого, запитанные постоянным током операционного усилителя 2, обеспечивают линейное преобразование сопротивления резистора 4 с изменяемым сопротивлением при однополярном питании, резисторы 13, 9 и автоматически подключаемый операционным усилителем 18 на середине шкалы выходного напряжения резистор 8 обеспечивают четкую точку перегиба кусочно-линейной передаточной функции и расширение динамического диапазона. Напряжение на инвертирующем входе всегда равно напряжению на неинвертирующем входе операционного усилителя 2, следовательно, второй вывод резистора 6 может быть подключен к инвертирующему или неинвертирующему его входу при условии, что выходное сопротивление резистивного делителя 14 выбрано много меньшим сопротивления резистора 6.Resistors 4, 5, 13, 9 and 8 form a resistive bridge, the resistors 4 and 5 of which, powered by a direct current of the operational amplifier 2, provide a linear conversion of the resistance of the resistor 4 with a variable resistance with unipolar power supply, the resistors 13, 9 and automatically connected by the operational amplifier 18 in the middle of the output voltage scale, the resistor 8 provides a clear inflection point for the piecewise linear transfer function and the expansion of the dynamic range. The voltage at the inverting input is always equal to the voltage at the non-inverting input of the operational amplifier 2, therefore, the second output of the resistor 6 can be connected to its inverting or non-inverting input, provided that the output resistance of the resistive divider 14 is chosen much lower than the resistance of the resistor 6.

Диапазон ΔUR1…ΔUR4 является растянутым, т.к. изменениям сопротивления резистора 4 с изменяемым сопротивлением соответствуют большие и равные приращения напряжений, диапазон ΔUR5…ΔUR8 является сжатым, т.к. тем же изменениям сопротивления резистора 4 с изменяемым сопротивлением соответствуют меньшие и равные приращения напряжения. При сопротивлении резистора 4, равном минимальному значению, резистором 13 преобразователь сопротивления в напряжение сбалансирован в нуль, т.е.

Figure 00000004
за счет T-образного включения резисторов 7, 12 и диода 17 в цепь нелинейной обратной связи дифференциального операционного усилителя 3. Нелинейная обратная связь дифференциального операционного усилителя 3 необходима для достижения нулевого напряжения выхода (на катоде диода 17) и напряжения на аноде выше напряжения насыщения операционного усилителя 3. При последующем минимальном приращении дифференциального сигнала с резистивного моста (сопротивление резистора 4 увеличивается) второй диод 17 входит в насыщение, выходное сопротивление операционного усилителя 3 стремится к нулю, и, таким образом, осуществляется последующее линейное усиление дифференциального сигнала с коэффициентом усиления, равным отношению сопротивлений резисторов 7 и 6. Функцию источника тока для резистора 4 с изменяемым сопротивлением выполняет операционный усилитель 1, подключенный к резистивному делителю 14 и резистору 5. Величина тока через резистор 4 (IR4) с изменяемым сопротивлением постоянна и равна величине тока через резистор 5, т.к. напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах операционного усилителя 2 всегда равны.The range ΔU R1 ... ΔU R4 is stretched, because large and equal voltage increments correspond to changes in the resistance of the resistor 4 with a variable resistance, the range ΔU R5 ... ΔU R8 is compressed, because the same resistance changes of the resistor 4 with a variable resistance correspond to smaller and equal voltage increments. When the resistance of the resistor 4, equal to the minimum value, by the resistor 13, the resistance-to-voltage converter is balanced to zero, i.e.
Figure 00000004
due to the T-shaped connection of resistors 7, 12 and diode 17 to the nonlinear feedback circuit of the differential operational amplifier 3. Nonlinear feedback of the differential operational amplifier 3 is necessary to achieve zero output voltage (at the cathode of the diode 17) and the voltage at the anode above the saturation voltage of the operating amplifier 3. With a subsequent minimum increment of the differential signal from the resistive bridge (the resistance of resistor 4 increases), the second diode 17 enters the saturation, the output resistance of the op of the amplifier amplifier 3 tends to zero, and thus, the subsequent linear amplification of the differential signal is carried out with a gain equal to the ratio of the resistances of the resistors 7 and 6. The function of the current source for the resistor 4 with a variable resistance is performed by the operational amplifier 1 connected to the resistive divider 14 and resistor 5. The magnitude of the current through resistor 4 (I R4 ) with a variable resistance is constant and equal to the magnitude of the current through resistor 5, because the voltage at the inverting and non-inverting inputs of the operational amplifier 2 is always equal.

