Устройство для измерения отношения аналоговых сигналов

 

Использование: изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения отношения двух аналоговых сигналов. Сущность изобретения: устройство для измерения отношения аналоговых сигналов содержит интегратор 1, выход которого соединен с первым входом компаратора 2, операционный усилитель 3, неинвертирующий вход которого соединен с выходом интегратора 1, вход установки которого соединен через аналоговый ключ 5 с выходом усилителя 3, блок управления (формирователь) 4, вход которого соединен с выходом компаратора 2, первый выход соединен с входом управления ключа 5, второй выход соединен с выходом устройства, входы интегратора 1 соединены с входными клеммами 6 и 7, вторые входы усилителя 3 и компаратора 2 соединены с входными клеммами 8 и 9 и образуют два дифференциальных входа устройства. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения отношения двух аналоговых сигналов.

Известен измеритель отношения напряжений (авт.св.СССР N 1265633, кл. G 01 R 19/10), содержащий операционный усилитель, аттенюатор, АЦП, перемножитель, пороговое устройство и устройство выделения модуля.

Данное устройство обеспечивает преобразование отношения входных напряжений в цифровой код, однако имеет низкую точность измерения, обусловленную использованием аналогового перемножителя двух сигналов, и низкую надежность вследствие значительной сложности устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения отношения аналоговых сигналов (авт.св. N 1051445, кл. G 01 R 19/10, G 06 G 7/16), содержащее интегратор, два компаратора, управляемый генератор экспоненциального напряжения и два ключа. Первый вход интегратора является первым входом устройства, второй вход соединен с вторым входом устройства через первый ключ, а выход - с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом другого компаратора, а выход является выходом устройства и соединен с управляющими входами двух ключей. Управляемый генератор включен между входом другого компаратора и первым выводом второго ключа, второй вывод которого соединен с общей шиной.

Недостатком устройства является узкий динамический диапазон, обусловленный тем, что для формирования выходного сигнала требуется формирование двух временных интервалов t_n и t_в, и сложность.

Кроме того, невозможность работы с входными дифференциальными напряжениями существенно сужает функциональные возможности устройства и область его применения.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и динамического диапазона и повышение надежности устройства за счет его упрощения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения отношения аналоговых сигналов, содержащее интегратор, первый вход которого является первым входом устройства, а выход соединен с первым входом компаратора, выход которого соединен с входом управления ключа, введены формирователь, включенный между выходом компаратора и входом управления ключа, первый вывод которого соединен с входом установки интегратора, второй вход которого является вторым входом устройства, усилитель, инвертирующий вход которого является третьим входом устройства, его неинвертирующий вход соединен с выходом интегратора, а выход усилителя соединен с вторым выводом ключа, второй вход компаратора является четвертым входом устройства.

Таким образом, отличительными от прототипа признаками являются: введение усилителя, что обеспечивает возможность работы устройства с дифференциальными входными сигналами; введение формирователя и включение ключа между выходом усилителя и входом установки интегратора позволяет осуществлять преобразование отношения двух напряжений в течение всего одного интервала времени, что повышает быстродействие и расширяет динамический диапазон устройства; соединение соответствующих входов усилителя, компаратора и интегратора с входами устройства повышает его входное сопротивление и обеспечивает работу с дифференциальными входными сигналами.

Кроме того, существенно повышена надежность устройства вследствие его упрощения за счет исключения ключа, генератора экспоненциального напряжения и компаратора.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 и 3 - возможные варианты осуществления.

Устройство для измерения отношения аналоговых сигналов содержит интегратор 1, компаратор 2, операционный усилитель 3, формирователь 4, управляющий работой ключа 5 и входы с первого по четвертый 6-9.

Первый вход интегратора 1 является входом 6 устройства, а выход интегратора 1 соединен с первым входом компаратора 2, выход которого соединен через формирователь 4 с входом управления ключа 5. Первый вывод ключа 5 соединен с входом установки интегратора 1, второй вход которого является вторым входом 7 устройства. Второй вывод ключа 5 соединен с выходом усилителя 3, инвертирующий вход которого является третьим входом 8 устройства, а неинвертирующий вход соединен с выходом интегратора 1. Второй вход компаратора 2 является четвертым входом 9 устройства.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии ключ 5 замкнут.

Операционный усилитель интегратора 1 образует отрицательную обратную связь, охватывающую усилитель 3. К входам 6-9 приложены напряжения U₁, U₂, U₃, U₄. При этом на выходе интегратора 1 устанавливается напряжение U₃. По сигналу формирователя 4 ключ 5 размыкается.

