RU2541723C1 - Precision analogue-digital interface for working with resistive micro- and nanospheres - Google Patents
Precision analogue-digital interface for working with resistive micro- and nanospheres Download PDFInfo
- Publication number
- RU2541723C1 RU2541723C1 RU2013142394/28A RU2013142394A RU2541723C1 RU 2541723 C1 RU2541723 C1 RU 2541723C1 RU 2013142394/28 A RU2013142394/28 A RU 2013142394/28A RU 2013142394 A RU2013142394 A RU 2013142394A RU 2541723 C1 RU2541723 C1 RU 2541723C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- auxiliary
- diagonal
- input
- power supply
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться в структуре различных датчиковых систем, в которых используются резистивные сенсоры, изменяющие свое сопротивление под физическим воздействием окружающей среды (давление, деформация, свет, температура, радиация, состав различных газов, влажность и т.п.).The present invention relates to the field of measurement technology and can be used in the structure of various sensor systems that use resistive sensors that change their resistance under the physical influence of the environment (pressure, deformation, light, temperature, radiation, the composition of various gases, humidity, etc. .).
Для измерения параметров газовых сред, температуры, изгиба, деформаций различных деталей широко применяются чувствительные элементы резистивные микро- и наносенсоры, включаемые в структуру так называемых измерительных мостов [1-11]. Данное техническое решение, как правило, предусматривает применение прецизионных измерительных усилителей, которые через фильтры низких частот подключаются ко входу аналого-цифровых преобразователей [1-6] или устройств цифровой обработки сигналов. Такая архитектура является классической [1-11].To measure the parameters of gaseous media, temperature, bending, deformations of various parts, sensitive elements are resistive micro- and nanosensors, which are included in the structure of the so-called measuring bridges [1-11]. This technical solution, as a rule, involves the use of precision measuring amplifiers, which are connected through the low-pass filters to the input of analog-to-digital converters [1-6] or digital signal processing devices. Such an architecture is classical [1-11].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является аналого-цифровой интерфейс фиг.1, представленный в патенте US 4.484.146. Он содержит измерительный мост, первый 1 вывод диагонали питания которого подключен к первой 2 шине источника питания, второй 3 вывод диагонали питания соединен со второй 4 общей шиной источника питания, а первый 5 и второй 6 выходы измерительной диагонали соединены со входами первого 7 дифференциального инструментального усилителя, первый 8 резистивный сенсор, включенный между первым 5 выходом измерительной диагонали и первым 1 выводом диагонали питания, второй 9 резистивный сенсор, включенный между первым 5 выходом измерительной диагонали и вторым 3 выводом диагонали питания, третий 10 резистивный сенсор, включенный между вторым 6 выходом измерительной диагонали и первым 1 выводом диагонали питания, четвертый 11 резистивный сенсор, включенный между вторым 6 выходом измерительной диагонали и вторым 3 выводом диагонали питания, первый 12 и второй 13 вспомогательные резисторы, включенные последовательно между выходом 14 дифференциального инструментального усилителя 7 и неинвертирующим входом вспомогательного операционного усилителя 15, инвертирующий вход которого связан с выходом 16 данного вспомогательного операционного усилителя 15, первый 17 корректирующий конденсатор, включенный между общим узлом 18 первого 12 и второго 13 вспомогательных резисторов и выходом 16 вспомогательного операционного усилителя 15, второй 19 корректирующий конденсатор, включенный между неинвертирующим входом вспомогательного операционного усилителя 15 и второй 4 общей шиной источника питания, первый 20 аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом 16 вспомогательного операционного усилителя 15.The closest prototype of the claimed device is the analog-to-digital interface of figure 1, presented in patent US 4.484.146. It contains a measuring bridge, the first 1 output of the power diagonal of which is connected to the first 2 bus of the power source, the second 3 output of the power diagonal is connected to the second 4 common bus of the power source, and the first 5 and second 6 outputs of the measuring diagonal are connected to the inputs of the first 7 differential instrumental amplifier , the first 8 resistive sensor connected between the first 5 output of the measuring diagonal and the first 1 output of the power diagonal, the second 9 resistive sensor connected between the first 5 output of the measuring diagonal and the second 3 output of the power diagonal, the third 10 resistive sensor connected between the second 6 output of the measuring diagonal and the first 1 output of the power diagonal, the fourth 11 resistive sensor connected between the second 6 output of the measuring diagonal and the second 3 output of the power diagonal, the first 12 and 13 auxiliary resistors connected in series between the
Существенный недостаток известного устройства фиг.1 состоит в том, что оно не обеспечивает формирование сигнала, пропорционального производной входной измеряемой величины. Это не позволяет использовать данное техническое решение в новых и перспективных системах адаптивного управления, для эффективного функционирования которых необходимо располагать информацией о скорости изменения входного сигнала (его производной).A significant disadvantage of the known device of figure 1 is that it does not provide the formation of a signal proportional to the derivative of the input measured value. This does not allow the use of this technical solution in new and promising adaptive control systems, for the effective functioning of which it is necessary to have information about the rate of change of the input signal (its derivative).