Т.к. IR4 постоянный, то равным приращениям сопротивления резистора 4 с изменяемым сопротивлением соответствуют большие, но равные приращения выходного напряжения (ΔUR1=ΔUR2=ΔUR3=ΔUR4) преобразователя сопротивления в напряжение (см. U200, U300, U400, U500, U600 на фиг.2) вплоть до точки перегиба, т.к. резистор 8 не включен в работу измерительного моста. Т.к. IR4 постоянный, то равным приращениям сопротивления резистора 4 с изменяемым сопротивлением соответствуют меньшие, но равные приращения выходного напряжения (ΔUR5=ΔUR6=ΔUR7=ΔUR8) преобразователя сопротивления в напряжение (см. U600, U700, U800, U900, U1000 на фиг.2) после точки перегиба, где резистор 8 включен в работу измерительного моста. До точки перегиба высокое напряжение на выходе операционного усилителя 18 обеспечивается тем, что напряжение U15 на неинвертирующем входе операционного усилителя 18 больше напряжения U16 на его инвертирующем входе, при этом цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 18 оборвана, и он выполняет функцию компаратора напряжения. Этим высоким напряжением диод 16 заперт, резистор 8 отключен от измерительного моста, при этом чувствительность измерительного моста к приращениям сопротивления резистора 4 с изменяемым сопротивлением имеет достаточно высокое значение. Точка перегиба соответствует примерно середине шкалы выходного напряжения U12 и обеспечивается при достижении напряжением U16 величины «опорного» напряжения U15 на выходе второго резистивного делителя 15. При этом напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах третьего операционного усилителя 18 выравниваются, диод 16 открывается, замыкается цепь отрицательной обратной связи третьего операционного усилителя 18, превращающее его из компаратора в повторитель напряжения с низким выходным сопротивлением и выходным напряжением, равным «опорному» напряжению U15 на выходе второго резистивного делителя 15. При этом включается резистор 8 измерительного моста, шунтируется резистор 9, чувствительность измерительного моста уменьшается, тем самым уменьшается коэффициент передачи преобразователя сопротивления в напряжения. Резисторы 10 и 11 обеспечивает стабильную работу операционного усилителя 18 при переходе из режима компаратора в режим повторителя напряжения, вход и выход которого объединены через открытый второй диод 16.Because I R4 is constant, then equal but incrementing the resistance of resistor 4 with variable resistance correspond to large but equal increments of the output voltage (ΔU R1 = ΔU R2 = ΔU R3 = ΔU R4 ) of the resistance-to-voltage converter (see U 200 , U 300 , U 400 , U 500 , U 600 in figure 2) up to the inflection point, because resistor 8 is not included in the operation of the measuring bridge. Because I R4 is constant, then equal, but incremental, increments of the output voltage (ΔU R5 = ΔU R6 = ΔU R7 = ΔU R8 ) of the resistance-to-voltage converter (see U 600 , U 700 , U 800 , U 900 , U 1000 in figure 2) after the inflection point, where the resistor 8 is included in the operation of the measuring bridge. To the inflection point, the high voltage at the output of the operational amplifier 18 is ensured by the fact that the voltage U 15 at the non-inverting input of the operational amplifier 18 is greater than the voltage U 16 at its inverting input, while the negative feedback circuit of the operational amplifier 18 is disconnected, and it performs the function of a voltage comparator. With this high voltage, the diode 16 is locked, the resistor 8 is disconnected from the measuring bridge, while the sensitivity of the measuring bridge to the resistance increments of the resistor 4 with a variable resistance is quite high. The inflection point corresponds approximately to the middle of the scale of the output voltage U 12 and is achieved when voltage U 16 reaches the value of the “reference” voltage U 15 at the output of the second resistive divider 15. In this case, the voltages at the inverting and non-inverting inputs of the third operational amplifier 18 are aligned, the diode 16 opens, closes the negative feedback circuit of the third operational amplifier 18, converting it from a comparator to a voltage follower with a low output impedance and an output voltage equal to The "reference" voltage U 15 at the output of the second resistive divider 15. In this case, the resistor 8 of the measuring bridge is turned on, the resistor 9 is shunted, the sensitivity of the measuring bridge is reduced, thereby reducing the transmission coefficient of the resistance to voltage converter. Resistors 10 and 11 ensures the stable operation of the operational amplifier 18 when switching from the comparator mode to the voltage follower mode, the input and output of which are combined through an open second diode 16.

