SU1656469A1 - Цифровой измерительный мост - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электроизмерени м и может быть использовано в цифровых тензометрических измерител х силы и давлени , в цифровых термометрах, фотометрах и т.д. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  за счет возможности компенсации нелинейности характеристик измерительных резисторов, повышени  разрешающей способность и уменьшени  погрешности дискретности преобразовател  В цифровой измерительный мост введены третий и четвертый изме рительные резисторы 12 и 13. усилительный блок 2, второй умножающий цифроаналого- вый преобразователь (УЦАП) 7, два масштабирующих резистора 4 и 5 и делитель 3 напр жени  Корректировка нелинейности характеристик резисторов с измерительного моста возможна благодар  тому, что св зь напр жени  на выходе УЦАП 7 и напр жени  на входе УЦАП 6 описываетс  функцией, имеющей квадратичную зависимость . В результате зависимость эквивалентного сопротивлени  (проводимости) от кода также имеет квадратичную зависимость , что дает возможность скомпенсировать квадратичную зависимость характеристики измерительного резистора (например, платинового термометра сопротивлени  14) 1 ил. (Л

Description

Изобретение относитс  к электроизмерени м и может найти применение, в частности , в цифровых тензометрических измерител х силы и давлени , в цифровых термометрах, фотометрах.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  за счет возможности цифрового преобразовани  с коррекцией нелинейности характеристик элементов измерительного моста, повышени  разрешающей способности и уменьшени  погрешности дискретности преобразовател .

На чертеже представлена функциональна  электрическа  схема цифрового измерительного моста.

Мост содержит измерительный рези- стивный мост 1, к одной из вершин измерительной диагонали которого подсоединен неинвертирующий вход усилительного блока 2, выход которого соединен с выводом делител  3 напр жени  а между выходом делител  3 и инвертирующим входом усилительного блока 2 включены масштабирующие резисторы 4 () и 5 (Rs) при этом между выходом делител  3 и средним выводом резисторов 4 и 5 подсоединены последовательно соединенные умножающие цифроаналоговые преобразователи 6 и 7. к измерительной диагонали моста 1 подсоединен компаратор 8 напр жений, выходы регистра счетчика 9 импульсов соединены с цифровыми входами преобразователей 6 и 7, а счетный вход счетчика 9 соединен с выходом блока 10 управлени  и синхронизации .

О

ел о о ю

Измерительный мост 1 состоит из четырех резисторов 11-14 (Rn-Ri4), часть из которых или все могут быть активными, т.е. измен ть свое сопротивление под действием некоторой физической величины.

Усилительный блок 2 реализован на операционном усилителе 15 и резисторе 16 обратной св зи.

Делитель 3 напр жени  выполнен на резисторах 17 (Riy) и 18 (Ria). Умножающие цифроаналоговые преобразователи б и 7 выполнены на базе кодоуправл емых рези- стивных матриц 19 и 20 с суммирующими усилител ми 21 и 22 соответственно. Существенно , что резисторы 23 и 24 могут вхо- дить в состав матриц 19 и 20.

К диагонали питани  измерительного моста 1 подключен источник 25 опорного напр жени .

Счетчик 9 имеет установочный вход, на который подаетс  сигнал Сброс.

Блок 10 управлени  и синхронизации представл ет собой по сути генератор тактовых импульсов и цифровой ключ, управл емый сигналом компаратора 8. Высокий уровень на выходе компаратора 8 разрешает прохождение импульсов на счетный вход счетчика 9.

Мост работает следующим образом.

Дл  работоспособности моста необхо- димо резисторы с положительным приращением сопротивлени  включать на место резисторов 11 и 14, а резисторы с отрицательным приращением сопротивлений - на место резисторов 12 и 13.

В исходном состо нии измерительный мост 1 разбалансирован за счет действи  внешних измер емых физических величин. На установочном входе счетчика 9 действует сигнал Сброс, а на выходе счетчика 9 установлен нулевой код. Сигнал разбаланса измерительного моста 1, действующий на входе компаратора 8, устанавливает на его выходе высокий (положительный) уровень, который запускает блок 10. Блок 10 начина- ет вырабатывать тактовые импульсы, поступающие на счетный вход счетчика 9.

Как только перестает действовать сигнал Сброс, начинаетс  процесс счета. В выходные регистры счетчика 9 поступают нарастающие цифровые коды, управл ющие коэффициентом передачи преобразователей 6 и 7. Одновременно эти коды поступают на выход устройства. При этом, эквивалентное сопротивление R3 между входом усилительного блока 2 и общей шиной уменьшаетс  (соответственно проводимость возрастает), чем и достигаетс  балансировка моста. В момент баланса измерительного моста 1,пол рность напр жени  на выходе компаратора 8 мен етс  скачком на противоположную. Блок 10 перестает пропускать тактовые импульсы на вход счетчика 9. и в его выходных регистрах устанавливаетс  устойчивое значение цифрового кода, однозначно св занное со значением относительного изменени  сопротивлений резисторов измерительного моста.