Кроме этого, известная схема характеризуется нелинейной температурной зависимостью выходных сигналов, которая связана с нестабильностью свойств микро- и наносенсоров при воздействии на них данного дестабилизирующего фактора.In addition, the known circuit is characterized by a nonlinear temperature dependence of the output signals, which is associated with the instability of the properties of micro- and nanosensors when exposed to this destabilizing factor.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в формировании не только цифрового эквивалента входной измеряемой величины (x), но и цифрового эквивалента ее первой производной (
Поставленная задача достигается тем, что в прецизионном аналого-цифровом интерфейсе для работы с резистивными микро- и наносенсорами фиг.1, содержащем измерительный мост, первый 1 вывод диагонали питания которого подключен к первой 2 шине источника питания, второй 3 вывод диагонали питания соединен со второй 4 общей шиной источника питания, а первый 5 и второй 6 выходы измерительной диагонали соединены со входами первого 7 дифференциального инструментального усилителя, первый 8 резистивный сенсор, включенный между первым 5 выходом измерительной диагонали и первым 1 выводом диагонали питания, второй 9 резистивный сенсор, включенный между первым 5 выходом измерительной диагонали и вторым 3 выводом диагонали питания, третий 10 резистивный сенсор, включенный между вторым 6 выходом измерительной диагонали и первым 1 выводом диагонали питания, четвертый 11 резистивный сенсор, включенный между вторым 6 выходом измерительной диагонали и вторым 3 выводом диагонали питания, первый 12 и второй 13 вспомогательные резисторы, включенные последовательно между выходом 14 дифференциального инструментального усилителя 7 и неинвертирующим входом вспомогательного операционного усилителя 15, инвертирующий вход которого связан с выходом 16 данного вспомогательного операционного усилителя 15, первый 17 корректирующий конденсатор, включенный между общим узлом 18 первого 12 и второго 13 вспомогательных резисторов и выходом 16 вспомогательного операционного усилителя 15, второй 19 корректирующий конденсатор, включенный между неинвертирующим входом вспомогательного операционного усилителя 15 и второй 4 общей шиной источника питания, первый 20 аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом 16 вспомогательного операционного усилителя 15, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный дифференциальный инструментальный усилитель 21, выход которого 22 подключен ко входу второго 23 аналого-цифрового преобразователя, первый 24 вход дополнительного дифференциального инструментального усилителя 21 подключен к общему узлу 18 первого 12 и второго 13 вспомогательных резисторов, а второй 25 вход дополнительного дифференциального инструментального усилителя 21 подключен к неинвертирующему входу вспомогательного операционного усилителя 15.The problem is achieved in that in a precision analog-to-digital interface for working with resistive micro- and nanosensors of Fig. 1, containing a measuring bridge, the first 1 output of the power diagonal of which is connected to the first 2 bus of the power source, the second 3 output of the diagonal of power is connected to the second 4 by a common power supply bus, and the first 5 and second 6 outputs of the measuring diagonal are connected to the inputs of the first 7 differential instrumental amplifier, the first 8 is a resistive sensor connected between the first 5 output of the meter diagonal and the first 1 output of the power diagonal, the second 9 resistive sensor connected between the first 5 output of the measuring diagonal and the second 3 output of the power diagonal, the third 10 resistive sensor connected between the second 6 output of the measuring diagonal and the first 1 output of the power diagonal, the fourth 11 resistive a sensor connected between the second 6 output of the measuring diagonal and the second 3 output of the power diagonal, the first 12 and second 13 auxiliary resistors connected in series between the
На чертеже фиг.1 приведена схема прецизионного аналого-цифрового интерфейса-прототипа.The drawing of figure 1 shows a diagram of a precision analog-to-digital interface of the prototype.