Первый операционный усилитель 2 имеет малый коэффициент усиления (K≤1,5) изменений опорного напряжения Uоп и напряжения смещения нуля первого операционного усилителя 2 за счет того, что сопротивление резистора 5 выбрано большим, чем максимальное сопротивление резистора 4 с изменяемым сопротивлением.The first operational amplifier 2 has a small gain (K≤1.5) of changes in the reference voltage U op and the zero bias voltage of the first operational amplifier 2 due to the fact that the resistance of the resistor 5 is selected greater than the maximum resistance of the resistor 4 with a variable resistance.

Второй операционный усилитель 3 является дифференциальным и подавляет синфазные изменения опорного напряжения и напряжения смещения нуля первого операционного усилителя 2, обеспечивая большое линейное усиление дифференциального сигнала резистора 4 с изменяемым сопротивлением.The second operational amplifier 3 is differential and suppresses in-phase changes in the reference voltage and zero bias voltage of the first operational amplifier 2, providing a large linear gain of the differential signal of the resistor 4 with a variable resistance.

Питание операционных усилителей 2, 3 и 18 производится от источника опорного напряжения 1.The power of operational amplifiers 2, 3, and 18 is produced from a voltage reference 1.

В предлагаемом преобразователе сопротивления в напряжение расширен динамический диапазон сверху при однополярном питании и сохранении метрологических характеристик, обеспеченный разделением функций и переносом функции усиления в Т-образной нелинейной за счет диода 17 схеме на второй операционный усилитель 3. Функцию источника тока для резистора 4 с изменяемым сопротивлением выполняет первый операционный усилитель 2 с малым коэффициентом усиления (K≤1,5) изменений опорного напряжения и напряжения смещения нуля первого операционного усилителя 2. При этом второй операционный усилитель 3 является дифференциальным и подавляет синфазные изменения опорного напряжения и напряжения смещения нуля первого операционного усилителя 2, обеспечивая большое линейное усиление дифференциального сигнала резистора 4 с изменяемым сопротивлением. Введенная нелинейность за счет диода 17 исключает напряжение насыщения (около 200 мВ) второго операционного усилителя 3 из полного размаха выходного сигнала при однополярном питании операционных усилителей 2 и 3, не влияя на линейное усиление дифференциального сигнала резистора 4 с изменяемым сопротивлением, расширяя тем самым динамический диапазон снизу.In the proposed converter of resistance to voltage, the dynamic range is expanded from above with unipolar power supply and preservation of metrological characteristics, provided by the separation of functions and transfer of the gain function in a T-shaped non-linear circuit due to diode 17 to a second operational amplifier 3. Current source function for resistor 4 with variable resistance performs the first operational amplifier 2 with a small gain (K≤1.5) of changes in the reference voltage and zero bias voltage of the first operational amplifier amplifier 2. In this case, the second operational amplifier 3 is differential and suppresses in-phase changes in the reference voltage and zero bias voltage of the first operational amplifier 2, providing a large linear amplification of the differential signal of the resistor 4 with a variable resistance. The introduced nonlinearity due to the diode 17 eliminates the saturation voltage (about 200 mV) of the second operational amplifier 3 from the full output signal range for unipolar power supply of the operational amplifiers 2 and 3, without affecting the linear amplification of the differential signal of the resistor 4 with a variable resistance, thereby expanding the dynamic range from below.