На выходе интегратора 1 напряжение U* изменяется в соответствии с выражением U^*= U₃- (U₁-U₂)dt, (1) где - постоянная времени интегратора 1, t_x - время разряда конденсатора интегратора 1, или при стабильных в течение цикла измерения значениях U₁ и U₂.

U^*= U₃- (U₁-U₂). (2) При U = U₄ происходит срабатывание компаратора 2. Выражение (2) принимает вид: U₄= U₃- (U₁-U₂). (3) При этом в течение времени t_x (от размыкания ключа 5 до срабатывания компаратора 2) напряжение на выходе интегратора 1 изменяется от U₃ до U₄ со скоростью, определяемой разностью напряжений U₁ - U₂. Выразив t_x из (3), получим, что t_x= . (4) Таким образом, фиксируемый интервал времени t_x есть функция отношения разности приложенных напряжений к входам устройства.

При срабатывании компаратора 2 на его выходе устанавливается, например, единичный уровень, по которому на выходе формирователя 4 формируется импульс установки, по которому происходит замыкание ключа 5 и приведение схемы в исходное состояние. На выходе интегратора 1 снова устанавливается напряжение U₃, на выходе компаратора 2 - логический нуль. По окончании импульса установки, при размыкании ключа 5, процесс измерения повторяется. Время выключенного состояния ключа 5 определяет искомое время t_x.

На принципиальной схеме устройства (см.фиг.2) формирователь 4 выполнен на одновибраторе с использованием D-триггера и двух элементов ИЛИ-НЕ. В качестве ключа 5 использована микросхема 590КН2 (открытое состояние ключа соответствует сигналу логического нуля на его управляющем входе). Параллельная RC-цепь 10 используется в качестве элемента коррекции при установке интегратора в исходное состояние. Формируемый интервал времени t_x определен выражением
t_x= RC , (U₂ и U₄ заданы равными нулю). (5)
При С = 0,1 мкФ; R = 10 кОм; U₃ = 0,2 В; U₁ = 10В; интервал t_x = 20 мс.

При С = 0,1 мкФ; R = 10 кOм; U₃ = 10В; U₁ = 0,2В; интервал t_x = 50 мс.

Таким образом, устройство по одному из своих дифференциальных входов имеет высокое исходное сопротивление, высокую точность измерения, так как коэффициент преобразования определяется значениями параметров всего двух элементов (резистор и конденсатор интегратора), повышенное быстродействие благодаря определению выходного параметра только по одному формируемому интервалу времени и вследствие этого имеет расширенные функциональные возможности и область применения. Существенно повышена надежность устройства благодаря его упрощению.

Целесообразным является использование устройства при измерении отношения сопротивлений резисторов при одном протекающем через них токе, в частности в измерителях температуры с помощью термометров сопротивления.

Следует отметить постоянство входного сопротивления по другому дифференциальному входу в течение всего цикла измерения.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения формирователя 4, при котором обеспечивается независимость периода Т_и следования выходных импульсов t_x от их длительности. Импульс установки t_y для замыкания ключа 5 формируется независимо от выходного импульса t_x устройства с помощью одновибратора на D-триггере Т, периодически запускаемого с частотой f_o= ; генератора тактовых импульсов ГТИ.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ, содержащее усилитель, инвертирующий вход которого соединен с одним из входов устройства, последовательно соединенные интегратор, компаратор и блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом ключа, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения с одновременным упрощением, неинвертирующий вход усилителя соединен с выходом интегратора, первый вход которого соединен с первым входом устройства, второй вход - с вторым входом устройства, вход установки соединен с первым выводом ключа, второй вывод которого соединен с выходом усилителя, второй вход компаратора соединен с четвертым входом устройства, второй выход блока управления соединен с выходом устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления содержит одновибратор на D-триггере и два элемента ИЛИ - НЕ, C-вход D-триггера соединен со входом блока и первым входом второго элемента ИЛИ - НЕ, выход которого соединен с первым выходом блока, второй вход соединен с вторым выходом блока и выходом первого элемента ИЛИ - НЕ, входы которого объединены и соединены с выходом D-триггера.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления содержит одновибратор на D-триггере, два элемента ИЛИ - НЕ и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с C-входом D-триггера, D-вход которого соединен с входом блока и первым входом второго элемента ИЛИ - НЕ, выход которого соединен с вторым выходом блока, второй вход соединен с выходом первого элемента ИЛИ - НЕ, входы которого объединены и соединены с выходом D-триггера и первым выходом блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3