На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.The drawing of figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with
На чертеже фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 формулы изобретения.The drawing of figure 3 presents a diagram of the inventive device in accordance with
На чертеже фиг.4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.3 формулы изобретения.The drawing of figure 4 presents a diagram of the inventive device in accordance with
На чертеже фиг.5 показан пример построения основных функциональных узлов схемы фиг.4 с использованием так называемых мультидифференциальных операционных усилителей, схемотехника которых широко представлена в современной технической литературе [12].The drawing of figure 5 shows an example of the construction of the main functional nodes of the circuit of figure 4 using the so-called multi-differential operational amplifiers, the circuitry of which is widely represented in the modern technical literature [12].
На чертеже фиг.6 приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) канала измерения в диапазоне рабочих частот физической величины, воздействующей на сенсоры.The drawing of Fig.6 shows the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the measurement channel in the operating frequency range of a physical quantity acting on the sensors.
На чертеже фиг.7 представлена фазочастотная характеристика (ФЧХ) канала измерения физической величины в диапазоне рабочих частот, демонстрирующая высокую линейность и, следовательно, низкую погрешность измерения формы соответствующего сигнала.The drawing of Fig.7 shows the phase-frequency characteristic (PFC) of the measuring channel of a physical quantity in the operating frequency range, demonstrating high linearity and, therefore, low measurement error of the shape of the corresponding signal.
На чертеже фиг.8 показана частот погрешность ФЧХ канала измерения физической величины в диапазоне рабочих.The drawing of Fig.8 shows the frequency error of the phase response of the channel for measuring physical quantities in the range of workers.
На чертеже фиг.9 приведена зависимость погрешности ФЧХ канала измерения производной от дифференциального коэффициента передачи (Kd) дополнительного дифференциального инструментального усилителя 21 канала измерения производной физической величины.The drawing of Fig.9 shows the dependence of the error of the phase response of the measuring channel of the derivative on the differential transmission coefficient (Kd) of the additional differential
На чертеже фиг.10 показано влияние отклонения емкости третьего 28 корректирующего конденсатора (±1%) на неравномерность АЧХ канала измерения физической величины.The drawing of figure 10 shows the effect of the deviation of the capacitance of the third 28 correction capacitor (± 1%) on the non-uniformity of the frequency response of the measurement channel of a physical quantity.
На чертеже фиг.11 показано влияние отклонения емкости третьего 28 корректирующего конденсатора (±1%) на погрешность ФЧХ канала измерения физической величины.The drawing of Fig.11 shows the effect of the deviation of the capacitance of the third 28 correction capacitor (± 1%) on the phase response error of the measurement channel of a physical quantity.
На чертеже фиг.12 показано влияние отклонения h (±0,5%) на неравномерность АЧХ канала измерения физической величины, где h -отношение емкостей первого 17 и третьего 28 корректирующих конденсаторов.The drawing of Fig. 12 shows the effect of the deviation h (± 0.5%) on the non-uniformity of the frequency response of the physical quantity measuring channel, where h is the ratio of the capacitances of the first 17 and third 28 correction capacitors.
На чертеже фиг.13 показано влияние отклонения параметра h (±0,5%) на погрешность ФЧХ канала измерения физической величины.The drawing of Fig.13 shows the effect of the deviation of the parameter h (± 0.5%) on the phase response error of the measurement channel of a physical quantity.
На чертеже фиг.14 приведена АЧХ канала измерения производной измеряемой физической величины.The drawing of Fig.14 shows the frequency response of the measurement channel of the derivative of the measured physical quantity.
На чертеже фиг.15 показана ФЧХ канала измерения производной измеряемой физической величины при коэффициенте передачи Kd=15,208, где Kd - дифференциальный коэффициент передачи дополнительного дифференциального инструментального усилителя 21.The drawing of Fig. 15 shows the phase response of a measuring channel of a derivative of a measured physical quantity with a transmission coefficient Kd = 15.208, where Kd is the differential transmission coefficient of an additional
На чертеже фиг.16 приведены результаты моделирования канала измерения физической величины во временной области.In the drawing of Fig.16 shows the simulation results of the measurement channel of a physical quantity in the time domain.