Дальнейшее расширение динамического диапазона сверху при однополярном питании и сохранении метрологических характеристик обеспечивается введением измерительного моста с изменяемой чувствительностью вновь введенными резистором 8, вторым резистивным делителем 15, третьим операционным усилителем 18, первым диодом 16, резисторами 10, 11 и соответствующими связями при однополярном напряжении питания операционных усилителей 2, 3 и 18.Further expansion of the dynamic range from above with unipolar power supply and the preservation of metrological characteristics is provided by the introduction of a measuring bridge with variable sensitivity by the newly introduced resistor 8, second resistive divider 15, third operational amplifier 18, first diode 16, resistors 10, 11 and corresponding connections with unipolar operating voltage amplifiers 2, 3 and 18.

Вновь введенные элементы и связи обеспечивают с измерительным мостом кусочно-линейную передаточную функцию высокой точности и четкой точкой излома при однополярном напряжении питания операционных усилителей.The newly introduced elements and connections provide a piecewise linear transfer function with a measuring bridge with a high accuracy and a clear break point at a unipolar supply voltage of operational amplifiers.

При необходимости учет сопротивлений соединяющих проводников (r1, r2) для резистора 4 с изменяемым сопротивлением в данной схеме преобразователя сопротивления в напряжение может быть осуществлен вводом петли (rп) последовательно между выводом резистора 16 и точкой объединения выхода первого операционного усилителя с резистором 4 с изменяемым сопротивлением, повторяющей параметры соединяющих проводников и проходящей вместе с ними (rп≈r1+r2). Подобная трехпроводная схема компенсации описана в журнале Измерительная техника, №5, 1994 г., стр.49 «Экономичные варианты реализации преобразователей сопротивления в напряжение для резистивных датчиков», авторы Чье Ен Ун, С.Р.Симаков.If necessary, the resistance of the connecting conductors (r 1 , r 2 ) for the resistor 4 with a variable resistance in this resistance to voltage converter circuit can be taken into account by introducing a loop (r p ) in series between the output of the resistor 16 and the point of combining the output of the first operational amplifier with resistor 4 with a variable resistance, repeating the parameters of the connecting conductors and passing along with them (r p ≈r 1 + r 2 ). A similar three-wire compensation scheme is described in the journal Measuring Technique, No. 5, 1994, p. 49, “Cost-Effective Implementations of Resistance to Voltage Converters for Resistive Sensors,” by Chee Yong Un, SR Simakov.

Испытания макета преобразователя сопротивления в напряжение подтвердили его работоспособность, сохранение метрологических характеристик и заявленные преимущества в диапазоне рабочих температур от -40 до +50°C.Tests of the model of the resistance-to-voltage converter confirmed its operability, preservation of metrological characteristics and declared advantages in the range of operating temperatures from -40 to + 50 ° C.

Claims (1)