Уравнение баланса измерительного моста 1 имеет вид

Сэ Ri2 Rii/Ri3.(1)

гдеСэ 1/Ra эквивалентна  проводимость между неинвертирующим входом операционного усилител  15 и общей шиной устройства .

Важное практическое значение имеют следующие случаи.

R4 - . При этом, выражение дл  эквивалентной проводимости приобретает вид

G -М - В ° V 1

Э(

где Q - числовой эквивалент цифрового кода счетчика 9;

R5 Rl8

(2)

В

А

R5 R18 + R5-R17 + Rl7 Rl8 Rl7 Rl8

Rs-Ria + Rs-Ri7 + Выражение (2) получено в предположении , что входное сопротивление преобразовател  6 значительно превышает сопротивление резисторов 3, 17 и 18. Если это условие не выполн етс , то необходимо учитывать параллельное соединение входного сопротивлени  преобразовател  6 и резистора 18.

При имеем

Сэ mQ(1 +Rie/R4).„

Ru 1 -mQ2-(Ri6/R4) где m - коэффициент передачи делител  3.

Как видно из формул (1) и (3), в случае если измерительный резистор (например, резистор 11) имеет собственную нелинейность характеристики преобразовани , то выбором соответствующих значений сопротивлений 4, 5, 16-18 можно в значительной мере скомпенсировать эту нелинейность и получить линеаризованную зависимость выходного кода от измер емой физической величины. В частности, с помощью данного измерительного моста можно осуществить компенсацию нелинейности платинового термометра сопротивлени .

По принципу действи  преобразователь 6 должен инвертировать знак входного напр жени . Преобразователь 7 может быть применен как с инверсией, так и без инверсии знака входного напр жени . Выбор того или иного преобразовател  7 будет

определ ть знак коэффициентов перед членами высших пор дков в формулах (2) и (3). Приращение выходного кода, соответствующее малому относительному приращению сопротивлений измерительных резисторов моста даже при использовании стандартного двоим но го умножающего циф- роаналогового преобразовател  может быть сделано как угодно большим (не превышающим , естественно, максимального кода преобразовател ), что достигаетс  соответствующим выбором коэффициента делени  делител  напр жени .

Claims (1)

1. Формула изобретени  Цифровой измерительный мост, содержащий пэрг, ;й умножающий цифроанало- гпоыи преобразователь, цифройue управл ющие БХ-;ДЫ которого подключены к выходам сие :икэ и пульг,ов и  пл ютсч выходом мс.тэ. -чомплргмор напр жений, пер вый в л о г, которого соединен с общиг« выеодо последовательно соединенных пеового и второго измерительных резисторов , вторые выводы которых соединены соответственно с первым выводом источника опорного напр жени , второй вывод которого соединен с общей шиной и выходом первого умножающего цифроэнзлоговско преобразовател , г о и этсм выход компаратора напр жений соединен с входом управлени  блока упр,вл :ни  и синхронизации. выход которого соединен с входом сметчика импульсов, отличающийс  тем, что, с

   целью повышени  точности измерени . ;, него введены последовательно соединен ные третий и четвертый измеритель е ре з и с т о р ы, усилительный блок, второй

   умножающий цифроан логопый гоеоГфазп- ватель, два последовательно соединенных масштабирующих резистора и делитель напр жени , причом общий вывод соединени  третьего и четвертого измерительных резисторов подключен к второму входу компаратора напр жений вторые выводы этих резисторов соединены соответственно с первым и вторым выводами источник т опорного напр жени , первый вход употел.ноге блока соединен с первым входам омпараторэ напр жений, второй вход си- лительного блока соединен с вторым выво дом первого масштабирующего резистора 1 его выход соединен с первым входом делител  напр жени , второй Е)ХОД которого соединен с общей шиной -устройства, выход делител  напр жени  соединен с аналоговым входом первого умножающего цифроа налогового преобразовател  и вторым

   выводом второго масштабирующего рези стора, выход первого умножающего цифро- аналогового чреобраэоватеп  соединен с аналоговым входом второго умножающего цифроанэлогового преобразовател , выход

   которого соединен с общим выводом первого и второго масштабирующих резисторов, а цифровые входы - с выходами счетчика импульсов соответственно.

   Цифробой код Q