На чертеже фиг.17 приведены результаты моделирования канала измерения производной во временной области.In the drawing of Fig.17 shows the results of modeling the channel for measuring the derivative in the time domain.
Прецизионный аналого-цифровой интерфейс для работы с резистивными микро- и наносенсорами фиг.2 содержит измерительный мост, первый 1 вывод диагонали питания которого подключен к первой 2 шине источника питания, второй 3 вывод диагонали питания соединен со второй 4 общей шиной источника питания, а первый 5 и второй 6 выходы измерительной диагонали соединены со входами первого 7 дифференциального инструментального усилителя, первый 8 резистивный сенсор, включенный между первым 5 выходом измерительной диагонали и первым 1 выводом диагонали питания, второй 9 резистивный сенсор, включенный между первым 5 выходом измерительной диагонали и вторым 3 выводом диагонали питания, третий 10 резистивный сенсор, включенный между вторым 6 выходом измерительной диагонали и первым 1 выводом диагонали питания, четвертый 11 резистивный сенсор, включенный между вторым 6 выходом измерительной диагонали и вторым 3 выводом диагонали питания, первый 12 и второй 13 вспомогательные резисторы, включенные последовательно между выходом 14 дифференциального инструментального усилителя 7 и неинвертирующим входом вспомогательного операционного усилителя 15, инвертирующий вход которого связан с выходом 16 данного вспомогательного операционного усилителя 15, первый 17 корректирующий конденсатор, включенный между общим узлом 18 первого 12 и второго 13 вспомогательных резисторов и выходом 16 вспомогательного операционного усилителя 15, второй 19 корректирующий конденсатор, включенный между неинвертирующим входом вспомогательного операционного усилителя 15 и второй 4 общей шиной источника питания, первый 20 аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом 16 вспомогательного операционного усилителя 15. В схему введен дополнительный дифференциальный инструментальный усилитель 21, выход которого 22 подключен ко входу второго 23 аналого-цифрового преобразователя, первый 24 вход дополнительного дифференциального инструментального усилителя 21 подключен к общему узлу 18 первого 12 и второго 13 вспомогательных резисторов, а второй 25 вход дополнительного дифференциального инструментального усилителя 21 подключен к неинвертирующему входу вспомогательного операционного усилителя 15.The precision analog-to-digital interface for working with resistive micro- and nanosensors of FIG. 2 contains a measuring bridge, the first 1 output of the power diagonal of which is connected to the first 2 bus of the power source, the second 3 output of the diagonal of power is connected to the second 4 common bus of the power source, and the first 5 and second 6 outputs of the measuring diagonal are connected to the inputs of the first 7 differential instrumental amplifier, the first 8 resistive sensor connected between the first 5 output of the measuring diagonal and the first 1 output of the diagonal the second 9 resistive sensor connected between the first 5 output of the measuring diagonal and the second 3 output of the power diagonal, the third 10 resistive sensor connected between the second 6 output of the measuring diagonal and the first 1 output of the power diagonal, the fourth 11 resistive sensor connected between the second 6 output measuring diagonal and the second 3 output diagonal of the power supply, the first 12 and second 13 auxiliary resistors connected in series between the
На чертеже фиг.2 последовательно с третьим 10 резистивным сенсором может включаться низкооомный вспомогательный резистор, обеспечивающий заданный уровень асимметрии измерительного моста.In the drawing of FIG. 2, a low-ohmic auxiliary resistor can be connected in series with the third 10 resistive sensor, providing a given level of asymmetry of the measuring bridge.