Преобразователь сопротивления в напряжение, содержащий источник опорного напряжения, два операционных усилителя, выход первого операционного усилителя соединен через резистор с изменяемым сопротивлением с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, инвертирующий вход второго операционного усилителя подключен к точке объединения первых выводов второго и третьего резисторов, первые выводы четвертого и пятого резисторов объединены, отличающийся тем, что дополнительно введены первый и второй резистивные делители напряжения, первый и второй диоды, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы, третий операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен со вторым выводом четвертого резистора и анодом первого диода, катод которого соединен через шестой резистор с выходом третьего операционного усилителя и через седьмой резистор с общей шиной, которая соединена со вторым выводом пятого резистора и через восьмой резистор со вторым выводом третьего резистора и катодом второго диода, анод которого соединен с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с первым выводом пятого резистора и через девятый резистор с выходом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом первого резистора, а неинвертирующий вход соединен с выходом первого резистивного делителя напряжения, первый вход которого соединен с общей шиной и отрицательными выводами питания операционных усилителей, а второй вход соединен с источником опорного напряжения, положительными выводами питания операционных усилителей и с первым входом второго резистивного делителя напряжения, второй вход которого соединен с общей шиной, а выход соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, при этом второй вывод второго резистора подключен либо к инвертирующему, либо к неинвертирующему входу первого операционного усилителя. A resistance to voltage converter containing a reference voltage source, two operational amplifiers, the output of the first operational amplifier is connected through a resistor with a variable resistance to the first output of the first resistor, the second output of which is connected to a common bus, the inverting input of the second operational amplifier is connected to the union point of the first outputs of the second and the third resistors, the first conclusions of the fourth and fifth resistors are combined, characterized in that the first and second resistors are additionally introduced explicit voltage dividers, first and second diodes, sixth, seventh, eighth and ninth resistors, a third operational amplifier, the inverting input of which is connected to the second output of the fourth resistor and the anode of the first diode, the cathode of which is connected through the sixth resistor to the output of the third operational amplifier and through the seventh a resistor with a common bus that is connected to the second terminal of the fifth resistor and through the eighth resistor to the second terminal of the third resistor and the cathode of the second diode, the anode of which is connected to the output of the second opera an amplifier, the non-inverting input of which is connected to the first output of the fifth resistor and through the ninth resistor to the output of the first operational amplifier, the inverting input of which is connected to the first output of the first resistor, and the non-inverting input is connected to the output of the first resistive voltage divider, the first input of which is connected to the common bus and negative power terminals of operational amplifiers, and the second input is connected to a reference voltage source, positive power terminals of operational amplifiers and with the first input of the second resistive voltage divider, the second input of which is connected to the common bus, and the output is connected to the non-inverting input of the third operational amplifier, while the second output of the second resistor is connected to either the inverting or non-inverting input of the first operational amplifier.
RU2009127984/28A 2009-07-20 2009-07-20 Resistance-to-voltage converter RU2397500C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009127984/28A RU2397500C1 (en) 2009-07-20 2009-07-20 Resistance-to-voltage converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009127984/28A RU2397500C1 (en) 2009-07-20 2009-07-20 Resistance-to-voltage converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2397500C1 true RU2397500C1 (en) 2010-08-20

Family

ID=46305605

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009127984/28A RU2397500C1 (en) 2009-07-20 2009-07-20 Resistance-to-voltage converter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2397500C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104880963A (en) * 2014-10-27 2015-09-02 上海葩星信息科技有限公司 Resistor simulator
RU2612200C1 (en) * 2015-12-07 2017-03-03 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Resistance transducer and thermal electromotive force in tense

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104880963A (en) * 2014-10-27 2015-09-02 上海葩星信息科技有限公司 Resistor simulator
RU2612200C1 (en) * 2015-12-07 2017-03-03 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Resistance transducer and thermal electromotive force in tense

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9935598B2 (en) Differential amplifier design as the preamp of DMM
US20070103174A1 (en) Direct current test apparatus
US20080024191A1 (en) Low power wide dynamic range RMS-to-DC converter
ATE311609T1 (en) MONITORING FUEL CELL VOLTAGE
KR101024220B1 (en) Power applying circuit and testing apparatus
CN115060962B (en) Source meter capable of rapidly switching measuring range and temperature compensation method thereof
CN104535954B (en) Calibration device and method of active leakage current tester
CN204347229U (en) The calibrating installation of active leakage current tester
US9859878B2 (en) Control circuit for use with a sensor, and measurement system including such a control circuit
RU2397500C1 (en) Resistance-to-voltage converter
Ximin A linear thermocouple temperature meter based on inverse reference function
US7268711B1 (en) Method and circuit for amplitude compensation in a digital-to-analog converter
CN110703117A (en) Portable storage battery performance testing device
CN214585670U (en) High-impedance pointer type direct current voltmeter
AU2015349443A1 (en) DC offset cancellation method and device
CN113155159B (en) Bridge detector
JP2011095037A (en) Range switching circuit
CN212364401U (en) Resistance sensor measuring circuit for measuring weak signal
CN210626547U (en) Measuring device
Tapashetti et al. Design and simulation of op amp integrator and its applications
JP2007315980A (en) Current/voltage conversion circuit
RU2654905C1 (en) Device for converting the resistance changes into voltage
CN108051641A (en) For the measuring circuit of measuring loop resistance
Cox et al. An automatic rms/dc comparator
Wang et al. A DCCT-based 100-A DC current source with high stability