Цифровые эквиваленты входной измеряемой величины D1.x…Dn.x и ее производные
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между выходом 14 первого 7 дифференциального инструментального усилителя и первым 26 выводом первого 12 вспомогательного резистора, не связанным со вторым 13 вспомогательным резистором, включен третий 27 вспомогательный резистор, а между первым 26 выводом первого 12 вспомогательного резистора и второй 4 общей шиной источника питания включен третий 28 корректирующий конденсатор.In the drawing of FIG. 3, in accordance with
На чертеже фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в схему введен датчик температуры 29 первого 8, второго 9, третьего 10 и четвертого 11 резистивных сенсоров, связанный со входом измерительного преобразователя «температура-напряжение» 30, выход которого соединен со входом фильтра низких частот 31, причем выход 32 фильтра низких частот 31 подключен ко входу третьего 33 аналого-цифрового преобразователя.In the drawing of figure 4, in accordance with
На чертеже фиг.5 показан пример практического построения заявляемого устройства на современной элементной базе. Здесь дифференциальный инструментальный усилитель 7 реализован на основе мультидифференциального ОУ (МОУ) [12] и включает резисторы обратной связи 34, 35. Дополнительный дифференциальный инструментальный усилитель 21 реализован на МОУ 36 и резисторах обратной связи 37, 38. Измерительный преобразователь «температура-напряжение» 30 выполнен на основе резисторов 39, 40, 41, 43 и операционного усилителя 42. Фильтр низких частот 31 реализован в соответствии с фиг.2 и содержит резисторы 44, 45, операционный усилитель 46, конденсаторы 47 и 48. Входные 5, 6 и выходные 22, 16, 32 узлы схемы фиг.5 имеют такие же обозначения, как и соответствующие узлы схемы фиг.4.The drawing of figure 5 shows an example of practical construction of the inventive device on a modern element base. Here, the
Рассмотрим работу устройства фиг.2.Consider the operation of the device of figure 2.
Воздействие измеряемой физической величины на сопротивления резистивных сенсоров 8-10 приводит к изменению дифференциального напряжения на выходах 5, 6 измерительной диагонали моста и на соответствующих входах дифференциального инструментального усилителя 7. В силу идентичности сопротивлений резисторов 8-10 (микро- или наносенсоры) синфазные напряжения, вызванные действием источника опорного напряжения 2 на этих же входах идентичны. Выделение и усиление дифференциальным инструментальным усилителем 7 дифференциального напряжения сопровождается ослаблением синфазного сигнала до уровня, соответствующего методической точности первого 20 и второго 23 АЦП. Таким образом, на вход ограничителя спектра (элементы 12, 13, 15, 17, 19) поступает усиленное дифференциальное напряжение, пропорциональное измеряемой физической величине. Наряду с дифференциальным напряжением дифференциальный инструментальный усилитель 7 усиливает собственные шумы сенсоров 8-10 измерительного моста, что в процессе аналого-цифрового преобразования приводит к появлению разностных спектральных составляющих между частотой дискретизации и частотами усиленных дифференциальным инструментальным усилителем 7 шумовых составляющих общего спектра измеряемого процесса. Для уменьшения амплитуд этих разностных составляющих используется фильтр нижних частот третьего порядка (ФНЧ, ограничитель спектра), реализованный на первом 12 и втором 13 вспомогательных резисторах, первом 17 и втором 19 корректирующих конденсаторах и вспомогательном операционном усилителе 15. Наличие цепи обратной связи путем подключения первого 17 корректирующего конденсатора к выходу вспомогательного операционного усилителя 15 позволяет эффективно использовать порядок этого фильтра в переходной области частот путем повышения ее «прямоугольности» и, следовательно, уменьшения погрешности преобразования спектральных составляющих в полосе пропускания (диапазоне рабочих частот сенсоров).The influence of the measured physical quantity on the resistance of the resistive sensors 8-10 leads to a change in the differential voltage at the
Путем подключения второго 13 вспомогательного резистора к дифференциальным входам дополнительного дифференциального инструментального усилителя 21 можно выделить дифференциальную составляющую измеряемой физической величины. Причем диапазон рабочих частот для этой составляющей будет определяться полосой пропускания фильтра нижних частот (элементы 12, 13, 15, 17, 19).By connecting the second 13 auxiliary resistor to the differential inputs of the additional
Действительно, как это следует из схемы фиг.2, напряжение на втором корректирующем конденсаторе 19 и на выходе вспомогательного операционного усилителя 15 определяется интегралом тока, протекающего через второй 13 вспомогательный резистор. При условии, что входное сопротивление вспомогательного операционного усилителя 15 значительно больше сопротивления второго 13 вспомогательного резистора, падение напряжения на этом резисторе будет соответствовать дифференциалу напряжения на выходе 16.Indeed, as follows from the circuit of FIG. 2, the voltage at the
Математический анализ предлагаемого устройства выполним для интерфейса фиг.3, т.к. при отсутствии третьего 27 вспомогательного резистора и третьего 28 корректирующего конденсатора (выход дифференциального инструментального усилителя 7 непосредственно подключен к первому 12 вспомогательному резистору) реализуется канал частотной фильтрации, показанный на фиг.2. Используя метод анализа линейных электронных схем, можно показать, что на выходах 16 и 22 реализуются следующие передаточные функцииMathematical analysis of the proposed device is feasible for the interface of figure 3, because in the absence of the third 27 auxiliary resistor and the third 28 correction capacitor (the output of the
где K7, K21 - дифференциальные коэффициенты усиления дифференциальных инструментальных усилителей 7 и 21;where K 7 , K 21 - differential gains of differential
R13, C19 - сопротивление и емкость элементов схемы 13 и 19.R 13 , C 19 - resistance and capacitance of
В этих соотношениях коэффициенты ai передаточных функций определяются следующим образомIn these relations, the coefficients a i of the transfer functions are determined as follows
где Rij, Cij - сопротивления и емкости элементов схемы с номером ij
Из соотношений (3) следует, что в силу аддитивного принципа формирования всех коэффициентов передаточных функций (1) и (2) каналы измерения физической величины и ее производной характеризуются низкой параметрической чувствительностьюIt follows from relations (3) that, due to the additive principle of the formation of all the transfer function coefficients (1) and (2), the channels for measuring a physical quantity and its derivative are characterized by low parametric sensitivity
Кроме этого, требование небольшой неравномерности АЧХ ограничителя спектра в полосе пропускания (рабочем диапазоне частот сенсоров), в соответствии со свойствами их аппроксимирующих функций (Гаусса, Баттерворта, Чебышева) связаны с реализацией низкой добротности доминирующего полюса (1,0-1,5 единиц). Именно поэтому предлагаемые решения задачи обеспечивают низкую параметрическую чувствительность ко всем элементам схемы.In addition, the requirement of a small non-uniformity of the frequency response of the spectrum limiter in the passband (the working frequency range of the sensors), in accordance with the properties of their approximating functions (Gauss, Butterworth, Chebyshev), is associated with the implementation of a low Q factor of the dominant pole (1.0-1.5 units) . That is why the proposed solutions to the problem provide low parametric sensitivity to all elements of the circuit.
В этой связи при практической реализации интерфейса можно использовать дополнительные параметрические условия:In this regard, in the practical implementation of the interface, additional parametric conditions can be used:
ТогдаThen
Отметим, что соотношения (6), с точностью до отношений номиналов однотипных элементов, соответствуют структуре лестничного (теоретически оптимального по параметрической чувствительности) фильтра нижних частот ФНЧ. Этот вывод подтверждается результатами моделирования практической схемы интерфейса, приведенными на чертежах фиг.10-13. При этом можно достаточно строго показать, что последний вывод справедлив при выполнении неравенстваNote that relations (6), up to the ratios of the nominal values of the same type of elements, correspond to the structure of the low-pass filter (theoretically optimal in terms of parametric sensitivity) of the low-pass filter. This conclusion is confirmed by the results of modeling a practical interface circuit shown in the drawings of Figures 10-13. Moreover, it can be rigorously shown that the last conclusion is valid when the inequality
где f1 - частота единичного усиления усилителя 15;where f 1 is the frequency of unity gain of the
fc - диапазон рабочих частот сенсора (чувствительного элемента). Из передаточных функций (2) и (1) (в силу свойств преобразования Лапласа) следует, чтоf c is the operating frequency range of the sensor (sensitive element). From the transfer functions (2) and (1) (due to the properties of the Laplace transform) it follows that
где uвых.16(t) и uвых.22(t) - выходные напряжения на узлах 16 и 22. Таким образом, предлагаемые структуры и принципиальные схемы интерфейсов обеспечивают не только высокую точность измерения физической величины, но и измерение (или оценку) ее производной. Этот вывод демонстрируется на чертежах фиг.6 и фиг.7. Здесь под оценкой понимается в общем случае несогласованность длительности переходных процессов (функции (1) и (2)) рассматриваемых каналов интерфейса. Из соотношения (8) также следует, что отсутствие разностных членов сохраняет низкую параметрическую чувствительность канала оценки производнойwhere u out.16 (t) and u out.22 (t) are the output voltages at
На результирующую точность измерения (оценки) производной измеряемой величины влияет также фазовая погрешность канала преобразования, которая согласно (1) обусловлена дифференцированием сигнала только в полосе пропускания ФНЧ (фиг.14). Можно достаточно строго показать, что для
где
Из приведенного соотношения видно, что максимальная погрешность соответствует абсолютному минимуму производной, а повышение точности (уменьшение
Из графиков фиг.7 в частности следует, что реализация линейной ФЧХ обеспечивает высокую точность измерения кратковременных (импульсных) входных воздействий.From the graphs of Fig. 7 in particular, it follows that the implementation of the linear phase response provides high accuracy for measuring short-term (pulsed) input actions.
Таким образом, заявляемое устройство характеризуется сравнительно малыми значениями погрешностей измерения физической величины и оценки ее производной.Thus, the claimed device is characterized by relatively small values of the errors of measurement of a physical quantity and evaluation of its derivative.
Выполненный выше анализ, а также результаты компьютерного моделирования показывают, что в предлагаемом прецизионном аналого-цифровом интерфейсе (фиг.2) решена одна из проблем современной измерительной техники - получение цифрового эквивалента производной измеряемой физической величины, информация о которой существенно расширяет возможности построения на его основе систем адаптивного управления различными объектами, а также цифрового эквивалента температуры сенсоров, последнее свойство позволяет вводить с помощью микропроцессора необходимую коррекцию температурных ошибок измерения физической величины. Кроме этого, в схеме может обеспечиваться диагностика состояния резистивных наносенсоров 8-10.The analysis performed above, as well as the results of computer simulations show that in the proposed precision analog-to-digital interface (Fig. 2) one of the problems of modern measuring equipment is solved - obtaining the digital equivalent of the derivative of the measured physical quantity, the information about which significantly expands the possibilities of building on its basis adaptive control systems for various objects, as well as the digital equivalent temperature of sensors, the latter property allows you to enter using a microprocessor n The necessary correction of temperature errors in measuring a physical quantity. In addition, the circuit can provide diagnostics of the state of resistive nanosensors 8-10.
Источники информацииInformation sources
1. Патент RU №2.247.3251. Patent RU No. 2.247.325
2. Патент RU №2.380.7142. Patent RU No. 2.380.714
3. Патент RU №2.265.2293. Patent RU No. 2.265.229
4. Патент US №8.330.5374. US patent No. 8.330.537
5. Заявка на патент US №2012/018600915. Application for US patent No. 2012/01860091
6. Патент ЕР №1.703.2626. EP patent No. 1,703.262
7. Патент US №4.063.4477. US patent No. 4.063.447
8. Патент SU №1.830.4638. Patent SU No. 1.830.463
9. Патент RU №2.304.2849. Patent RU No. 2,304.284
10. Заявка на патент US №2001/003575810. Application for US patent No. 2001/0035758
11. Заявка на патент US №2003/091603311. Application for patent US No. 2003/0916033
12. Мультидифференциальный операционный усилитель в режиме инструментального усилителя [Текст] / С.Г. Крутчинский, Титов А.Е. // Научно-технические ведомости СПбГПУ «Информатика, Телекоммуникации и управление», №3 (101), 2010. - С.200-204.12. Multidifferential operational amplifier in the mode of an instrument amplifier [Text] / S.G. Krutchinsky, Titov A.E. // Scientific and technical statements of SPbSPU “Informatics, Telecommunications and Management”, No. 3 (101), 2010. - P.200-204.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013142394/28A RU2541723C1 (en) | 2013-09-17 | 2013-09-17 | Precision analogue-digital interface for working with resistive micro- and nanospheres |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013142394/28A RU2541723C1 (en) | 2013-09-17 | 2013-09-17 | Precision analogue-digital interface for working with resistive micro- and nanospheres |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2541723C1 true RU2541723C1 (en) | 2015-02-20 |
Family
ID=53288765
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013142394/28A RU2541723C1 (en) | 2013-09-17 | 2013-09-17 | Precision analogue-digital interface for working with resistive micro- and nanospheres |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2541723C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
MD1023Z (en) * | 2015-11-09 | 2016-11-30 | Технический университет Молдовы | Device for measuring the parameters of sensors based on micro- and nanostructured semiconductor oxides |
MD1065Z (en) * | 2015-11-09 | 2017-03-31 | Технический университет Молдовы | Device and method for measuring the resistance of sensors based on nanostructured semiconductor oxides |
RU2645867C1 (en) * | 2016-11-30 | 2018-02-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Measuring bridge with increase speed of response |
RU2682924C1 (en) * | 2018-02-12 | 2019-03-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Low-frequencies filter with galvanic isolation |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6470741B1 (en) * | 2000-06-23 | 2002-10-29 | Instrumentarium, Inc. | Hot wire anemometer gas flow sensor having improved operation and compensation |
US8197133B2 (en) * | 2008-02-22 | 2012-06-12 | Brooks Instruments, Llc | System and method for sensor thermal drift offset compensation |
-
2013
- 2013-09-17 RU RU2013142394/28A patent/RU2541723C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6470741B1 (en) * | 2000-06-23 | 2002-10-29 | Instrumentarium, Inc. | Hot wire anemometer gas flow sensor having improved operation and compensation |
US8197133B2 (en) * | 2008-02-22 | 2012-06-12 | Brooks Instruments, Llc | System and method for sensor thermal drift offset compensation |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
MD1023Z (en) * | 2015-11-09 | 2016-11-30 | Технический университет Молдовы | Device for measuring the parameters of sensors based on micro- and nanostructured semiconductor oxides |
MD1065Z (en) * | 2015-11-09 | 2017-03-31 | Технический университет Молдовы | Device and method for measuring the resistance of sensors based on nanostructured semiconductor oxides |
RU2645867C1 (en) * | 2016-11-30 | 2018-02-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Measuring bridge with increase speed of response |
RU2682924C1 (en) * | 2018-02-12 | 2019-03-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Low-frequencies filter with galvanic isolation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2541723C1 (en) | Precision analogue-digital interface for working with resistive micro- and nanospheres | |
Elster et al. | Analysis of dynamic measurements and determination of time-dependent measurement uncertainty using a second-order model | |
US10317291B2 (en) | Environmental sensor system and signal processor | |
JP2008515359A (en) | Unified analog input front-end apparatus and method | |
WO2006083325A1 (en) | Direct current offset cancellation and phase equalization for power metering devices | |
Kishore et al. | A dual-differential subtractor-based auto-nulling signal conditioning circuit for wide-range resistive sensors | |
CN108809271A (en) | A kind of alc circuit and radio-frequency signal source | |
CN108680616B (en) | Humidity sensing device and method for digital processing | |
Liu et al. | Accuracy improvement of impedance measurements by using the self-calibration | |
JP7407617B2 (en) | Acceleration measurement device and acceleration measurement method | |
Serov et al. | A research on the influence of non-ideal analog-to-digital converter on the measurement error of frequency | |
CN110006331B (en) | Wide-range high-precision static single-arm bridge resistance type strain measurement signal conditioning system | |
RU2699303C1 (en) | Bridge circuit imbalance voltage converter to frequency or duty ratio | |
Nash | Errors and Error Budget Analysis in Instrumentation Amplifier Applications | |
CN110672904A (en) | Resistance sensor measuring circuit for measuring weak signal | |
Serbanescu et al. | Smart-Sensing Interface for Chemo-Resistive Sensor Based on a Wheatstone Quarter-Bridge | |
CN212364401U (en) | Resistance sensor measuring circuit for measuring weak signal | |
US7548836B2 (en) | Method and apparatus for compensating for AC coupling errors in RMS measurements | |
RU2654905C1 (en) | Device for converting the resistance changes into voltage | |
RU2731033C1 (en) | Bridge-type pressure transducer | |
Pop | A digitally adjustable sensor signal conditioning circuit for low frequency operation | |
SU834714A1 (en) | Analogue integrator | |
Dumas et al. | A tracking converter for resistive sensors based on a feedback active bridge | |
Litovski | 6 Analog Computations | |
Serov | Application of the Quadrature Demodulation Technique for the Active Power in a Given Frequency Band Measurement |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150918 |